Модуль подводного ультразвукового дальномера. Часть третья
Без раскачки.
Самыми значимыми изменениями в проекте, по сравнению с предыдущими версиями сонара (один и два), являются упрощение аналоговой части и эволюция процесса сборки модулей в сторону большей технологичности. Испытаны разные комбинации адгезивов и компаундов для герметизации платы и излучателя внутри корпуса.
Ну и то, что теперь это коммерческий продукт, доведённый до стадии производства.
Производство
Знатно намучившись с очень неудобным Временны́м Регулятором Усиления, не решавшим проблему узкого динамического диапазона, принято решение использовать интегральный логарифмический усилитель. Господи (если ты есть), спасибо тебе и парням из Analog Devices за это чудо! Треть всего функционала сонара, без преувеличения, — это он. Обратная связь? Клиппинг? Самовозбуждение? Не, не слышал. Наш ответ — AD8310!
Предыдущий вариант тоже рабочий, но с минусами. Во-первых, два каскада активных очень узкополосных фильтров сложно настраивать. Во-вторых, схема регулировки усиления — ею нужно управлять. В-третьих, каскад амплитудного детектирования нелинеен ближе к границам своего динамического диапазона. У последних двух пунктов характеристики, отчасти, зависят от температуры и разброса параметров ключевых компонентов. Так мы пришли к логарифмическому усилителю. Новый аналоговый тракт обладаем существенным преимуществом — это измерительный прибор с логарифмической шкалой. Это позволяет делать захват всего доступного динамического диапазона (95 дБ) обычным 12 битным АЦП с высокой верностью, а регулировка усиления может быть произведена в пост-обработке на стороне ПО.
Что касается изменений в технологии изготовления. Основное — это решение проблем адгезии.
Вопрос адгезии материалов между собой очень важен, поскольку именно этим свойством, в основном, обеспечивается защита от протечек. Внутренности модуля заливаются компаундом и самое слабое место — это примыкание оболочки кабеля к заливочному компаунду, на который возложена главная обязанность по противостоянию давлению и герметизации схемы. Этот компаунд обязан иметь высокую прочность и хорошую адгезию к компонентам. Дело в том, что внутри кабеля присутствует воздух, который сжимается под давлением, заставляя внешнюю оболочку отрываться от окружающего его компаунда. Решений этой проблемы несколько. Главным действием в нашем случае было использование кабеля в полиуретановой оболочке Helukabel DataPUR-C. У него наилучшая адгезия к выбранному компаунду из множества протестированных нами кабелей. Та часть кабеля, которая заходит в корпус и заливается компаундом, дополнительно обрабатывается плазмой для ещё большего сцепления с компаундом.
Модуль в разрезе:
Некоторый баттхёрт доставила история с RoHS. Если кратко, то RoHS — это правила Евросоюза, регламентирующие содержание опасных веществ в продукции (Свинец, ртуть, кадмий и прочая бяка). А поскольку изначально мы были нацелены на экспорт, приоритет в выборе комплектующих был отдан тем, которые имели сертификаты/декларации соответствия RoHS. Поэтому, кстати, российские комплектующие и не рассматривались. Исключение составила только, свинцовая пьезокерамика, используемая в качестве электроакустического преобразователя в сонаре. Эти материалы выведены из-под регулирования RoHS, как и любая керамика со свинцом в связанном виде (2011/65/EN Exemption 7©-I).
Суть в том, что для некоторых категорий товаров используется разрешительный порядок экспортных операций. Это могут быть товары, применение которых возможно не только в гражданской, но и в военной сфере. Например, защищённая ЭВМ. Или болометрическая матрица. Или сонар, как в нашем случае. Чтобы получить разрешение на экспорт, в первую очередь, товар не должен обладать выдающимися характеристиками. Касательно сонаров — это, например, свойства направленности.
Характеристики нашего продукта, по сравнению с приведёнными в списке ограничений (угловое разрешение 12° против 0,5°), это как поделка первоклассника по сравнению с выпускной работой отличника аспирантуры. Но неудобство создаёт то, что, для отправки сонара новым покупателям (даже физ. лицам) за пределы нашей страны, процедуру Экспортного контроля необходимо проходить каждый раз, несмотря на то, что экспертами уже ранее было подтверждено неприменимость ограничений на вывоз в отношении нашего товара.
Стоимость этой процедуры составляет от 10 тысяч рублей, что ставит крест на привычной интернет-торговле с остальным миром.
Справедливости ради, стоит отметить, что проверяется не только свойства товара, но и причастность покупателя к запрещённым организациям.
Это не только особенность российских таможенных правил, многие страны имеют договорённости по экспортному контролю товаров двойного назначения.
Из нержавеющей стали выполнен корпус сонара, выполняющий также роль экрана для внутренней схемы. Иметь прямого гальванического контакта с элементами схемы он не должен, поэтому соединён с «землёй» через керамический конденсатор, приваренный к корпусу с помощью точечной сварки.
Все отправляемые модули проходят тестирование давлением. Несмотря на заявленную рабочую глубину 100 метров, проверочное давление — 35 Атмосфер (эквивалент почти 350 метров). Как говорится, лучше перебдеть…
Сама установка проверки давлением до предела проста. Источник давления — опрессовщик систем отопления с манометром. Барокамера — отрезок качественной полипропиленовой трубы, с одной стороны которой — штуцер, соединяющий шланг опрессовщика, а с другой — крышка с отверстием и уплотнителем для кабеля испытываемого модуля.
Один из ключевых параметров — диаграмма направленности. В качестве измерительного стенда использовалась конструкция следующего вида:
Сонар закреплён в аквариуме стационарно. Подвижная принимаемая антенна расположена на одном уровне с излучателем сонара и имеет возможность поворачиваться в пределах 180° в плоскости перпендикулярной плоскости излучателя. Таким образом мы имеем возможность измерить амплитуду принимаемого акустического сигнала в зависимости от направления приёмника относительно излучателя сонара. Один из выводов сонара был настроен на выход синхроимпульса для осциллографа, чтоб можно было однозначно отличить прямой сигнал сонара от отражённых. Измерения показали угол 12° до уровня половины от максимальной амплитуды принимаемого акустического сигнала.
График на основании полученных данных: 
Опыт использования
Наивно полагая, что, бесплатно отправив образцы сонаров тестерам, мы можем получить качественную обратную связь, мы потеряли время и не получили значимых результатов тестирования. Есть ощущение, что у тестеров было бы больше мотивации разобраться с устройством, заплати они хоть 50% стоимости.
Всё-таки, качественная обратная связь — это когда ты сам становишься пользователем своего продукта.
Здесь мы плавно переходим к одному из возможных применений нашего сонара.
До подводных роботов нам пока далеко, но лодку — автопилот для батиметрии мы собрали самостоятельно.
В качестве контроллера автопилота был выбран PixHawk (ПО — ArduPilot).
Лодка движется по предварительно сформированному маршруту. Данные сонара о расстоянии до дна записываются автопилотом на карту памяти вместе с данными с GPS приёмника. Совмещая эти данные возможно составить карту дна водоёма.
В общем виде, схема подключения выглядит следующим образом:
А это — научное исследовательское судно Gretta-2 c установленным оборудованием: 
В день тестирования дул сильный ветер, и нашу лоханку прилично колбасило, вследствие чего сонар периодически хватал воздух, что сказывалось на показаниях. На картинке ниже указаны эти аномальные пики на графике измеренной глубины. Так что, желающим повторить подобную конструкцию, следует уделить этому нюансу некоторое внимание.
Испытания в более удачный день позволили получить более точные данные, благодаря которым была построена карта дна небольшой части местного водоёма: 
Кстати, в модуле реализовано два типа протокола: бинарный, и текстовый NMEA. Последний поддерживается платформой ArduPilot, поэтому со стыковкой сонара и контроллера автопилота проблем не возникает.
Информацию о том, как предварительно настроить наш сонар для работы в связке с ArduPilot можно посмотреть здесь.
Чтобы проводить опыты с сонаром, не обязательно иметь сложное внешнее оборудование, или обладать продвинутыми навыками программирования. Достаточно иметь Android-смартфон с предустановленным нашим GUI, любой конвертер USB→UART и кабель OTG. Можно менять такие параметры, как частоту излучения, количество импульсов в пачке, период генерации зондирующих импульсов, и много чего ещё. Результат изменения этих параметров сразу виден на экране.
Если смартфон имеет модуль GPS, то можно вести запись данных сонара и данных с GPS самого смартфона.
Изменив излучатель с диска на продолговатый параллепипед, можно из узколучевого сонара получить некое подобие ГБО — гидролокатора бокового обзора. На минималках, конечно.
Хоть небольшая мощность и ультракомпактные размеры не позволят светить на десятки метров, но этого достаточно, чтобы ознакомиться с принципами работы ГБО, поиграться с настройками и мгновенно видеть результат изменения этих настроек.
ГБО на минималках: 
Отдельно хотелось бы остановиться на GUI.
Вместе с тем, что он умеет менять параметры работы сонара, писать логи вместе с координатами, отправлять данные на удалённый сервер (фича в разработке), это ещё и опен-сорсный проект, написанный на Java в среде Android Studio. Тем, кто занимается мобильной разработкой и коммуникацией приложения с внешними устройствами, возможно, решения, которые реализованы в нашем приложении, будут полезны.
Ещё бы добавил, что сонар, помимо интерфейса UART, имеет несколько дополнительных дискретны входов/выходов, которые можно использовать, например, для синхронизации массива сонаров и построения подобия локатора с синтетической апертурой. Но это уже совсем другая история…
Одновременно с данными об отражениях от объектов, можно получить информацию о направлении, откуда получены эти данные. Такое решение не уникально и существуют готовые сонары сканирующего типа, только ценник начинается от $2k. Если хочется сэкономить, то можно воспользоваться комбинацией бюджетного сонара (как наш) с собственной установкой для поворота.
Вот такие результаты для связки сонара и обычной руки, хаотически двигаемой в направлении исследуемого объекта, можно получить, прибегнув к методам интерполяции (плафон светильника на дне метровой бадьи):
