CN107356233B - 一种适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统，所述垂直阵系统包括通过高强度绳缆串联的若干个水听器，所述水听器包括：高灵敏度水听器头，用于接收海洋环境噪声和水声通信信号；信号采集与调理电路，用于对高灵敏度水听器头进行采集和调理；传感器模块，用于采集压力、温度、倾角、加速度和方位信息；包括：压力传感器，倾角传感器、加速度传感器、温度传感器和方位传感器；主控制器，用于控制各模块之间的数据传输；和高精度实时时钟，用于实现各水听器节点的粗精度同步。本发明提供的系统不受电缆约束，而且垂直阵中带电设备都以耐极低温的目标进行设计，使得整个系统特别适合在北极及毗邻海域的深海声学测量中使用。

Description

一种适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统

技术领域

本发明涉及海洋声学测量领域，特别涉及一种适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统。

背景技术

近年来由于全球气候变暖的影响，北极区域的冰盖持续萎缩，其海域丰富的自然资源以及北极航道通行的日益频繁，引起了世界各国的高度关注。北极水声学作为一门研究北极及其毗邻海域水声环境效应的学科，在这样的背景下成为研究热点，同时也提出了新的研究内容。北极地区地理位置独特，大部分区域长年被海冰覆盖，气温极低，在最冷的一月份平均气温在-20℃到-40℃之间，最暖的八月份平均气温也只能到-8℃。我国对北极及其毗邻海域的声学研究刚刚起步，对声场传播模型建模需要大量实验测量数据，因而研制能够经受低温考验，并且能够采集水声信号和相关水文数据的垂直阵测量系统无疑是非常必要的。

目前在深海的声学测量使用的垂直阵列有两类实现方式：一类是使用电缆将水听器等间隔串联起来，电缆给各水听器供电和传输信号，或者加上电磁感应调制解调器传输信号控制各水听器同步采集；另一类是使用自容式的水听器，用绳缆等间隔串联，采用授时和守时协作的方式同步各水听器。考虑到北极及其毗邻海域的使用场景，这两类实现方式存在的局限性和不足主要有：

1、由于垂直阵使用的海域有碎冰覆盖，电缆在测量过程中极易遭受碎冰移动的损伤，而一旦控制各水听器节点的电缆受损，则整个测量系统的测量工作将受到严重影响。

2、完全由自容式水听器节点构成的垂直阵在数据采样时不受控，无法在测量过程更改采样率、采样时间，此外目前自容式水听器智能化程度不够高，也限制由自容式水听器构成的垂直阵使用的灵活性。

体积庞大的垂直阵在运输、布放上给操作人员带来了极大的不便，特别是在极寒低温地区。因而在研制新型的垂直阵系统过程中，必须考虑现场操作人员使用的便捷性。近年来电子技术的进步给海洋声学测量设备的研制提供了新的思路和方向，海洋声学测量设备走向小型化、低功耗、智能化是大势所趋，这也将进一步减轻海上作业人员的工作负担。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述问题和现有技术的不足，本发明提供了一种高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统。该系统具备在极寒低温海域同时采集水声信号和温度、压力等水文数据，实现海洋环境噪声的空间分布式探测的能力，同时提供人性、智能化的功能降低操作人员在低温环境下的操作时间。

为达到上述目的，本发明提供了一种高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统，所述垂直阵系统包括通过高强度绳缆串联的若干个水听器，所述水听器包括：

高灵敏度水听器头，用于接收海洋环境噪声和水声通信信号；

信号采集与调理电路，用于对高灵敏度水听器头进行采集和调理；

传感器模块，用于采集压力、温度、倾角、加速度和方位信息；包括：压力传感器，倾角传感器、加速度传感器、温度传感器和方位传感器；

主控制器，用于控制各模块之间的数据传输；和

高精度实时时钟，用于实现各水听器节点的粗精度同步。

上述技术方案中，所述水听器还包括供电模块，用于保障电路在-40℃的极低温下能够正常供电；所述供电模块包括耐低温锂电池组和超级电容，所述耐低温锂电池组为水听器供电，最高电压为14.8V，容量为2200mAh，在-40℃下实现充放电；所述超级电容在低温下为高精度实时时钟供电。

上述技术方案中，所述水听器还包括：数据存储模块，用于存储水听器采集数据。

上述技术方案中，当所述系统处于水声通信工作模式时，所述系统还包括：水声通信机；当垂直阵系统入水后，各水听器节点设备处在低功耗的待机检测状态，通过水声通信机向垂直阵系统发送启动信号，每个水听器节点设备接收到启动信号进入连续采集工作状态；并通过水声通信机实时发送暂停、停止或重新配置采样命令。

上述技术方案中，当所述系统处于姿态识别工作模式时，所述主控制器还包括：状态自动切换单元；用于使水听器节点设备通过判断系统出入水情况来切换工作状态：当水听器的压力传感器检测到水压的变化、倾角传感器检测到水听器接近于垂直状态和加速度传感器检测到Z轴方向产生连续较大变化时，判断水听器进入海水，则状态自动切换单元切换到连续采集工作状态；当判断水听器离开海水，则状态自动切换单元切换到待机检测状态。

本发明的优点在于：

1、本发明提供的垂直阵系统不受电缆约束，即使在有碎冰挤压的工作环境下也能保持正常的工作状态，此外垂直阵中带电设备都以耐极低温的目标进行设计，使得整个垂直阵能经受住高纬度海域极寒环境，特别适合在北极及毗邻海域的深海声学测量中使用；

2、本发明提供的垂直阵系统的水听器采用小型化、低功耗、智能化设计，具备传统水听器设备所没有的通过实时分析数据实现智能化操作的功能；

3、本发明提供的垂直阵系统具备灵活的工作模式选择，拓展了一般水声垂直阵使用方式，使得实验操作人员在使用此系统时能以极低的代价调整实验，这对于在低温环境下现场作业的人员是非常重要的。

附图说明

图1为本发明的适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统的示意图；

图2为本发明的系统的智能水听器的结构图；

图3为本发明的信号调理与采集电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统，所述垂直阵系统包括：通过高强度绳缆串联的多个水听器及水声通信设备；每个水听器在绳缆上等间隔排列，间隔距离由采样的水声信号频率决定。由于节点设备的智能化，使得垂直阵的安装布放更加简单，方便实验人员现场实施。垂直阵系统有两种工作模式，水声通信模式和姿态识别模式。其中姿态识别模式是系统使用最简单的一种方式，操作人员不需要在现场对各个水听器节点设备进行上电启动、配置等操作，按照预定的安装方式，如垂直安装，然后将垂直阵放入水中，各个水听器检测到压力和加速度符合预设要求之后就能立即正常工作。姿态识别模式适合明确固定的测量工作任务，而水声通信模式则适合更加复杂的测量任务，如根据不同声源改变采样率、控制采样时间等。水声通信模式需要额外使用一台水声通信设备，当垂直阵入水后，通信机发出启动、暂停、配置等命令，垂直阵上的各水听器节点设备接收到命令进入相应的工作状态。

本实施例的水听器整体为圆柱体设计，外壳为高强度的钛合金，耐压水深超过1000米，适合深海测量任务，壳体有卡扣，方便将智能水听器安装在绳缆上。智能水听器的内部机构图如图2所示。外壳一端为高灵敏度水听器头，另一端为压力和温度传感器。电子系统部分采用ST公司最新的ARM Cortex-M4低功耗高性能微控制器作为主控制器。主控制器将采集到的水声信号和温度压力数据存入MicroSD卡，测量任务结束后，实验人员通过USB接口读取MicroSD卡里的数据，并且在读取的同时完成对微控制器RTC的时间同步，或者对底层程序进行DFU(Device Firmware Upgrade)固件升级。

所述水听器有两种工作状态——待机检测状态和连续采集状态，由于垂直阵系统采用水声通信和姿态识别两种工作方式，因而水听器的待机检测也分为姿态识别模式下的待机检测和水声通信模式下的待机检测。水听器的两种工作模式下系统耗电相差很大，因而本发明采用TI公司的开关电源方案，在系统高低电流运行时都能提供极高的电源效率，提高了小容量电池的使用寿命。此外，在待机检测模式时，采用模拟电路接收和处理水声通信设备发来的命令信号，微控制器处于休眠状态，并且关断了大电流的外设，进一步降低系统功耗，实现了长时间待机。在此低功耗的设计下，使用4个串联的18650耐低温锂电池组供电，最高电压14.8V，容量为2200mAh，电池组体积：70*42*37mm，可以实现在待机检测1状态下工作41.5天，在待机检测2状态下工作27天，在连续采样状态下约能工作40-50小时。

考虑到在高纬度地区使用时可能会遇到极端低温(-20℃～-40℃)的情况，此时必须保证电子设备在这样的环境下还能正常运行，特别是在设备还未入水工作，处在待机检测模式下，各部件要能经受低温的考验。首先应考虑的是待机检测模式下工作的元器件的工作温度范围。选用工业级(-40℃-+85℃)，甚至是军品级(-55℃-+150℃)的元器件能够满足这样的需求。当然由于各元器件的差异性较大，电路板正常工作后还应该进行严格的低温筛选。其次，电池作为一种特殊的电化学器件，在低温环境下往往工作不理想，如常见的锂电池，在-20℃容量仅为原来的一半左右，当温度降到-40℃则完全不能正常充、放电。因而本发明的供电电池选择-40℃耐低温锂电池，根据测试数据，此款电池在-20℃下充电效率为96％，放电效率为91％，在-40℃下充电效率为57％，放电效率为36％。通常RTC供电采用锂锰一次性纽扣电池，这样的纽扣电池号称能在-20℃到+60℃正常工作，但是依旧不能满足本设备可能遇到的极端低温的要求。考虑到工业级的超级电容通常能在低温下正常工作，本发明选用超级电容作为RTC的供电。但是超级电容相对于纽扣电池也有它缺点，超级电容属于物理储能，典型的功率密集器件，在储能上不及电池这类的能量密集器件。在本发明中，如果内部的锂电池完全断电，超级电容只能实现一个月左右的供电。反映到实际操作中，这就要求实验操作人员在拆卸完电池后应及时换上新的电池，或者当长时间未安装电池，必须在安装电池后通过PC端程序更新RTC。

如图2所示，所述水听器包含多种传感器，包括温度传感器、压力传感器、MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器(倾角、加速度、方位)。众多的传感器可以实现智能化的功能，当所述系统处于姿态识别工作模式时，所述水听器的主控制器还包括：状态自动切换单元；用于使水听器节点设备通过判断水听器出入水情况来切换工作状态：当水听器的压力传感器检测到水压的变化、倾角传感器检测到水听器接近于垂直状态和加速度传感器检测到Z轴方向产生连续较大变化，即判断水听器进入海水，则状态自动切换单元切换到连续采集工作状态，当判断水听器离开海水，则状态自动切换单元切换到待机检测状态。

水听器节点设备通过姿态识别来切换工作方式，从而达到节省人工的目的。

在使用垂直阵系统进行水声信号传播和海洋环境噪声测量时，水声信号的调理与采集是关键点，针对实际使用的情况，本发明实现高分辨率、大动态范围、低噪声、低失真的数据调理与采集，如图3所示。本实施例的双通道信号调理的工作方式，通过双通道的高低增益放大，同步采集存储两个通道的信号，在后期处理数据的时候再根据实际情况来选择所需要的数据。这样的处理方式解决了这样的问题：当信号调理链路放大倍数小时，可能造成的微弱信号无法被放大的问题；当放大倍数过大时，又会造成信号的饱和放大，损伤电路的同时影响信号的完整性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统，其特征在于，所述垂直阵系统包括通过高强度绳缆串联的若干个水听器，所述水听器包括：

高灵敏度水听器头，用于接收海洋环境噪声和水声通信信号；

信号采集与调理电路，用于对高灵敏度水听器头进行采集和调理；

传感器模块，用于采集压力、温度、倾角、加速度和方位信息；包括：压力传感器，倾角传感器、加速度传感器、温度传感器和方位传感器；

主控制器，用于控制各模块之间的数据传输；和

高精度实时时钟，用于实现各水听器节点的粗精度同步；

所述水听器还包括供电模块，用于保障电路在-40℃的极低温下能够正常供电；所述供电模块包括耐低温锂电池组和超级电容，所述耐低温锂电池组为水听器供电，最高电压为14.8V，容量为2200mAh，在-40℃下实现充放电；所述超级电容在低温下为高精度实时时钟供电；

当所述系统处于姿态识别工作模式时，所述主控制器还包括：状态自动切换单元；用于使水听器节点设备通过判断系统出入水情况来切换工作状态：当水听器的压力传感器检测到水压的变化、倾角传感器检测到水听器接近于垂直状态和加速度传感器检测到Z轴方向产生连续较大变化时，判断水听器进入海水，则状态自动切换单元切换到连续采集工作状态；当判断水听器离开海水，则状态自动切换单元切换到待机检测状态。

2.根据权利要求1所述的适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统，其特征在于，所述水听器还包括：数据存储模块，用于存储水听器采集数据。

3.根据权利要求1所述的适用于高纬度极寒海域声学水文测量的垂直阵系统，其特征在于，当所述系统处于水声通信工作模式时，所述系统还包括：水声通信机；当垂直阵系统入水后，各水听器节点设备处在低功耗的待机检测状态，通过水声通信机向垂直阵系统发送启动信号，每个水听器节点设备接收到启动信号进入连续采集工作状态；并通过水声通信机实时发送暂停、停止或重新配置采样命令。

Images