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专利名称：一种仿生声纳头的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器应用领域，特别是一种仿生声纳头。
背景技术：
当前以超声换能器为基础的声纳系统已广泛使用在的测距及移动机器人避障领域。典型超声测距系统是一般基于渡越时间检测法，由超声换能器、换能器驱动电路及数据采集系统组成，其前端电路用于发射波形为方波的超声波。声纳头作为生物声纳系统的前端装置，需要有较好的高频性能和较宽的工作频域，同时也需要具备较高的灵敏度和快速响应能力。生物声纳技术是研究具有自然声纳的生物(蝙蝠、海豚等)的声纳系统，发射的声纳信号为仿生声纳信号(如仿蝙蝠的调频调幅波见图幻，当前常用的发射方波的超声换能器应用电路不能够满足生物声纳技术的研究。
发明内容本发明所解决的技术问题在于提供一种仿生生物声纳专用的仿生声纳头。实现本发明目的的技术解决方案为一种仿生声纳头，包括声纳信号发射单元和回波接收单元，所述声纳信号发射单元包括发射端静电式超声换能器和发射端信号调理电路，发射端信号调理电路将声纳信号源产生的仿生声纳信号传输给发射端静电式超声换能器，并由其发送出去；所述回波接收单元为双通道，包括两组相同的接收端静电式超声换能器和接收端信号调理电路，接收端静电式超声换能器接收回波并传输给接收端信号调理电路，该电路对信号放大滤波后传输给信号采集系统。本发明与现有技术相比，其显著优点为1)本发明的仿生声纳头可发射包括仿生生物声纳系统采用的仿生声纳信号在内的多种波形的超声波信号，具有较好的高频性能和较宽的工作频域；2)采用仿生单嘴双耳构型，保留了自然声纳的双耳差辨特征和头部遮挡效应；3)调理放大电路简单可靠，信噪比高；4)声纳信号发射端发射的空气声纳信号强度大，数十米范围内可产生有效回波；5)回波接收端静电式传声波传感器上所加直流偏置大，回波接收端超声换能器灵敏度高，能够接收微弱回波信号。
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明的原理框图。图2为发射端信号调理电路原理图。图3为接收端信号调理电路原理图。图4为耳廓造型示例图，其中(a)为接收端换能器，(b)为发射端换能器。图5为仿蝙蝠声纳信号的调频调幅波。
具体实施方式
[0013]本发明涉及一种新型生物声纳仿生声纳头，通过一个发射端和两个接收端来发射与接收仿生声纳信号，模拟自然声纳的嘴巴与双耳功能，涉及专用低噪音发射端信号调理电路和接收端信号调理电路。结合图1，一种仿生声纳头，包括声纳信号发射单元和回波接收单元，所述声纳信号发射单元包括发射端静电式超声换能器和发射端信号调理电路，发射端信号调理电路将声纳信号源产生的仿生声纳信号传输给发射端静电式超声换能器，并由其发送出去；所述回波接收单元为双通道，包括两组相同的接收端静电式超声换能器和接收端信号调理电路，接收端静电式超声换能器接收回波并传输给接收端信号调理电路，该电路对信号放大滤波后传输给信号采集系统。结合图2，所述发射端信号调理电路包括依次连接的电压跟随器I、第一级放大器 II、第二级放大器及直流偏置电路III，第一级放大器II对电压跟随器I传输的信号放大后传输给第二级放大器及直流偏置电路III，第二级放大器及直流偏置电路III对信号进行处理后输出；所述电压跟随器I包括电位器P1、第一运放U1，电位器Pl的一端与声纳信号源τ_ Vin连接，电位器Pl的另一端接地，电位器Pl的中心抽头与第一运放Ul的正极输入端相连接，第一运放Ul的负极输入端与第一运放Ul的输出端相连；第一级放大器II包括第一电阻R1、第二电阻R2、第二运放U2，第二运放U2的正极输入端与第一运放Ul的输出端相连接，第二运放U2的负极输入端通过第二电阻R2接地， 该负极输入端还通过第一电阻Rl与第二运放U2的输出端相连；第二级放大器及直流偏置电路III包括第三电阻R3、第四电阻R4、第三运放U3、发射端直流负压源T_DC、可变电阻RS、第五电阻R5，第三电阻R3的一端与第二运放U2的输出端相连接，第三电阻R3的另一端通过第五电阻R5与可变电阻RS的一端相连接，可变电阻 RS的另一端与发射端直流负压源T_DC相连接，第三运放U3的负极输入端通过第四电阻R4 与第三运放U3的输出端相连接，第三运放U3的正极输入端接地，第三运放U3的输出端即为发射端信号调理电路的输出端T_Vout。第三运放U3采用芯片PA88。结合图3，接收端信号调理电路包括依次连接的直流偏置电路A、第一级有源二阶带通滤波器B、第二级有源二阶带通滤波器C、电压跟随器D，所述直流偏置电路A包括接收端直流电压源R_DC、第六电阻R6，接收端直流电压源R_DC通过第六电阻R6与回波信号输入端R_Vin相连接；第一级有源二阶带通滤波器B包括第一电容Cl、第二电容C2、第七电阻R7、第八电阻R8、第四运放U4，第一电容Cl的一端与回波信号输入端R_Vin相连接，第一电容Cl的另一端通过第七电阻R7与第四运放U4的负极输入端相连接，第四运放U4的负极输入端通过第八电阻R8与第四运放U4的输出端相连接，第二电容C2与第八电阻R8相并联，第四运放 U4的正极输入端接地；第二级有源二阶带通滤波器C包括第三电容C3、第四电容C4、第九电阻R9、第十电阻R10、第五运放TO，第三电容C3的一端与第四运放U4的输出端相连接，第三电容C3的另一端通过第九电阻R9与第五运放TO的负极输入端相连接，第五运放TO的负极输入端通过第十电阻RlO与第五运放U5的输出端相连接，第四电容C4与第十电阻RlO相并联，第五运放TO的正极输入端接地；[0022]电压跟随器D包括第六运放U6和第十一电阻Rl 1，第六运放TO的负极输入端和第六运放TO的输出端相连接，第六运放TO的正极输入端接地，第十一电阻Rll的一端接第六运放U6的输出端，第十一电阻Rll的另一端即为接收端信号调理电路的输出端R_Vout。第四运放U4、第五运放U5选用运放0PA637AM，第六运放U6采用运放LM7171AIM。两个接收端静电式超声换能器对称设置在发射端静电式超声换能器的两侧，两个接收端静电式超声换能器直接设置阻隔体，两个接收端静电式超声换能器外侧设置外耳廓。所述阻隔体采用仿生材料(如合成与蝙蝠皮肤具有相似弹性模量的有机材料)和造型 (阻隔体造型按照蝙蝠脸部立体造型设计)，接收端静电式超声换能器外侧的外耳廓为暴露型(无耳廓无阻隔体)、圆锥型(即喇叭状耳廓)、仿生皱折型(如图4模仿蝙蝠耳廓的皱褶形状)，保留了自然生物声纳的双耳声差特征和头遮挡效应。下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述如图1所示，声纳信号源发出的电信号输入发射端信号调理电路，经发射端静电式超声换能器转换成向环境或目标发射的声纳信号，接收端静电式超声换能器将被目标或障碍物发射回来的回波转换成电信号后传输给后续的接收端信号调理电路，接收端信号调理电路将电信号放大滤波。发射端静电式超声换能器选用SenSComp7000，两个发射端静电式换能器选用 SenSCOmp600，发射端信号调理电路电压跟随器和第一级放大所用运放选用集成两个运放的TLE2072第二级放大所用运放选用PA88，接收端信号调理电路第一级有源二阶带通滤波器和第二级有源二阶带通滤波器选用运放0PA637AM，电压跟随器所用运放选用 LM7171AIM。声纳信号源输出的声纳信号经电压跟随器以及两级放大后，驱动发射端静电式超声换能器向环境目标或人工目标发射声纳信号，声纳信号遇到目标或障碍产生回波，两个接收端静电式超声传感器同时接收回波信号，后续接收端信号调理电路对两路回波信号分别作两级放大及有源滤波器的滤波后经电压跟随器输出。采用电压跟随器的作用是提高电路的负载能力，直流偏置电路为静电式超声换能器提供足够直流偏置起到提高换能器灵敏度的作用，发射端信号调理电路第十一电阻Rll的作用是与传输线实现阻抗匹配提高输出功率。声纳头结构采用仿自然声纳蝙蝠或海豚的嘴巴双耳构型，外耳廓暴露型，双耳中间部分采取开放构型(无阻隔体)。
权利要求1.一种仿生声纳头，其特征在于，包括声纳信号发射单元和回波接收单元，所述声纳信号发射单元包括发射端静电式超声换能器和发射端信号调理电路，发射端信号调理电路将声纳信号源产生的仿生声纳信号传输给发射端静电式超声换能器，并由其发送出去；所述回波接收单元为双通道，包括两组相同的接收端静电式超声换能器和接收端信号调理电路，接收端静电式超声换能器接收回波并传输给接收端信号调理电路，该电路对信号放大滤波后传输给信号采集系统。
2.根据权利要求1所述的仿生声纳头，其特征在于，所述发射端信号调理电路包括依次连接的电压跟随器[I]、第一级放大器[II]、第二级放大器及直流偏置电路[III]，第一级放大器[II]对电压跟随器[I]传输的信号放大后传输给第二级放大器及直流偏置电路 [III]，第二级放大器及直流偏置电路[III]对信号进行处理后输出；所述电压跟随器[I]包括电位器[P1]、第一运放[U1]，电位器[P1]的一端与声纳信号源[T_Vin]连接，电位器[P1]的另一端接地，电位器[P1]的中心抽头与第一运放[U1]的正极输入端相连接，第一运放[U1]的负极输入端与第一运放[U1]的输出端相连；第一级放大器[II]包括第一电阻[R1]、第二电阻[R2]、第二运放[U2]，第二运放[U2] 的正极输入端与第一运放[U1]的输出端相连接，第二运放[U2]的负极输入端通过第二电阻[R2]接地，该负极输入端还通过第一电阻[R1]与第二运放[U2]的输出端相连；第二级放大器及直流偏置电路[III]包括第三电阻[R3]、第四电阻[R4]、第三运放 [U3]、发射端直流负压源[T_DC]、可变电阻[RS]、第五电阻[R5]，第三电阻[R3]的一端与第二运放[U2]的输出端相连接，第三电阻[R3]的另一端通过第五电阻[R5]与可变电阻[RS] 的一端相连接，可变电阻[RS]的另一端与发射端直流负压源[T_DC]相连接，第三运放[U3] 的负极输入端通过第四电阻[R4]与第三运放[U3]的输出端相连接，第三运放[U3]的正极输入端接地，第三运放[U3]的输出端即为发射端信号调理电路的输出端[T_Vout]。
3.根据权利要求1所述的仿生声纳头，其特征在于，接收端信号调理电路包括依次连接的直流偏置电路[A]、第一级有源二阶带通滤波器[B]、第二级有源二阶带通滤波器[C]、 电压跟随器[D]，所述直流偏置电路[A]包括接收端直流电压源[R_DC]、第六电阻[R6]，接收端直流电压源[R_DC]通过第六电阻[R6]与回波信号输入端[R_Vin]相连接；第一级有源二阶带通滤波器[B]包括第一电容[Cl]、第二电容[C2]、第七电阻[R7]、第八电阻[R8]、第四运放[U4]，第一电容[Cl]的一端与回波信号输入端[R_Vin]相连接，第一电容[Cl]的另一端通过第七电阻[R7]与第四运放[U4]的负极输入端相连接，第四运放 [U4]的负极输入端通过第八电阻[R8]与第四运放[U4]的输出端相连接，第二电容[C2]与第八电阻[R8]相并联，第四运放[U4]的正极输入端接地；第二级有源二阶带通滤波器[C]包括第三电容[C3]、第四电容[C4]、第九电阻[R9]、第十电阻[R10]、第五运放山5]，第三电容[C3]的一端与第四运放[U4]的输出端相连接，第三电容[C3]的另一端通过第九电阻[R9]与第五运放[U5]的负极输入端相连接，第五运放 [U5]的负极输入端通过第十电阻[R10]与第五运放[U5]的输出端相连接，第四电容[C4] 与第十电阻[R10]相并联，第五运放[U5]的正极输入端接地；电压跟随器[D]包括第六运放[U6]和第十一电阻[R11]，第六运放[U6]的负极输入端和第六运放[U6]的输出端相连接，第六运放[U6]的正极输入端接地，第十一电阻[R11] 的一端接第六运放[U6]的输出端，第十一电阻[R11]的另一端即为接收端信号调理电路的输出端[R_Vout]。
4.根据权利要求2所述的仿生声纳头，其特征在于，第三运放[U3]采用芯片PA88。
5.根据权利要求3所述的仿生声纳头，其特征在于，第四运放[U4]、第五运放[U5]选用运放0PA637AM，第六运放[U6]采用运放LM7171AIM。
6.根据权利要求1所述的仿生声纳头，其特征在于，两个接收端静电式超声换能器对称设置在发射端静电式超声换能器的两侧，两个接收端静电式超声换能器直接设置阻隔体，两个接收端静电式超声换能器外侧设置外耳廓。
7.根据权利要求6所述的仿生声纳头，其特征在于，所述阻隔体采用仿生材料和造型， 接收端静电式超声换能器外侧的外耳廓为暴露型、圆锥型、仿生皱折型。
专利摘要本实用新型涉及一种新型生物声纳仿生声纳头，采用仿生单嘴双耳构型，通过一个发射端和两个接收端来发射与接收仿生声纳信号，模拟自然声纳单嘴双耳的识物功能。该声纳头主要由发射端和接收端静电式超声波换能器、发射端信号调理电路、接收端信号调理电路和仿生外壳组成。声纳信号源输入的声纳信号经发射端信号调理电路放大后由发射端静电式超声波换能器向环境目标或人工目标发射声纳信号，被目标或障碍物反射回来的回波信号由接收端静电式超声波换能器转换为电信号并经过接收端调理电路放大滤波后输出给信号采集系统。
文档编号G01S15/02GK201984154SQ201020642910
公开日2011年9月21日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者杨华, 王猛, 王茂森, 章鹏, 陈明霞 申请人:南京理工大学, 王茂森