“這是一個還在迭代中的項目。開源的回聲測深儀/水深測量儀/聲吶系統(tǒng)，適用于水文測繪及科研用途?；?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/62/" target="_blank">Arduino平臺開發(fā)并具備良好兼容性”

? Open Echo 概覽

作為持續(xù)迭代的開源硬件項目，Open Echo 致力于構(gòu)建高精度聲吶系統(tǒng)，主要應(yīng)用于水文測繪與科研探測領(lǐng)域。項目遵循完全開源協(xié)議，目前已在GitHub平臺公開全部技術(shù)資料（代碼庫、原理圖、PCB文件）：

https://github.com/Neumi/open_echo

回聲測深儀是一種用于測量水深的設(shè)備，它發(fā)出短促的聲波（通常是超聲波），然后等待回聲返回。通過測量回聲返回所需的時間，該裝置可以計算出超聲波傳感器下方的水深。

幾乎所有船只都使用回聲測深儀來導航和確保安全。研究人員依靠它們進行測深、繪圖和考古研究。搜救（SAR）隊使用它們進行定位和打撈，而漁民則使用它們來確定魚類豐富區(qū)域的位置。

我需要一個與 Arduino 兼容的回聲測深儀用于另一個水深 GPS 記錄設(shè)備項目?？勺x取 Arduino 的回聲測深儀很難買到，所以我想，為什么不自己制作呢？基本工作原理很簡單，但底層的電子學和物理學并不總是那么簡單。

因此，我接受了挑戰(zhàn)，并立即投入其中......

項目當前狀態(tài)

部分逆向工程 "LUCKY 魚群探測器"

從回聲接收器/放大器向 FastLOGIC/Arduino 獲取原始數(shù)據(jù)

使用 Matplotlib + Python 將數(shù)據(jù)繪制成瀑布圖

制作并測試 DIY 傳感器（正常工作）

制作并測試 TUSS4470 電路板（正常工作）

完成 TUSS4470 Arduino 代碼示例

更改 TUSS4470 硬件，以支持變壓器驅(qū)動更高電壓的壓電元件（例如用于水下的 200kHz）

水下測試成功！(僅測試到 3 米范圍）

可以使用 Arduino 讀取帶有 DIY 傳感器（或庫存）的 LUCKY 魚探儀的 RAW 放大器（回聲）數(shù)據(jù)，并使用 Matplotlib + Python 顯示數(shù)據(jù)。

新的 TUSS4470 電路板現(xiàn)在可以使用傳感器（已測試 40kHz 和 200kHz）、驅(qū)動傳感器、接收回聲、過濾信號并將 RAW 回聲數(shù)據(jù)發(fā)送到 Python 后端。為了獲得良好的效果，在 XT30 連接器上使用直流 25V 電壓。

TUSS4470 超聲波傳感器驅(qū)動器 Arduino 板

該 PCB 板與 Arduino (Uno) 兼容，用于測試 TI 的 TUSS4470 超聲波驅(qū)動器集成電路。所提供的 Arduino UNO 示例代碼可讓您驅(qū)動一個 40kHz 的傳感器，應(yīng)用噪聲過濾，并通過串行接口將回聲發(fā)送到 Python 后端。您可以根據(jù)自己的需要修改代碼（如使用其他頻率、采樣大小、速度等）。Arduino UNO 的時鐘速度和 RAM 大小限制了采樣速度，使其在空氣中的分辨率約為 1-2 厘米，在水中的分辨率約為 4 厘米（約 13uS/sample ），采樣次數(shù)約為 850 次。Arduino MEGA 可以部分解決這個問題。

TUSS4470 Arduino Shield：

TUSS4470 的工作原理如下： 初始設(shè)置完成后，Arduino 通過 PIN9 向 TUSS4470 發(fā)送 8 個驅(qū)動頻率脈沖串。TUSS4470 將此脈沖發(fā)送至傳感器，然后等待。傳感器將此脈沖作為短脈沖聲音發(fā)送出去。障礙物反射的回聲反彈到傳感器，并在產(chǎn)生電壓。TUSS4470 會測量該電壓，對其進行過濾和放大，然后將其發(fā)送到 Arduino 的 A0 引腳。通過讀取放大后的電壓，可以檢測到一個（或多個）障礙物。Python 腳本將這些數(shù)據(jù)繪制成瀑布圖。

用于水下的帶 1:6 變壓器和 228kHz 的 DIY 傳感器組件：

使用 DIY 傳感器組件進行測試的回聲圖： 海水環(huán)境垂直向與水平向聯(lián)合探測（8倍速采集），后半程水下呈階梯結(jié)構(gòu)： ? 200kHz 19 毫米的傳感器可以穿透 20 毫米厚的冰層，結(jié)果依然良好。在傳感器表面和冰層之間有一層液態(tài)水很重要。與傳感器和水之間沒有冰層相比，回聲較弱，但地面仍清晰可見，甚至還有第二次反射。 ?

瀑布圖可以讓您更好地了解過去的情況，并更好地區(qū)分真正的回聲和噪音。壓電傳感器在發(fā)出聲音脈沖后很長時間內(nèi)會產(chǎn)生振蕩。這是圖中較低的黃色部分（約 50 厘米）。在這個盲區(qū)內(nèi)，您不會看到回聲或反射。

回聲測深儀的探測范圍不僅取決于電子設(shè)備，還在很大程度上取決于換能器頻率和使用介質(zhì)。例如，上述 200kHz 設(shè)置在空氣中的范圍只有 50 厘米，但在海水中至少有 8 米。這是介質(zhì)衰減（取決于頻率）和波束形狀（在每種介質(zhì)中都不同）造成的。作為一個良好的起點，200kHz 適合水下使用。

如前所述，波束形狀在很大程度上取決于頻率。直徑為 10 毫米、頻率為 100 千赫的傳感器的波束開角約為 130°，相同尺寸、頻率為 200 千赫的傳感器的波束開角約為 55°。頻率越高，光束越窄。但衰減也會增加。

此外，波長越短（頻率越高），您能看到的細節(jié)就越小。海水中 200 千赫的聲音信號波長約為 7.5 毫米?？煞直娴淖钚∥矬w約為波長的一半，即約 3.75 毫米。

正在開發(fā)中的新PCB

繼 TUSS4470 Arduino Shield之后，我正在開發(fā)一塊新的一體化電路板，將所有元件集成到一個組件中。該裝置可封裝在環(huán)氧樹脂、聚氨酯或硅膠中以防水，并通過 USB 連接到帶有基于 Python 的后臺和接口的計算機。這種設(shè)置可對采樣、驅(qū)動頻率、原始數(shù)據(jù)等進行全面的軟件控制。

。外殼將由鋁或塑料經(jīng)數(shù)控加工而成，內(nèi)裝電子元件，以保護它們不受環(huán)境影響。19 毫米 200kHz 傳感器將采用聚氨酯或硅膠封裝，而有源表面將直接與水接觸。

? 水下潛水聲納

除了電子設(shè)計和 RAW 輸出回聲測深儀外，我還在開發(fā)一款帶聲納的潛水計算機。它基于一個 Raspberry Pi + 7" 顯示器、一個 IMU 和 KOGGER Basic Sidescan。我的第一個想法是將 KOGGER Basic 側(cè)掃聲納安裝上去。這很可能是獲得良好水下聲納圖像的最簡單方法。也許以后我會自己制作一個 FAN 聲納，安裝在潛水電腦上。但我們還是一件事、一件事慢慢來......

FAN/Sidescan SONAR 傳感器與陀螺儀傳感器和 Raspberry Pi 結(jié)合使用，可以顯示前方地面或沉船等障礙物的掃描圖像。

外殼由 50 毫米厚的聚乙烯塊加工而成。箱蓋采用 PMMA 材料密封，箱體采用 5 毫米 O 形環(huán)密封。內(nèi)部使用潛水罐中的干燥空氣進行加壓，以防止水滲入，對密封件進行預(yù)壓，并檢查是否有泄漏（同時防止內(nèi)部結(jié)露）。

四個帶磁鐵的按鈕與內(nèi)部的霍爾效應(yīng)傳感器相互作用，這些傳感器位于 RPi 的載板上。其余部分用于電池管理、一個磁性旋轉(zhuǎn)編碼器、壓力傳感器的 ADC 和一個使用 1/2 英寸水管蓋的防水 USB 連接器。

我在水中測試了幾次 KOGGER BASIC 側(cè)掃儀，分辨率和范圍都非常不錯。(不過，我還需要做更多的測試，并編寫使用陀螺儀數(shù)據(jù)的軟件，使其成為一個掃描側(cè)掃聲納。

最后...

讓我們看一下第二代基于 TUSS4470 的 Shield 原理圖、PCB 和 測量過程中的一些實體圖片：

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審核編輯 黃宇