CN109412734A - 一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统及方法 - Google Patents

一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统及方法，用于计算在不同的浮标平台上接收到的同一水声信号，在统一的时间基准上的时刻。使用GPS接收机提供精确的秒脉冲作为时间参考，提供GPS世界时信息用于同步时刻计算；使用数字信号处理器接收秒脉冲与GPS时间信息，并进行水声信号的同步时刻计算。数据处理以DSP定时器计时的1秒作为一个处理周期，以这1秒内接收到的秒脉冲信号对应的水声数据采样点序号作为时间精确对齐标志，根据秒脉冲和GPS时间信息之间的相对关系确定水声有效信号点的同步时刻的计算公式。本发明提供的同步时刻计算方法不需要将本地时间同步到GPS时间，可应用于需要快速响应的远岸多浮标水声定位系统的时间统一领域。

Description

一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统及方法
技术领域
本发明涉及一种信号的同步时刻计算系统及方法，具体涉及一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统及方法。
背景技术
声纳浮标是探测水下目标的浮标式声纳探测器，它与水声信号接收处理设备等组成浮标声纳系统，用于潜艇探测、目标定位、海底监测等。大多数的声纳浮标都是由蓄电池供电工作的，由于浮标的体积小且需要考虑配重，所以能携带的电池容量十分有限，而且声纳浮标往往布置在远海，换电池不方便，所以浮标对功耗的要求比较苛刻。虽然现在有不少海洋浮标额外配有太阳能蓄电设备，但是低功耗仍是浮标系统需要重点考虑的性能。
当前同步时刻计算方法主要有两种。一是依靠系统本身搭载高精度时钟源，如原子钟，由于高精度时钟源的成本较高，而且功耗较大，不适合运行于远岸工作的浮标平台。二是将本地系统的时间同步到授时基站，如GPS卫星，这种方案需要系统频繁的进行同步运算，浪费系统资源。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统及方法，针对水声信号测量的同步时刻实时计算，实现低功耗、低成本。
本发明采用的技术方案为：
一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，包括：浮标平台、水声信号采集单元、GPS接收机以及数字信号处理器。
浮标平台漂浮在水中，水声信号采集单元、GPS接收机以及数字信号处理器均安装在浮标平台上；水声信号采集单元用于在数字信号处理器的控制下按照设定的采样率采集水声信号；GPS接收机输出秒脉冲和GPS时间信息，用于提供时间同步参考；数字信号处理器接收水声信号数据、秒脉冲与GPS时间信息，并进行水声信号的同步时刻计算。
所述数字信号处理器包括信号提取模块、序号生成模块、秒脉冲接收单元、GPS时间信息接收单元、比较模块、同步时刻计算模块以及定时器。
水声信号采集单元采集到的水声信号送入信号提取模块以及序号生成模块，序号生成模块根据每个采样点的数据的到来顺序生成采样点序号，并将所述采样点序号提供给信号提取模块、秒脉冲接收单元以及GPS时间信息接收单元。
信号提取模块根据预设阈值进行有效信号检测，提取出有效水声信号，并将该有效水声信号对应的采样点序号送入同步时刻计算模块中。
秒脉冲接收单元接收GPS接收机输出的秒脉冲信号，并将秒脉冲信号对应的采样点序号送入比较模块和同步时刻计算模块。
GPS时间信息接收单元接收GPS接收机输出的GPS时间信息，并将GPS时间信息对应的采样点序号送入比较模块，将GPS时间信息送入同步时刻计算模块。
比较模块对秒脉冲信号对应的采样点序号和GPS时间信息的采样点序号大小进行比较，将脉冲和GPS时间信息的相对关系送入同步时刻计算模块中。
同步时刻计算模块根据秒脉冲和GPS时间信息的相对关系、秒脉冲信号对应的采样点序号、GPS时间信息以及有效水声信号对应的采样点序号，计算得到有效水声信号的同步时刻。
定时器持续产生1秒的定时时间，控制序号生成模块的清零周期和同步时刻计算模块的计算周期。
GPS接收机以1Hz的频率输出秒脉冲和GPS时间信息。
当npps<nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsigna l为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
当npps≥nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，步骤如下：
(1)水声信号采集单元在数字信号处理器提供的采样率fs下采集水声信号，每个采样点的数据到来后，采样点计数器的值加1，采样点计数器的值即为该秒内的采样点序号；
(2)本地定时器持续产生1秒的定时时长，当采样到达定时长度后，并对采样点计数器清零；
(3)连续采集GPS接收机的秒脉冲和GPS时间信息TGPS，并记录下二者分别对应的采样点序号值npps和nGPS；
(4)根据预设阈值对水声信号进行有效信号检测，提取出有效水声信号，并得到该有效水声信号对应的采样点序号；
(5)检测到水声有效信号点到来后，记录下该点对应的采样点序号值nsignal，本秒定时结束后，判断秒脉冲和GPS时间信息的采样点序号值的大小，确定二者的相对时间关系；
(6)根据秒脉冲和GPS时间信息的相对关系、秒脉冲信号对应的采样点序号npps、GPS时间信息TGPS、有效水声信号对应的采样点序号nsignal以及水声信号采样率fs，计算得到有效水声信号的同步时刻。
如果npps<nGPS，同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
当npps≥nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
GPS接收机以1Hz的频率输出秒脉冲和GPS时间信息，秒脉冲和GPS时间信息同步。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的系统构成充分结合声纳浮标的应用背景，使用浮标正常工作经常搭载的设备作为同步时刻的计算设备，不需要额外的硬件条件，从而降低成本与功耗。
(2)本发明提供的同步时刻计算方法不需要将本地时间同步到统一的授时基站，从而减少工作复杂度，降低系统资源消耗。
(3)数字信号处理器具有很强的计算能力和多种对外接口，可以根据特定的应用需求，灵活地完成数据处理、数据存储、网络连接、无线发送等其他工作。
(4)采样点序号值定时清零，误差不会长期累积，从而提高了同步时刻的计算精度。
(5)同步时刻的计算精度与水声信号的采样率成正相关，对精度和资源的平衡调节具有自适应性。
附图说明
图1为本发明同步时刻计算系统框图；
图2为本发明同步时刻计算方法流程图；
图3为秒脉冲与GPS时间信息的第一种相对关系示意图；
图4为秒脉冲与GPS时间信息的第二种相对关系示意图；
图5为某次实验测试采集到的水声数据波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实际实验数据对本发明作更详细地描述。
本发明充分考虑到浮标的工作环境和水声信号频率较低的特点，不需要极高的同步精度，提出了一种不需要同步到基站的水声信号同步时刻计算系统及方法。对于多浮标水声定位系统中的时间同步具有重要应用意义。
如图1所示，本发明提出了一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，包括：浮标平台、水声信号采集单元、GPS接收机以及数字信号处理器；GPS接收机以1Hz的频率输出秒脉冲和GPS时间信息。
浮标平台漂浮在水中，起到漂浮、搭载、稳定的作用，水声信号采集单元、GPS接收机以及数字信号处理器均安装在浮标平台上；水声信号采集单元用于在数字信号处理器的控制下按照设定的采样率采集水声信号；GPS接收机接收GPS卫星信号，输出秒脉冲和GPS时间信息，用于提供时间同步参考；数字信号处理器接收水声信号数据、秒脉冲与GPS时间信息，并进行水声信号的同步时刻计算。
海洋浮标由于需要长期漂浮在远海，完成数据采集、数据分析、环境监测等工作，所以一般都会搭载GPS接收机来确定自身位置，搭载传感器和信号采集模块来完成数据采集，搭载微处理器来实现数据分析。本发明提供的水声信号同步时刻计算系统充分利用了浮标正常工作所需的硬件条件。
如图1所示，图中数字信号处理器包括信号提取模块、序号生成模块、秒脉冲接收单元、GPS时间信息接收单元、比较模块、同步时刻计算模块以及定时器。
水声信号采集单元采集到的水声信号送入信号提取模块以及序号生成模块，序号生成模块根据每个采样点的数据的到来顺序生成采样点序号，并将所述采样点序号提供给信号提取模块、秒脉冲接收单元以及GPS时间信息接收单元。
信号提取模块根据预设阈值进行有效信号检测，提取出有效水声信号，并将该有效水声信号对应的采样点序号送入同步时刻计算模块中。
秒脉冲接收单元接收GPS接收机输出的秒脉冲信号，并将秒脉冲信号对应的采样点序号送入比较模块和同步时刻计算模块。
GPS时间信息接收单元接收GPS接收机输出的GPS时间信息，并将GPS时间信息对应的采样点序号送入比较模块，将GPS时间信息送入同步时刻计算模块。
比较模块对秒脉冲信号对应的采样点序号和GPS时间信息的采样点序号大小进行比较，将脉冲和GPS时间信息的相对关系送入同步时刻计算模块中。
同步时刻计算模块根据秒脉冲和GPS时间信息的相对关系、秒脉冲信号对应的采样点序号、GPS时间信息以及有效水声信号对应的采样点序号，计算得到有效水声信号的同步时刻。
定时器持续产生1秒的定时时间，控制序号生成模块的清零周期和同步时刻计算模块的计算周期。
当npps<nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
当npps≥nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
如图2所示，基于上述同步时刻计算系统，本发明还提出了一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，步骤如下：
(1)水声信号采集单元在数字信号处理器提供的采样率fs下采集水声信号，每个采样点的数据到来后，采样点计数器的值加1，采样点计数器的值即为该秒内的采样点序号；
(2)本地定时器持续产生1秒的定时时长，当采样到达定时长度后，并对采样点计数器清零；
(3)连续采集GPS接收机的秒脉冲和GPS时间信息TGPS，并记录下二者分别对应的采样点序号值npps和nGPS；GPS接收机以1Hz的频率输出秒脉冲和GPS时间信息，秒脉冲和GPS时间信息同步。
(4)根据预设阈值对水声信号进行有效信号检测，提取出有效水声信号，并得到该有效水声信号对应的采样点序号；
(5)检测到水声有效信号点到来后，记录下该点对应的采样点序号值nsignal，本秒定时结束后，判断秒脉冲和GPS时间信息的采样点序号值的大小，确定二者的相对时间关系；
(6)根据秒脉冲和GPS时间信息的相对关系、秒脉冲信号对应的采样点序号npps、GPS时间信息TGPS、有效水声信号对应的采样点序号nsignal以及水声信号采样率fs，计算得到有效水声信号的同步时刻。
如果npps<nGPS，同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
当npps≥nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
不同的应用环境下水声信号具有不同的形式，所感兴趣的有效信号点可能不同。对于水面落点定位的需求，信号能量较大，上升沿陡峭，使用阈值方法可以快速、准确的提取有效信号点。
GPS接收机的秒脉冲产生周期是1秒，若要完成水声信号同步时间的计算，数字信号处理器的一个工作周期内至少需要包含1个秒脉冲信号和1个GPS时间信息，而且由于新的秒脉冲信号和GPS时间信息会覆盖之前的信号，所以数字信号处理器的一个工作周期内包含多个秒脉冲和GPS时间信息不会提高计算精度。所以数字信号处理器的工作周期最好与秒脉冲的产生周期相同，均为1秒。
下面具体分析水声有效信号点的同步时刻计算公式的选择依据：
GPS接收机在开机后经过短暂的初始化时间即可输出秒脉冲信号和GPS时间信息。秒脉冲是一个标准信号，相邻的两个秒脉冲信号的时间间隔为固定值1秒，误差大约只有几十纳秒，可以作为同步参考。GPS时间信息给出的是GPS接收机输出秒脉冲时的GPS时间。由于GPS时间信息需要额外的处理时间，所以GPS接收机输出的GPS时间信息总是略晚于对应的秒脉冲信号几十毫秒。
使用t表示系统的本地时间，使用T表示GPS时间。设系统在第本地时间的第tlocal秒的处理周期内接收到水声有效信号点，水声有效信号点对应的采样点序号值为nsignal，该秒内接收到的秒脉冲和GPS时间信息对应的采样点序号值分别为npps和nGPS，GPS时间信息为TGPS，该秒的实际采样率为fs。则存在以下两种情况：
(1)npps<nGPS
这是一般情况，如图3所示。图3的第一条横轴表示GPS时间轴，轴上的标注点是GPS接收机输出的秒脉冲和GPS时间信息在GPS时间轴上的时刻；图3的第二条横轴表示系统的本地时间轴，轴上的标注点是本地时间的整数秒；图3的第三条横轴是采样点序号，轴上的标注点与本地时间轴的整数秒点一一对应，是该秒内采样点序号的起始点。
从图3可以看出，此条件下，在本地时间的一个整秒内，记录的秒脉冲和GPS时间信息相互对应，即npps处对应的GPS时间信息为TGPS，水声有效信号点对应的同步时刻可用秒脉冲的GPS时刻加上水声有效信号点与秒脉冲的GPS时间偏差来进行计算。
水声有效信号点与秒脉冲的本地时间偏差为因为时间在本地时间轴和GPS时间轴的流逝速度是相同的，所以水声有效信号点与秒脉冲的GPS时间偏差也是则水声有效信号点对应的同步时刻可使用公式1进行计算：
(2)npps>nGPS
如图4所示，图4的三个轴的含义与图3相同。此条件下，在本地时间的一个整秒内，记录的秒脉冲所对应的GPS时间信息将在下一秒到来。但是由于相邻的两个GPS时间信息之间的差值为固定值1秒，所以该秒内记录的秒脉冲所对应的GPS时间信息可以使用该秒内记录的GPS时间信息加1秒来替代，即npps处对应的GPS时间信息为(TGPS+1)。
与情况(1)的原理类似，水声有效信号点对应的同步时刻可以使用公式2进行计算：
如图5所示，是某次验证实验时采集到的水声数据波形图。如表1所示，是本次实验的部分实验数据。由于数据量巨大，表1仅列出了有效水声信号到来前后的若干数据点以及该秒内的秒脉冲、GPS时间信号数据点。
表1某次验证实验的部分实验数据
实验时的系统采样率fs设定为200kHz、有效信号的判定阈值设定为0.5V。由表1数据可知，第23秒内的第132347个采样点的信号幅值达到设定阈值，即水声有效信号点对应的采样点序号值nsignal为132347。在该秒内，秒脉冲信号对应的采样点序号值npps为157363，GPS时间信息对应的采样点序号值nGPS为163984。
GPS时间信息TGPS为041908.00,格式为hhmmss.ss。其中，hh表示2位小时值，mm表示2位分钟值，ss.ss表示4位秒值，2位小数精度。
经比较可知，npps<nGPS，应使用公式1计算水声有效信号点对应的同步时刻：
计算结果的格式与GPS时间信息相同。
在该采样率条件下，同步时刻的计算精度为1/fs＝5us，对于大部分的水声测量需求都属于较高精度。

Claims (10)

1.一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，其特征在于包括：浮标平台、水声信号采集单元、GPS接收机以及数字信号处理器；
浮标平台漂浮在水中，水声信号采集单元、GPS接收机以及数字信号处理器均安装在浮标平台上；水声信号采集单元用于在数字信号处理器的控制下按照设定的采样率采集水声信号；GPS接收机输出秒脉冲和GPS时间信息，用于提供时间同步参考；数字信号处理器接收水声信号数据、秒脉冲与GPS时间信息，并进行水声信号的同步时刻计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，其特征在于：
所述数字信号处理器包括信号提取模块、序号生成模块、秒脉冲接收单元、GPS时间信息接收单元、比较模块、同步时刻计算模块以及定时器；
水声信号采集单元采集到的水声信号送入信号提取模块以及序号生成模块，序号生成模块根据每个采样点的数据的到来顺序生成采样点序号，并将所述采样点序号提供给信号提取模块、秒脉冲接收单元以及GPS时间信息接收单元；
信号提取模块根据预设阈值进行有效信号检测，提取出有效水声信号，并将该有效水声信号对应的采样点序号送入同步时刻计算模块中；
秒脉冲接收单元接收GPS接收机输出的秒脉冲信号，并将秒脉冲信号对应的采样点序号送入比较模块和同步时刻计算模块；
GPS时间信息接收单元接收GPS接收机输出的GPS时间信息，并将GPS时间信息对应的采样点序号送入比较模块，将GPS时间信息送入同步时刻计算模块；
比较模块对秒脉冲信号对应的采样点序号和GPS时间信息的采样点序号大小进行比较，将脉冲和GPS时间信息的相对关系送入同步时刻计算模块中；
同步时刻计算模块根据秒脉冲和GPS时间信息的相对关系、秒脉冲信号对应的采样点序号、GPS时间信息以及有效水声信号对应的采样点序号，计算得到有效水声信号的同步时刻；
定时器持续产生1秒的定时时间，控制序号生成模块的清零周期和同步时刻计算模块的计算周期。
3.根据权利要求1所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，其特征在于：GPS接收机以1Hz的频率输出秒脉冲和GPS时间信息。
4.根据权利要求2所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，其特征在于：当npps<nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
5.根据权利要求2所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算系统，其特征在于：当npps≥nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
6.一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，其特征在于步骤如下：
(1)水声信号采集单元在数字信号处理器提供的采样率fs下采集水声信号，每个采样点的数据到来后，采样点计数器的值加1，采样点计数器的值即为该秒内的采样点序号；
(2)本地定时器持续产生1秒的定时时长，当采样到达定时长度后，并对采样点计数器清零；
(3)连续采集GPS接收机的秒脉冲和GPS时间信息TGPS，并记录下二者分别对应的采样点序号值npps和nGPS；
(4)根据预设阈值对水声信号进行有效信号检测，提取出有效水声信号，并得到该有效水声信号对应的采样点序号；
(5)检测到水声有效信号点到来后，记录下该点对应的采样点序号值nsignal，本秒定时结束后，判断秒脉冲和GPS时间信息的采样点序号值的大小，确定二者的相对时间关系；
(6)根据秒脉冲和GPS时间信息的相对关系、秒脉冲信号对应的采样点序号npps、GPS时间信息TGPS、有效水声信号对应的采样点序号nsignal以及水声信号采样率fs，计算得到有效水声信号的同步时刻。
7.根据权利要求6所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，其特征在于：
如果npps<nGPS，同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
8.根据权利要求6所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，其特征在于：
当npps≥nGPS时，
同步时刻计算模块计算有效水声信号的同步时刻，通过如下公式进行：
其中，Tsignal为有效水声信号的同步时刻，npps为秒脉冲信号对应的采样点序号，nGPS为GPS时间信息对应的采样点序号，TGPS为GPS时间信息，nsignal为有效水声信号对应的采样点序号，fs为水声信号的采样率。
9.根据权利要求6所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，其特征在于：GPS接收机以1Hz的频率输出秒脉冲和GPS时间信息。
10.根据权利要求9所述的一种基于浮标平台的水声信号同步时刻计算方法，其特征在于：秒脉冲和GPS时间信息同步。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6212133B1 (en) * 1999-07-26 2001-04-03 Mccoy Kim Low power GPS receiver system and method of using same
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