CN109164452A - 通用水下实时数据采集处理平台及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用水下实时数据采集处理平台及依托于此平台实现的数据处理方法，属于水下定位设备技术领域。本发明中处理平台包括接插面板与电子舱，接插面板上设有电源接口，网络接口以及外接水听器阵列的水听器阵列接口，水听器阵列用于收集水下的声信息。电子舱包括供电模块、网络模块、模拟模块以及数字模块，结合数据处理方法，供电模块实现电子舱内外正常运转；网络模块实现电子舱内外网络连接通畅；模拟模块根据系统需求对水声信号进行预处理，并将处理后的信号上传给数字模块；数字模块完成采集模拟信号，原始数据存储和传输、实时信号处理并上报给水下平台等任务，实现了对于水下目标的探测、定位与跟踪等功能。

Description

通用水下实时数据采集处理平台及数据处理方法

技术领域

本发明属于水下定位设备技术领域，具体涉及一种通用水下实时数据采集处理平台及依托于此平台实现的数据处理方法。

背景技术

从本世纪初开始，各国海军不断加大对海军装备研制和开发的投入，潜艇作为各国海军优先发展的武器装备，为了充分发挥潜艇在未来海战中的杀手锏作用，各国海军千方百计地提升潜艇的声隐身性能。随着近些年各国工业水平的提高、科技的进步，使得各国舰船的“隐身”能力得到了大大提升，这就对水声探测技术提出了更高的要求，推动其不断向前发展更新。

作为潜艇实施水下作战的有力“助手”，各国对水下平台也越来越重视，无人水下航行器是水下平台的一种，与传统的载人水下航行器相比，其优势在于其自主性、智能性，可以在无人控制的情况下探索远距离的未知海域。水下无人航行器的探测能力是其关键的技术指标之一，直接影响了对敌方作战单元的探测、识别、跟踪，猎雷、反潜、自主攻击等作战需求。

传统的声呐探测系统技术相对成熟，但是随着各水下作战单元辐射噪声水平的降低，以及对水下无人航行器更多的作战需求，传统的声呐探测系统在兼顾高分辨率和远距离探测、左右舷模糊、基阵尺寸过大、安装位置受限等方面的问题日益凸显。因此，出现了如双/多基地联合探测、合成孔径声呐、轻型宽孔径阵声呐、基于矢量水听器的声呐系统等多种声呐探测技术。

针对以上问题，本发明基于水听器阵列的目标探测、定位与跟踪系统的通用水下实时数据采集处理平台，在水声探测、定位与跟踪系统中，通用水下实时数据采集处理平台是其重要的组成部分，主要完成对水下声信号进行采集、存储、传输以及实时处理，对整个水下平台的工作与实现有着至关重要的作用。基于各类水听器阵列的声纳系统，本发明主要完成了信号与信息处理平台的硬件的设计，以及数据采集、存储、传输等部分相关的软件编程，实现了标准化，含有丰富的功能及扩展接口，可根据实际应用进行调整，系统结构紧凑，操作使用方便，利于一系列科研试验的进行。

发明内容

本发明的目的在于解决水下平台搭载的传统声呐探测系统在兼顾高分辨率和远距离探测、左右舷模糊、基阵尺寸过大、安装位置受限等方面的问题，实现高效稳定的水下声信号的采集、存储、传输及实时处理，提出了一种通用水下实时数据采集处理平台及依托于此平台实现的数据处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种通用水下实时数据采集处理平台，包括接插面板1与电子舱2，接插面板1与电子舱2上下连接，安装于水下平台上；

接插面板1上安装有电源接口3、网络接口4以及水听器阵列接口5；接插面板内设有预埋件，与电子舱通过紧固件连接并进行保压、水密处理；接插面板通过第一接插件6与电子舱内部电路进行连接；

电子舱2包括供电模块、网络模块、模拟模块及数字模块；其中供电模块包括电源接口3和电源转换单元12，网络模块包括网络接口4和网络交换单元15，模拟模块包括模拟预处理单元7，数字模块包括数据采集单元9、数据存储单元10、数据传输单元11及数据处理单元14；电子舱内部为三层圆柱形支架结构，第一层与第二层间通过第二接插件8进行连接，第二层与第三层间通过第三接插件13进行连接；第一层中安装有十六个模拟预处理单元7；第二层中两侧对称安装有两块数据采集单元9，每块数据采集单元9上安装有数据存储单元10及数据传输单元11，在两块数据采集单元9中间位置安装有电源转换单元12，电源转换单元12通过电源线与电源接口3连接；电子舱第三层中安装有数据处理单元14及网络交换单元15，其中网络交换单元15通过网线分别与网络接口4、数据存储单元10、数据传输单元11及数据处理单元14连接。

对于通用水下实时数据采集处理平台，所述的接插面板1上安装的电源接口3、网络接口4以及水听器阵列接口5均为标准化器件，能够根据实际情况实现与不同外接器件的兼容。

优选的，所述的接插面板1上安装的电源接口3外接电源，网络接口4外接水下平台网络或上位机，水听器阵列接口5外接水听器阵列，各连接均采用水密连接方式。

优选的，所述的电子舱外壳、支架、接插面板以及连接件使用材料为304不锈钢材质，电子电路使用沉金工艺，水密抗压深度300米。

对于通用水下实时数据采集处理平台，所述的模拟预处理单元7中每块电路板包含八个通道，每个通道中包括差分放大器16、一级放大器17、带通滤波器18、二级放大器19及线性光耦20，输出端与数据采集单元9中的模数变换器21相连接。

优选的，所述的数据存储单元10和数据存储单元11上的核心板使用MicroZed-7Z020核心板卡；数据处理单元14使用DSP 6678核心板卡；网络交换单元15采用RouterBoard 450G网络交换机。

本发明还提出了一种通用水下实时数据采集处理平台数据处理方法，通过以下步骤实现：

(1)安装通用水下实时数据采集处理平台，供电模块给系统上电，实现电子舱内外正常运转；

(2)初始化各单元电路、硬件设备及系统，下载应用程序；

(3)运行数据存储程序与数据传输程序；

(3.1)水听器阵列实时收集水下声信息，通过水听器阵列接口沿网络接口传输给模拟模块；

(3.2)模拟模块中的模拟预处理单元根据系统需求对接收的水声信号进行预处理，并将处理后的信号上传给数字模块；

(3.3)数字模块中的数据采集单元接收预处理信号，通过数据存储单元对采集到的数据进行实时存储，同时数据传输单元将信号传输给数据处理单元进行进一步处理后上报给水下平台，实现对水下目标的探测、定位与跟踪；

(4)接收到开始指令后，实时采集到的水声原始数据存储到核心板卡外接的优盘内，同时数据传送至数据处理单元；数据处理单元将处理结果存储至优盘内同时将结果传送至上位机或水下航行器；

(5)水下平台出水后，连接电子舱，将原始数据导出，进行进一步的数据处理。

对于通用水下实时数据采集处理平台数据处理方法，所述的供电模块中的电源接口3外接电压为24V并与电源转换单元12连接，通过第一芯片22将24V转为12V供给数据采集单元9、数据处理单元14以及网络交换单元15；电源转换单元12通过第二芯片23将12V转为+6V、+5V、+3.3V、+1.8V，分别为模拟预处理单元7、数据存储单元10以及数据传输单元11中的芯片提供电压；+6V电压经LDO24转换得到+5V，为数据采集单元9提供参考电压。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的一种通用水下实时数据采集处理平台，包括模拟预处理单元、数据采集单元、数据传输单元、数据存储单元、电源转换单元、数据处理单元以及网络交换单元，结合水听器线列阵，具有低频性能优越、良好的左右舷模糊抑制能力以及高增益等优势。作为水声探测、定位与跟踪系统的重要组成部分，所述的通用水下实时数据采集处理平台完成了对水下声信号进行采集、存储、传输以及实时处理，完成了信号与信息处理平台的硬件的设计，以及数据采集、存储、传输等部分相关的软件编程。

此外，本发明采用较为先进的电子电路器件，保证系统运行的效率。采用基于Zynq内核的MicroZed核心板进行ARM与FPGA联合研发的模式，系统资源利用率更高，易于开发与管理。

本发明中分别由两个主控单元同时完成对水听器子阵列信号的采集，其中一个主控单元负责对采集到的数据进行存储，一个主控单元完成将数据传送给信号处理单元，两个主控单元通过信号线同步，减小了同步逻辑的难度，且主控单元之间分工明确，降低了数据总线的压力，采用两个主控单元可以增加系统的稳定性以及对突发事件的处理能力，即使其中一个主控单元瘫痪，也可以通过任务切换的方式为水下无人航行器提供实时的目标探测结果，保证水下平台的正常运行。

另外，本发明提出的通用水下实时数据采集处理平台实现了标准化，含有丰富的功能及扩展接口，可根据实际应用进行调整；系统结构紧凑，操作使用方便，有利于一系列科研试验的进行。

附图说明

图1为本发明中通用水下实时数据采集处理平台的结构示意图；

图2为本发明中系统硬件整体框图；

图3为本发明中模拟预处理单元硬件结构图；

图4为本发明中供电模块中电源转换单元工作原理框图；

图5为本发明中模拟预处理单元中数字逻辑部分数据流向结构图；

图6为本发明中核心板卡(ARM)PS端数据流向图；

图7为本发明中通用水下实时数据采集处理平台数据处理方法的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

结合图1及图2，本发明公开了一种通用水下实时数据采集处理平台，包括接插面板1与电子舱2。接插面板内设有预埋件，与舱体通过紧固件进行连接。接插面板上设有电源接口3，网络接口4以及水听器阵列接口5，均采用水密设计。接插面板水听器阵通过接插件6与电子舱内侧进行连接。电子舱舱体为三层圆柱形支架结构，第一层与接插面板连接，并安装有十六个模拟预处理单元7，最多可处理128路信号；第一层通过接插件8与第二层进行连接，第二层安装两块数据采集单元9，在其上安装数据存储单元10和数据传输单元11，同时此层安装电源转换单元12，并与接插面1的电源接口3通过电源线连接；第二层通过接插件13与第三层进行连接，第三层安装数据处理单元14与安装网络交换单元15。网络交换单元15同时与接插面板1的网络接口4、数据传输单元7、数据存储单元9以及数据处理单元12连接。

实施例2

与实施例1相同，其区别主要在于：

本实施例中的通用水下实时数据采集处理平台，所述的接插面板1上的电源接口3，网络接口4以及水听器阵列接口5均为标准化器件，能够根据实际情况实现与不同外接器件的兼容。

实施例3

与实施例1相同，其区别主要在于：

结合图1至图3，对于本实施例中的通用水下实时数据采集处理平台，所述的模拟预处理单元7，其每块电路板包含八个通道，各通道分别由差分放大器16、放大器17和19、带通滤波器18以及线性光耦20等部分组成，其输出端连接至数据采集单元9上的模数变换器21。

实施例4

与实施例1相同，其区别主要在于：

本实施例中所述的数据存储单元10和数据存储单元11上的核心板，采用Xilinx公司基于ZYNQ内核的MicroZed-7Z020核心板卡。

实施例5

与实施例1相同，其区别主要在于：

本实施例中所述的数据处理单元14，采用DSP 6678核心板卡进行数据处理。

实施例6

与实施例1相同，其区别主要在于：

本实施例中所述的网络交换单元(13)采用Router Board 450G网络交换机。

实施例7

与实施例1相同，其区别主要在于：

结合图1、图2及图5，本实施例中的通用水下实时数据采集处理平台，其数字逻辑部分数据流向如图5所示，对最多128路模拟信号进行模数转换控制，并将转换后的数字信号输出至FPGA的数据打包模块；将信号、帧序号和自检信号打包成一帧数据，输出至外置FIFO模块；将外置FIFO读出的16bit，拼接成32bit的字长，并写入内置FIFO中；根据FIFO的Program_Full信号判断数据存储深度，当达到阈值后将数据循环写入双口RAM中，在写操作结束后以中断的形式通知ARM读取RAM中的数据；搭建嵌入式操作系统的硬件平台。

实施例8

与实施例1相同，其区别主要在于：

结合图1、图2及图6，本实施例中通用水下实时数据采集处理平台，其核心板卡(ARM)PS端数据流向如图6所示。数据存储单元主要实现从缓冲区内读取原始数据，并将缓冲区数据存入优盘中；同时通过建立UDP端口与信号处理单元进行指令交互，并解析指令，监测电子舱的漏水状态；数据传输单元主要实现从缓冲区内读取原始数据，通过建立TCP端口将原始数据发送给信号处理单元，并存储信号处理单元回传的解算结果；同时通过建立UDP端口，完成对信号处理单元的应用程序下载及初始化等工作。

实施例9

结合图7，本发明还提出了一种依托于通用水下实时数据采集处理平台的数据处理方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、系统上电，硬件设备进行初始化，同时下载应用程序。

步骤二、程序运行，运行数据存储程序与数据传输程序。

步骤三、当接收到开始指令后，将实时采集到的水声原始数据存储到核心板卡外接的优盘内，同时将数据传送至数据处理单元。数据处理单元将处理结果存储至优盘内同时将结果传送至上位机或水下航行器。

步骤四、在水下平台出水后，利用网线连接电子舱，将原始数据通过网络导出，进行进一步的处理。

实施例10

与实施例9相同，其区别主要在于：

结合图1、图3及图4，本实施例中所述的接插面板1上的电源接口3外接电压为24V并与电源转换单元12连接，通过芯片22将24V转为12V供给数据采集单元9、数据处理单元14以及网络交换单元15。电源转换单元12通过芯片23将12V转为+6V，+5V，+3.3V，+1.8V，作为供给模拟预处理单元7、数据存储单元10以及数据传输单元11的芯片电压。同时，+6V电压经LDO芯片24转换得到+5V，作为数据采集单元9的参考电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种通用水下实时数据采集处理平台，其特征在于：包括接插面板(1)与电子舱(2)，接插面板(1)与电子舱(2)上下连接，安装于水下平台上；

接插面板(1)上安装有电源接口(3)、网络接口(4)以及水听器阵列接口(5)；接插面板内设有预埋件，与电子舱通过紧固件连接并进行保压、水密处理；接插面板通过第一接插件(6)与电子舱内部电路进行连接；

电子舱(2)包括供电模块、网络模块、模拟模块及数字模块；其中供电模块包括电源接口(3)和电源转换单元(12)，网络模块包括网络接口(4)和网络交换单元(15)，模拟模块包括模拟预处理单元(7)，数字模块包括数据采集单元(9)、数据存储单元(10)、数据传输单元(11)及数据处理单元(14)；电子舱内部为三层圆柱形支架结构，第一层与第二层间通过第二接插件(8)进行连接，第二层与第三层间通过第三接插件(13)进行连接；第一层中安装有十六个模拟预处理单元(7)；第二层中两侧对称安装有两块数据采集单元(9)，每块数据采集单元(9)上安装有数据存储单元(10)及数据传输单元(11)，在两块数据采集单元(9)中间位置安装有电源转换单元(12)，电源转换单元(12)通过电源线与电源接口(3)连接；电子舱第三层中安装有数据处理单元(14)及网络交换单元(15)，其中网络交换单元(15)通过网线分别与网络接口(4)、数据存储单元(10)、数据传输单元(11)及数据处理单元(14)连接。

2.根据权利要求1所述的通用水下实时数据采集处理平台，其特征在于：所述的接插面板(1)上安装的电源接口(3)、网络接口(4)以及水听器阵列接口(5)均为标准化器件，能够根据实际情况实现与不同外接器件的兼容。

3.根据权利要求1所述的通用水下实时数据采集处理平台，其特征在于：所述的接插面板(1)上安装的电源接口(3)外接电源，网络接口(4)外接水下平台网络或上位机，水听器阵列接口(5)外接水听器阵列，各连接均采用水密连接方式。

4.根据权利要求1所述的通用水下实时数据采集处理平台，其特征在于：所述的电子舱外壳、支架、接插面板以及连接件使用材料为304不锈钢材质，电子电路使用沉金工艺，水密抗压深度300米。

5.根据权利要求1所述的通用水下实时数据采集处理平台，其特征在于：所述的模拟预处理单元(7)中每块电路板包含八个通道，每个通道中包括差分放大器(16)、一级放大器(17)、带通滤波器(18)、二级放大器(19)及线性光耦(20)，输出端与数据采集单元(9)中的模数变换器(21)相连接。

6.根据权利要求1所述的通用水下实时数据采集处理平台，其特征在于：所述的数据存储单元(10)和数据存储单元(11)上的核心板使用MicroZed-7Z020核心板卡；数据处理单元(14)使用DSP 6678核心板卡；网络交换单元(15)采用Router Board 450G网络交换机。

7.一种通用水下实时数据采集处理平台数据处理方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

(1)安装通用水下实时数据采集处理平台，供电模块给系统上电，实现电子舱内外正常运转；

(2)初始化各单元电路、硬件设备及系统，下载应用程序；

(3)运行数据存储程序与数据传输程序；

(3.1)水听器阵列实时收集水下声信息，通过水听器阵列接口沿网络接口传输给模拟模块；

(3.2)模拟模块中的模拟预处理单元根据系统需求对接收的水声信号进行预处理，并将处理后的信号上传给数字模块；

(3.3)数字模块中的数据采集单元接收预处理信号，通过数据存储单元对采集到的数据进行实时存储，同时数据传输单元将信号传输给数据处理单元进行进一步处理后上报给水下平台，实现对水下目标的探测、定位与跟踪；

(4)接收到开始指令后，实时采集到的水声原始数据存储到核心板卡外接的优盘内，同时数据传送至数据处理单元；数据处理单元将处理结果存储至优盘内同时将结果传送至上位机或水下航行器；

(5)水下平台出水后，连接电子舱，将原始数据导出，进行进一步的数据处理。

8.根据权利要求7所述的通用水下实时数据采集处理平台数据处理方法，其特征在于：所述的供电模块中的电源接口(3)外接电压为24V并与电源转换单元(12)连接，通过第一芯片(22)将24V转为12V供给数据采集单元(9)、数据处理单元(14)以及网络交换单元(15)；电源转换单元(12)通过第二芯片(23)将12V转为+6V、+5V、+3.3V、+1.8V，分别为模拟预处理单元(7)、数据存储单元(10)以及数据传输单元(11)中的芯片提供电压；+6V电压经LDO(24)转换得到+5V，为数据采集单元(9)提供参考电压。