一种多方位扫描网位仪.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104062662 A (43)申请公布日 2014.09.24 CN 104062662 A (21)申请号 201410314360.9 (22)申请日 2014.07.03 G01S 15/88(2006.01) G01S 15/96(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街 145 号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人 周天 李海森 陈宝伟 魏玉阔 徐超 朱建军 杜伟东 (54) 发明名称 一种多方位扫描网位仪 (57) 摘要 本发明提供了一种多方位扫描网位仪。包括 水上显示控制分。

2、机、 水下分机、 换能器阵列组以及 连接水上分机和水下分机的电缆。水上显示控制 分机包括控制计算机、 显示器、 电源 ； 水下分机包 括电源变换系统、 多通道信号产生系统、 多通道发 射系统、 多通道信号调理系统、 信号采集和处理控 制系统、 收发切换开关 ； 换能器阵列组包括向上 探测换能器、 向下探测换能器、 向前探测换能器阵 列、 圆周探测发射接收阵列。本发明利用扫描不 同方位的换能器阵列组合， 采用超声波作为探测 载体， 结合先进的信号处理技术， 能够准确测量鱼 群、 渔网和水下地形等多种信息。 可广泛用于远洋 渔业生产、 海洋渔业资源调查和湖泊江河捕捞作 业等众多应用场合。 (51)。

3、Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104062662 A CN 104062662 A 1/3 页 2 1. 一种多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 包括水上显示控制分机 (1)、 水下分机 (2)、 换能 器阵列组 (3)、 连接水上分机和水下分机的电缆， 其中， 水下分机 (2) 和换能器阵列组 (3) 通过螺丝固定连接， 其特征在于水上显示控制分机 (1) 由控制计算机 (4)、 电源 (5) 和显示 器 (6) 组成 ； 水下分机 (。

4、2) 由电源变换系统 (7)、 多通道信号产生系统 (8)、 多通道发射系 统 (9)、 多通道信号调理系统 (10)、 信号采集和处理控制系统 (11) 以及收发切换开关 (36) 组成 ； 换能器阵列组 (3) 由向上探测单通道收发合置换能器 (12)、 向下探测单通道收发合 置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14)、 圆周探测多通道圆环发射阵列 (15)、 圆周探测多通道圆环接收阵列 (16) 组成， 其中， 控制计算机 (4) 和显示器 (6) 电信号 连接 ； 控制计算机 (4)、 第一电缆 (17) 与信号采集和处理控制系统 (11) 相互电信号连接 ； 电。

5、源 (5)、 第二电缆 (18) 与电源变换系统 (7) 依次电信号连接 ； 电源变换系统 (7) 分别和 多通道信号产生系统 (8)、 多通道发射系统 (9)、 多通道信号调理系统 (10)、 信号采集和处 理控制系统 (11) 电信号连接 ； 信号采集和处理控制系统 (11)、 多通道信号产生系统 (8)、 多通道发射系统 (9)、 收发切换开关 (36) 依次电信号连接 ； 收发切换开关 (36) 分别和换能 器阵列组 (3) 中的向上探测单通道收发合置换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14) 相互电信号连接 ； 多通道发射。

6、系统 (9) 和 圆周探测多通道圆环发射阵列 (15) 电信号连接 ； 收发切换开关 (36)、 多通道信号调理系统 (10)、 信号采集和处理控制系统(11)依次电信号连接 ； 多通道信号调理系统(10)和圆周探 测多通道圆环接收阵列 (16) 电信号连接。 2. 如权利要求 1 所述的多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 信号采集和处理控制系统 (11) 由模数转换器组 (27)、 FPGA 控制器 (28)、 ARM 控制器 (29)、 网络接口芯片 (30)、 数模转换 器 (31)、 温度传感器 (32)、 压力传感器 (33)、 温度和压力信息采集单元 (34) 和姿态传感器 (35)。

7、 组成， 其中， 模数转换器组 (27) 和 FPGA 控制器 (28) 电信号连接 ； FPGA 控制器 (28) 和 ARM 控制器 (29) 相互电信号连接 ； ARM 控制器 (29) 和网络接口芯片 (30) 相互电信号连接 ； 网络接口 (30) 和水上显示控制分机 (1) 中的控制计算机 (4) 相互电信号连接 ； FPGA 控制 器(28)、 数模转换器(31)和多通道信号调理系统(10)中的可变增益放大器组(24)电信号 连接 ； 温度传感器 (32)、 温度和压力信息采集单元 (34)、 ARM 控制器 (29) 依次电信号连接 ； 压力传感器 (33)、 温度和压力信息采。

8、集单元 (34)、 ARM 控制器 (29) 依次电信号连接 ； 姿态 传感器 (35) 和 ARM 控制器 (29) 依次电信号连接 ； 信号采集和处理控制系统 (11) 中的 ARM 控制器 (29) 是整个水下分机 (2) 的控制核心， 其控制网络接口芯片 (30) 接收水上显示控 制分机 (1) 的系统工作参数， 并将与发射相关的参数通过 UART 接口传送至 FPGA(19)， 并控 制 FPGA(19) 的开始工作和结束工作 ； 将探测距离参数通过 UART 接口传送至 FPGA(28)， 并 响应 FPGA(28) 发出的中断信号， 通过外部总线接口接收 FPGA(28) 处理后。

9、的目标信息探测 结果 ； 控制温度压力采集单元 (34) 采集温度传感器 (32) 信息和压力传感器 (33) 信息 ； 通 过 UART 接口采集姿态传感器 (35) 信息 ； 最终将所有信息按照规定的数据格式通过控制网 络接口芯片 (30)， 将数据上传至控制计算机 (4) 存储并通过显示器 (6) 显示 ； 信号采集和 处理控制系统 (11) 中的 FPGA(28) 是水下分机 (2) 的计算核心， 其接收 ARM 控制器 (29) 传 来的探测距离参数产生水下分机工作的同步信号， 控制系统的发射， 并根据探测距离参数 控制对目标回波信号的采集长度 ； 控制模数转换器组 (27) 依次采。

10、集与发射信号对应的、 经 过多通道信号调理系统 (10) 的电信号， 将模拟信号转换成数字信号， 并运用波束形成算法 权 利 要 求 书 CN 104062662 A 2 2/3 页 3 在预定方向上形成接收波束， 向 ARM 控制器 (29) 发送中断信号将处理后的数据传送至 ARM 控制器 (29) ； 按照预定的时变增益控制曲线产生 TVG 增益码值， 通过控制数模转换器 (31) 将增益码值转换成模拟信号控制多通道信号调理系统(10)中的可变增益放大器组(24)对 接收信号进行变放大量放大 ； 控制多通道信号调理系统 (10) 中的模拟开关组 (22)， 选择圆 周探测多通道圆环接收阵。

11、列 (16) 的不同的部分通道。 3. 如权利要求 1 所述的多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 多通道信号调理系统 (10) 由 依次电信号连接的模拟开关组 (22)、 带通滤波器组 (23)、 可变增益放大器组 (24)、 带通滤 波器组 (25) 和固定增益放大器组 (26) 组成 ； 多通道信号调理系统 (10) 中的可变增益放 大器组 (24) 接收数模转换器 (27) 送出的 TVG 增益码， 将输入的小信号按要求的放大量放 大， 使放大后的信号在不限幅的前提下更有利于后续的采集和处理 ； 带通滤波器组 (23) 和 (25) 滤除叠加于接收信号中的噪声， 提高信噪比 ； 固定增益放。

12、大器组 (26) 是一个固定增益 达 40dB 的放大器组， 进一步放大信号 ； 模拟开关组 (22) 根据 FPGA(28) 送出的模拟开关选 通码， 选择圆周探测多通道圆环接收阵列 (16) 的不同的部分通道， 简化了多通道信号调理 系统 (10) 和信号采集和处理控制系统 (11) 中模数转换器组 (27) 的电路规模， 并降低了 FPGA(28) 的运算量。 4. 如权利要求 1 所述的多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 在于换能器阵列组 (3) 中的圆 周探测多通道圆环接收阵列 (16) 和模拟开关组 (22) 电信号连接 ； 换能器阵列组 (3) 中的 向上探测单通道收发合置换能器(。

13、12)和向下探测单通道收发合置换能器(13)由平面陶瓷 片组成， 形成 10 10的收、 发指向性 ； 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14) 由 8 条陶瓷窄条晶片拼接组成， 形成 10 10的收、 发指向性 ； 圆周探测多通道圆环发射阵 列 (15) 和圆周探测多通道圆环接收阵列 (16) 由均布于圆环形衬底上的 60 个陶瓷窄条晶 片拼接组成， 形成 36 30的收、 发指向性。 5. 如权利要求 1 所述的多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 控制计算机 (4) 上运行多方位 扫描网位仪的显示控制软件， 该显示控制软件通过第一电缆(17)向水下分机(2)发送系统 工作参数信息， 其中包。

14、括 ： 开始工作命令、 停止工作命令、 探测信号发射功率、 探测信号脉冲 宽度和探测距离 ； 控制计算机(4)能够实时接收和存储水下分机(2)上传的水下环境信息， 其中包括 ： 渔网网口形状、 渔网距离水底的距离、 渔网上方和前方的目标信息 ( 鱼群或障碍 物 )、 水下分机的姿态、 渔网所在位置水温和压力信息 ； 并将这些信息显示在显示器 (6) 上。 6. 如权利要求 1 所述的多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 多通道信号产生系统 (8) 利用 其中的 FPGA 控制器 (19) 接收信号采集和处理控制系统 (11) 转发的探测信号参数命令， 包括脉冲宽度和发射功率， 并根据信号采集和处理。

15、系统 (11) 中的 FPGA(28) 产生的系统的 同步信号， 产生多通道脉冲方波信号， 脉冲信号通过多通道发射系统 (9) 中功率放大器组 (20) 的放大， 经过收发切换开关 (36) 依次驱动换能器阵列组 (3) 中的向上探测单通道收 发合置换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能 器阵列 (14) 以及圆周探测多通道圆环发射阵列 (15) 发射出去 ； 在功率放大器组 (20) 和 向上探测单通道收发合置换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多 通道收发合置换能器阵列(14)以及圆周探测多通道圆环发射阵列。

16、(15)之间还有阻抗匹配 器组 (21)， 其功能就是利用匹配电感与向上探测单通道收发合置换能器 (12)、 向下探测单 通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14) 以及圆周探测多通 权 利 要 求 书 CN 104062662 A 3 3/3 页 4 道圆环发射阵列 (15) 进行很好的匹配， 从而得到更高的电 - 声转换效率 ； 多通道信号产生 系统 (8) 依次产生频率为 100 千赫兹的单通道 CW 脉冲、 频率为 100 千赫兹的 8 通道 CW 脉 冲、 频率为 100 千赫兹的单通道 CW 脉冲以及频率为 180kHz 的多通道 CW 脉冲， 通过。

17、多通道 信号发射系统 (9) 放大， 分别经由换能器阵列组 (3) 中的向上探测单通道收发合置换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14) 以 及圆周探测多通道圆环发射阵列 (15) 把电信号转换成声信号发射到水中传送出去， 发射 出去的声波经由目标反射 ( 散射 ) 回来， 换能器阵列组 (3) 中的向上探测单通道收发合置 换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14) 以及圆周探测多通道圆环接收阵列 (16) 把接收到的声信号转换为电信号， 经过多通 道信号调理系统 (10。

18、) 进行滤波、 固定放大和时变放大等调理， 继而将调理后的信号送至信 号采集和处理控制系统 (11) 中的模数转换器组 (27) 将模拟信号转换成数字信号， 对该数 字信号处理提取有用信息， 将该信息和 ARM 控制器 (29) 所采集的姿态、 温度和压力信息组 合打包， 通过网络接口芯片 (30) 上传至控制计算机 (4) 进行存储并送至显示器 (6) 实时显 示 ； 水下分机 (2) 完成相关信息的采集和解算后， 上传至控制计算机 (4) 进行存储， 并送至 显示器 (5) 上进行实时显示。 7. 如权利要求 1 所述的多方位扫描网位仪， 其特征是 ： 多方位扫描网位仪安装在作业 渔网中间。

19、， 用第一电缆 (17) 将水上显示控制分机 (1) 中的控制计算机 (4) 和水下分机中的 信号采集和处理控制系统 (11) 连接， 并用第二电缆 (18) 将水上显示控制分机 (1) 中的电 源 (5) 和水下分机中的供电系统 (7) 连接 ； 作业时， 上电启动多方位扫描网位仪， 打开运行 于控制计算机 (4) 中的实时显示控制软件， 设置探测信号发射功率、 探测信号脉冲宽度和 探测距离等工作参数并下传至水下分机 (2) 后， 向水下分机 (2) 发送开始工作命令 , 启动 系统开始工作。 权 利 要 求 书 CN 104062662 A 4 1/6 页 5 一种多方位扫描网位仪 技术领。

20、域 0001 本发明涉及的是一种获取水下鱼群、 渔网和水底地形地貌等多种信息的网位仪。 背景技术 0002 在现代渔业捕捞中， 仅依靠长期积累的捕捞经验已经严重制约捕捞效率， 越来越 多的渔业生产作业船上装备了现代化的助渔设备， 网位仪就是其中最重要的设备之一。网 位仪可以同时获取水下鱼群、 渔网和水底地形地貌等多种信息， 从而为安全准确的捕捞提 供重要参考依据。 0003 国外早期的网位仪是拖在渔船的后面， 通过水下的换能器分别探测渔网距离水面 和水底的情况， 并将探测结果通过水上的探针设备打在记录纸上。 这种设备结构复杂， 并且 由于渔船作业环境恶劣， 这种机械记录设备很容易损坏， 而且不。

21、能实时的记录渔网的状态 和渔网内及渔网周围的鱼群的信息， 因此以其指导捕捞依然具有盲目性。 0004 随着我国海洋战略的提出， 渔业生产得到了飞速的发展， 但是我国的渔民严重缺 乏现代化的助渔设备， 很大程度上还是依靠经验来进行捕捞， 因此常常出现我国渔船跟在 国外先进渔船后面进行作业的情况。虽然我国也有少量渔船装备了一些助渔设备， 但大多 都是国外淘汰产品， 性能落后， 只有极少数渔船装备了国外先进助渔设备， 但是这类设备进 口和维护的成本太大， 而且这些技术都长期被渔业生产发达国家所垄断， 不利于我国自己 的海洋产业的长远发展。种种事实表明我国渔业生产、 保护和渔业资源调查对具有完全自 主。

22、知识产权的高性能网位仪设备的强烈需求。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种成本底、 效率高、 性能稳定的多方位扫描网位仪。 0006 本发明的目的是这样实现的 ： 0007 包括水上显示控制分机 (1)、 水下分机 (2)、 换能器阵列组 (3)、 连接水上分机和水 下分机的电缆(17)和(18)， 其中， 水下分机(2)和换能器阵列组(3)通过螺丝固定连接 ； 水 上显示控制分机 (1) 由控制计算机 (4)、 电源 (5) 和显示器 (6) 组成 ； 水下分机 (2) 由电源 变换系统 (7)、 多通道信号产生系统 (8)、 多通道发射系统 (9)、 多通道信号调理系统 (10)、。

23、 信号采集和处理控制系统 (11) 以及收发切换开关 (36) 组成 ； 换能器阵列组 (3) 由向上探 测单通道收发合置换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收 发合置换能器阵列 (14)、 圆周探测多通道圆环发射阵列 (15)、 圆周探测多通道圆环接收阵 列 (16) 组成， 其中， 控制计算机 (4) 和显示器 (6) 电信号连接 ； 控制计算机 (4)、 电缆 (17) 与信号采集和处理控制系统 (11) 相互电信号连接 ； 电源 (5)、 电缆 (18) 与电源变换系统 (7) 依次电信号连接 ； 电源变换系统 (7) 分别和多通道信号产生系统 。

24、(8)、 多通道发射系统 (9)、 多通道信号调理系统 (10)、 信号采集和处理控制系统 (11) 电信号连接 ； 信号采集和处 理控制系统 (11)、 多通道信号产生系统 (8)、 多通道发射系统 (9)、 收发切换开关 (36) 依次 电信号连接 ； 收发切换开关 (36) 分别和换能器阵列组 (3) 中的向上探测单通道收发合置 说 明 书 CN 104062662 A 5 2/6 页 6 换能器 (12)、 向下探测单通道收发合置换能器 (13)、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 (14) 相互电信号连接 ； 多通道发射系统 (9) 和圆周探测多通道圆环发射阵列 (15) 电信号 连。

25、接 ； 收发切换开关 (36)、 多通道信号调理系统 (10)、 信号采集和处理控制系统 (11) 依次 电信号连接 ； 多通道信号调理系统(10)和圆周探测多通道圆环接收阵列(16)电信号连接。 0008 本发明还可以包括 ： 0009 1、 信号采集和处理控制系统 11 由模数转换器组 27、 FPGA 控制器 28、 ARM 控制器 29、 网络接口芯片 30、 数模转换器 31、 温度传感器 32、 压力传感器 33、 温度和压力信息采集 单元 34 和姿态传感器 35 组成， 其中， 模数转换器组 27 和 FPGA 控制器 28 电信号连接 ； FPGA 控制器28和ARM控制器2。

26、9相互电信号连接 ； ARM控制器29和网络接口芯片30相互电信号 连接 ； 网络接口 30 和水上显示控制分机 1 中的控制计算机 4 相互电信号连接 ； FPGA 控制器 28、 数模转换器 31 和多通道信号调理系统 10 中的可变增益放大器组 24 电信号连接 ； 温度 传感器32、 温度和压力信息采集单元34、 ARM控制器29依次电信号连接 ； 压力传感器33、 温 度和压力信息采集单元34、 ARM控制器29依次电信号连接 ； 姿态传感器35和ARM控制器29 依次电信号连接。信号采集和处理控制系统 11 中的 ARM 控制器 29 是整个水下分机 2 的控 制核心， 其控制网络。

27、接口芯片 30 接收水上显示控制分机 1 的系统工作参数， 并将与发射相 关的参数通过 UART 接口传送至 FPGA19， 并控制 FPGA19 的开始工作和结束工作 ； 将探测距 离参数通过UART接口传送至FPGA28， 并响应FPGA28发出的中断信号， 通过外部总线接口接 收FPGA28处理后的目标信息探测结果 ； 控制温度压力采集单元34采集温度传感器32信息 和压力传感器 33 信息 ； 通过 UART 接口采集姿态传感器 35 信息 ； 最终将所有信息按照规定 的数据格式通过控制网络接口芯片 30， 将数据上传至控制计算机 4 存储并通过显示器 6 显 示 ； 信号采集和处理控。

28、制系统 11 中的 FPGA28 是水下分机 2 的计算核心， 其接收 ARM 控制器 29 传来的探测距离参数产生水下分机工作的同步信号， 控制系统的发射， 并根据探测距离 参数控制对目标回波信号的采集长度 ； 控制模数转换器组 27 依次采集与发射信号对应的、 经过多通道信号调理系统 10 的电信号， 将模拟信号转换成数字信号， 并运用波束形成算法 在预定方向上形成接收波束， 向 ARM 控制器 29 发送中断信号将处理后的数据传送至 ARM 控 制器 29 ； 按照预定的时变增益控制曲线产生 TVG 增益码值， 通过控制数模转换器 31 将增益 码值转换成模拟信号控制多通道信号调理系统1。

29、0中的可变增益放大器组24对接收信号进 行变放大量放大 ； 控制多通道信号调理系统 10 中的模拟开关组 22， 选择圆周探测多通道圆 环接收阵列 16 的不同的部分通道。 0010 2、 多通道信号调理系统10由依次电信号连接的模拟开关组22、 带通滤波器组23、 可变增益放大器组24、 带通滤波器组25和固定增益放大器组26组成。 多通道信号调理系统 10 中的可变增益放大器组 24 接收数模转换器 27 送出的 TVG 增益码， 将输入的小信号按要 求的放大量放大， 使放大后的信号在不限幅的前提下更有利于后续的采集和处理。带通滤 波器组 23 和 25 滤除叠加于接收信号中的噪声， 提高。

30、信噪比 ； 固定增益放大器组 26 是一个 固定增益达 40dB 的放大器组， 进一步放大信号 ； 模拟开关组 22 根据 FPGA28 送出的模拟开 关选通码， 选择圆周探测多通道圆环接收阵列 16 的不同的部分通道， 简化了多通道信号调 理系统10和信号采集和处理控制系统11中模数转换器组27的电路规模， 并降低了FPGA28 的运算量。 0011 3、 换能器阵列组 3 中的圆周探测多通道圆环接收阵列 16 和模拟开关组 22 电信号 说 明 书 CN 104062662 A 6 3/6 页 7 连接 ； 换能器阵列组3中的向上探测单通道收发合置换能器12和向下探测单通道收发合置 换能器。

31、 13 由平面陶瓷片组成， 形成 10 10的收、 发指向性 ； 向前探测多通道收发合置 换能器阵列 14 由 8 条陶瓷窄条晶片拼接组成， 形成 10 10的收、 发指向性 ； 圆周探测 多通道圆环发射阵列 15 和圆周探测多通道圆环接收阵列 16 由均布于圆环形衬底上的 60 个陶瓷窄条晶片拼接组成， 形成 36 30的收、 发指向性。 0012 4、 控制计算机 4 上运行多方位扫描网位仪的显示控制软件， 该显示控制软件通过 电缆 17 向水下分机 2 发送系统工作参数信息， 其中包括 ： 开始工作命令、 停止工作命令、 探 测信号发射功率、 探测信号脉冲宽度和探测距离 ； 控制计算机 。

32、4 能够实时接收和存储水下 分机 2 上传的水下环境信息， 其中包括 ： 渔网网口形状、 渔网距离水底的距离、 渔网上方和 前方的目标信息 ( 鱼群或障碍物 )、 水下分机的姿态、 渔网所在位置水温和压力信息 ； 并将 这些信息显示在显示器 6 上。 0013 5、 多通道信号产生系统 8 利用其中的 FPGA 控制器 19 接收信号采集和处理控制系 统 11 转发的探测信号参数命令， 包括脉冲宽度和发射功率， 并根据信号采集和处理系统 11 中的 FPGA28 产生的系统的同步信号， 产生多通道脉冲方波信号， 脉冲信号通过多通道发射 系统9中功率放大器组20的放大， 经过收发切换开关36依次。

33、驱动换能器阵列组3中的向上 探测单通道收发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置换能器 13、 向前探测多通道收发 合置换能器阵列14以及圆周探测多通道圆环发射阵列15发射出去。 在功率放大器组20和 向上探测单通道收发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置换能器 13、 向前探测多通道 收发合置换能器阵列 14 以及圆周探测多通道圆环发射阵列 15 之间还有阻抗匹配器组 21， 其功能就是利用匹配电感与向上探测单通道收发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置 换能器 13、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 14 以及圆周探测多通道圆环发射阵列 15 进行很好的匹配， 从而得到更。

34、高的电 - 声转换效率。多通道信号产生系统 8 依次产生频率 为 100 千赫兹的单通道 CW 脉冲、 频率为 100 千赫兹的 8 通道 CW 脉冲、 频率为 100 千赫兹的 单通道 CW 脉冲以及频率为 180kHz 的多通道 CW 脉冲， 通过多通道信号发射系统 9 放大， 分 别经由换能器阵列组 3 中的向上探测单通道收发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置 换能器 13、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 14 以及圆周探测多通道圆环发射阵列 15 把电信号转换成声信号发射到水中传送出去， 发射出去的声波经由目标反射(散射)回来， 换能器阵列组 3 中的向上探测单通道收发合置。

35、换能器 12、 向下探测单通道收发合置换能器 13、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 14 以及圆周探测多通道圆环接收阵列 16 把接收 到的声信号转换为电信号， 经过多通道信号调理系统 10 进行滤波、 固定放大和时变放大等 调理， 继而将调理后的信号送至信号采集和处理控制系统 11 中的模数转换器组 27 将模拟 信号转换成数字信号， 对该数字信号处理提取有用信息， 将该信息和 ARM 控制器 29 所采集 的姿态、 温度和压力信息组合打包， 通过网络接口芯片 30 上传至控制计算机 4 进行存储并 送至显示器 6 实时显示。水下分机 2 完成相关信息的采集和解算后， 上传至控制计算机 。

36、4 进行存储， 并送至显示器 5 上进行实时显示。 0014 6、 多方位扫描网位仪安装在作业渔网中间， 用电缆17将水上显示控制分机1中的 控制计算机 4 和水下分机中的信号采集和处理控制系统 11 连接， 并用电缆 18 将水上显示 控制分机1中的电源5和水下分机中的供电系统7连接 ； 作业时， 上电启动多方位扫描网位 仪， 打开运行于控制计算机 4 中的实时显示控制软件， 设置探测信号发射功率、 探测信号脉 说 明 书 CN 104062662 A 7 4/6 页 8 冲宽度和探测距离等工作参数并下传至水下分机 2 后， 向水下分机 2 发送开始工作命令 , 启动系统开始工作。 0015。

37、 本发明的优点是 ： 0016 具有操作简单、 显示信息丰富的特点。通过能够扫描不同方位的换能器阵列组 合， 利用超声波完成对水下渔网的多方位扫描， 结合对超声波信号的信号处理技术， 从而能 够获悉水下渔网的状态并进行实时显示， 包括渔网网口形状信息、 网口上方和前方的鱼群 和障碍物信息、 渔网距水面和水底的距离信息以及渔网所在水下位置处的温度和压力信息 等， 提高捕捞效率， 降低捕捞的盲目性和成本减少渔网触底和触碰障碍物的可能性， 为生产 作业提供安全保障。该扫描方式简单易行， 而且相比于磁、 光等常见探测手段， 在水下采用 超声波探测手段能够获得更远的探测距离。本发明可广泛用于远洋渔业生产。

38、、 海洋渔业资 源调查和湖泊江河捕捞作业等众多应用场合。 附图说明 0017 图 1 多方位扫描网位仪的系统结构框图。 0018 图 2 多方位扫描网位仪的分系统结构框图。 0019 图 3 多方位扫描网位仪的水下分机和换能器阵列组结构框图。 具体实施方式 0020 下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。 0021 结合图1和图3， 本发明多方位扫描网位仪组成包括 ： 水上显示控制分机1、 水下分 机 2、 换能器阵列组 3、 连接水上分机和水下分机的电缆 17 和 18。其中水下分机 2 和换能器 阵列组 3 通过螺丝固定连接。 0022 本发明的水下分机 2 应安装于作业渔网网口位置的中。

39、部， 为保证探测效果， 水下 分机 2 首部应与作业船航行方向保持一致。FPGA 控制器 19、 28 采用的是 ALTERA 公司的 EP2C35， 模数转换器组 27 采用的是 ADI 公司的 AD7865， 数模转换器 31 采用的是 Maxim 公 司的 MAX5442， 可变增益放大器组 24 采用的是 ADI 公司的 AD8336， 温度和压力采集单元 34 采用的是 ADI 公司的 AD7367， ARM 控制器 29 采用的是三星公司的 S3C2440A， 温度传感器 32 采用的是深圳尔达盛传感科技有限公司的PT100温度变送器， 压力传感器33是采用的是深 圳尔达盛传感科技。

40、有限公司的 TPT601 液位变送器， 姿态传感器 35 采用的是陕西航天长城 科技公司的 L-60 姿态传感器。 0023 水上显示控制分机1控制系统的运行、 信息的实时显示和数据的存储。 包括 ： 控制 计算机 4、 电源 5 和显示器 6 ； 其中， 控制计算机 4 和显示器 6 电信号连接。 0024 换能器阵列组 3 完成探测声信号的发射和接收， 在发射探测信号时， 将电信号转 换为声波发射出去， 而在接收目标回波时， 将声信号转换为电信号。每个换能器基阵通道 数、 尺寸等指标由网位仪总体探测技术指标确定。包括 ： 向上探测单通道收发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置换能器 。

41、13、 向前探测多通道收发合置换能器阵列 14、 圆周探 测多通道圆环发射阵列 15 和圆周探测多通道圆环接收阵列 16。 0025 收发切换开关36分别和换能器阵列组3中的向上探测单通道收发合置换能器12、 向下探测单通道收发合置换能器13以及向前探测多通道收发合置换能器阵列14相互电信 说 明 书 CN 104062662 A 8 5/6 页 9 号连接。 0026 水下分机 2 接收来自水上显示控制分机发出的控制信号和提供的电源， 完成探测 信号产生、 发射、 目标回波信号的调理、 采集处理以及探测结果上传， 包括 ： 电源变换系统 7、 多通道信号产生系统 8、 多通道发射系统 9、 。

42、多通道信号调理系统 10、 信号采集和处理控 制系统 11、 收发切换开关 36。其中， 电源变换系统 7 分别和多通道信号产生系统 8、 多通道 发射系统 9、 多通道信号调理系统 10、 信号采集和处理控制系统 11 电信号连接 ； 信号采集 和处理控制系统 11、 多通道信号产生系统 8、 多通道发射系统 9、 收发切换开关 36 依次电信 号连接 ； 多通道发射系统 9 和圆周探测多通道圆环发射阵列 15 电信号连接 ； 收发切换开关 36、 多通道信号调理系统 10、 信号采集和处理控制系统 11 依次电信号连接 ； 多通道信号调 理系统 10 和圆周探测多通道圆环接收阵列 16 电。

43、信号连接。 0027 水上分机 1 和水下分机 2 通过电缆连接， 水上显示控制分机 1 通过电缆 17 向水下 分机 2 传送工作参数， 并通过电缆 18 向水下分机 2 提供电源， 水下分机 2 通过电缆 17 向水 上分机传输探测结果。其中， 控制计算机 4、 电缆 17 与信号采集和处理控制系统 11 相互电 信号连接 ； 电源 5、 电缆 18 与电源变换系统 7 依次电信号连接。 0028 多通道信号产生系统 8 的任务是接收信号采集和处理控制系统 11 给出的工作参 数， 并产生探测脉冲波形， 其主要组成包括 FPGA 控制器 19。 0029 多通道发射系统 9 完成探测脉冲信。

44、号的功率放大， 由依次电信号连接的功率放大 器组 20 和阻抗匹配器组 21 组成。其中， 阻抗匹配器组 21 分别和收发切换开关 36 以及换 能器阵列组 3 中的圆周探测多通道圆环发射阵列 15 电信号连接。 0030 多通道信号调理系统 10 完成目标回波信号的放大调理， 其组成包括依次电信号 连接的模拟开关组 22、 带通滤波器组 23、 可变增益放大器组 24、 带通滤波器组 25 以及固定 增益放大器组 26。其中， 收发切换开关 36 和带通滤波器组 23 电信号连接 ； 模拟开关组 22 和圆周探测多通道圆环接收阵列 16 电信号连接。 0031 信号采集和处理控制系统 11 。

45、主要完成根据水上显示控制分机 1 设置并下传的工 作参数控制探测信号发射、 控制回波信号的采集及实现相应信号处理、 完成水下分机姿态 信息、 环境压力和温度信息采集， 并将探测数据上传至水上显示控制分机 1。其组成包括 ： 模数转换器组 27、 FPGA 控制器 28、 ARM 控制器 29、 网络接口芯片 30、 数模转换器 31、 温度传 感器 32、 压力传感器 33、 温度和压力信息采集单元 34、 姿态传感器 35。其中， 模数转换器组 27 和 FPGA 控制器 28 电信号连接 ； FPGA 控制器 28 和 ARM 控制器 29 相互电信号连接 ； ARM 控制器 29 和网络。

46、接口芯片 30 相互电信号连接 ； 网络接口 30 和水上显示控制分机 1 中的控 制计算机 4 相互电信号连接 ； FPGA 控制器 28、 数模转换器 31 和多通道信号调理系统 10 中 的可变增益放大器组24依次电信号连接 ； 温度传感器32、 温度和压力信息采集单元34、 ARM 控制器 29 依次电信号连接 ； 压力传感器 33、 温度和压力信息采集单元 34、 ARM 控制器 29 依 次电信号连接 ； 姿态传感器 35 和 ARM 控制器 29 依次电信号连接。 0032 多方位扫描网位仪系统上电后， 运行水上显示控制分机 1 中控制计算机 4 中的实 时显示控制软件， 水下分。

47、机2等待水上显示控制分机1下传工作参数和命令， 在实时显示控 制软件中设置探测信号发射功率、 探测信号脉冲宽度和探测距离等工作参数， 其中发射功 率参数分为 4 档 ( 较弱、 弱、 较强、 强 )、 脉冲宽度也分为四档 (0.5ms、 1ms、 1.5ms、 2ms)、 探测 距离可以设置为 1-250 米间的任意整数值。工作参数设置完毕并下传至水下分机 2 后， 向 说 明 书 CN 104062662 A 9 6/6 页 10 水下分机 2 发送开始工作命令 , 启动系统按照所设置的工作参数开始工作。 0033 多通道信号产生系统 8 依次产生频率为 100 千赫兹的单通道 CW 脉冲、。

48、 频率为 100 千赫兹的 8 通道 CW 脉冲、 频率为 100 千赫兹的单通道 CW 脉冲以及频率为 180kHz 的多通 道 CW 脉冲， 通过多通道信号发射系统 9 放大， 分别经由换能器阵列组 3 中的向上探测单通 道收发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置换能器 13、 向前探测多通道收发合置换能 器阵列14以及圆周探测多通道圆环发射阵列15把电信号转换成声信号发射到水中传送出 去， 发射出去的声波经由目标反射 ( 散射 ) 回来， 换能器阵列组 3 中的向上探测单通道收 发合置换能器 12、 向下探测单通道收发合置换能器 13、 向前探测多通道收发合置换能器阵 列 14 以。

49、及圆周探测多通道圆环接收阵列 16 把接收到的声信号转换为电信号， 经过多通道 信号调理系统 10 进行滤波、 固定放大和时变放大等调理， 其中的 TVG 增益码值按照预定的 时变增益控制曲线产生并由 FPGA28 送出至多通道信号调理系统 10， 继而将调理后的信号 送至信号采集和处理控制系统 11 中的模数转换器组 27 将模拟信号转换成数字信号， 对该 数字信号进行正交变换、 低通滤波、 降采样率、 相移波束形成及包络提取处理， 在 FPGA28 中 编写程序实现 FIFO 功能模块， 并通过该模块将处理结果传入 ARM 控制器 29， 并和 ARM 控制 器 29 通过其 SPI 接口所采集的姿态、 温度和压力信息组合打包， 通过网络接口芯片 30 上传 至控制计算机 4 进行存储并送至显示器 6 实时显示。需要注意的是， 本发明中涉及的向上 探测、 向下探测、 向前探测和圆周探测过程中的数字信号处理步骤是相同的， 但为了简化多 通道信号调理系统 10 和信号采集和处理控制系统 11 中模数转换器组 27 的电路规模， 并降 低 FPGA28 的运算量， 在圆环探测多通道圆环接收阵列 16 后面串接了模拟开关。