一种水平鸟声学接收模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种水平鸟声学接收模块，包括：声学信号接收单元和声学换能器；所述声学信号接收单元包括：数字信号处理器DSP接收电路，和所述声学换能器相连；通讯控制电路，和所述水平鸟中的通讯线圈相连，并与所述DSP接收电路进行交互；所述声学换能器包括：压电陶瓷球壳，内外表面涂有电极，在厚度方向极化；线路引出端，用于输出所述压电陶瓷球壳产生的声学信号。本发明适用于采集拖缆线阵的水平控制装置，其结构简单、工作可靠、适合海洋作业环境。
【专利说明】一种水平鸟声学接收模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及勘探领域，尤其涉及一种水平鸟声学接收模块。
【背景技术】
[0002]海洋地震勘探通常是通过人工激发地震波，由拖曳在物探船后面的数条装有检波器的采集拖缆接收地层反射波。高效的物探采集船可以拖动12?16条间距在50?100米的采集拖缆进行作业。在拖缆前端使用单翼偏斜板来帮助保持拖缆间距，拖缆后面用水平鸟(又可称为水平控制装置)来控制。水平鸟声学接收换能器是水平鸟的关键组成部分，主要完成水平鸟全网声学定位的功能。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种适用于采集拖缆线阵的水平控制装置的声学接收模块，其结构简单、工作可靠、适合海洋作业环境。
[0004]为了解决上述问题，本发明提供了一种水平鸟声学接收模块，包括:
[0005]声学信号接收单兀和声学换能器；
[0006]所述声学信号接收单元包括:
[0007]数字信号处理器DSP接收电路，和所述声学换能器相连；
[0008]通讯控制电路，和所述水平鸟中的通讯线圈相连，并与所述DSP接收电路进行交互；
[0009]所述声学换能器包括:
[0010]压电陶瓷球壳，内外表面涂有电极，在厚度方向(半径方向)极化；
[0011]线路引出端，用于输出所述压电陶瓷球壳产生的声学信号。
[0012]可选地，所述通讯控制电路包括:
[0013]主控模块电路、电源管理电路、和频移键控FSK通讯模块电路；
[0014]所述主控模块电路用于进行通讯协议交互，数据转换，工作时序管理及电源管理；当声学信号接收单元未工作时，主控模块电路处于低功耗待机监听状态，并指示所述电源管理电路切断声学信号接收单元中FSK通讯模块电路及DSP接收电路的工作电源；当接收到上位机的工作指令后，指示所述电源管理电路恢复供电；
[0015]所述FSK通讯模块电路用于将下发的FSK调制信号解调成所述主控模块电路能够识别的协议指令发送给所述主控模块电路；并将主控模块电路上传的协议数据转换成FSK调制信号送入物理信道。
[0016]可选地，所述FSK通讯模块电路包括:
[0017]微控制单元MCU、FSK信号接收电路、FSK信号发送电路；
[0018]所述MCU用于进行FSK信号的调制解调；
[0019]所述FSK信号接收电路包括依次相连的:第一信号放大电路、信号滤波电路及混频电路、低通滤波器；[0020]所述FSK信号发送电路包括:第二信号放大电路、功率放大电路及谐振电路；所述第二信号放大电路由运放构成，将从所述MCU接收的信号进行放大；放大后的信号经过所述功率放大电路驱动所述谐振电路，产生FSK调制输出信号，发送给所述通讯线圈。
[0021]可选地，所述第一信号放大电路总放大倍数为1000倍，通过三级各10倍的放大电路完成；
[0022]所述混频电路通过模拟开关将接收的FSK调制信号和20kHz的方波信号进行混频；
[0023]所述低通滤波器的截止频率为15KHz ；
[0024]所述信号滤波电路由一级低通滤波器和一级高通滤波器构成；低通滤波器的截止频率为40kHz，包括两阶的切比雪夫滤波器及多端反馈低通滤波器电路；高通滤波器的截止频率为17kHz，包括两阶的切比雪夫滤波器及多端反馈高通滤波器电路。
[0025]可选地，所述DSP接收电路包括:
[0026]声学信号接收预处理模块电路，用于对所述声学换能器输出的声学信号进行滤波和放大；
[0027]DSP信号处理模块电路，用于根据声学信号接收预处理模块电路输出的信号进行延时计算，将结果输出给所述主控模块电路。
[0028]可选地，所述声学信号接收预处理模块电路包括:
[0029]第一级信号放大电路，用于对所述声学换能器输出的声学信号进行放大；
[0030]低通滤波器，用于对所述第一级信号放大电路输出的信号进行低通滤波；
[0031]第二级信号放大电路，对低通滤波后的信号进行放大；
[0032]高通滤波器，用于对所述第二级信号放大电路输出的信号进行高通滤波；
[0033]第三级信号放大电路，对高通滤波后的信号进行放大；
[0034]采集信号缓冲器，用于对所述第三级信号放大电路输出的信号进行缓冲并输出给所述DSP信号处理模块电路。
[0035]可选地，所述第一、二、三级信号放大电路由低功耗，低噪声的运算放大器构成，第一级信号放大电路的放大倍数设置为50倍；第二级和第三级信号放大电路的放大倍数各设置为10倍；
[0036]所述低通滤波器的截止频率为100kHz，包括四阶切比雪夫滤波器和多端反馈低通滤波器电路；所述高通滤波器的截止频率为50kHz，包括四阶切比雪夫滤波器和多端反馈高通滤波器电路。
[0037]可选地，所述DSP信号处理模块电路包括:
[0038]DSP,复杂可编程逻辑器件CPLD，闪存和模数转换器；
[0039]所述DSP完成复位和软件初始化后，通过串行外设接口通知所述主控模块电路，并下载测试配置数据；当接收到所述主控模块电路的测试命令后，根据工作时序采集所述声学信号接收预处理模块电路输出的信号，将采集的信号采用匹配滤波算法进行计算，得到相应的信号延时，然后通过所述模数转换器得到延时计算结果，回送给所述主控模块电路；
[0040]所述CPLD用于分频得到所述模数转换器的数据转换时钟，以及转换闪存页地址；
[0041]所述闪存用于保存信号样本。[0042]可选地，所述模数转换器选用24位信噪比转换器，控制接口包括数据转换时钟接口，数据传输时钟接口，数据传输接口 ；其中所述数据转换时钟接口与所述CPLD相连，所述数据传输时钟接口和数据传输接口与所述DSP相连。
[0043]本发明的技术方案中，声学换能器采用压电陶瓷球壳设计，采用新的设计和工艺实现了声学换能器的宽带工作，结构合理，制作工艺先进，各项水声性能满足技术指标要求。本发明的声学接收模块采用模块化的思想，模块每个部分具有独立功能，可独立调试和维修。每个模块部分都由软件系统和硬件电路相结合的方式完成。其中硬件电路结构简单明了，易于维修。软件系统思路清晰，易于修改，软件功能的强大，大大的减少了硬件电路的复杂程度。同时，考虑到整个系统对功耗的要求，在每个模块的设计中，均采用低功耗的元器件，并通过软件的控制，将模块空闲时的电源切断或进入休眠模式，从而使该模块功耗降为最低。本发明结构简单、工作可靠、适合海洋作业环境；能够有效完成水平鸟全网声学定位的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]图1为实施例一的水平鸟声学接收模块的示意框图；
[0045]图2为实施例一中通讯控制电路的示意框图；
[0046]图3为实施例一中FSK通讯模块电路的示意框图；
[0047]图4为实施例一中声学信号接收预处理模块电路的示意框图；
[0048]图5为实施例一中DSP信号处理模块电路的不意框图。
【具体实施方式】
[0049]下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。
[0050]需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0051]实施例一、一种水平鸟声学接收模块，如图1所不，包括:
[0052]声学信号接收单元；
[0053]声学换能器，包括:
[0054]压电陶瓷球壳，内外表面涂有电极，在厚度方向(半径方向)极化；
[0055]线路引出端，用于输出所述压电陶瓷球壳产生的声学信号。
[0056]水平鸟声学接收模块作为水平鸟的一部分，主要用于接收声学鸟的声波信息并测距，完成水平鸟全网声学定位的功能。该模块的上述两个部分结合共同完成了水平鸟的声学定位。
[0057]本实施例中，所述声学单元可以但不限于通过硫化橡胶或灌注聚氨酯密封，形成直筒形状；所述线路引出端位于该直筒的一端，可以为金属结构件，通过O型圈与电子线路部分的金属骨架密封在一起。
[0058]本实施例中，所述声学换能器采用压电陶瓷球壳的设计方案，主要利用径向压电陶瓷球薄壳的径向震动模态进行工作。压电陶瓷球壳是声学换能器的核心部分。
[0059]由于压电陶瓷薄球壳是径向极化，在空气中作谐和振动，所以得到球壳径向谐振频率:
[0060]
【权利要求】
1.一种水平鸟声学接收模块，其特征在于，包括: 声学信号接收单元和声学换能器； 所述声学信号接收单元包括: 数字信号处理器DSP接收电路，和所述声学换能器相连； 通讯控制电路，和所述水平鸟中的通讯线圈相连，并与所述DSP接收电路进行交互； 所述声学换能器包括: 压电陶瓷球壳，内外表面涂有电极，在厚度方向极化； 线路引出端，用于输出所述压电陶瓷球壳产生的声学信号。
2.如权利要求1所述的声学接收模块，其特征在于，所述通讯控制电路包括: 主控模块电路、电源管理电路、和频移键控FSK通讯模块电路； 所述主控模块电路用于进行通讯协议交互，数据转换，工作时序管理及电源管理；当声学信号接收单元未工作时，主控模块电路处于低功耗待机监听状态，并指示所述电源管理电路切断声学信号接收单元中FSK通讯模块电路及DSP接收电路的工作电源；当接收到上位机的工作指令后，指示所述电源管理电路恢复供电； 所述FSK通讯模块电路用于将下发的FSK调制信号解调成所述主控模块电路能够识别的协议指令发送给所述主 控模块电路；并将主控模块电路上传的协议数据转换成FSK调制信号送入物理信道。
3.如权利要求2所述的声学接收模块，其特征在于，所述FSK通讯模块电路包括: 微控制单元MCU、FSK信号接收电路、FSK信号发送电路； 所述MCU用于进行FSK信号的调制解调； 所述FSK信号接收电路包括依次相连的:第一信号放大电路、信号滤波电路及混频电路、低通滤波器； 所述FSK信号发送电路包括:第二信号放大电路、功率放大电路及谐振电路；所述第二信号放大电路由运放构成，将从所述MCU接收的信号进行放大；放大后的信号经过所述功率放大电路驱动所述谐振电路，产生FSK调制输出信号，发送给所述通讯线圈。
4.如权利要求3所述的声学接收模块，其特征在于: 所述第一信号放大电路总放大倍数为1000倍，通过三级各10倍的放大电路完成； 所述混频电路通过模拟开关将接收的FSK调制信号和20kHz的方波信号进行混频； 所述低通滤波器的截止频率为15KHz ； 所述信号滤波电路由一级低通滤波器和一级高通滤波器构成；低通滤波器的截止频率为40kHz，包括两阶的切比雪夫滤波器及多端反馈低通滤波器电路；高通滤波器的截止频率为17kHz，包括两阶的切比雪夫滤波器及多端反馈高通滤波器电路。
5.如权利要求2所述的声学接收模块，其特征在于，所述DSP接收电路包括: 声学信号接收预处理模块电路，用于对所述声学换能器输出的声学信号进行滤波和放大； DSP信号处理模块电路，用于根据声学信号接收预处理模块电路输出的信号进行延时计算，将结果输出给所述主控模块电路。
6.如权利要求5所述的声学接收模块，其特征在于，所述声学信号接收预处理模块电路包括:第一级信号放大电路，用于对所述声学换能器输出的声学信号进行放大； 低通滤波器，用于对所述第一级信号放大电路输出的信号进行低通滤波； 第二级信号放大电路，对低通滤波后的信号进行放大； 高通滤波器，用于对所述第二级信号放大电路输出的信号进行高通滤波； 第三级信号放大电路，对高通滤波后的信号进行放大； 采集信号缓冲器，用于对所述第三级信号放大电路输出的信号进行缓冲并输出给所述DSP信号处理模块电路。
7.如权利要求6所述的声学接收模块，其特征在于: 所述第一、二、三级信号放大电路由低功耗，低噪声的运算放大器构成，第一级信号放大电路的放大倍数设置为50倍；第二级和第三级信号放大电路的放大倍数各设置为10倍; 所述低通滤波器的截止频率为100kHz，包括四阶切比雪夫滤波器和多端反馈低通滤波器电路；所述高通滤波器的截止频率为50kHz，包括四阶切比雪夫滤波器和多端反馈高通滤波器电路。
8.如权利要求7所述的声学接收模块，其特征在于，所述DSP信号处理模块电路包括: DSP，复杂可编程逻辑器件CPLD，闪存和模数转换器；所述DSP完成复位和软件初始化后，通过串行外设接口通知所述主控模块电路，并下载测试配置数据；当接收到所述主控模块电路的测试命令后，根据工作时序采集所述声学信号接收预处理模块电路输出的信号，将采集的信号采用匹配滤波算法进行计算，得到相应的信号延时，然后通过所述模数转换器得到延时计算结果，回送给所述主控模块电路；所述CPLD用于分频得到所述模数转换器的数据转换时钟，以及转换闪存页地址； 所述闪存用于保存信号样本。
9.如权利要求8所述的声学接收模块，其特征在于: 所述模数转换器选用24位信噪比转换器，控制接口包括数据转换时钟接口，数据传输时钟接口，数据传输接口 ；其中所述数据转换时钟接口与所述CPLD相连，所述数据传输时钟接口和数据传输接口与所述DSP相连。
【文档编号】G01V1/38GK103760605SQ201410020020
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】康真威, 段瑞芳, 阮福明, 黄德友, 蒋国军, 张海峰, 杨策, 高少波, 苏妍, 谢民, 肖仁彪, 朱耀强, 曹占全 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油田服务股份有限公司, 杭州瑞利声电技术公司