[发明专利]一种水下航行器水流监测系统

权利要求书

1.一种水下航行器水流监测系统，其特征在于，包括流速计芯片阵列和SNN脉冲神经网络感知器；所述流速计芯片阵列由若干流速计芯片单元组成，流速计芯片单元具体包括流速计传感器和功率放大器；流速计芯片阵列中的各流速计芯片单元，空间上以蜂窝状分布在水下航行器表面各处；其中：

所述流速计传感器，包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16；两个电感一端共接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容；这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列；上述两个电感L1与L2，以及七个电容组成耦合网络；最后两个NMOS管交叉耦合，即一个NOMS的漏极与另一个NMOS的栅极相连，同时两个源极共接地；

所述功率放大器，包括三级功率放大器，以及在放大器的输入、输出端与各个级联的放大器之间的一共四个变压器匹配网络；所述匹配网络由并联电容和四个片上无源电感组成；放大器部分由一组两个NMOS差分对管和两个电容组成，电容由两个NMOS晶体管各自漏极交叉连接到另一NMOS晶体管的体端；放大器的晶体管栅压直流偏压由前一级的匹配网络的变压器的次级线圈的抽头处引入；信号从流速计传感器输出后，进行功率放大，以便于以电磁信号在空间中进行无线传播，从而传输给远程信息处理端进行进一步的处理分析；

所述脉冲神经网络感知器，包括15个输入神经元作脉冲信号的输入，输入信号的频率值进行突触运算并分类后得到各组输入信号所对应的环境水流情况，进而判断出水下航行器航行姿态。

2.根据权利要求1所述的水下航行器水流监测系统，其特征在于，其工作流程如下：

芯片在环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，随着水速的变化，芯片的温度也发生相应变化，从而使得芯片内的电容值发生变化，不同的电容值使流速计传感器输出不同频率的信号，将芯片区域温度变化对NMOS电容阵列的容值大小的影响转换为输出信号的频率，因此，水速信息都包含在信号频率中；

流速计芯片单元将芯片区自身温度信号转换为不同频率的电信号输出，而芯片自身的温度受到芯片表面水速的直接影响，输出信号的信息包含在信号频率中；经过功率放大后，该信号通过天线发射到进行信号处理的接收端；接收端收集各个方向上的水速信息并综合，从而将信息传递给脉冲神经网络进行运算；脉冲神经网络的感知器通过接收阵列输出的脉冲信号频率值向量，经过运算后进行离化分组，从而检测出物体周围环境状况，并判断出航行器的航行姿态。

3.根据权利要求1所述的水下航行器水流监测系统，其特征在于，所述流速计传感器，根据控制电压的调整，输出信号的频率随着控制电压的变化，在不同的频率范围内线性调制变化。

4.根据权利要求1所述的水下航行器水流监测系统，其特征在于，所述流速计传感器，通过搭建以六边形为基本拓扑结构的蜂窝网络，最终可以将目标检测区域由一点扩展到任意形状的全覆盖表面。

5.根据权利要求1所述的水下航行器水流监测系统，其特征在于，所述NMOS晶体管均为场效应晶体管。

6.根据权利要求1所述的水下航行器水流监测系统，其特征在于，所述的脉冲神经网络为感知器结构，由两级神经元前向连接组成，第一级为输入级由15个神经元组成，用于传递15个来自不同位置的流速传感器的脉冲频率；第二级为输出级由4个神经元组成，分别对应航行器的四种姿态：仰头、低头、左倾斜和右倾斜；运算中分为四组不同设置的神经元突触权重，以用来和输入信号进行卷积和运算，而后经过适当的激活函数处理，通过四组运算结果决定是否激活四个输出神经元中的某一个，从而决定该组输入信号所代表的水下航行器姿态；其中，突触权重经过训练得到。