CN108007551A - 一种多参数同步采集自容式水听器及阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多参数同步采集自容式水听器及阵列设计方法。它由多参数同步采集自容式水听器、水听器舱、电子舱、传感器舱、电源模块、水听器、前置放大、带通滤波、差分驱动、A/D转换、SD卡、控制电路、同步电路、温度压力传感器组成，电源模块同时为前置放大、带通滤波、差分驱动、A/D转换、SD卡、控制电路、同步电路、温度压力传感器供电，它具有多种参数满足不同测量要求、具备超低功耗、大容量存储、休眠、定时启动等功能适用于不同工作环境、具备微秒级精确同步方式、在线监测功能，防缠绕，快速拆装，水听器间距可变等特点为形成阵列提供便利条件的自容式水听器具有很高的应用价值。

Description

一种多参数同步采集自容式水听器及阵列设计方法

技术领域

本发明属于自容式水听器及阵列领域，尤其涉及一种多参数同步采集自容式水听器及阵列设计方法。

背景技术

随着我国参与经济全球化和区域经济一体化程度不断加深，海洋越来越多涉及到我国的战略利益，牵动着我国的经济命脉，影响着我国的安全和社会稳定。海水的运动、风和大气对海面作用的噪声、厚冰层的移动或融化所产生的噪声、海底地质构造变化引起的低频声波、海中生物体发出的声响等，这些都是海洋本身的噪声，海洋环境噪声是海洋中的驻留声场，一方面是各种水声设备和鱼雷等水中兵器的干扰背景，影响这些设备的使用性能；另一方面又包含丰富的海洋信息，可以反演出海洋的风速、海底地质、水温、渔业资源、航运量、降雨量和火山运动等情况，对发展海洋事业，有效合理开发海洋资源有很重要的意义。

自容式水听器是集传感器(水听器、温度/压力传感器)、数据采集存储功能为一体的小型结构化的数据采集存储系统，它是以实现海洋环境噪声测量为目的，其主要功能是先对海洋环境噪声进行数据采集存储，然后利用计算机等科学技术对采集到的数据进行分析，从而获取丰富的海洋信息；其主要特征有：小型化、模块化、低功耗，每个模块均可独立实现对海洋环境噪声的数据采集，可根据需求决定成阵时阵元使用个数、空间间隔、布放深度等，并且每个模块均为分布式数字化的自容式数据采集存储设备，实现海洋环境噪声的近端数字化采集存储，从而有效避免了通道间干扰等问题，海上布放、回收作业难度小，存储、运输简单方便，对海洋的开发和研究有着很强的现实意义。

目前市场上用于海洋监测的自容式水听器功能单一，不具备温度和压力测量功能，且同步精度低不能满足阵列信号处理要求。用于阵列信号处理的水听器阵列普遍采用由一定数量的水听器按设定间隔排列，通过电缆连接后装入护套充油或充胶构成线列阵，该方式存在阵元间隔位置固定，无法更改，且深海阵列体积大、重量沉，海上布放回收作业难度大，一旦破损整阵损坏、维修难度大的缺点。

所以针对以上问题，实现一种具有多种参数满足不同测量要求、具备超低功耗、大容量存储、休眠、定时启动等功能适用于不同工作环境、具备微秒级精确同步方式、在线监测功能，防缠绕，快速拆装，水听器间距可变等特点为形成阵列提供便利条件的自容式水听器具有很高的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种多参数同步采集自容式水听器及阵列设计方法，该方法设计的自容式水听器具有测量系统小型化、低功耗、低噪声、高灵敏度、多参数设计、微秒级别的有缆同步、水听器快速拆装成阵等特点。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种多参数同步采集自容式水听器，该多参数同步采集自容式水听器主要包括水听器舱、电子舱、传感器舱、电源模块、水听器、前置放大、带通滤波、差分驱动、A/D转换、SD卡、控制电路、同步电路、温度压力传感器；同时集成了声压、温度、压力和矢量传感器，完成多种参数传感器同步采集。

更进一步的，控制电路由STM32芯片实现，主要完成硬件端口初始化、SD卡文件系统预建立、通过同步电路与PC机之间相连接完成命令交互功能、通过同步电路实现各个阵元之间的同步采集工作、通过SPI接口与A/D转换连接完成经过水听器、前置放大、带通滤波、差分驱动的海洋环境噪声数据的采集功能、通过SDIO口与SD卡连接完成数据存储功能、通过SPI口以及I2C口与温度、压力传感器连接完成海洋环境温度与压力的数据采集功能。

更进一步的，采用软件设置的方式可设置为同步采集和独立工作两种模式，采用有缆同步时，远距离同步信号通过光电转换为光信号传输，在多参数同步采集自容式水听器内部对转换固定时延进行补偿，实现20公里内±1微秒级精度的同步，满足阵列信号处理需求。

更进一步的，水听器通过减震垫悬挂在外筒上，从而增强了压电水听器的抗振能力。

更进一步的，该多参数同步采集自容式水听器内的各模块相互独立并安置在相应舱内，水听器通过硫化方式固定在电子舱底端的端盖上，通过密封圈和电子舱连接，电池和采集记录模块、传感器安装在电子舱上，水密接插件安装在顶盖上，顶盖通过密封圈和电子舱相连，右端盖通过密封圈与传感器舱密封，水密接插件安装右端盖上。

这种多参数同步采集自容式水听器的阵列设计方法，通过橡胶卡口将多参数同步采集自容式水听器按设计间距固定在承力钢缆上，多参数同步采集自容式水听器间通过水密光电混合缆连接，橡胶卡口具备快速拆装结构，通过卡扣固定在承力缆上，便于海上快速收放，可以灵活调整水听器间距，满足不同的测量需求。所述的承力钢缆一端固定在浮体上，底部挂重块，在顶部浮体处通过转环连接。

更进一步的，当多参数同步采集自容式水听器及阵列各阵元采用独立工作模式时，在各阵元进入工作之前，通过PC机给各阵元设置参数选择当地时钟信号为数据采集参考时钟并下达指令延时启动系统工作；当多参数同步采集自容式水听器及阵列各阵元采用同步工作模式时，在阵列进入工作之前，通过PC机给各阵元设置相应参数选择统一使用外同步信号为数据采集参考时钟；当干端提供同步信号后，阵列中的各阵元即进入工作。

本发明的有益效果为：

A.本发明引入多种参数，具备声压、矢量、温度和压力多种传感器，模块化设计、根据实际使用情况可选择传感器类型，可同时配备或只配备几种，已满足不同测量需求，灵活性高；

B.本发明采用低功耗低噪声采集存储技术，大存储容量，具备连续工作、休眠、定时启动采集等功能；

C.本发明采用小型化设计技术，通过有效减少电子线路、减少电池组的容量、提高系统集成度等手段，最大程度减少设备的体积和重量，从而增加了使用的便利性、海上布放和回收的便捷性、可操作性；

D.本发明采用光缆同步技术，在水听器内部实现同步信号的光电转换，从而达到微秒级的精确同步性能，阵列同步精度误差为±1us，通过配置不同长度的同步水密缆，可以调整水听器间距。

E.本发明设计的自容式水听器阵列具有独立工作和同步采集两种工作模式，适用于不同的工作情景，使用方便灵活，水听器形成阵列的结构设计采用橡胶软连接方式进行固定，且在钢缆上的固定位置可以根据实际使用情况调整。

附图说明

图1：系统总体结构框图。

图2：自容式水听器结构框图。

图3：阵列结构示意图。

附图标记说明：1多参数同步采集自容式水听器、2水听器舱、3电子舱、4传感器舱、5电源模块、6水听器、7前置放大、8带通滤波、9差分驱动、10A/D转换、11SD卡、12控制电路、13同步电路、14温度压力传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

图1所示为单个多参数同步采集自容式水听器系统总体结构框图，本实例的多参数同步采集自容式水听器1由水听器舱2、电子舱3、传感器舱4、电源模块5、水听器6、前置放大7、带通滤波8、差分驱动9、A/D转换10、SD卡11、控制电路12、同步电路13、温度压力传感器14组成。电源模块5同时为前置放大7、带通滤波8、差分驱动9、A/D转换10、SD卡11、控制电路12、同步电路13、温度压力传感器14供电。

控制电路12由STM32芯片实现，主要完成硬件端口初始化、SD卡文件系统预建立、通过同步电路13与PC机之间相连接完成命令交互功能(时间、工作模式等参数设置)、通过同步电路13实现各个阵元之间的同步采集工作、通过SPI接口与A/D转换10连接完成经过水听器6、前置放大7、带通滤波8、差分驱动9的海洋环境噪声数据的采集功能、通过SDIO口与SD卡10连接完成数据存储功能、通过SPI口以及I2C口与温度、压力传感器14连接完成海洋环境温度与压力的数据采集功能。

当多参数同步采集自容式水听器及阵列各阵元采用独立工作模式时，在各阵元进入工作之前，通过PC机给各阵元设置参数选择当地时钟信号为数据采集参考时钟并下达指令延时启动系统工作。

当多参数同步采集自容式水听器及阵列各阵元采用同步工作模式时，在阵列进入工作之前，通过PC机给各阵元设置相应参数选择统一使用外同步信号为数据采集参考时钟；当干端提供同步信号后，阵列中的各阵元即进入工作。

图2所示为多参数同步采集自容式水听器结构方案，自容式水听器1主要由水听器舱2、电子舱3、传感器舱4组成，各模块相互独立并安置在相应舱内，可按应用需求进行增减，水听器通过硫化方式固定在电子舱底端的端盖上，通过密封圈和电子舱连接，电池和采集记录模块、传感器安装在电子舱上，水密接插件安装在顶盖上，顶盖通过密封圈和电子舱相连。右端盖30通过密封圈与传感器舱密封，水密接插件31安装右端盖30上。

电子舱3主要包括端部支撑26，电路板27，支撑螺柱28，电池挡板29，圆电池15和电子舱外筒16。水听器舱2主要包括水听器左端盖17，转接头18，减震垫19，水听器20、外筒21和端盖22。水听器20通过减震垫19悬挂在外筒21上，从而增强了压电水听器20的抗振能力，自容式水听器阵列采用承力缆和自容式水听器之间隔振橡胶结构和悬挂式声压传感器减隔振设计两级减隔振处理，降低了承力缆传导过来的低频振动，在声压传感器外面安装栅栏保护结构和导流罩，提高了在海上使用的可靠性。传感器舱4主要包括压力传感器23、温度传感器24和传感器舱外筒25。

图3所示为多参数同步采集自容式水听器阵列结构示意图，自容式水听器阵列通过橡胶卡口33将自容水听器1按设计间距固定在承力钢缆34上，水听器间通过水密光电混合缆32连接。承力钢缆一端固定在浮体上，底部挂重块，为防止承力缆和光电混合缆缠绕，在顶部浮体处通过转环连接。

本发明提出的多参数同步采集自容式水听器及阵列设计方法，为了具备上述特点，进行以下技术设计：

◆充分考虑到使用的便利性、海上布放和回收的便捷性、可操作性，在保证实现性能指标的前提下，尽量进行小型化设计，通过降低电子线路的功耗，减少电池组的容量，缩小设备的体积和重量；提高电子电路和系统集成度，进一步减少设备的体积和重量。同时，长时间海洋噪声测量，降低电子线路的功耗是个值得关注的问题，最大程度延长水下工作时间、优化电路设计，并选择功耗低、漏电流小的器件，已实现超低功耗的要求。

◆集成了多种传感器用以测量不同的参数功能，包括水听器、温度传感器、压力传感器等。其中温度、压力传感器为选配部件，根据实际需求选择安装。为了确保测量准确和快速相应，本设计方法优化设计安装结构，保证温度压力传感器和海水直接接触。

◆为了突破以往市场上自容式水听器同步性差、功耗大等难题，采用了有缆同步的数字水听器同步技术，通过精确的同步采样时钟，实现微秒级别的同步精度。同步方式采用有缆同步，进行同步时钟传输，并针对不同的水听器级联方式对时钟传输时延进行不同处理。为支持长距离同步传输，电路板集成光电转换模块，同步时钟采用光通信来实现，增加传输距离、增强抗干扰能力，最大程度上保证同步的精准度。

◆针对阵列构成及海上使用时，水听器阵列对结构进行优化设计，采用一根钢缆作为阵列的支撑主骨架，自容式水听器采用橡胶软连接的方式固定在钢缆上，在满足快速拆装要求的基础上，兼具保护结构和固定功能，以保证在恶劣情况下的可靠性。另外，水听器可以随意调整在钢缆上位置，根据实际需要调整间距，水听器与水听器之间采用有缆连接进行同步信号的传输。

◆为了增加自容式水听器阵列的实用性，设计有两种工作模式，即有传输缆模式和无传输缆模式。有传输缆模式适用于长距离阵列布放并实时监控的情况，水听器阵列采用光电混合缆与干端连接进行供电和同步信号传输，其中电缆用于供电、光缆用于同步信号的传输，当采用有缆传输时各个水听器中的电池无需安装，有效减轻自重方便拆装。无缆传输模式适用于长期无监控的情况，无需传输缆连接阵列和干端，各个水听器采用电池供电。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种多参数同步采集自容式水听器，其特征在于：该多参数同步采集自容式水听器主要包括水听器舱、电子舱、传感器舱、电源模块、水听器、前置放大、带通滤波、差分驱动、A/D转换、SD卡、控制电路、同步电路、温度压力传感器；同时集成了声压、温度、压力和矢量传感器，完成多种参数传感器同步采集。

2.根据权利要求1所述的多参数同步采集自容式水听器，其特征在于：控制电路由STM32芯片实现，主要完成硬件端口初始化、SD卡文件系统预建立、通过同步电路与PC机之间相连接完成命令交互功能、通过同步电路实现各个阵元之间的同步采集工作、通过SPI接口与A/D转换连接完成经过水听器、前置放大、带通滤波、差分驱动的海洋环境噪声数据的采集功能、通过SDIO口与SD卡连接完成数据存储功能、通过SPI口以及I2C口与温度、压力传感器连接完成海洋环境温度与压力的数据采集功能。

3.根据权利要求1所述的多参数同步采集自容式水听器，其特征在于：采用软件设置的方式可设置为同步采集和独立工作两种模式，采用有缆同步时，远距离同步信号通过光电转换为光信号传输，在多参数同步采集自容式水听器内部对转换固定时延进行补偿，实现20公里内±1微秒级精度的同步，满足阵列信号处理需求。

4.根据权利要求1所述的多参数同步采集自容式水听器，其特征在于：水听器通过减震垫悬挂在外筒上，从而增强了压电水听器的抗振能力。

5.根据权利要求1所述的多参数同步采集自容式水听器，其特征在于：该多参数同步采集自容式水听器内的各模块相互独立并安置在相应舱内，水听器通过硫化方式固定在电子舱底端的端盖上，通过密封圈和电子舱连接，电池和采集记录模块、传感器安装在电子舱上，水密接插件安装在顶盖上，顶盖通过密封圈和电子舱相连，右端盖通过密封圈与传感器舱密封，水密接插件安装右端盖上。

6.一种采用如权利要求1所述的多参数同步采集自容式水听器的阵列设计方法，其特征在于：通过橡胶卡口将多参数同步采集自容式水听器按设计间距固定在承力钢缆上，多参数同步采集自容式水听器间通过水密光电混合缆连接，橡胶卡口具备快速拆装结构，通过卡扣固定在承力缆上。

7.根据权利要求6所述的多参数同步采集自容式水听器的阵列设计方法，其特征在于：所述的承力钢缆一端固定在浮体上，底部挂重块，在顶部浮体处通过转环连接。

8.根据权利要求6所述的多参数同步采集自容式水听器的阵列设计方法，其特征在于：当多参数同步采集自容式水听器及阵列各阵元采用独立工作模式时，在各阵元进入工作之前，通过PC机给各阵元设置参数选择当地时钟信号为数据采集参考时钟并下达指令延时启动系统工作；当多参数同步采集自容式水听器及阵列各阵元采用同步工作模式时，在阵列进入工作之前，通过PC机给各阵元设置相应参数选择统一使用外同步信号为数据采集参考时钟；当干端提供同步信号后，阵列中的各阵元即进入工作。