CN109632070B - 一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法。本发明方法利用4阶牛顿插值算法对多节点数字阵前端模拟信号进行AD采样后的数据进行数据重构，有效解决了级联传输中由于节点间物理传输延迟造成的同步性问题，避免了PC设备处理传感器数据出现错误。仿真算法测试两通道信号，结果显示最大相位均不超过1°，信号幅度一致性在100Hz‑5kHz频段很高，在50Hz、10kHz时在0.5％左右，满足大部分应用场合的需求。保证全阵列在长时间连续工作时各水听器通道每次采集、传输、存储的数据均同步，实现全阵列纳秒级的同步精度。本发明的技术方案通过消除传输造成的相位差问题而实现数字化采集数据的同步。实现多个阵列中多个基元的时域一致性。

Description

一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法

技术领域

本发明涉及数字阵同步校准技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法。

背景技术

传统的模拟水听器阵列由于灵活性差、缺乏可控性、部署的局限性等因素，已经逐渐被市场所抛弃，国内的军事需求正在逐渐从模拟水听器阵列向数字水听器阵列转换的阶段。针对水听器信号传输及处理的不足，为了有效地解决噪声补偿问题，希望能够充分利用数字信号处理的优势，数字化水听器阵列应运而生。数字水听器阵列具有噪声补偿、数字化可编程，以及长线传输等模拟传输无法比拟的优点，非常有利于复杂环境下的，特别是军事应用。

在系统搭建方面，要求在海量的数据得以有效传输的基础上，对数以千计的探测基元的每个单元进行同步采集。电阻、电容、电感的精度误差会导致模拟单元的性能必然存在一定的差异，但是数字系统的晶振会受到温度的影响，因此数据采集的同步性保证是衡量高速数据采集系统的重要指标。

常用的手段是通过设置同步信号来保证同步性。全数字化水听器阵列是高速数字采集系统，具有部署距离长、级联式传输等特殊性，无法在真正意义上解决同步信号本身的物理传输延时，从而确保真正意义上的同步。现有的相位补偿方法一般通过在直接时延估计算法(ETDE)基础上增加一个相位补偿因子，将时延与相差进行解耦，利用相位补偿因子来修正相差，最终实现偏时延估计。但是不利于大规模生产部署，受外界干扰较大。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法。本发明方法主要通过消除传输造成的相位差问题而实现数字化采集数据的同步，实现多个阵列中多个基元的时域一致性。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过函数信号发生器对单频信号进行采样，同时模拟水声换能器采集水中的声信号，设置输出阻抗；

步骤S2：所述函数信号发生器连接BNC三通接头，BNC母头转跳线连接前置放大滤波模块A和前置放大滤波模块B，设置采样信号的频率，用示波器测试相应频率下通道A与通道B的相对相移，记为

其中k为信号频率；

步骤S3：移除示波器，设置采样信号的频率分别为步骤S2所述的频率；数据采集板A对前置放大滤波模块A的输出信号进行数字化采集，输出并行数据源；数据采集板B对前置放大滤波模块B的输出信号进行数字化采集，输出并行数据源；

步骤S4：将上述步骤S3中的并行数据源存入FPGA的FIFO，所述并行数据源依次上传至数据汇总模块，数据采集板A的数据经过通道A上传至数据采集板B中的数据处理单元，利用接收的数据对数据采集板B所采集的数据进行数据重构，即依据数据采集板A所选取的固定时间序列对数据采集板B的数据进行四阶牛顿插值，得到时间同步的采样数据；

步骤S5：计算插值点位置，设T为采样序列的时间间隔；T_d为数据采集板A与数据采集板B的时间延迟；t为采集数据传输至前级数据的时间间隔；N为数据采集板B的FIFO中储存AD数据的个数，则插值点的计算公式如下：

X＝min{t+k*T-T_d}(X＞0,k≤N-1)；

步骤S6：根据等间距四阶牛顿插值公式，计算插值点数据，其中n等于4，计算公式如下：

其余项为：

其中，X为插值点，f(X₀)为数据采集板B所采集的数据；X＝X₀+th,0≤t≤1,h为时间间距；Δⁿf₀＝f[X₀,X₁,X₂,…,X_n]*n！hⁿ，f[X₀,X₁,X₂,…,X_n]为n阶差商；

利用步骤S5中计算的插值点，以及上述的等间距四阶牛顿插值公式计算出经过牛顿插值后的采样数据作为数据采集板B的输出信号；

步骤S7：将数据采集板A的数据以及插值后的数据采集板B的采样数据上传至上位机PC中，计算出通道A样本数据与通道B样本数据的相对相移，记为

并储存两个样本在不同频率下的幅度

传输相移θ^k为：

进一步地，所述方法还包括多次更换通道A与通道B的前置放大模块并重复步骤S1-S7的步骤。

进一步地，所述方法还包括在不同频率下，取多次实验数据的最大相移值，对结果进行分析并得出相应实验结论的步骤。

进一步地，所述步骤S2中设置采样信号的频率分别为50Hz、100Hz、300Hz、500Hz、1KHz、3KHz、5KHz、10KHz。

进一步地，所述数据采集板A通过100m的电缆线连接所述数据采集板B。

较现有技术相比，本发明所提出的一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法相比于传统的设置同步信号，充分发挥了牛顿插值的特点。该方法运用的同步校准机制进行自主修正数据具有开创性的尝试，保证当传感器阵列采集同一信号时，各个传感器数据的相位差足够小，具有重要意义。

基于上述理由本发明可在数字阵同步校准等领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明方法的硬件系统框图。

图2为本发明方法中两路信号相位差计算算法仿真验证图。

图3为本发明方法4阶牛顿插值算法的程序流程图。

图4为本发明10K、5K、50Hz频率下样本数据信号一致性检测图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供了一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过函数信号发生器对50mV单频信号进行采样，同时模拟水声换能器采集水中的声信号，设置输出阻抗1MΩ，阻抗匹配合理。(为了避免由水声换能器造成的各向性)；

步骤S2：所述函数信号发生器连接BNC三通接头，BNC母头转跳线连接前置放大滤波模块A和前置放大滤波模块B，设置采样信号的频率分别为50Hz、100Hz、300Hz、500Hz、1KHz、3KHz、5KHz、10KHz，用示波器测试相应频率下通道A与通道B的相对相移，记为

其中k为信号频率；

步骤S3：移除示波器，设置50mV采样信号的频率分别为步骤S2所述的频率；数据采集板A对前置放大滤波模块A的输出信号进行数字化采集，输出24bit并行数据源；数据采集板B对前置放大滤波模块B的输出信号进行数字化采集，输出24bit并行数据源，采样率为625K；

步骤S4：将上述步骤S3中的并行数据源存入FPGA的FIFO，所述并行数据源依次上传至数据汇总模块，数据采集板A的数据经过通道A上传至数据采集板B中的数据处理单元，利用接收的数据对数据采集板B所采集的数据进行数据重构，即依据数据采集板A所选取的固定时间序列对数据采集板B的数据进行四阶牛顿插值，得到时间同步的采样数据；

步骤S5：计算插值点位置，设T为采样序列的时间间隔；T_d为数据采集板A与数据采集板B的时间延迟；t为采集数据传输至前级数据的时间间隔；N为数据采集板B的FIFO中储存AD数据的个数，则插值点的计算公式如下：

X＝min{t+k*T-T_d}(X＞0,k≤N-1)；

步骤S6：根据等间距四阶牛顿插值公式，计算插值点数据，其中n等于4，计算公式如下：

其余项为：

其中，X为插值点，f(X₀)为数据采集板B所采集的数据；X＝X₀+th,0≤t≤1,h为时间间距；Δⁿf₀＝f[X₀,X₁,X₂,…,X_n]*n！hⁿ，f[X₀,X₁,X₂,…,X_n]为n阶差商；

利用步骤S5中计算的插值点，以及上述的等间距四阶牛顿插值公式计算出经过牛顿插值后的采样数据作为数据采集板B的输出信号；

步骤S7：将数据采集板A的数据以及插值后的数据采集板B的采样数据上传至上位机PC中，计算出通道A样本数据与通道B样本数据的相对相移，记为

并储存两个样本在不同频率下的幅度

传输相移θ^k为：

为了排除实验结果的偶然性，所述方法还包括多次更换通道A与通道B的前置放大模块并重复步骤S1-S7的步骤。观察滤波放大不同通道之间的信号与数字转换处理引起的时延(相位差)与幅度变化情况。

所述方法还包括在不同频率下，取多次实验数据的最大相移值，对结果进行分析并得出相应实验结论的步骤。

实施例

作为本发明优选的实施方式，如图1所示，本发明提供了一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法的硬件系统框架，图1中的上半部分为步骤S2的硬件框架，在仿真验证计算算法时，首先需要采用示波器测量前置放大模块B所在的通道B以及前置放大模块A所在的通道A造成的模拟信号时域同步差异，其主要是由于电阻、电容、电感的精度误差所导致模拟单元一致性问题。设置50mV信号频率分别为50Hz、100Hz、300Hz、500Hz、1KHz、3KHz、5KHz、10KHz；用示波器测试相应频率下通道A与通道B的相对相移，记为

其中k为信号频率。图1下半部分为步骤S3-S4的硬件框架，移除示波器，使用数据采集板A和数据采集板B采集数据并对数据采集板B的数据利用牛顿插值进行数据时域准同步重构，样本数据上传至上位机PC中，并用Matlab软件计算出通道A样本数据与通道B样本数据的相对相移，标记为

作为本发明优选的实施方式，如图2所示，本发明提供了两路信号相位差计算算法仿真验证图，左右两列数据分别为截取出的典型实验结果，左列数据分别为步骤2中采用示波器检测到两个幅度相等、相位相差1°的时域信号与步骤S3-S7中采用牛顿插值算法计算的相位差结果；右列数据分别为步骤2中采用示波器检测到两个幅度分别为1与1.1、相位相差2°的时域信号与步骤S3-S7中采用牛顿插值算法计算的相位差结果，结果显示计算相位算法对幅度变化不敏感，计算相位准确度度很高。

作为本发明优选的实施方式，如图3所示，本发明提供了4阶牛顿插值算法的程序流程图，根据数据采集板A与数据采集板B的启动时间延迟与采集板A上的数据传输至数据采集板B的物理时间延迟，计算数据采集板B中插值点的位置，将计算到的插值点与插值序列X和f(X)，牛顿插值阶数n传入数据处理单元，具体过程如程序流程所示，首先构造n阶差商表D(m,n)，通过查询差商表，得到计算结果需要的差商f。按等间距牛顿插值方法计算相应系数，记为m，最终结果b＝b+m*f，需要依次遍历，直至多项式m的阶数为n。

如图4所示为实验结果中截取的部分10K、5K、50Hz频率下样本数据信号一致性检测图。在不同频率下，取多次实验数据的最大相移值，相应的实验结论如表1所示：

表1典型频率一致性测试计算结果

结果显示最大相位均不超过1°，可以满足相当大部分应用场合需求，信号幅度一致性在100Hz-5kHz频段很高，在50Hz、10kHz时在0.5％左右，也可以满足相当大部分应用场合的需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：通过函数信号发生器对单频信号进行采样，同时模拟水声换能器采集水中的声信号，设置输出阻抗；

步骤S2：所述函数信号发生器连接BNC三通接头，BNC母头转跳线连接前置放大滤波模块A和前置放大滤波模块B，设置采样信号的频率，用示波器测试相应频率下通道A与通道B的相对相移，记为

其中k为信号频率；

步骤S3：移除示波器，设置采样信号的频率分别为步骤S2所述的频率；数据采集板A对前置放大滤波模块A的输出信号进行数字化采集，输出并行数据源；数据采集板B对前置放大滤波模块B的输出信号进行数字化采集，输出并行数据源；

步骤S4：将上述步骤S3中的并行数据源存入FPGA的FIFO，所述并行数据源依次上传至数据汇总模块，数据采集板A的数据经过通道A上传至数据采集板B中的数据处理单元，利用接收的数据对数据采集板B所采集的数据进行数据重构，即依据数据采集板A所选取的固定时间序列对数据采集板B的数据进行四阶牛顿插值，得到时间同步的采样数据；

步骤S5：计算插值点位置，设T为采样序列的时间间隔；T_d为数据采集板A与数据采集板B的时间延迟；t为采集数据传输至前级数据的时间间隔；N为数据采集板B的FIFO中储存AD数据的个数，则插值点的计算公式如下：

X＝min{t+k*T-T_d}(X＞0,k≤N-1)；

步骤S6：根据等间距四阶牛顿插值公式，计算插值点数据，其中n等于4，计算公式如下：

其余项为：

其中，X为插值点，f(X₀)为数据采集板B所采集的数据；X＝X₀+th,0≤t≤1,h为时间间距；Δⁿf₀＝f[X₀,X₁,X₂,…,X_n]*n！hⁿ，f[X₀,X₁,X₂,…,X_n]为n阶差商；

利用步骤S5中计算的插值点，以及上述的等间距四阶牛顿插值公式计算出经过牛顿插值后的采样数据作为数据采集板B的输出信号；

步骤S7：将数据采集板A的数据以及插值后的数据采集板B的采样数据上传至上位机PC中，计算出通道A样本数据与通道B样本数据的相对相移，记为

并储存两个样本在不同频率下的幅度

传输相移θ^k为：

2.根据权利要求1所述的基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，其特征在于，所述方法还包括多次更换通道A与通道B的前置放大模块并重复步骤S1-S7的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，其特征在于，所述方法还包括在不同频率下，取多次实验数据的最大相移值，对结果进行分析并得出相应实验结论的步骤。

4.根据权利要求1所述的基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，其特征在于，所述步骤S2中设置采样信号的频率分别为50Hz、100Hz、300Hz、500Hz、1KHz、3KHz、5KHz、10KHz。

5.根据权利要求1所述的基于牛顿插值的数字阵时域准同步校准方法，其特征在于，所述数据采集板A通过100m的电缆线连接所述数据采集板B。

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