本發明涉及水下避障，具體為一種無人船水下避障聲吶系統。

背景技術：

1、cn104730529a公開了一種水下智能避障聲吶系統與障礙物檢測方法，其聲吶系統包括聲波發射模塊、聲波接收模塊以及數據處理模塊，聲波發射模塊用于在水下發射指定形式的聲波信號；聲波接收模塊用于在水下接收指定形式的聲波信號；數據處理模塊用于對接收到的聲波信號進行處理，包括：構造回波信號的非線性特征，根據非線性特征抑制氣泡回波噪聲，以及檢測回波信號中的局部波峰，通過對局部波峰寬度的計算實現障礙物檢測，以此避免氣泡帶形成的避障聲吶的虛警問題。

2、現有的避障聲吶系統有著較大的質量和體積，并且發射機有著較大的功耗，而且在有些特殊環境之中抗干擾的能力比較低，在高頻回波信號中對mcu的采樣頻率有著較高的要求，此發射機大多數是由模擬電路生成通常以固定頻率發射聲波信號，無法實現頻率的靈活調整和調制，即一般發射cw信號，容易收到外部環境的干擾，分辨目標的距離具有一定的限制。因此現有的避障聲吶系統無法滿足不同環境的要求。

技術實現思路

1、針對現有技術中避障聲吶系統無法滿足不同環境的問題，本發明提供一種無人船水下避障聲吶系統。

2、本發明是通過以下技術方案來實現：

3、一種無人船水下避障聲吶系統，包括主控模塊、電源模塊、發射模塊、接收模塊、超聲換能器和電機模塊，所述電源模塊用于主控模塊、發射模塊和接收模塊提供電源，所述主控模塊的輸出端與發射模塊的輸入端連接，所述發射模塊的輸出端與超聲換能器的輸入端連接，超聲換能器的輸出端與接收模塊的輸入端連接，所述接收模塊的輸出端與主控模塊的輸入端連接；?所述電機模塊的輸入端與所述主控模塊電相連，所述電機模塊的輸出端與電機電相連，輸出特定的數字信號來控制電機的運行，所述電機模塊用于驅動超聲換能器進行角度調整和掃描活動。

4、優選的，所述主控模塊的輸出端還與發射模塊和接收模塊的輸入端連接，用于輸出控制波形和調控；所述主控模塊的輸入端還與發射模塊和接收模塊的輸出端連接，用于數據讀取。

5、優選的，所述發射模塊包括驅動電路模塊、開關放大模塊和匹配網絡模塊，所述驅動電路模塊與主控模塊電相連，所述驅動電路模塊用于將主控模塊發出的pwm脈沖波形轉換為相應的驅動波形；所述驅動電路模塊的輸出端與開關放大模塊的輸入端連接，所述開關放大模塊的輸出端與匹配網絡模塊的輸入端連接，所述匹配網絡模塊的輸出端與超聲換能器的輸入端連接；

6、所述開關放大模塊通過控制功率mosfet柵極交替導通，使儲能電源上的電荷以功率電流的形式經過變壓器的初級線圈感應產生功率輸出信號，完成功率放大的功能。

7、優選的，所述電機模塊包括磁編碼器模塊和電機驅動模塊，所述磁編碼器模塊與主控模塊通過iic協議進行通信，所述磁編碼器模塊通過iic協議向主控模塊發送電機旋轉角度信息；所述電機驅動模塊的輸入端與主控模塊電連接，所述電機驅動模塊的輸出端與電機電相連，所述電機驅動模塊收到主控模塊發出的信號，調整電機的旋轉角度、旋轉速度、運行模式以及復位情況。

8、優選的，所述接收模塊包括依次連接的固定增益模塊、tvg電壓補償模塊、混頻模塊、巴特沃斯低通濾波器模塊和電壓抬升模塊，所述超聲換能器的輸出端與固定增益模塊的輸入端連接，超聲換能器模塊用于向所述固定增益放大模塊提供回波信號，使回波信號的幅值得以相應的放大；所述tvg電壓補償模塊的輸入端與主控模塊的輸出端連接，所述主控模塊用于為tvg電壓補償模塊提供回波信號，所述固定增益放大模塊用于向tvg電壓補償模塊提供增益控制；所述混頻模塊的輸入端與主控模塊連接，所述主控模塊用于為混頻模塊提供回波信號，所述tvg電壓補償模塊用于向混頻模塊提供混頻信號，所述混頻模塊用于將回波信號和混頻信號整合產生一個低頻信號和一個高頻信號；所述巴特沃斯低通濾波器模塊用于去除掉混頻模塊所產生的高頻部分，且只保留低頻部分；所述電壓抬升模塊的輸出端與主控模塊的輸入端連接，所述巴特沃斯低通濾波器模塊用于向電壓抬升模塊提供回波信號，所述電壓抬升模塊用于將由巴特沃斯低通濾波器模塊收到的信號提升至主控模塊的采集范圍內。

9、優選的，tvg電壓補償單元包括歸一化處理模塊和可控增益模塊，歸一化處理模塊的輸入端和主控模塊的輸出端電連接，歸一化處理模塊的輸出端和可控增益模塊的輸入端電連接。

10、優選的，混頻模塊包括混頻單元和兩路巴特沃斯帶通濾波器，巴特沃斯帶通濾波器的輸入端和主控模塊的輸出端電連接，兩路巴特沃斯帶通濾波器的輸出端和混頻模塊的輸入端電連接。

11、優選的，所述電源模塊包括dc-dc電路模塊、ldo電路模塊和boost電路模塊；

12、所述dc-dc電路模塊用于將12v的電源降壓到+-5v，所述dc-dc電路模塊與接收模塊電相連，為接收模塊提供電源；

13、所述ldo電路模塊用于將5v降壓到3.3v，所述ldo電路模塊與主控模塊電相連，為主控模塊提供電源；

14、所述boost電路模塊用于將12v的電源升壓到48v，所述boost電路模塊與發射模塊電相連，為功率放大器模塊提供電源。

15、優選的，還包括圖像顯示模塊，圖像顯示模塊與主控模塊雙向連接，主控模塊將處理好的回波信號數據進行打包，通過以太網進行發送，通過圖像顯示技術得到完整的聲吶圖像，并通過以太網udp協議發送相關指令，對系統參數進行相應修改。

16、一種無人船水下避障聲吶系統使用方法，包括以下步驟：

17、步驟1，聲波的發射：主控模塊控制發射模塊產生兩路互補的波形脈沖信號傳遞至超聲換能器；同時，主控模塊控制電機模塊驅動超聲換能器以特定模式進行聲波發射；

18、步驟2，回波的接收：發射的聲波遇到障礙物后發生反射，反射回來的聲波由超聲換能器接收并轉換為電信號傳輸至接收模塊進行處理；

19、步驟3，信號處理：接收到的回波電信號經接收模塊進行處理，處理后的數據打包通過以太網tcp協議傳輸至上位機。

20、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

21、本發明一種無人船水下避障聲吶系統通過基于d類功放的發射機、低采樣率、高信噪比的優勢，從而滿足用戶不同環境的多樣化需求。發射模塊產生大功率的調頻信號輸出給換能器負載并且此時電機驅動模塊和編碼器模塊也在工作，實現聲波信號的360度發射，換能器負載在接收到回波信號后，通過接收模塊的固定增益、tvg電壓補償單元實現回波信號的放大，通過混頻模塊對實部虛部進行分離，并通過巴特沃斯低通濾波器進行低頻信號分離，主控模塊對回波信號采集，并在主控模塊中實現匹配濾波，提高信噪比，將數據打包發送給圖像顯示模塊，在圖像顯示模塊進行數據解析并通過相應算法對聲吶圖像進行顯示。因此，本發明實施例提供的無人船水下避障聲吶系統提供的發射模塊、接收模塊和主控模塊使得發射單元獲得更高的效率轉換，更低的發射模塊的體積，接收模塊的實用使得主控模塊可以在較低采樣率的情況下獲得回波信號，進而降低主控模塊的計算壓力，并且接收模塊將回波信號進行實部和虛部的分離，主控模塊可以實現匹配濾波從而使回波信號達到更高的信噪比，從而滿足用戶不同環境的多樣化需求。

22、進一步的，固定增益放大模塊負責放大微弱的回波信號，以便后續采集和處理。tvg電壓補償模塊通過可控增益補償聲波在水中傳播過程中受到的混響、水吸收和體積擴張等因素的衰減。混頻模塊利用主控模塊提供的和波形與增益放大后的回波信號進行混頻，產生實部信號和虛部信號，這些信號在頻域上呈現出低頻和高頻共存的特性，為后續主控模塊的處理提供基礎。巴特沃斯低通濾波器模塊用于處理混頻后的信號，去除高頻部分，保留低頻部分，從而降低主控模塊的采樣率。電壓抬升模塊則將回波信號的幅度提升至主控模塊的采集范圍內，實現對回波信號的有效采集。

23、進一步的，混頻模塊通過主控模塊提供的和波形分別與增益放大后的回波信號進行混頻，得到一個實部信號一個虛部信號，此外實部信號和虛部信號在頻域上表現為低頻和高頻共存的狀態，為之后在主控模塊處理提供了基礎。

24、進一步的，電機驅動模塊和磁編碼器模塊，通過主控模塊與電機模塊和磁編碼器模塊的互相通信，實現了對電機的控制和當前信息的獲取。

25、進一步的，主控模塊通過以太網的udp協議發送打包好的數據，圖像顯示模塊對數據包進行解析，得到相應的處理好的回波數據進行實時圖像顯示，得到實時的聲吶圖像，主控模塊收到打包數據并通過解析對系統的參數進行修改。