CN105043442A - 自容式水声、水文数据同步采集装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自容式水声、水文数据同步采集装置、系统及方法，所述装置包括：第一数据采集模块、第二数据采集模块、控制模块、存储模块；第一数据采集模块用于采集第一水声数据，将第一水声数据转换为第二水声数据发送给控制模块；第二数据采集模块用于采集第一水文数据，将第一水文数据转换为第二水文数据发送给控制模块；控制模块用于控制第一数据采集模块和第二数据采集模块，将第二水声数据和第二水文数据发送给存储模块；存储模块用于存储第二水声数据和第二水文数据，以使主控计算机读取第二水声数据和第二水文数据。本申请提供的装置、系统及方法，能够实现深海条件下，同步获取深水大尺度范围内不同深度分布的水声信号与水文环境参数。

Description

自容式水声、水文数据同步采集装置、系统及方法

技术领域

本申请涉及海洋环境信息监测技术领域，尤其涉及一种自容式水声、水文数据同步采集装置、系统及方法。

背景技术

海洋声学及其技术由浅海向深海拓展，是认识深海、利用深海、开发深海的重大需求，是顺应国家海洋发展战略需求的重要领域。深海海洋水文环境参数时空变化显著，水文现象极其复杂，导致声场分布规律和时空相干结构复杂多变，进而影响着声信息传输与水下目标探测的性能。因此，开展深海声学研究必需加入环境参数。水文观测设备是进行深海水声场传播分析的必要技术途径。同样，深海水声、水文观测参数可为开展低频声波与深海海洋动力过程(如锋面、涡旋、内波等中、大尺度现象)之间的耦合机理研究，优化与发展海洋动力学预报模式、实现深海声学预报等基础研究提供必要的技术支撑。

目前，传统方式是通过水听器阵列和水文环境(如温度、深度、盐度)参数采集链的独立作业方式实现水声信号、水文参数测量，具体而言，水听器阵列通常是指由一定数量的水听器按固定间隔排列，通过一条多芯电缆(供电与信号传输共用)串接构成的阵列，阵列中的水听器将采集到的水声模拟信号由电缆传输到采集设备实现水声信号的数字化采集存储；水文环境参数采集链通常是将自容式或直读式水文环境传感器按不同深度悬挂于绳缆，获取不同深度的水文参数。但这种工作方式由于受到设备和海上实施等因素限制，存在以下局限性与不足之处：

1.水声与水文参数非共点、非同步采集：传统水听器阵列与水文环境参数采集链为各自独立系统，时钟独立，难以实现相同深度同步观测水声、水文环境参数。

2.操作不便：深水阵列体积大，海上布放、回收作业难度大，存储、运输不便，而且阵元的间隔位置固定，难以最佳接收的垂向空间分布。

3.信号质量低：长距离的供电电缆必然导致供电电压压降增大，导致远端水听器的动态范围降低，而且长距离的信号传输缆将使水声信号衰减增大、长缆的分布电容增加，水声信号质量下降。

4.可靠性低：深水水听器阵列内含多芯供电缆和信号传输缆，对于深水高静水压环境，电缆长度大，破损几率高，且高压环境下的电缆破损将迅速导致整条阵列彻底损坏，维修难度非常大。

发明内容

本申请的目的是提供一种自容式水声、水文数据同步采集装置、系统及方法，通过将声信号记录、水文环境参数记录相互融合的设计方法，研制一种新型的大深度、小型化、低功耗、自容式水声水文环境参数同步采集数据链，实现深海条件下，同步获取深水大尺度范围内不同深度分布的水声信号与水文环境参数。

为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种自容式水声、水文数据同步采集装置，所述装置包括：第一数据采集模块、第二数据采集模块、控制模块、存储模块；

所述第一数据采集模块用于采集第一水声数据，并将所述第一水声数据转换为第二水声数据发送给所述控制模块；

所述第二数据采集模块用于采集第一水文数据，并将所述第一水文数据转换为第二水文数据发送给所述控制模块；

所述控制模块用于控制所述第一数据采集模块和所述第二数据采集模块，并将所述第二水声数据和所述第二水文数据发送给所述存储模块；

所述存储模块用于存储所述第二水声数据和第二水文数据，以使主控计算机读取所述第二水声数据和所述第二水文数据。

第二方面，本申请提供了一种自容式水声、水文数据同步采集系统，所述系统包括：本申请实施例中的自容式水声、水文数据同步采集装置、主控计算机及授时系统；

所述主控计算机用于控制所述装置，并分别读取第二水声数据和第二水文数据确定海洋水声和水文信息；

所述授时系统用于获取时间信息，并为所述装置赋予时间值。

第三方面，本申请提供了一种自容式水声、水文数据同步采集方法，所述方法包括：

分别采集第一水声数据和第一水文数据；

将所述第一水声数据和所述第一水文数据分别转换为第二水声数据和第二水文数据；

分别根据所述第二水声数据和所述第二水文数据，确定海洋水声和水文信息。

本申请提供的自容式水声、水文数据同步采集装置、系统及方法，具有以下优点：

1.水声与水文参数共点、同步采集：每个装置可接入水声、温度、压力、盐度等多种传感器，实现水声信号与水文参数的空间、时间同步记录。

2.操作灵活：每个装置均为独立设备，用户可根据需求决定数据采集系统装置个数、空间间隔、布放深度等；

3.信号质量高：每个装置均为分布式数字化的设备，实现水声、水文参数的近端数字化采集记录，有效克服了传统阵列的长程传输存在的信号衰减、干扰、电压下降等问题。

4.高可靠性：自容式的装置独立可有效的实现故障隔离，不会因为单个装置的故障导致整个采集系统损坏，大大提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置示意图；

图2为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置中的水密电子舱结构图；

图3为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的系统示意图；

图4为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的采集数据链工作状态示意图；

图5为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本申请的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置示意图。如图1所示，所述装置包括：第一数据采集模块10、第二数据采集模块20、控制模块30、存储模块40；第一数据采集模块10用于采集第一水声数据，并将第一水声数据转换为第二水声数据发送给所述控制模块30；第二数据采集模块20用于采集第一水文数据，并将第一水文数据转换为第二水文数据发送给控制模块30；控制模块30用于控制第一数据采集模块10和第二数据采集模块20，并将第二水声数据和第二水文数据发送给存储模块40；存储模块40用于存储第二水声数据和第二水文数据，以使主控计算机读取第二水声数据和第二水文数据。

优选地，装置还包括：电源模块50，电源模块包括供电单元501和监控单元502；

供电单元501为高能锂电池组，用于为装置供电；

监控单元502用于监控电流和电压的变化，当发现异常情况时发出告警信号。

优选地，装置还包括：水密电子舱60；

水密电子舱60，用于容置控制模块30、存储模块40和电源模块50。

水密电子舱60为密闭结构，以防止内部进入海水。材质可以采用钛合金，可耐2000米高静水压，同样钛合金可保证电子仓在长期海水腐蚀环境下水密正常。

水密电子舱60结构如图2所示，其中，1为水密接插件，2为深水水文环境传感器安装孔，3为仪器托架，4为电池托架，5为外筒。

第一数据采集模块10具体包括：深水水听器、低噪声模/数转换电路、低噪声运算放大器。

深水水听器包括耐高压、高灵敏度的新型压电型水声传感器。

低噪声运算放大器用于对采集到的数据进行信号调理。

低噪声模/数转换电路用于将第一水声数据转换为第二水声数据，第一水声数据为模拟信号，第二水声数据为数字信号。

第二数据采集模块20具体为：深水水文环境传感器。深水水文环境传感器具体为高精度直读式水文环境参数传感器。

水文环境参数包括：温度参数、深度参数、盐度参数等。

第二数据采集模块20将采集到的第一水文数据转换为第二水文数据，第一水文数据为模拟信号，第二水文数据为数字信号。

需要说明的是，对于不同类型的传感器，采集到的信号类型不同。如果第二数据采集模块20采集到的为数字信号，此处不需要进行转换处理，直接将采集到的数字信号发送给控制模块30。

控制模块30具体包括：超低功耗单片机、低功耗现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，FPGA)和实时时钟；超低功耗单片机作为主控单元，用于实现运行模式转换和异常事件处理；FPGA为接口单元，用于实现数据类型转换、数据缓存、采集数据存储和与外部设备进行通讯；实时时钟用于通过授时系统为装置赋予时间值，授时系统可以为全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、北斗授时系统等。

存储模块40具体为大容量固态存储器。例如，高容量安全(SecureDigitalHighCapacity，SDHC)或容量扩展(SecureDigitaleXtendedCapacity，SDXC)型mini-SD存储卡。大容量固态存储器能够实现大容量数据的稳定可靠记录存储。

本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置，具有以下优点：

1.水声与水文参数共点、同步采集：每个装置可接入水声、温度、压力、盐度等多种传感器，实现水声信号与水文参数的空间、时间同步记录。

2.操作灵活：每个装置均为独立设备，用户可根据需求决定数据采集系统装置个数、空间间隔、布放深度等；

3.信号质量高：每个装置均为分布式数字化的设备，实现水声、水文参数的近端数字化采集记录，有效克服了传统阵列的长程传输存在的信号衰减、干扰、电压下降等问题。

4.高可靠性：自容式的装置独立可有效的实现故障隔离，不会因为单个装置的故障导致整个采集系统损坏，大大提高系统的可靠性。

图3为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的系统示意图。如图3所示，所述系统包括了实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置、主控计算机及授时系统。其中，1为电源模块、2为控制模块、3为存储模块、4为水密电子舱、5为深水水听器、6为水文环境传感器、7为水密连接器、8为主控计算机、9为授时系统。

主控计算机8用于控制所述装置，并分别读取装置采集到的水声数据和水文数据，确定海洋水声和水文信息；

授时系统9用于获取时间信息，并为装置赋予时间值。授时系统可以为全球定位系统GPS、北斗授时系统等。

自容式水声、水文数据同步采集系统可以包括多个自容式水声、水文数据同步采集装置，每个装置均为小型化的深水信号记录设备，绑缚在系留缆上，形成深水同步采集数据链，如图4所示。1为海面、2为海底、3为浮球、4为转环、5为金属环、6为自容式水声、水文数据同步采集装置7为重块。

数据链中的装置的具体使用数量、间距可在实施前随时调整。

自容式水声、水文数据同步采集系统的工作流程如下：

(1)授时系统通过主控计算机为深水同步采集数据链中的各个装置提供时间信息，实现各装置的同步运行，保证整条采集数据链的信号采集同步；

(2)主控计算机为深水同步采集数据链中的各装置设定工作任务，如果需要整条深水同步采集数据链工作在同步状态，可以将各采集装置设定为相同的工作任务；

(3)各采集装置根据设定的工作任务运行，控制模块对深水水听器拾取的第一水声数据进行实时采集和高速模/数转换，得到第二水声数据，水文环境传感器采集第一水文数据，处理后得到第二水文数据；控制模块同步获取第二水声数据和二水文数据一并编排成帧，存入数据通道缓存中，再由高速数据接口传送到存储模块；

(4)存储模块对控制模块发送的数据进行存储，同时通过检测存储卡的容量，实现多片存储卡之间的无缝切换；

(5)工作完成后，将深水同步采集数据链获得的水文、水声数据，通过专用读卡器读入主控计算机保存。

本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的系统，具有以下优点：

1.水声与水文参数共点、同步采集：每个装置可接入水声、温度、压力、盐度等多种传感器，实现水声信号与水文参数的空间、时间同步记录。

2.操作灵活：每个装置均为独立设备，用户可根据需求决定数据采集系统装置个数、空间间隔、布放深度等；

3.信号质量高：每个装置均为分布式数字化的设备，实现水声、水文参数的近端数字化采集记录，有效克服了传统阵列的长程传输存在的信号衰减、干扰、电压下降等问题。

4.高可靠性：自容式的装置独立可有效的实现故障隔离，不会因为单个装置的故障导致整个采集系统损坏，大大提高系统的可靠性。

图5为本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的方法流程图。所述方法包括：

步骤501，分别采集第一水声数据和第一水文数据；

步骤502，将所述第一水声数据和所述第一水文数据分别转换为第二水声数据和第二水文数据；

步骤503，分别根据所述第二水声数据和所述第二水文数据，确定海洋水声和水文信息。

本实施例中各步骤的具体执行过程在实施例一中已进行了详细描述，此处不再赘述。

本申请实施例一提供的自容式水声、水文数据同步采集装置对应的方法，具有以下优点：

1.水声与水文参数共点、同步采集：每个装置可接入水声、温度、压力、盐度等多种传感器，实现水声信号与水文参数的空间、时间同步记录。

2.操作灵活：每个装置均为独立设备，用户可根据需求决定数据采集系统装置个数、空间间隔、布放深度等；

3.信号质量高：每个装置均为分布式数字化的设备，实现水声、水文参数的近端数字化采集记录，有效克服了传统阵列的长程传输存在的信号衰减、干扰、电压下降等问题。

4.高可靠性：自容式的装置独立可有效的实现故障隔离，不会因为单个装置的故障导致整个采集系统损坏，大大提高系统的可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自容式水声、水文数据同步采集装置，其特征在于，所述装置包括：第一数据采集模块、第二数据采集模块、控制模块、存储模块；

所述第一数据采集模块用于采集第一水声数据，并将所述第一水声数据转换为第二水声数据发送给所述控制模块；

所述第二数据采集模块用于采集第一水文数据，并将所述第一水文数据转换为第二水文数据发送给所述控制模块；

所述控制模块用于控制所述第一数据采集模块和所述第二数据采集模块，并将所述第二水声数据和所述第二水文数据发送给所述存储模块；

所述存储模块用于存储所述第二水声数据和第二水文数据，以使主控计算机读取所述第二水声数据和所述第二水文数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：电源模块，所述电源模块包括供电单元和监控单元；

所述供电单元为高能锂电池组，用于为所述装置供电；

所述监控单元用于监控电流和电压的变化，当发现异常情况时发出告警信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：水密电子舱；

所述水密电子舱，用于容置所述控制模块、所述存储模块和所述电源模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一数据采集模块具体包括：深水水听器、低噪声模/数转换电路、低噪声运算放大器；

所述低噪声运算放大器用于对采集到的数据进行信号调理；

所述低噪声模/数转换电路用于将第一水声数据转换为第二水声数据。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二数据采集模块具体为：深水水文环境传感器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块具体包括：超低功耗单片机、低功耗现场可编程门阵列FPGA、实时时钟；

所述超低功耗单片机用于实现运行模式转换和异常事件处理；

所述FPGA用于实现数据类型转换、数据缓存、采集数据存储和与外部设备进行通讯；

所述实时时钟用于通过授时系统为所述装置赋予时间值。

7.一种自容式水声、水文数据同步采集系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1所述的装置、主控计算机及授时系统；

所述主控计算机用于控制所述装置，并分别读取第二水声数据和第二水文数据确定海洋水声和水文信息；

所述授时系统用于获取时间信息，并为所述装置赋予时间值。

8.一种自容式水声、水文数据同步采集方法，其特征在于，所述方法包括：

分别采集第一水声数据和第一水文数据；

将所述第一水声数据和所述第一水文数据分别转换为第二水声数据和第二水文数据；

分别根据所述第二水声数据和所述第二水文数据，确定海洋水声和水文信息。