CN107918121A - 一种数字采集装置及水声拖曳阵装置 - Google Patents

一种数字采集装置及水声拖曳阵装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种数字采集装置，应用于水声拖曳阵，所述数字采集装置包括：多个数据采集处理机构、多个水听器道、多个水听器；各所述水听器用于将水声信号转换成水声模拟信号；各所述水听器道用于放置多个水听器，并接收各所述水听器发送的所述水声模拟信号；各所述数据采集处理机构分别与多个所述水听器道相连，用于对各所述水听器道发送的多个所述水声模拟信号进行调理和转换，获得多路水声数字信号，并将多路水声数字信号进行打包。本发明通过设置所述数据采集处理机构对采集的水声模拟信号进行数字化，减少了模拟信号的传输距离，最大程度减少了传输损失和传输信道噪声干扰。

Description

一种数字采集装置及水声拖曳阵装置
技术领域
本发明涉及地球物理勘探调查技术领域，特别是涉及一种数字采集装置及水声拖曳阵装置。
背景技术
常规的水声采集、声学拖缆中多数采用多个水听器串并联的方式接收水声信号，并将接收的水声信号以水声模拟信号的方式通过数十米甚至数百米的电缆传输到采集站进一步数字化。模拟电信号长距离传输对水声模拟信号造成衰减和干扰，导致最终获得的水声数字信号失真和分辨率的降低，降低声波采集性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字采集装置及水声拖曳阵装置，以降低长距离模拟电信号传输导致的衰减和干扰，提高声波采集性能。
为实现上述目的，本发明提供一种数字采集装置，应用于水声拖曳阵，所述数字采集装置包括：多个数据采集处理机构、多个水听器道、多个水听器；
各所述水听器用于将水声信号转换成水声模拟信号；
各所述水听器道用于放置多个水听器，并接收各所述水听器发送的所述水声模拟信号；
各所述数据采集处理机构分别与多个所述水听器道相连，用于对各所述水听器道发送的多个所述水声模拟信号进行调理和转换，获得多路水声数字信号，并将多路水声数字信号进行打包。
可选的，所述数字采集装置还包括：
保护套，用于保护设置在所述保护套内的各所述数据采集处理机构、各所述水听器道、各所述水听器。
可选的，所述数字采集装置还包括：
填充材料，填充在所述保护套内，用于使所述保护套浮起；
配重，设置在所述保护套内，用于使所述保护套呈现零浮力状态。
可选的，各所述数据采集处理机构以第一设定距离等间距设置。
可选的，各所述水听器道以第二设定距离等间距设置。
可选的，所述数据采集处理机构包括：多个信号调理电路、多个模数转换电路、单片机；
各所述信号调理电路分别与各所述水听器道相连，所述信号调理电路对所述水听器道发送的所述水声模拟信号进行滤波和放大，获得滤波-放大信号；
各所述模数转换电路与各所述信号调理电路相连，所述模数转换电路对所述信号调理电路发送的滤波-放大信号进行数模转换，获得水声数字信号；
所述单片机与多个所述模数转换电路相连，所述单片机对多路所述模数转换电路发送的多路水声数字信号进行打包处理。
可选的，所述数据采集处理机构还包括：
开关电路，设置在多个所述信号调理电路和多个所述水听器道之间，分别与所述单片机、多个所述信号调理电路和多个所述水听器道相连，用于根据所述单片机的第一控制指令选择采集模式或测试模式。
可选的，所述数据采集处理机构还包括：通信接口，与所述单片机相连，用于将所述单片机打包的数据包发送至数据传输装置。
本发明还提供一种水声拖曳阵装置，所述水声拖曳阵装置包括n个上述的数字采集装置，前导缆，前弹性机构，n+1个数据传输装置，后弹性机构；
所述前导缆与所述前弹性机构相连，所述前弹性机构与第一个所述数据传输装置相连，n+1个所述数据传输装置与n个所述数字采集装置间隔串联设置，第n+1个所述数据传输装置与所述后弹性机构相连；其中n为大于等于1的整数。
可选的，n+1个所述数据传输装置通过电线依次串联连接，当前的数据传输装置用于将接收到的第二控制指令传送给下一个数据传输装置；当前的数据传输装置还用于接收下一个数据传输装置发送的数据包、与当前的所述数据传输装置相连的多个数据采集处理机构采集的数据包，并将数据包再次进行打包。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过设置数据采集处理机构对采集的水声模拟信号进行数字化，减少了模拟信号的传输距离，最大程度减少传输损失和传输信道噪声干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例数字采集装置结构图；
图2为本发明实施例数据采集处理机构内部框图；
图3为本发明实施例水声拖曳阵装置结构图；
图4为本发明实施例数据传输拓扑结构图；
图5为本发明实施例信号调理电路图；
图6为本发明实施例开关电路图。
其中，1、前导缆，2、前弹性机构，3、数据传输装置，4、数字采集装置，41、水听器，42、水听器道，43、数据采集处理机构，431、开关电路，432、信号调理电路，433、模数转换电路，434、单片机，435，通信接口，436、姿态传感器，437、电压传感器，44、保护套，45、填充材料，46、配重，47、绳子，48、电线，49、水密插件，5、后弹性机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种数字采集装置及水声拖曳阵装置，以降低长距离模拟电信号传输导致的衰减和干扰，提高声波采集性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例数字采集装置结构图，如图1所示，本发明提供一种一种数字采集装置，应用于水声拖曳阵，所述数字采集装置包括：多个数据采集处理机构43，多个水听器道42，多个水听器41。
各所述水听器41用于将水声信号转换成水声模拟信号。
各所述水听器道42用于放置多个水听器41，并接收各所述水听器41发送的所述水声模拟信号。所述水听器道42内的多个水听器41并联或者串联方式放置。
各所述数据采集处理机构43分别与多个所述水听器道42相连，用于对各所述水听器道42发送的多个所述水声模拟信号进行调理和转换，获得多路水声数字信号，并将多路水声数字信号进行打包。
优选的，本发明中各所述水听器道42放置5个水听器41。由1，3，5组合测试确定，水听器41组合越多抗干扰能力越高，效果也很明显，但超过5个再增加水听器41，改善就不明显了；另外，水听器41组合增加，数字采集装置4的成本也会增加，灵敏度会受一定的影响，所以，综合考虑最终选用5个。
优选的，本发明所述数据采集处理机构43与4个所述水听器道42相连。实验测试可知，相比道数多的具有以下优点：水听器41接收的水声模拟信号就近数字化，抗干扰能力强，通道一致性也好，尺寸微型化。相比道数少的具有以下优点：单个数字化，功耗会减少很多，对于集中供电系统，这是要重点关注的问题。因此本发明所述数据采集处理机构43与4个所述水听器道42相连最为合理。
本发明中的所述数据采集处理机构43的个数为m个，m为大于等于2且小于等于8的正整数；各所述数据采集处理机构43以第一设定距离等间距设置；各所述水听器道42以第二设定距离等间距设置。
优选地，本发明所述数字采集装置4设置16个水听器道42。各所述水听器道42以3.125米等间距设置，各所述数据采集处理机构43以15米等间距设置，根据道间距确定一条缆最终多少道。一段缆50米，能够设置4个数据采集处理机构43，16道水听器道42；一段缆75米，能够设置6个数据采集处理机构43，24道水听器道42。由于本发明设置水声器道数受成缆车间长度限制，所以通过多次测量试验，LVds传输长度最好不要超过100米，传输性能比较稳定，且所述数据采集处理机构43设置16个水听器道42性能最好。
本发明所述数字采集装置4还包括保护套44，用于保护设置在所述保护套44内的各所述数据采集处理机构43、各所述水听器道42、各所述水听器41、电线48、绳子47、配重46，防止各器件被腐蚀。
本发明所述数字采集装置4还包括：填充材料45，填充在所述保护套44内，用于使所述保护套44浮起；所述填充材料45为液体、胶体、固体中任意一种。
本发明所述数字采集装置4还包括：绳子47，用于增强数字采集装置4的抗拉性能；配重46，设置在所述保护套44内的绳子47上，用于使所述保护套44呈现零浮力状态。
本发明所述数字采集装置4还包括：水密插件49，设置在数字采集装置4与数据传输装置3之间，用于与数据传输装置3进行信号传输。
本发明所述数据采集处理机构43以优选4个所述水听器道42为例进行绘制，如图2所示，但并不局限于本发明的实施例。
所述数据采集处理机构43包括：4个信号调理电路432、4个模数转换电路433、单片机434。各所述信号调理电路432分别与各所述水听器道42相连，所述信号调理电路432对所述水听器道42发送的所述水声模拟信号进行滤波和放大，获得滤波-放大信号。各所述模数转换电路433与各所述信号调理电路432相连，所述模数转换电路433对所述信号调理电路432发送的滤波-放大信号进行数模转换，获得水声数字信号。所述单片机434与4个所述模数转换电路433相连，所述单片机434对4路所述模数转换电路433发送的多路水声数字信号进行打包处理。
本发明所述信号调理电路432的电路图如图5所示。所述信号调理电路432针对幅度小、噪声干扰强的水声模拟信号进行滤波、放大处理，获得滤波-放大信号。信号调理电路432由仪表放大器和RC网络构成的信号调理电路432。水声模拟信号经过仪表放大器放大后，被转换为差分信号。最后，使用RC滤波网络滤除干扰信号。优选地，仪表放大器使用AD8224，其为一款JFET输入型双通道高性能仪表放大器。
本发明所述模数转换电路433对滤波-放大信号进行数字化，获得水声数字信号。优选地，模数转换电路所使用的模数转换器为ADS1263，其为32位高精度转换器。
本发明所述单片机434通过串行外设接口SPI总线以时分复用方式控制4路模数转换电路433，实现4通道水声模拟信号同步采集，并通过通信接口435电路将数据上传到数据传输装置3。优选地，单片机434采用STM32L432。STM32L432单片机434为32位ARM Cortex-M4内核的低功耗微控制器。
本发明所述数据采集处理机构43还包括：开关电路431，设置在4个所述信号调理电路432和4个所述水听器道42之间，分别与所述单片机434、4个所述信号调理电路432和4个所述水听器道42相连，用于根据所述单片机434的第一控制指令选择采集模式或测试模式。
本发明所述开关电路431的电路图如图6所示。当开关电路431工作在采集模式，将水听器41采集的水声模拟信号传输到信号调理电路432；当开关电路431工作在测试模式，将单片机434内置数模转换器产生的测试信号传输到信号调理电路432。
本发明所述数据采集处理机构43还包括：通信接口435，与所述单片机434相连，用于将所述单片机434打包的数据包发送至数据传输装置3。
本发明所述通信接口435电路，采用基于自定义的三层通信模型，完成与数据传输装置3的通信。三层通信模型包含：物理层、链路层和应用层。其中，物理层为RS485总线，链路层包含起始帧、地址和校验等信息，应用层包含数据的类型和采集的数据。优选地，RS485通信电路所用期间为SN65HVD73为全双工RS485总线驱动器。
本发明所述姿态传感器436测量数据采集处理机构43的姿态信息。优选地，姿态传感器436使用MPU9250。MPU9250是一个复合芯片，它由三轴加速度、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成。
本发明所述数据采集处理机构43具有自检功能。处于自检功能时，单片机434内置的数模转换器DAC外设产生150Hz的正弦波测试信号，同时开关电路431切换到测试状态，单片机434采集正弦波测试信号，并将多路水声数字信号上传。系统自检可以验证系统的通信功能、数据采集功能和评估系统内噪声。
图3为本发明实施例水声拖曳阵装置结构图；图4为本发明实施例数据传输拓扑结构图；如图3和图4所示，本发明还提供一种水声拖曳阵装置，所述水声拖曳阵装置包括数字采集装置4，前导缆1，前弹性机构2，n+1个数据传输装置3，后弹性机构5。
所述前导缆1与所述前弹性机构2相连，所述前弹性机构2与第一个所述数据传输装置3相连，n+1个所述数据传输装置3与n个所述数字采集装置4间隔串联设置，第n+1个所述数据传输装置3与所述后弹性机构5相连；其中n为大于等于1的整数。
前导缆1，用于拖曳和信号传输；具体的用于将实验室终端控制中心发送的指令传送给第一个数据传输装置3；还用于将采集的数据包传输至实验室终端控制中心。
前弹性机构2，用于工作时使吸收船的摆动，降低噪声，使水声拖曳阵装置以稳定的姿态在水中拖行。
数字采集装置4，用于采集水声数字信号。
后弹性机构5，用于降低噪声，平衡拖缆，减少拖缆的摆动。
本发明中的n+1个所述数据传输装置3通过电线48依次串联连接，当前的数据传输装置3用于将接收到的第二控制指令传送给下一个数据传输装置3；当前的数据传输装置3还用于接收下一个数据传输装置3发送的数据包、与当前的所述数据传输装置3相连的多个数据采集处理机构43采集的数据包，并将数据包再次进行打包。
具体的，数据传输装置3的功能为下传命令和上传数据，下传命令是指数据传输装置3接收前级(OCC或数据传输装置3)的控制命令，并转发到数据采集处理机构43；上传数据是指接收数据采集处理机构43的数据包和后级数据传输装置3上传的数据包，再将数据包上传到前级数据传输装置3，最后由前级的数据传输装置3逐级上传到OCC。
单片机434采用SPI总线控制4片模数转换电路，以时分复用方式完成水声数字信号采集。单片机434在初始化4片ADC芯片时，将4片ADC的参数设置相同。然后同时设置ADC的START引脚为高电平，实现4片ADC的同步采集。当采集到一次数据后，使用SPI总线，依次读取4片ADC采集到的水声数字信号，并判断校验和是否正确。若校验和正确，将多个水声数字信号保存到单片机434内部RAM中，等待多个水声数字信号打包上传到数据传输装置3。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置数据采集处理机构43对水听器41采集的水声模拟信号进行本地数字化，减少了模拟信号的传输距离，最大程度减少传输损失和传输信道噪声干扰。
(2)本发明所述装置可以对多路水听器道42进行本地数字化，减少了设置数据采集处理机构43的数量，降低了水声拖曳阵装置总体功耗，也降低了器件成本。
(3)本发明所述装置采用32位数模转换芯片，提高了信号采样精度和动态范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种数字采集装置，其特征在于，应用于水声拖曳阵，所述数字采集装置包括：多个数据采集处理机构、多个水听器道、多个水听器；
各所述水听器用于将水声信号转换成水声模拟信号；
各所述水听器道用于放置多个水听器，并接收各所述水听器发送的所述水声模拟信号；
各所述数据采集处理机构分别与多个所述水听器道相连，用于对各所述水听器道发送的多个所述水声模拟信号进行调理和转换，获得多路水声数字信号，并将多路水声数字信号进行打包。
2.根据权利要求1所述的数字采集装置，其特征在于，所述数字采集装置还包括：
保护套，用于保护设置在所述保护套内的各所述数据采集处理机构、各所述水听器道、各所述水听器。
3.根据权利要求2所述的数字采集装置，其特征在于，所述数字采集装置还包括：
填充材料，填充在所述保护套内，用于使所述保护套浮起；
配重，设置在所述保护套内，用于使所述保护套呈现零浮力状态。
4.根据权利要求1所述的数字采集装置，其特征在于，各所述数据采集处理机构以第一设定距离等间距设置。
5.根据权利要求1所述的数字采集装置，其特征在于，各所述水听器道以第二设定距离等间距设置。
6.根据权利要求1所述的数字采集装置，其特征在于，所述数据采集处理机构包括：多个信号调理电路、多个模数转换电路、单片机；
各所述信号调理电路分别与各所述水听器道相连，所述信号调理电路对所述水听器道发送的所述水声模拟信号进行滤波和放大，获得滤波-放大信号；
各所述模数转换电路与各所述信号调理电路相连，所述模数转换电路对所述信号调理电路发送的滤波-放大信号进行数模转换，获得水声数字信号；
所述单片机与多个所述模数转换电路相连，所述单片机对多路所述模数转换电路发送的多路水声数字信号进行打包处理。
7.根据权利要求6所述的数字采集装置，其特征在于，所述数据采集处理机构还包括：
开关电路，设置在多个所述信号调理电路和多个所述水听器道之间，分别与所述单片机、多个所述信号调理电路和多个所述水听器道相连，用于根据所述单片机的第一控制指令选择采集模式或测试模式。
8.根据权利要求6所述的数字采集装置，其特征在于，所述数据采集处理机构还包括：通信接口，与所述单片机相连，用于将所述单片机打包的数据包发送至数据传输装置。
9.一种水声拖曳阵装置，其特征在于，所述水声拖曳阵装置包括n个如权利要求1-8任一项所述的数字采集装置，前导缆，前弹性机构，n+1个数据传输装置，后弹性机构；
所述前导缆与所述前弹性机构相连，所述前弹性机构与第一个所述数据传输装置相连，n+1个所述数据传输装置与n个所述数字采集装置间隔串联设置，第n+1个所述数据传输装置与所述后弹性机构相连；其中n为大于等于1的整数。
10.根据权利要求9所述的水声拖曳阵装置，其特征在于，n+1个所述数据传输装置通过电线依次串联连接，当前的数据传输装置用于将接收到的第二控制指令传送给下一个数据传输装置；当前的数据传输装置还用于接收下一个数据传输装置发送的数据包、与当前的所述数据传输装置相连的多个数据采集处理机构采集的数据包，并将数据包再次进行打包。
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