CN104849761A - 一种声学深海拖曳探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声学深海拖曳探测系统，包括：位于水上的甲板单元、位于水下的拖体和包含压载器在内的连接组件；所述甲板单元与拖体通过连接组件连接；其中，甲板单元包括：包括GPS在内的船载设备、甲板服务器组、水上供电通信同步设备；拖体包括：水下供电通信同步设备、声纳设备、传感器以及其他的功能组件；水上供电通信同步设备包括第一光纤通信单元和第一电源转换单元；水下供电通信同步设备包括第二光纤通信单元和第二电源转换单元，还包括第二声学同步采集控制单元；第二声学同步采集控制单元与声纳设备、传感器相连，该单元为多个声纳设备提供同步触发脉冲的输入和输出接口，同时通过串口授予多个声纳设备同步时刻的时间信息。

Description

一种声学深海拖曳探测系统

技术领域

本发明涉及海洋声学探测领域，特别涉及一种声学深海拖曳探测系统。

背景技术

声学深海拖曳系统是近海底对海底地形地貌、浅地层剖面和水体的物理化学参数进行长时间实时探测的装备。其工作示意如图1所示，母船1利用绞车和万米光电复合缆2连接到深海拖曳探测系统的压载器3上，再通过长50m左右的中性浮缆4连接到拖体平台5(其上安装有探测海底地形、地貌、浅地层的多部声纳，还安装有多种探测海洋环境参数的传感器)，采用这种方式可将拖曳平台投放到近海底，对海底和水体进行精细探测(引自《深水声学拖曳系统》，海洋测绘第25卷第6期)。

图2为现有技术中的声学深海拖曳系统的结构示意图，如图所示，该系统包括位于水上的甲板单元、位于水下的拖体和包含压载器在内的连接组件；甲板单元包括：GPS等船载设备、甲板服务器组、水上供电通信设备(包括光纤通信单元和电源转换单元)；拖体包括水下供电通信设备(包括光纤通信单元和电源转换单元)、声纳设备、传感器以及其他的功能组件；其中，水上部分与水下部分通过连接组件相连，水下供电通信设备作为核心连接部件为水下拖体搭载的设备供电并接收网络、串口和视频数据，再转换为光纤通信通过连接组件传给水上供电通信设备，再由水上供电通信设备转换为甲板服务器组所需的网络、串口和视频等数据，由甲板服务器组完成探测数据的处理、展示和存储。

随着声学深海拖曳系统的发展，搭载的设备逐渐多样化，应用更加成熟，同时也暴露出了以下不足：

1、声学深海拖曳系统通常搭载有多部声纳设备，这些声纳设备在同时工作时容易产生相互干扰的问题。虽然现有技术中某些声学深海拖曳系统具有核心声纳的同步功能，但一旦声纳设备数量较多(如具有六部声纳)，则系统依然具有缺乏统一的全局时序控制的问题，造成整个系统控制灵活性不足。

2、系统数据时间匹配问题：声学深海拖曳系统搭载和连接的设备涉及水上、水下多种类型的设备和系统，各系统和设备间因为没有统一的时钟平台，其数据之间时间匹配度精度较低，为声纳数据结果的实时处理引入了误差；而且没有实时时间标注也影响事后的数据融合与处理使用。

3、平台的可扩展性：在不同的试验和作业区域，声学深海拖曳系统的应用目的有所不同，这就要求系统搭载的探测设备能够根据需要进行调整。目前大多数声学深海拖曳系统不具备灵活组合搭载的能力，而一个大而全的系统显然是体积和资源的浪费，不符合科学作业的设计理念。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的声学深海拖曳系统缺乏统一的全局时序控制，系统灵活性不足的缺陷，从而提供一种具有统一的全局时序控制的声学深海拖曳探测系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种声学深海拖曳探测系统，包括：位于水上的甲板单元、位于水下的拖体和包含压载器在内的连接组件；所述甲板单元与拖体通过连接组件连接；其中，

所述甲板单元包括：包括GPS在内的船载设备、甲板服务器组、水上供电通信同步设备；所述拖体包括：水下供电通信同步设备、声纳设备、传感器以及其他的功能组件；所述水上供电通信同步设备包括第一光纤通信单元和第一电源转换单元；所述水下供电通信同步设备包括第二光纤通信单元和第二电源转换单元，还包括第二声学同步采集控制单元；所述第二声学同步采集控制单元与声纳设备、传感器相连，该单元为多个声纳设备提供同步触发脉冲的输入和输出接口，同时通过串口授予多个声纳设备同步时刻的时间信息。

上述技术方案中，所述水上供电通信同步设备还包括第一声学同步采集控制单元。

上述技术方案中，所述第一声学同步采集控制单元或第二声学同步采集控制单元包括：在MCU上实现的功能模块、在FPGA上实现的功能模块；在MCU上实现的功能模块包括：上电单板各芯片的状态初始化单元、与上位机软件间的配置交互单元、GPS时间的解析分发单元、RTC时间的解析分发单元；在FPGA上实现的功能模块包括：时间合成单元、多声纳同步时序逻辑、多通道传感器数据解析和时标添加单元、传感器数据的打包与发送单元以及外部设备的握手交互单元。

上述技术方案中，所述多声纳同步时序逻辑用于实现声纳同步，一个同步通道对应一个多声纳同步时序逻辑；所述声学同步采集控制单元采用多个多声纳同步时序逻辑并行产生多个通道的同步脉冲触发输出，通过调节每个通道各自的延时和周期参数，控制不同工作频率和发射长度的声纳设备在同一时刻结束发射；

所述多声纳同步时序逻辑的逻辑跳转时序包括：

101)、处于空闲状态的声学同步采集控制单元在检测到触发源信号的有效触发沿时开始跳转，其中触发源信号是其内部逻辑按照设置的周期自动计数产生的触发信号，或是外部设备产生的触发信号；

102)、逻辑状态机跳转到延时计数状态后，直到计数器累计到设置的延时长度开始产生一个高电平的信号并跳转到脉宽计数状态；

103)、在脉宽计数状态，当逻辑计数器累计到设置的脉宽长度时，将高电平信号拉低并跳转到周期计数状态，至此产生一个一定宽度的脉冲信号输出，用于触发外部声纳设备的工作；

104)、在周期计数状态，逻辑禁止触发信号的触发，直到计数器累计到设置的周期长度后才使能触发信号的触发并跳转到空闲状态，等待下一次触发信号。

上述技术方案中，所述多通道传感器数据解析和时标添加单元用于并行接收多个传感器的数据，并为这些数据添加时间标注；为传感器数据添加时间标注的逻辑时序包括：

201)、处于空闲状态的声学同步采集控制单元在检测到相应通道串口电路的逻辑电平拉低时，开始接收串口数据，同时锁存当前时间合成单元中的时刻信息；

202)、在接收串口数据时对传感器数据包头加以解析验证，如果符合当前通道的数据协议格式，则在数据接收完成后将之前锁存的时间信息按照预定的格式尾随传感器数据串行发送给光纤通信单元以及其它传感器通道；如果接收到的数据包头与预设协议不符，则舍弃锁存的时标数据。

上述技术方案中，所述时间合成单元根据GPS接收机的串口数据和秒脉冲输出对声学同步采集控制单元授时，其逻辑时序包括：

声学同步采集控制单元接收到GPS秒脉冲的上升沿时，将当前GPS时间寄存器中的时间值加1秒写入时间合成单元，同时在GPS秒脉冲的上升沿将微秒计数器中的微秒时刻置0。

上述技术方案中，所述拖体还具备预留的固定槽位空间，并具有浮力调节的能力。

上述技术方案中，所述水下供电通信同步设备具有预留的接口。

本发明的优点在于：

1、本发明的声学深海拖曳系统具有灵活可调的全局同步时序控制功能，能够保证多部声纳设备的有序工作，最大程度地降低干扰；

2、本发明的声学深海拖曳系统具有高精度的数据时标信息，便于数据的接收、处理和存储；

3、本发明的声学深海拖曳系统具有较强的可扩展性，定制化接口能够兼容各种声纳和传感器的供电、通信和安装需求，实现设备搭载方案的多样化。

附图说明

图1是声学深海拖曳系统的工作示意图；

图2是现有技术中的声学深海拖曳系统的结构示意图；

图3是本发明的声学深海拖曳探测系统的结构示意图；

图4是声学同步采集控制单元的功能模块图；

图5是多声纳同步时序逻辑的状态机示意图；

图6是为传感器数据添加时间标注的逻辑状态机示意图；

图7是时间合成单元的时序逻辑图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图3，本发明的声学深海拖曳探测系统包括：位于水上的甲板单元、位于水下的拖体和包含压载器在内的连接组件；所述甲板单元与拖体通过连接组件连接；其中，所述甲板单元包括：包括GPS在内的船载设备、甲板服务器组、水上供电通信同步设备；拖体包括：水下供电通信同步设备、声纳设备、传感器以及其他的功能组件；所述水上供电通信同步设备包括第一光纤通信单元和第一电源转换单元，还包括第一声学同步采集控制单元，水下供电通信同步设备包括第二光纤通信单元和第二电源转换单元，还包括第二声学同步采集控制单元；所述第二声学同步采集控制单元与声纳设备、传感器相连，该单元为多个声纳设备提供同步触发脉冲的输入和输出接口，同时通过串口授予多个声纳设备同步时刻的时间信息。

下面对系统中的各个部件做进一步的说明。

所述第一声学同步采集控制单元与第二声学同步采集控制单元位于不同的位置，但具有相同的功能，因此在本申请中以其中一个声学同步采集控制单元为例，对该单元的功能做进一步说明。

如图4所示，一声学同步采集控制单元进一步包括在MCU上实现的功能模块、在FPGA上实现的功能模块；在MCU上实现的功能模块包括：上电单板各芯片的状态初始化单元、与上位机软件间的配置交互单元、GPS时间的解析分发单元、RTC时间的解析分发单元；在FPGA上实现的功能模块包括：时间合成单元、多声纳同步时序逻辑、多通道传感器数据解析和时标添加单元、传感器数据的打包与发送单元以及外部设备的握手交互单元。

GPS时间的解析分发单元用于解析外部GPS设备所提供的基准时间，RTC时间的解析分发单元用于解析声学同步采集控制单元自身板载的RTC芯片提供的时间信息，RTC时间可在无外部GPS授时时为系统提供日期时间信息。GPS时间的解析分发单元与RTC时间的解析分发单元在完成时间的解析后，将解析后的时间分发给FPGA。

所述多声纳同步时序逻辑用于实现声纳同步。声纳同步的目的在于最大可能地降低多部声纳之间的相互干扰，尽量使频率接近的系统分开发射，使频率不接近的系统发射同时结束。图5为多声纳同步时序逻辑的状态机示意图，一个同步通道的逻辑跳转时序如下：

1、处于空闲状态的声学同步采集控制单元在检测到触发源信号的有效触发沿时开始跳转，其中触发源信号可以是其内部逻辑按照设置的周期自动计数产生的触发信号，也可以是外部设备产生的触发信号；

2、逻辑状态机跳转到延时计数状态后，直到计数器累计到设置的延时长度开始产生一个高电平的信号并跳转到脉宽计数状态；

3、在脉宽计数状态，当逻辑计数器累计到设置的脉宽长度时，将高电平信号拉低并跳转到周期计数状态，至此产生了一个一定宽度的脉冲信号输出，用于触发外部声纳设备的工作；

4、在周期计数状态，逻辑禁止触发信号的触发，直到计数器累计到设置的周期长度后才使能触发信号的触发并跳转到空闲状态，等待下一次触发信号。

以上为一个同步通道的逻辑跳转时序，而声学同步采集控制单元可以根据需要在FPGA上复制多个相同的多声纳同步时序逻辑，并行产生多个通道的同步脉冲触发输出，通过调节每个通道各自的延时和周期参数，控制不同工作频率和发射长度的声纳设备在同一时刻结束发射，将声纳间的干扰影响降到最低。

所述多通道传感器数据解析和时标添加单元用于并行接收多个传感器(拖体上搭载的传感器，或船载传感器)的数据，并为这些数据添加时间标注。为传感器数据添加时间标注的逻辑状态机如图6所示，处于空闲状态的声学同步采集控制单元在检测到相应通道串口电路的逻辑电平拉低时，开始接收串口数据，同时锁存当前时间合成单元中的时刻信息；在接收串口数据时对传感器数据包头加以解析验证，如果符合当前通道的数据协议格式，则在数据接收完成后将之前锁存的时间信息按照预定的格式尾随传感器数据并串行发送给光纤通信单元；如果接收到的数据包头与预设协议不符则舍弃锁存的时标数据。由于水上声学同步采集控制单元和水下声学同步采集控制单元采用同一时间源，这两个单元中的多通道传感器数据解析和时标添加单元需要分别对水上数据和水下数据添加时标，这样使得整个深拖系统的数据统一在一个时间系统下。此外，声学同步采集控制单元还可将接收到的传感器数据分发到其它传感器通道。

所述时间合成单元根据GPS接收机的串口数据和秒脉冲输出对声学同步采集控制单元授时，以保证声学同步采集控制单元时间信息的精准。该单元的时序逻辑如图7所示，因为GPS接收机的串口输出相对秒脉冲信号有效沿(上升沿)有一定的延时(t0相对P0时刻的延时)，因此在声学同步采集控制单元接收到GPS秒脉冲的上升沿时，将当前GPS时间寄存器中的时间值加1写入时间合成单元，称之为时间合成单元时间，即T1＝t0+1(秒)，同时在GPS秒脉冲的上升沿将微秒计数器中的微秒时刻置0，这样便保证了每次时间合成单元中更新时间时与GPS的时间跳变相对齐(即T0对齐P0，T1对齐P1)。

作为一种优选的实现方式，本发明的声学深海拖曳探测系统中的拖体还具备预留的固定槽位空间和浮力调节的能力，以保证额外的搭载能力；所述水下供电通信同步设备也有预留的接口，以兼容不同传感器设备不同的电源和通信需求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种声学深海拖曳探测系统，其特征在于，包括：位于水上的甲板单元、位于水下的拖体和包含压载器在内的连接组件；所述甲板单元与拖体通过连接组件连接；其中，

所述甲板单元包括：包括GPS在内的船载设备、甲板服务器组、水上供电通信同步设备；所述拖体包括：水下供电通信同步设备、声纳设备、传感器以及其他的功能组件；所述水上供电通信同步设备包括第一光纤通信单元和第一电源转换单元；所述水下供电通信同步设备包括第二光纤通信单元和第二电源转换单元，还包括第二声学同步采集控制单元；所述第二声学同步采集控制单元与声纳设备、传感器相连，该单元为多个声纳设备提供同步触发脉冲的输入和输出接口，同时通过串口授予多个声纳设备同步时刻的时间信息。

2.根据权利要求1所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述水上供电通信同步设备还包括第一声学同步采集控制单元。

3.根据权利要求2所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述第一声学同步采集控制单元或第二声学同步采集控制单元包括：在MCU上实现的功能模块、在FPGA上实现的功能模块；在MCU上实现的功能模块包括：上电单板各芯片的状态初始化单元、与上位机软件间的配置交互单元、GPS时间的解析分发单元、RTC时间的解析分发单元；在FPGA上实现的功能模块包括：时间合成单元、多声纳同步时序逻辑、多通道传感器数据解析和时标添加单元、传感器数据的打包与发送单元以及外部设备的握手交互单元。

4.根据权利要求3所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述多声纳同步时序逻辑用于实现声纳同步，一个同步通道对应一个多声纳同步时序逻辑；所述声学同步采集控制单元采用多个多声纳同步时序逻辑并行产生多个通道的同步脉冲触发输出，通过调节每个通道各自的延时和周期参数，控制不同工作频率和发射长度的声纳设备在同一时刻结束发射；

所述多声纳同步时序逻辑的逻辑跳转时序包括：

101)、处于空闲状态的声学同步采集控制单元在检测到触发源信号的有效触发沿时开始跳转，其中触发源信号是其内部逻辑按照设置的周期自动计数产生的触发信号，或是外部设备产生的触发信号；

102)、逻辑状态机跳转到延时计数状态后，直到计数器累计到设置的延时长度开始产生一个高电平的信号并跳转到脉宽计数状态；

103)、在脉宽计数状态，当逻辑计数器累计到设置的脉宽长度时，将高电平信号拉低并跳转到周期计数状态，至此产生一个一定宽度的脉冲信号输出，用于触发外部声纳设备的工作；

104)、在周期计数状态，逻辑禁止触发信号的触发，直到计数器累计到设置的周期长度后才使能触发信号的触发并跳转到空闲状态，等待下一次触发信号。

5.根据权利要求3所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述多通道传感器数据解析和时标添加单元用于并行接收多个传感器的数据，并为这些数据添加时间标注；为传感器数据添加时间标注的逻辑时序包括：

201)、处于空闲状态的声学同步采集控制单元在检测到相应通道串口电路的逻辑电平拉低时，开始接收串口数据，同时锁存当前时间合成单元中的时刻信息；

202)、在接收串口数据时对传感器数据包头加以解析验证，如果符合当前通道的数据协议格式，则在数据接收完成后将之前锁存的时间信息按照预定的格式尾随传感器数据串行发送给光纤通信单元以及其它传感器通道；如果接收到的数据包头与预设协议不符，则舍弃锁存的时标数据。

6.根据权利要求3所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述时间合成单元根据GPS接收机的串口数据和秒脉冲输出对声学同步采集控制单元授时，其逻辑时序包括：

声学同步采集控制单元接收到GPS秒脉冲的上升沿时，将当前GPS时间寄存器中的时间值加1秒写入时间合成单元，同时在GPS秒脉冲的上升沿将微秒计数器中的微秒时刻置0。

7.根据权利要求1所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述拖体还具备预留的固定槽位空间，并具有浮力调节的能力。

8.根据权利要求1所述的声学深海拖曳探测系统，其特征在于，所述水下供电通信同步设备具有预留的接口。