CN109143171A - 模块化阵列声信号实时处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化阵列声信号实时处理系统，属于海洋声信号采集技术领域，包括固定座，以及安装于固定座上的：数据采集模块，用于接收声学传感器输出的模拟电信号，并将模拟电信号进行处理；信号处理模块，与数据采集模块进行数据交互，并对数据进行时频转换、微弱信号检测和目标信号识别；存储模块；时钟模块；控制模块，用于各个数据采集模块的同步管理、模块间的通信；以及电源模块，为各个模块提供电源；数据采集模块、信号处理模块、存储模块、时钟模块、控制模块和电源模块分别集成于一块PCB板上，每块PCB板上分别设置有相同的数据输入端口和数据输出端口。本发明能够提高水下声信号采集阵列电路信噪比和采集一致性。

Description

模块化阵列声信号实时处理系统
技术领域
本发明属于海洋声信号采集技术领域，特别是涉及一种模块化阵列声信号实时处理系统。
背景技术
随着水下声信号探测领域的不断扩展，人们越来越感到单个声学传感器在信号增益、分辨力、来波方向识别等方面有着较多的局限性。因此，在实际应用中传感器阵列的应用得到越来越多的重视。传感器阵列是指将多个传感器按照一定的方式放置在不同的空间位置上，形成固定阵型的传感器阵列。通过阵列的方式接收空间信号，相当于在对空间分布的声场信号进行时域离散采样，对采集信号进行波束形成等处理，可实现水声探测的指向性控制，增强目标信息强度，抑制干扰及噪声等。
现有水下声信号采集阵列多为固定数目传感器阵元，采集电路采用集中式结构，具有庞大复杂的采集调理电路，包含信号滤波、放大等等，而这些处理会引入额外的信号失真以及链路噪声，并且各通道信号的幅度相位一致性难以控制。另外，现有水下声信号阵列在灵活性上受限较多，在阵上添加新的仪器功能或是完成自定义的测量方案(增减阵元数)变的很困难。当系统需要扩展升级时可能需要重新购买并设计系统，而原系统将被闲置，不仅浪费资源，提高升级成本，同时给系统设计带来极大不便。
发明内容
本发明的目的是提供了一种模块化阵列声信号实时处理系统，为了提高现有水下声信号采集阵列电路信噪比、采集一致性，应对系统可扩展升级的需求，提高系统应用的灵活性。
本发明所采用的技术方案是，
一种模块化阵列声信号实时处理系统，包括：
固定座，以及安装于固定座上的：
至少一个数据采集模块，用于接收声学传感器输出的模拟电信号，并将上述模拟电信号进行处理；
至少一个信号处理模块，与数据采集模块进行数据交互，并对数据进行时频转换、微弱信号检测和目标信号识别；
至少一个存储模块，用于存储数据；
时钟模块，用于实现系统各个数据采集模块的时钟同步并提供系统时钟；
控制模块，用于各个数据采集模块的同步管理、模块间的通信；
以及电源模块，为各个模块提供电源；其中：
所述数据采集模块、信号处理模块、存储模块、时钟模块、控制模块和电源模块分别集成于一块PCB板上，每块PCB板上分别设置有相同的数据输入端口和数据输出端口。
进一步，所述固定座包括两个圆环结构的机架(1)，两个机架(1)之间通过多根螺柱(2)连接，上述数据采集模块(3)、信号处理模块(4)、存储模块(5)、时钟模块(6)、控制模块(7)和电源模块(8)所集成的PCB板依次安装于螺柱上，相邻两个模块之间通过数据输入端口和数据输出端口相互插接。
进一步，所述数据采集模块(3)采用MCU加FPGA的架构，每个数据采集模块(3)包括8路采集通道；每个数据采集模块(3)由信号调理电路、滤波电路、放大电路组成。
进一步，所述数据采集模块(3)至少为两个，相邻两个数据采集模块(3) 的信号调理电路之间设置有隔离构件。
进一步，所述信号处理模块(4)由FPGA阵列构成，上述FPGA阵列上设有高速数据传输接口，每块信号处理模块(4)与一个或多个数据采集模块(3) 进行数据交互。
进一步，所述存储模块(5)包括SD卡阵列。
进一步，所述控制模块(7)内嵌实时多任务操作系统，所述控制模块(7) 完成系统的初始配置，接收和分析来自上级单元的命令，通过总线接口对各模块下发相应的操作指令，同时可选择将各模块的上报消息转发上级单元。
进一步，所述电源模块(8)输出+3.3V、+5V、-5V的直流电源。
本发明具有的优点和积极效果为：
通过采用上述方案，本发明采用模块化架构，根据对系统的不同需求，相同种类的模块在系统中可以叠加使用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的系统，提高了水下声信号阵列的灵活性。每一模块都是独立功能，独立工作互不干扰，减少了系统工作时的自噪声，提高了水下声信号阵列的信噪比。系统使用过程中模块相似性的叠加使用，避免资源浪费，也可以使整个系统在生产、使用过程中简化，提高了系统使用效率。系统组装完成后，与声学测量设备配合使用。
附图说明
图1是本发明优选实施例的结构图；
图2是本发明优选实施例中数据采集模块的电路框图；
图3是本发明优选实施例中信号处理模块的电路框图；
图4是本发明优选实施例中机箱结构示意图；
图5是本发明优选实施例中机箱的主视图；
图6是本发明优选实施例中声学测量设备结构示意图。
图中标记说明：
1、机架；2、螺柱；3、数据采集模块；4、信号处理模块；5、存储模块； 6、时钟模块；7、控制模块；8、电源模块；9、仪器舱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
请参阅图1至图6，一种模块化阵列声信号实时处理系统，包括机架1、螺柱2、数据采集模块3、信号处理模块4、存储模块5、时钟模块6、控制模块7、电源模块8；其中：
机架1是聚乙烯材质的圆环状结构，两个为一组，一个为底座一个为顶盖，底座和顶盖上同样均匀分布六个螺孔，用于固定模块。使用时将各模块用螺柱2 串接、固定在一起，最后在上下两端分别固定机架1，系统组装后整体呈圆柱状。各功能模块上设计有统一专用接插件，系统各模块间均通过板上接插件的连接进行通信。安装时首先将六个螺柱2拧在电源模块8的板上螺孔上，然后将电源模块8与机架1的底座连接，拧紧螺柱。然后将螺柱拧到控制模块7上，将控制模块7背面的插针与电源模块8正面的插座完全连接后，再拧紧螺柱。按照这样的安装步骤依次安装时钟模块6、存储模块5、信号处理模块4、数据采集模块3。每个机架1可根据需要叠加安装数据采集模块3，同样可叠加使用信号处理模块4和存储模块5。当系统中只需安装一块数据采集模块时，数据采集模块、信号处理模块和存储模块要相邻连接并尽量靠近时钟模块，以保证时钟信号的一致性。数据采集模块需要与机架的顶盖连接，方便模块正面的接插件连接外部的声学传感器信号。
模块化阵列声信号实时处理系统采用模块化设计，各模块具有一致的几何结构、尺寸，具有统一的接口，即正面的插座和背面的插针。模块之间的插针和插座完全连接形成系统通信总线，各模块间通过总线进行通信，包括时钟信号、控制信号和数据信号。每个模块完成一个特定的子功能，可根据系统所要求的功能选择模块组装成一个整体。数据采集模块3、信号处理模块4和存储模块5可叠加可更换，即便单组模块出现故障也不影响整个系统工作。
系统组装完成后可密封在声学测量设备的不锈钢水密舱体内9，声学传感器信号通过水密接插件引到舱体内，通过接插件直接与第一块数据采集模块板上插座连接。当多块数据采集模块叠加使用时，通过预设将第一块板设为主板，用于连接声学传感器，其他单板通过板上接口总线共享信号实现功能。工作时水密舱体与声学传感器一起以浮标或潜标的方式布放在水下。声学传感器放置在水下空间不同位置而组成的传感器阵列，用声学传感器阵列来接收水下空间信号，多路声学传感器可实现同步采集，然后系统对接收信号进行处理，可以更充分的提取信号中的信息，从而有效的抑制干扰，提高系统效率。
为了提高现有水下声信号采集阵列电路信噪比、采集一致性，应对系统可扩展升级的需求，提高系统应用的灵活性，本发明提出了模块化阵列声信号实时处理系统，本系统采用模块化仪器架构，是一套多通道、高速、高精度同步声信号采集处理及存储系统。系统包括机架、数据采集模块、信号处理模块、存储模块、时钟模块和电源模块，另外再加一个控制模块，用以控制其他各功能模块，系统硬件设计结构如图1所示。系统内各功能模块拥有独立设计，自成一块单板，各模块间在硬件设计上采用一致的几何结构和通用接口，工作时按照项目需求选择各模块的数量和种类，然后将各模块按照顺序组装起来，再完成必要的软件设置，便可实现声信号实时采集、处理及存储等多种功能。其中，如需增加采集通道可叠加使用数据采集模块，系统存储量大时可叠加使用存储模块，对采集数据有复杂的算法需求时可叠加使用信号处理模块，此设计可最大限度保证系统应用的灵活性。
数据采集模块，采用MCU+FPGA的架构，保证采集速度和采集数据的流盘，每个模块包括8通道采集，由信号调理电路、滤波、放大电路组成，模块硬件设计结构图如图2所示。在电路PCB设计时，每个模块的信号调理电路隔离设计，避免信号集中处理带来的电路噪声和信号失真，提高了采集信号的精度。
信号处理模块由FPGA阵列构成。FPGA上拥有高速数据传输接口，FPGA 阵列间可形成高速灵活的拓扑连接，每块信号处理模块单板可接纳多个采集模块发送的数据，实时实现数字信号的时频转换、微弱信号检测和目标信号识别等处理任务。系统扩展时只需要单独添加数据采集模块和信号处理模块即可，如图3所示。
存储模块包括SD卡阵列，存储系统所需要数据。阵列信号需要宽带采样，因此采样率较高，通道数又较多，ADC的数据生成率较高，故需要合理安排板上缓存，在单板上通过总线分块进行数据存储。
控制模块是管理控制处理单元，内嵌实时多任务操作系统，实现系统内各采集模块的同步管理功能和其他功能模块间的消息通信功能。控制模块完成系统的初始配置，可接收和分析来自上级单元的命令，通过总线接口对各模块下发相应的操作指令，同时可选择将各模块的上报消息转发上级单元。
时钟模块主要完成系统中采集模块的时钟同步并提供系统时钟，使系统中各模块工作时钟的频率和相位都控制在预先确定的容差范围内，以便使系统内的数字流实现正确有效的传输和交换，避免数据因时钟不同步而产生滑动损伤。时钟模块为采集模块提供统一的采集时钟，提高了多通道的采集一致性。
电源模块主要提供各单板的工作电源，电源模块相当于一个小功率的 DC/DC变换器，能为系统内各个模块提供其运行所需要的+3.3V，+5V，-5V等直流电源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，包括：
固定座，以及安装于固定座上的：
至少一个数据采集模块，用于接收声学传感器输出的模拟电信号，并将上述模拟电信号进行处理；
至少一个信号处理模块，与数据采集模块进行数据交互，并对数据进行时频转换、微弱信号检测和目标信号识别；
至少一个存储模块，用于存储数据；
时钟模块，用于实现系统各个数据采集模块的时钟同步并提供系统时钟；
控制模块，用于各个数据采集模块的同步管理、模块间的通信；
以及电源模块，为各个模块提供电源；其中：
所述数据采集模块、信号处理模块、存储模块、时钟模块、控制模块和电源模块分别集成于一块PCB板上，每块PCB板上分别设置有相同的数据输入端口和数据输出端口。
2.根据权利要求1所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述固定座包括两个圆环结构的机架(1)，两个机架(1)之间通过多根螺柱(2)连接，上述数据采集模块(3)、信号处理模块(4)、存储模块(5)、时钟模块(6)、控制模块(7)和电源模块(8)所集成的PCB板依次安装于螺柱上，相邻两个模块之间通过数据输入端口和数据输出端口相互插接。
3.根据权利要求1所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述数据采集模块(3)采用MCU加FPGA的架构，每个数据采集模块(3)包括8路采集通道；每个数据采集模块(3)由信号调理电路、滤波电路、放大电路组成。
4.根据权利要求3所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述数据采集模块(3)至少为两个，相邻两个数据采集模块(3)的信号调理电路之间设置有隔离构件。
5.根据权利要求1所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述信号处理模块(4)由FPGA阵列构成，上述FPGA阵列上设有高速数据传输接口，每块信号处理模块(4)与一个或多个数据采集模块(3)进行数据交互。
6.根据权利要求1所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述存储模块(5)包括SD卡阵列。
7.根据权利要求1所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述控制模块(7)内嵌实时多任务操作系统，所述控制模块(7)完成系统的初始配置，接收和分析来自上级单元的命令，通过总线接口对各模块下发相应的操作指令，同时可选择将各模块的上报消息转发上级单元。
8.根据权利要求1所述的模块化阵列声信号实时处理系统，其特征在于，所述电源模块(8)输出+3.3V、+5V、-5V的直流电源。
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