專利名稱：水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，特別涉及可用于各種江河和渡場(chǎng)的工程偵察，獲取地形、江河水深、流速、河床斷面探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
人類在爭(zhēng)取生存和改善生活的實(shí)踐中，逐漸認(rèn)識(shí)到水的重要性。在傳統(tǒng)的原始觀測(cè)和定性描述不能滿足社會(huì)發(fā)展的情況下，促進(jìn)了水文研究領(lǐng)域的發(fā)展。隨著水文研究的深入不斷的涌現(xiàn)出各種水文測(cè)量設(shè)備，為水文測(cè)量與研究提供了必要的條件，推動(dòng)了水文科學(xué)的進(jìn)步。傳統(tǒng)的水文測(cè)量探測(cè)裝置是運(yùn)用實(shí)地觀測(cè)，運(yùn)用水位觀測(cè)中的傳統(tǒng)水尺和曲線模擬等自記水位計(jì)的觀測(cè)方法，采用穿孔紙帶和磁帶記錄方法。應(yīng)用電子編碼技術(shù)和固體電路貯存數(shù)據(jù)，經(jīng)過通訊系統(tǒng)自動(dòng)可把水深，流速，河床底層等數(shù)據(jù)通過有線或無線傳輸至遠(yuǎn)程異地控制平臺(tái)，進(jìn)行資料匯總、整理、分析，為水文現(xiàn)象的定量研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了必要條件。然而水文現(xiàn)象復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的水文測(cè)量探測(cè)裝置局限于體形過于龐大，耗時(shí)長(zhǎng)， 費(fèi)用過高，功能單一，發(fā)生故障難以排除，隨著生產(chǎn)生活的需要傳統(tǒng)的水文測(cè)量探測(cè)裝置已不適應(yīng)于社會(huì)飛速發(fā)展的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型就是鑒于上述問題而完成的，其目的是在于提供一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，該裝置作為一種水文測(cè)量工具，既能應(yīng)用于軍事偵查又能應(yīng)用于民事測(cè)量，通過輔助器材的組裝配合，利用其小巧輕便，便于攜帶的特點(diǎn)，靈活機(jī)動(dòng)的應(yīng)用于水文測(cè)量作業(yè)中，有效提高水文作業(yè)的工作效率。一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，其特征在于包括數(shù)據(jù)處理模塊；電子羅盤；相控陣換能器陣列；收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊；相控發(fā)射模塊；相控接收模塊；數(shù)據(jù)采集模塊；和所述數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中，數(shù)據(jù)處理模塊經(jīng)由總線與其它模塊連接。通過數(shù)據(jù)總線與其他各模塊相連接以對(duì)上述其他各模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行控制并收集上述其他各模塊的數(shù)據(jù)的、采用微處理器的數(shù)據(jù)處理模塊；獲得測(cè)量設(shè)備的當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)并傳遞給上述數(shù)據(jù)處理模塊的電子羅盤；相控陣換能器陣列；能夠通過時(shí)序控制轉(zhuǎn)換為接收的收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊；經(jīng)由上述收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊并利用上述相控陣換能器陣列向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射超聲波的上述相控發(fā)射模塊；用于上述收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊接收返回波的相控接收模塊；用于收集接收到的返回波的、并在收集后發(fā)送至上述數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)采集模塊；和將由上述數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行了處理后的數(shù)據(jù)傳送至外部操作控制裝置中進(jìn)行計(jì)算和顯示的上述數(shù)據(jù)傳輸模塊。根據(jù)本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，其中，上述數(shù)據(jù)處理模塊采用TI的 TMS320C6000 系列 DSP 芯片。本水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置主要利用相控陣聲納測(cè)深、水聲多普勒測(cè)速，并利用嵌入式軟硬件技術(shù)和高速DSP信號(hào)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水深、流速、河幅、坡度、位置信息的快速測(cè)量。此外，運(yùn)用系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析處理，自動(dòng)繪制河床斷面圖，形成完整的水文信息數(shù)據(jù)報(bào)告。本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置是基于傳統(tǒng)的水文測(cè)量探測(cè)裝置而設(shè)計(jì)出的可自由拆裝，功能齊全，便于攜帶的水文綜合測(cè)量工具，其通過輔助器材的組裝配合而形成的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，利用相控陣聲納測(cè)深、水聲多普勒測(cè)速及嵌入式軟硬件技術(shù)和高速DSP信號(hào)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水深、流速信息的快速測(cè)量，運(yùn)用系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析處理，直接剖析河床底層，自動(dòng)繪制河床斷面圖，完成圖象顯示，形成完整的水文信息數(shù)據(jù)報(bào)告。對(duì)數(shù)據(jù)的存貯、檢索、處理和分配十分方便。有效的節(jié)省了水文預(yù)報(bào)和計(jì)算的中轉(zhuǎn)時(shí)間，為提高水文資料的精度，增長(zhǎng)水文預(yù)報(bào)的有效預(yù)見期創(chuàng)造了條件。該實(shí)用新型的出現(xiàn)為海洋和湖泊測(cè)繪帶來一次技術(shù)革命，為江河、水庫、湖泊、海洋水下地形測(cè)繪，提防護(hù)岸，港口、大壩監(jiān)測(cè)，海底電纜、管線、隧道以及沉船、水下物體打撈搜尋等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的組成框圖。圖2為表示本實(shí)用新型水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的前視圖。圖3為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的側(cè)視圖。圖4為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。圖5為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的相控發(fā)射模塊的組成框圖。圖6為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的相控接收模塊的組成框圖。附圖標(biāo)記說明1-相控陣換能器陣列；2-收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊；3-相控發(fā)射模塊；4-數(shù)據(jù)處理模塊； 5-電子羅盤；6-數(shù)據(jù)傳輸模塊；7-相控接收模塊；8-數(shù)據(jù)采集模塊；9-電池；10-信號(hào)發(fā)生器；11-光電隔離裝置；12-信號(hào)驅(qū)動(dòng)器；13-開關(guān)功放裝置；14-輸出變壓器；15-選頻/ 匹配器；16-收發(fā)轉(zhuǎn)換器；17-相控陣換能器陣列；18-脈寬控制器列；19-多路回波信號(hào)； 20-前置放大器；21-自動(dòng)增益控制裝置；22-濾波電路；23-電源開關(guān)；24-12芯外部操作控制裝置通訊/充電插座；25-聲學(xué)換能器；26-掛耳。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖對(duì)本實(shí)用新型一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖1為表示本實(shí)用新型一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的組成框圖。本實(shí)用新型一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置由相控陣換能器陣列1、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊2、 相控發(fā)射模塊3、相控接收模塊7、數(shù)據(jù)采集模塊8、數(shù)據(jù)處理模塊4、數(shù)據(jù)傳輸模塊6、電子羅盤5和電池9等組成。其中，數(shù)據(jù)處理模塊4作為核心部件用于控制各模塊的工作狀態(tài)并收集各模塊的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊4通過數(shù)據(jù)總線與各模塊相連接。數(shù)據(jù)處理模塊4經(jīng)由電子羅盤經(jīng)5 獲得測(cè)量設(shè)備的當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊4經(jīng)由相控發(fā)射模塊3發(fā)射電波；相控發(fā)射模塊3經(jīng)由與之相連接的收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊2，利用相控陣換能器陣列1向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射超聲波；再通過時(shí)序控制收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊2在發(fā)射后轉(zhuǎn)換為接收并經(jīng)由相控接受模塊7接收返回波；將接收到的返回波通過數(shù)據(jù)采集模塊8收集后發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊4 ；數(shù)據(jù)處理模塊 4將收集后的數(shù)據(jù)濾波整理后經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊6傳送至水上的操作控制裝置中進(jìn)行計(jì)算和顯示。電池9為測(cè)量探測(cè)提供工作時(shí)的電力。本測(cè)量探測(cè)裝置主要利用超聲波相控陣技術(shù)來實(shí)現(xiàn)完成水流速和水深的測(cè)量。圖2、3、4分別為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的正視圖、側(cè)視圖和外觀圖。數(shù)據(jù)采集模塊8采用AD公司的高速A/D設(shè)計(jì)了一個(gè)8通道14位A/D轉(zhuǎn)換電路， 能夠高速、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊4采用TI的TMS320C6000系列DSP芯片，其內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字 (VLIff)體系結(jié)構(gòu)，有8個(gè)功能單元、23個(gè)13bit通用寄存器。一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力可達(dá)到4800MIPS (每秒百萬條指令)，支持8/16/184bit的數(shù)據(jù)類型。由于采用了新型芯片制造工藝，I/O電壓為14V，內(nèi)核電壓僅為1. 2V。當(dāng)時(shí)鐘頻率為600MHz時(shí)， DSP的最大功耗小于1. 6W。數(shù)據(jù)傳輸模塊6完成本測(cè)量探測(cè)裝置和操作控制裝置的數(shù)據(jù)通信，針對(duì)作業(yè)環(huán)境以及可能采用不同類型的測(cè)量載體，設(shè)計(jì)了有線與無線兩種傳輸方式。在有線傳輸受限的情況下，可以通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)本測(cè)量探測(cè)裝置的作業(yè)環(huán)境要求，整體造型采用了簡(jiǎn)潔的流線型。本測(cè)量探測(cè)裝置的充電器使用llV、50Hz交流電源。充電步驟將本測(cè)量探測(cè)裝置的12芯外部操作控制裝置通訊/充電插座M與本測(cè)量探測(cè)裝置的充電器的12芯充電插頭連接，連接時(shí)插頭和插座的紅色定位點(diǎn)應(yīng)對(duì)正，連接完成后接通充電器電源，充電器電源指示燈LEDl為紅色，充電器充電指示燈LED2為淺紅色。充電數(shù)小時(shí)后，當(dāng)充電指示燈LED2變?yōu)榫G色時(shí)，表示電池已充滿。本測(cè)量探測(cè)裝置與操作控制裝置的連接本測(cè)量探測(cè)裝置與操作控制裝置的連接包括有線連接和無線連接兩種方式，推薦使用有線連接方式。有線連接方式用通訊電纜連接操作控制裝置和本測(cè)量探測(cè)裝置，通訊電纜的9芯插頭連接操作控制裝置的9芯測(cè)量探測(cè)裝置通訊插座，通訊電纜的12芯插頭連接本測(cè)量探測(cè)裝置的12 芯外部操作控制裝置通訊/充電插座對(duì)，連接時(shí)插頭和插座的紅色定位點(diǎn)應(yīng)對(duì)正，連接完成。無線連接方式，將無線傳輸組件與本測(cè)量探測(cè)裝置的12芯外部操作控制裝置通訊/充電插座M連接，系統(tǒng)即進(jìn)入無線連接方式。圖5為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的相控發(fā)射模塊3的組成框圖。本實(shí)用新型一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的相控發(fā)射模塊3包括信號(hào)發(fā)生器10、光電隔離裝置11、信號(hào)驅(qū)動(dòng)器12、開關(guān)功放裝置13、輸出變壓器14、選頻/匹配器15、收發(fā)轉(zhuǎn)換器16、相控陣換能陣列17。超聲相控陣技術(shù)是通過控制換能器陣列中的各陣元的激勵(lì)(或接收)脈沖的延遲時(shí)間，改變由各陣元發(fā)射(或接收)超聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系，達(dá)到波束聚焦和偏轉(zhuǎn)的效果。相控陣換能器陣列中有近千個(gè)換能器按半波長(zhǎng)間隔均勻布放在一個(gè)圓形平面內(nèi)，利用相控陣換能器陣列17所產(chǎn)生的柵瓣的條件對(duì)所有換能器進(jìn)行分組，以相控陣換能器陣列17中心的那一組為基準(zhǔn)組，將每一組中相對(duì)位置相同的換能器與基準(zhǔn)組中的相對(duì)換能器進(jìn)行并聯(lián)，形成多路換能器，通過對(duì)多路換能器組的發(fā)射、接收信號(hào)的相位和幅度控制，實(shí)現(xiàn)4個(gè)相控發(fā)射波束和接收波束。相控發(fā)射模塊3接收由發(fā)射信號(hào)源產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)并發(fā)射包絡(luò)信號(hào)，發(fā)射信號(hào)包含寬帶信號(hào)和窄帶信號(hào)，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換形成可驅(qū)動(dòng)功放管的發(fā)射信號(hào)，開關(guān)功放裝置13工作在開關(guān)放大狀態(tài)，開關(guān)功放裝置13輸出連接輸出變壓器14，形成發(fā)射大功率信號(hào)，分別通過選頻/匹配網(wǎng)絡(luò)和二極管將發(fā)射大功率信號(hào)加到相控?fù)Q能器陣列17上。圖6為表示本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的相控接收模塊7的組成框圖。本實(shí)用新型一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的相控接收模塊7包括前置放大器20、自動(dòng)增益控制裝置21、濾波電路22和脈寬控制器列18。相控接收模塊7主要完成對(duì)回波信號(hào)的波束合成。超聲相控陣換能器接收到的回波信號(hào)一般為毫伏級(jí)，無法給高速A/D轉(zhuǎn)換器提供合適的輸入信號(hào)，在超聲相控陣接收系統(tǒng)的前端必須把微弱的回波信號(hào)用前置放大器20進(jìn)行相應(yīng)的放大，再經(jīng)脈寬控制器列18 由自動(dòng)增益控制裝置21進(jìn)行增益補(bǔ)償后再進(jìn)行濾波。此后的信號(hào)將由數(shù)據(jù)處理模塊4處理。本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置采用相控陣聲納測(cè)深，相控陣聲納測(cè)深即多波束測(cè)深是一種能夠一次給出與航向垂直的剖面內(nèi)幾十個(gè)甚至上百個(gè)水下測(cè)點(diǎn)水深值的測(cè)量方法。與傳統(tǒng)的單波束測(cè)深比較，多波束具有測(cè)量范圍更廣、速度更快、精度更高、記錄數(shù)字化以及成圖自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，它把測(cè)深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測(cè)深和自動(dòng)成圖，從而把水下地形測(cè)量提升到更高的水平，有利人們更直觀、客觀的研究水下世界。本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置是基于傳統(tǒng)的水文測(cè)量探測(cè)裝置而設(shè)計(jì)出的可自由拆裝，功能齊全，便于攜帶的水文綜合測(cè)量工具，其通過輔助器材的組裝配合而形成的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，利用相控陣聲納測(cè)深、水聲多普勒測(cè)速及嵌入式軟硬件技術(shù)和高速DSP信號(hào)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水深、流速、河床底層信息的快速測(cè)量，運(yùn)用系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析處理，直接剖析河床底層，把采集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線兩種傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(在有線傳輸受限的情況下可以通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸) 至其輔助裝置一種水文綜合測(cè)量控制裝置中，自動(dòng)繪制河床斷面圖，完成圖象顯示，形成完整的水文信息數(shù)據(jù)報(bào)告。有效的節(jié)省了水文預(yù)報(bào)和計(jì)算的中轉(zhuǎn)時(shí)間，為提高水文資料的精度，增長(zhǎng)水文預(yù)報(bào)的有效預(yù)見期創(chuàng)造了條件。
權(quán)利要求1.一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，其特征在于包括數(shù)據(jù)處理模塊；電子羅盤；相控陣換能器陣列；收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊；相控發(fā)射模塊；相控接收模塊；數(shù)據(jù)采集模塊；和所述數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中，數(shù)據(jù)處理模塊經(jīng)由總線與其它模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理模塊采用TI 的TMS320C6000系列DSP芯片。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置。該水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置的特征在于，包括由微處理器構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊、相控陣換能器陣列、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、相控發(fā)射模塊、相控接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電子羅盤經(jīng)。本實(shí)用新型的水文綜合測(cè)量探測(cè)裝置主要利用相控陣聲納測(cè)深、水聲多普勒測(cè)速，并利用嵌入式軟硬件技術(shù)和高速DSP信號(hào)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水深、流速、河幅、坡度、位置信息的快速測(cè)量。此外，運(yùn)用系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合分析處理，自動(dòng)繪制河床斷面圖，形成完整的水文信息數(shù)據(jù)報(bào)告。
文檔編號(hào)G01C7/00GK202126261SQ201120252069
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者房勇 申請(qǐng)人:北京航天福道高技術(shù)股份有限公司