[发明专利]一种水下航行器水流监测系统

说明书

本发明属于集成电路技术和电子信息领域，具体为一种水下航行器水流监测系统。该监测系统主要部分为一个流速计芯片阵列，实现将芯片表面流体流速转换为频率信号。还包括芯片阵列后的神经网络运算模块，实现周围环境状况的识别。通过利用流速计芯片感知温度并且以不同频率脉冲信号输出的形式，避免了输出信号的高功耗和传统流速计高额的面积开销。其分布式的特性可以在船只和潜艇等水面水下航行器表面广泛覆盖，提高信息收集的综合性。

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及水下航行器水流监测系统。

背景技术

自上个世纪声呐的发明以来，航海和船舶行业得以在信息探测技术方面步入了现代化。利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理进行导航和测距的技术，也可以利用这种技术对水流环境进行测速。根据船只静止时的水流速度和船只运行时船只各个方向上的水流速度综合比较，可以确定船只的姿态等航行信息。声呐是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。

然而，巨大的收音装置影响了船只的空间体积，降低了其隐蔽性和制造成本。影响声呐工作性能的因素除声呐本身的技术状况外，外界条件的影响很严重声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，会产生声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，严重影响声呐的作用距离和测量精度。运载平台的自噪声主要与航速有关，航速越大自噪声越大，声呐作用距离就越近，反之则越远；目标反射本领越大，被对方主动声呐发现的距离就越远；目标辐射噪声强度越大，被对方被动声呐发现的距离就越远。受制于现代船只的绝对移动速度已经接近声速所需要的进行的运动补偿、成像处理更加复杂。

电磁流量计是20世纪50~60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量。然而电磁流量计对外部工作环境有着极高的要求，且设备需要严格维护，类似于空速管的管道式电磁流量计需求的空间开销相比传统声呐部件只大不小。

声呐和电磁流量计的诸多缺点使得用于探测船只速度和潜艇姿态的集成电路芯片的需求日益提高。脱离了传统电磁流量计和声呐的识别测速原理。以芯片阵列为基础的测速装置有一下优点：

1、芯片的船只表面分布特性可以使得在空间范畴中的信息收集更加广泛综合；

2、可用频带宽，信息容量大。电磁信号只需要在船内的计算机和流速计芯片之间传递，不受制于电磁信号在水中的剧烈衰减以及声波信号在一定距离以外的低分辨率；

3、低功耗，低使用面积使得船舶设计能够更多得考虑其宏观功能，而不必过多为了测速阵列模块牺牲其更重要的功能模块。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种体积小、重量轻，能够监测水流速度、流向与周围水流情况的水下航行器水流监测系统。

本发明提供的水下航行器水流监测系统，包括流速计芯片阵列和SNN脉冲神经网络感知器；流速计芯片阵列由若干流速计芯片单元组成，空间上分布水下航行器表面各处；流速计芯片单元具体包括流速计传感器（即温度传感器）和功率放大器；其中：

所述流速计传感器，包含LC谐振网络和NMOS晶体管构成的负电阻；具体地，包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16；两个电感L1与L2的一端共接电源电压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；电容阵列的最下端有两个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。