一种应答式声信标的制作方法

本实用新型涉及一种应答式声信标，可以直接替换飞机黑匣子上使用的声信标，也可以安装在水下机器人等其他水下目标上，用于对这些水下目标进行定位或测量其运动轨迹，属于水下目标定位技术领域。

背景技术：

在航海航运、海上工程施工、科学考察、航空航天等多种行业领域的作业过程中，很可能发生人员或设备落水的意外情况，需要进行搜救，或者进行水下试验，需要对水下机器人等水下目标进行探测。通常的做法是在水下目标上安装一只声信标，比如飞机黑匣子上就安装了一只声信标，如果飞机黑匣子落入水下，信标探测设备通过接收声信标发射的脉冲声信号，就能测量出飞机黑匣子相对于信标探测设备的距离和方位。

目前飞机黑匣子上安装的声信标都是按固定的周期主动发射脉冲声信号，信标探测设备通常采用被动声纳的方式探测这种常规声信标的距离和方位，被动声纳比较容易准确地测量到该声信标的方位，但要准确测量到该声信标的距离，通常要采用尺寸巨大的长基线换能器基阵才能实现，这在工程实施上有很大难度，因此大多数信标探测设备只能测量常规声信标的方位，不能测量常规声信标的距离。此外，由于常规声信标是按固定的周期主动发射脉冲声信号，为了保证声信标在水下长时间持续工作，在声信标体积受限，内置电池容量受限的情况下，只能降低发射脉冲声信号的声源级。通常，飞机黑匣子上使用的常规声信标执行的标准是持续工作时间不少于30天，发射声源级不低于160 分贝，160分贝声源级对应的声功率只有0.1瓦左右，发射声功率很低，导致信标探测设备难以在较远的距离上探测到声信标。要提高信标探测的作用距离，最有效的方法就是提高声信标的发射声源级，对于常规声信标而言，提高发射声源级就会增加声信标的功耗，从而缩短声信标的持续工作时间，因此常规信标不宜采用提高发射声源级的方式来提高作用距离。

应答式声信标的工作方式不同于常规声信标，应答式声信标不按固定的周期主动发射脉冲声信号，而是处于接收状态，信标探测设备在进行信标探测时，向声场中发射规定制式的探测声信号，应答式声信标只有接收到规定制式的探测声信号时，才发射应答声信号，信标探测设备接收到该应答声信号后，就能根据应答声信号与探测声信号之间的延迟时间，精确计算出声信标与探测设备之间的距离。由于应答式声信标处于接收状态下的功耗远低于常规声信标的平均功耗，因此，如果采用相同容量的内置电池，应答式声信标的工作时间大大长于常规声信标的工作时间。此外，只有当信标探测设备与应答式声信标之间的距离小于信标探测设备的作用距离时，应答式声信标才能接收到探测设备发射的探测声信号，才会发射应答声信号，探测设备只要接收到一个有效的应答声信号，就能准确测量出声信标的距离和方位。由上可知，应答式声信标在整个工作过程中，主要是处于低功耗的接收状态，只需很短的时间处于发射应答声信号的状态，就能完成水下目标定位的功能。因此，对于飞机黑匣子水下定位用途，提高应答式声信标的发射声源级，几乎不会影响声信标在水下的持续工作时间，可以采用提高发射声源级的方式来提高作用距离。

目前国外已经有类似的应答式声信标产品，但其外形尺寸都远大于飞机黑匣子上使用的常规声信标，不能直接进行替换，也不能用于一些安装尺寸受限的水下目标上。为了满足飞机黑匣子等安装尺寸受限的产品的使用需求，需要将应答式声信标的外形尺寸变小，但目前已有的应答信标存在电路设计复杂、功率消耗大，导致电池和电路板的体积较大，无法直接将外形尺寸缩小到与飞机黑匣子上使用的常规信标相当。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提出一种水下应答式声信标，在保持其外形尺寸与飞机黑匣子上使用的常规信标的外形尺寸相当的前提下，将信标声源级由常规信标的160分贝提高到172分贝以上,可直接适用于飞机黑匣子,大幅提高在水下探测飞机黑匣子的作用距离。

本实用新型采用的技术方案为：一种水下应答式声信标，包括壳体(5)，壳体(5)上设置有入水检测开关电极(3)，壳体(5)内设置有PCB电路板 (7)及收发合置换能器(8)；所述PCB电路板(7)与应答式声信标的轴线相平行，该PCB电路板(7)与所述收发合置换能器(8)电气连接，在该PCB 电路板(7)上焊接电子元件(6)和电池(9)，其中，所述电子元件(6)集中焊接在PCB电路板(7)上部，电池(9)焊接在PCB电路板(7)下部；所述电子元件(6)包括信号调理电路(11)、信号处理单片机(13)、功率放大电路(15)，信号处理单片机(13)内集成A/D采集电路(12)和信号发生电路(14)，信号处理单片机(13)内运行信号处理软件，所述信号处理软件控制信号处理单片机(13)启动所述信号发生电路(14)，所述信号处理单片机 (13)是一低功耗单片机。

进一步地，所述PCB电路板(7)通过入水检测开关电极(3)固定在壳体 (5)的上端部。

进一步地，所述收发合置换能器(8)采用圆管形压电陶瓷构成，压电陶瓷外直径为φ30mm～φ32mm，壁厚为1.2mm～1.5mm，高度为18mm～20mm。

进一步地，所述信号调理电路(11)采用窄带滤波放大电路，其电路形式由2级运算放大器组成的窄带滤波器串联而成，所述运算放大器选用MAX474 低功耗双运算放大器芯片。

进一步地，信号处理单片机(13)是MSP430型低功耗单片机。

进一步地，所述入水检测开关电极(3)与壳体(5)之间设置绝缘垫片(4)。

进一步地，所述壳体(5)为圆管形的金属壳体。

进一步地，所述电池(9)为一次性锂电池，电池电压为3.6V，容量为1200mAh。

本实用新型一种应答式声信标的工作原理如下：应答式声信标装配完成后，可以安装在飞机黑匣子等需要被探测的水下目标上，应答信标入水后，入水检测开关电极(3)与水接触后立即导通，电池(9)开始为应答信标供电，应答式声信标处于接收工作状态。当需要探测水下目标的位置时，利用信标探测设备向水中发射规定制式的探测声信号，应答信标接收到规定制式的探测声信号，就会立即发射一个应答脉冲声信号，信标探测设备接收到该应答脉冲声信号后，就能测量出水下目标的距离和方位。

具体流程为：应答式声信标入水后，入水检测开关电极(3)立即导通，电池(9)开始供电，使声信标内部电路上电工作，声信标处于接收工作状态。当需要探测水下目标的位置时，利用信标探测设备向水中发射规定制式的探测声信号，一旦收发合置换能器(8)接收到该规定制式的探测声信号，就将其转换为电信号，电信号经过信号调理电路(11)放大和滤波后，送到A/D采集电路 (12)进行信号采集，A/D采集电路(12)采集到的数据送入信号处理单片机 (13)。信号处理单片机(13)内运行着一个信号处理软件，信号处理软件的功能是判断A/D采集电路(12)采集到的数据是否是规定制式的探测声信号，当确认是规定制式的探测声信号时，信号处理单片机(13)启动信号发生电路，输出一个应答脉冲信号，应答脉冲信号经过功率放大电路(15)放大后，驱动收发合置换能器(8)发射一个应答脉冲声信号。信标探测设备接收到该应答脉冲声信号后，就能测量出水下目标的距离和方位。

本实用新型与现有技术相比所产生的有益效果是：

1、采用低功耗单片机完成信号采集、信号检测、信号应答的功能，简化了电路、降低了功率消耗；同时使用低功耗的双运算放大器完成信号放大及滤波，进一步降低了功率消耗。

2、在电路布局上进行了优化，采用电路板与应答信标轴线平行放置的方式，并将电子元件及内置电池全部焊接在电路板上，提高了空间利用率，大幅减小电路板尺寸及内置电池的体积，从而将应答信标的外形尺寸缩小到与飞机黑匣子上使用的常规信标相当。

3、在不增加平均功耗的前提下，可将飞机黑匣子声信标的声源级由160分贝提高到172分贝以上，从而提高声信标的探测距离，便于对其进行精确定位。

附图说明

图1：本实用新型多信号格式声信标的装配示意图。

图2：本实用新型多信号格式声信标的组成原理框图。

图中：1-上端盖；2-环氧树脂胶水；3-入水检测开关电极；4-绝缘垫片；5- 壳体；6-电子元件；7-PCB电路板；8-收发合置换能器；9-电池；10-下端盖； 11-信号调理电路；12-A/D采集电路；13-信号处理单片机；14-信号发生电路； 15-功率放大电路。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围不局限于所述内容。

如图1、图2所示，本实用新型多信号格式声信标壳体5为圆管形的金属壳体，外径约为φ34mm、壁厚约为1mm、高度约为80mm，壳体5的上下两端分别装有上端盖1和下端盖10，壳体5上设置有入水检测开关电极3，壳体 5内设置有PCB电路板7及收发合置换能器8，在收发合置换能器8的内壁焊一根导线，导线的另一头焊接在PCB电路板7的对应焊接点上，使收发合置换能器8与PCB电路板7实现电气连接。

所述PCB电路板7为长方形板，与应答式声信标的轴线相平行设置，通过入水检测开关电极3固定在壳体5的上端部。PCB电路板7上面焊接连接电子元件6和电池9，其中电子元件6集中焊接在PCB电路板7上部，电池9焊接在PCB电路板7下部。

所述收发合置换能器8为一只圆管形压电陶瓷，压电陶瓷的材料选用P-4 型，压电陶瓷外径约为φ32mm、壁厚约为1.5mm、高度约为20mm。信标探测设备发射的探测声信号透过壳体5作用到收发合置换能器8上，进而触发应答式声信标发射一个应答脉冲声信，而收发合置换能器8上发射的应答脉冲声信号也可以透过壳体5发送到声场中。

所述电子元件6包括信号调理电路11、信号处理单片机13、功率放大电路 15，信号处理单片机13内集成A/D采集电路12和信号发生电路14，信号处理单片机13内运行信号处理软件，所述信号处理软件控制信号处理单片机13启动所述信号发生电路14。

所述信号调理电路11采用通用的窄带滤波放大电路，电路形式可由2级运算放大器组成的窄带滤波器串联而成，运算放大器可选用MAX474低功耗双运算放大器芯片。

所述信号处理单片机13选用MSP430型低功耗单片机，单片机内集成了 12位A/D转换器和16位可编程计数器，供电电压为2.7V～3.6V，可以用一节 3.6V的锂电池进行供电。

为了简化电路，A/D采集电路12使用MSP430F133信号处理信号处理单片机13内置的12位A/D转换器，用于对设置信标格式的声信号指令进行信号采集。同时，信号发生电路14使用MSP430F133信号处理信号处理单片机13 内置的16位可编程计数器来编程实现。

所述功率放大电路15采用谐振放大电路形式，主要由一只N沟道场效应管和一只输出变压器组成，N沟道场效应管的型号为AO3400。

所述入水检测开关电极3由一只P沟道场效应管和入水检测电极组成，P 沟道场效应管的型号为AO3401，入水检测电极由一根不锈钢螺钉构成，该不锈钢螺钉安装在所述上端盖1上，除了用作入水检测电极外，还起到固定PCB 电路板7的作用。在所述入水检测开关电极3与上端盖1之间设置绝缘垫片4，使入水检测开关电极3与上端盖1之间保持电气绝缘。

所述电池9为锂电池，选用一只ER14250大容量的一次性锂电池，电池电压为3.6V，容量为1200mAh。

本实用新型的装配方法为：

用环氧树脂胶水将收发合置换能器8粘接在壳体5的内壁，将电子元件6 和电池9焊接在PCB电路板7上，再利用入水检测开关电极3将PCB电路板 7及绝缘垫片4安装在上端盖1上，并用环氧树脂胶水2将入水检测开关电极3 粘接牢固。将组装好的PCB电路板7及上端盖1放入壳体5内，并用环氧树脂胶水2将上端盖1与壳体5粘接牢固。在收发合置换能器8的内壁焊一根导线，导线的另一头焊接在PCB电路板7的对应焊接点上，使收发合置换能器8与 PCB电路板7实现电气连接。将下端盖10盖入金属壳体5上，并用环氧树脂胶水2粘接牢固，确保金属壳体5内部水密。

本实用新型多信号格式声信标的外形尺寸与飞机黑匣子上使用的声信标相似，可以直接替换这类声信标。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，仍然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。