CN111024049A - 一种深海声学接收潜标及信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋环境和声学观测仪器技术领域，具体涉及一种深海声学接收潜标；其包括：水密电子舱和湿端配套设备；所述水密电子舱安装在湿端配套设备上，依据对应的采集时间表，所述湿端配套设备同步采集多通道的模拟水声信号，并将其传输至干端水密电子舱，水密电子舱将各通道的模拟水声信号进行数模转换，并将转换后的各通道的数字水声信号进行记录和存储；同时，湿端配套设备还包括海洋仪器设备，依据对应的采集时间表，所述海洋仪器设备同步记录海洋环境参数，并将其传输至干端水密电子舱，并将海洋环境参数进行记录和存储。

Description

一种深海声学接收潜标及信号采集方法

技术领域

本发明属于海洋环境和声学观测仪器技术领域，具体涉及一种深海声学接收潜标及信号采集方法。

背景技术

海洋是一个具有战略意义的重要领域，深远海更是当前海洋资源、海洋开发、海洋环境和海洋安全的研究热点。声波被认为是唯一可在海水中远距离传播的物理媒介，并且由于其在深海中具有良好的传播特性，使得远距离水声通信及其相关传播机理的应用研究需求迫切。潜标作为一种独具特色的海洋观测设备，是海洋领域研究的重要技术手段。

海洋潜标又称为水下浮标，是海洋环境观测的重要设备之一。其中，海洋声学潜标广泛应用于水声物理、海洋调查、水声通信和导航定位等诸多领域。深海声学接收潜标是一种放置于海中，能够长时、可靠地接收声学信号的水声试验装置，为水声物理等研究提供声学数据来源。通常地，声学接收潜标主要包括：水听器阵列、水密电子舱、浮体、供电设备与锚系结构；可以依托不同平台进行释放与回收，实现环境数据测量、声学信号接收等功能，通过与声学发射设备配合，完成对海洋环境观测、水声通信、水声物理等研究。

目前，水下声学接收潜标主要分为自容式接收潜标和实时传输式接收潜标两种。其中，第一种，自容式接收潜标在工作期间所获得的原始数据和信息是贮存在测量设备或潜标专用记录仪器中，要想获取这些数据资料，需将潜标回收后进行读取。第二种，实时传输式接收潜标则可以通过面浮标等通讯数据链路，及时地将海洋环境测量数据或声学记录数据传输到岸站。

但是，现有的声学接收潜标存在以下三方面问题：

第一，功耗较高，不能进行长时、连续地工作值守，能源供应的局限性影响了接收潜标诸多重要功能的发挥；

第二，为了实现定时授时功能，现有声学潜标一般采用加装水面天线的方式，但水面天线存在生存性差、功耗高、不适用于深海环境等缺点；

第三，现有声学接收潜标的工作模式单一，对于各传感器组不能进行单独控制、采集和数据记录，这极大限制了声学潜标工作的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有水下声学接收潜标存在的上述缺陷，本发明提出了一种深海声学接收潜标，具有水声信号实时采集与储存、低功耗长期值守、高精度授时守时等多种功能，克服了已有声学接收潜标能源供给受限、高精度时间同步能力欠缺、工作模式单一等问题，可为深海水声技术、海洋环境观测等研究领域提供有力支持。

为了实现上述目的，本发明提供了一种深海声学接收潜标，其包括：水密电子舱和湿端配套设备；所述水密电子舱安装在湿端配套设备上，依据对应的采集时间表，所述湿端配套设备同步采集多通道的模拟水声信号，并将其传输至干端水密电子舱，水密电子舱将各通道的模拟水声信号进行数模转换，并将转换后的各通道的数字水声信号进行记录和存储；

同时，湿端配套设备还包括海洋仪器设备，依据对应的采集时间表，所述海洋仪器设备同步记录海洋环境参数，并将其传输至干端水密电子舱，并将海洋环境参数进行记录和存储。

作为上述技术方案的改进之一，所述干端水密电子舱包括：水密电子舱、主控处理模块、A/D模块、存储模块、时钟模块和供电模块；所述主控处理模块、A/D模块、存储模块、时钟模块、供电模块均安装在水密电子舱内；

所述A/D模块，在主控处理模块的控制下，将水听器阵列接收的各通道模拟水声信号进行数模转换，并转换为数字水声信号，再将转换后的各通道的数字水声信号发送至主控处理模块；

所述主控处理模块，用于根据采集的时间表和守时时间，进行低功耗值班工作模式和信号采集工作模式的切换；

还用于依据对应的采集时间表，控制A/D模块将水听器阵列接收的各通道模拟水声信号转换为数字水声信号，接收A/D模块输出的数字水声信号，并输入至存储模块进行记录和存储；

还用于依据对应的采集时间表，控制海洋仪器设备上电、记录海洋环境参数，并将海洋环境参数输入至存储模块进行记录和存储；

所述存储模块，用于存储主控处理模块输出的各通道的数字水声信号和海洋环境参数；

所述时钟模块，用于将守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号作为模拟信号加载在A/D模块某一通道的输入端，与其他通道的模拟水声信号一起传输至A/D模块；

所述供电模块，用于向主控处理模块、A/D模块、存储模块和时钟模块提供工作电源。

作为上述技术方案的改进之一，所述存储模块为固态存储盘，每块固态存储盘通过SATA接口直接与主控处理模块的信号处理电路相连。

作为上述技术方案的改进之一，所述主控处理模块进一步包括：信号处理电路、值班电路、供电控制单元和接口电路；

所述信号处理电路，用于在信号采集工作模式下，接收模数转换后的各通道数字水声信号和海洋环境参数，输入至存储模块进行记录和存储；

所述值班电路，用于维持守时时间、存储时间表信息，并不断判别时间表是否到来；

还用于监测各路电源供电是否正常，和控制各路电源的通断；

还预留串口用于与其他外接设备通过串口连接进行通信；

所述接口电路；用于提供接口，与海洋仪器设备连接并进行通信；

所述供电控制单元，用于向信号处理电路、值班电路和接口电路提供工作电源。

作为上述技术方案的改进之一，所述信号处理电路为FPGA处理器；所述信号处理电路包括：数据缓存单元、数据接收与处理单元和接口控制逻辑单元；

所述数据缓存单元，用于通过数据总线接口与A/D模块连接，为数据总线发送的多通道数字水声信号、时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号提供缓存，并向数据接收与处理单元发送多通道数字水声信号、时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号；

所述数据接收与处理单元，用于接收数据缓存单元发送的数字信号，将其按照固定格式打包，获得打包后的数字信号，通过第一SATA接口和第二SATA接口发送至存储模块的第一固态存储盘和第二固态存储盘；在上位机通过千兆网口与接口控制逻辑单元连接时，数据接收与处理单元也同时将打包后的数字信号发送至接口控制逻辑单元；

所述接口控制逻辑单元，用于通过千兆网口与上位机连接，通过SPI接口与值班电路连接，将上位机生成的时间表发送至值班电路；

还用于通过千兆网口将数据接收与处理单元发送的打包后的数字信号发送至上位机；

还用于生成和记录潜标的工作日志。

作为上述技术方案的改进之一，所述值班电路包括：低功耗值班控制单元、时间表存储单元、串口扩展单元、电源控制单元和电源监测单元；所述低功耗值班控制单元，用于维持守时时间，并不断判别时间表是否到来；当时间表到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备上电，同时将信号处理电路和存储模块上电，接收潜标进入信号采集工作模式；待时间表结束时间到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备断电，同时将信号处理电路和存储模块断电，潜标恢复低功耗值班工作模式；

所述时间表存储单元，用于接收来自上位机的多组时间表，并存储多组时间表；

所述串口扩展单元，用于预留串口，与其他外接设备通过串口连接进行通信；

所述电源控制单元，用于提供正常工作所需的+3.3V、+5V、+12V电源；还用于控制各路电源的通断；

所述电源监测单元，用于监测各路电源供电是否正常，是否发生短路；

若某路电源输出端发生短路或某一路电源供电异常，则低功耗值班控制单元通过电源控制单元将该路供电切断。

作为上述技术方案的改进之一，所述时钟模块包括：高稳定度频标、GPS授时电路、守时时钟电路、守时误差补偿和时钟输出电路；

所述高稳定度频标，用于向守时时钟电路提供高稳定频率源信号；

所述GPS授时电路，用于与外接GPS模块相连，接收GPS时间信息和整秒脉冲信号，将其发送至守时时钟电路，并同时测量高稳定度频标的高稳定频率源信号的频率误差；

所述守时时钟电路，用于接收高稳定度频标的高稳定频率源信号和GPS授时电路的GPS时间信息、整秒脉冲信号，进行时钟保持；

还用于将守时的整秒脉冲信号和守时时间信息输出至时钟输出电路；

所述守时误差补偿，用于根据GPS授时电路测量的高稳频标的频率源信号的频率误差进行时间补偿；

所述时钟输出电路，用于将守时时钟电路输出的整秒脉冲信号和守时时间信息输出至A/D模块，同时将守时时间信息输出至低功耗值班控制模块。

作为上述技术方案的改进之一，所述湿端配套设备包括：深海水听器阵列、海洋仪器设备、深海声学换能器、锚系结构、浮球和浮体；

深海通用声学潜标平台的顶部为浮体；浮体的下部通过凯夫拉绳与水密电子舱相连接；浮体与水密电子舱之间连接有海洋仪器设备；水密电子舱的下方通过凯夫拉绳顺序连接深海水听器阵列、系留缆、浮球、深海声学释放器、锚系结构。

本发明还提供了一种深海声学接收潜标的信号采集方法，该方法通过上述深海声学接收潜标实现，该方法包括：

值班电路接收上位机采集的时间表，低功耗值班控制单元根据时间表存储单元中的时间表，判断是否从低功耗值班工作模式切换到信号采集工作模式；

如果没有时间表到来，则维持低功耗值班工作模式；

如果时间表到来，在时间表到来的时刻，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备上电，同时将信号处理电路和存储模块上电，接收潜标进入信号采集工作模式；

若该时间表对应的是水听器阵列的采集工作，则水听器阵列将接收的多通道模拟水声信号和时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号一起输入至A/D模块，经过A/D模块的多通道同步数模转换后，转换为多通道的数字信号；A/D模块将多通道的数字信号通过数据总线输出至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，获得打包后的数字信号，并将其转发至存储模块进行记录和存储。

若该时间表对应的是海洋仪器设备的采集工作，则海洋仪器设备将记录的海洋环境参数通过主控处理模块的接口电路发送至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，获得打包后的数字信号，并将其转发至存储模块进行记录和存储。

当时间表结束时间到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备断电，同时将信号处理电路和存储模块断电，接收潜标恢复低功耗值班工作模式。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的接收潜标具有水声信号实时采集与存储、低功耗长期值守、高精度授时守时的功能，不受恶劣天气、海洋环境和能源供给的限制，在低功耗值班工作模式或信号采集发射工作模式之间进行选择切换，克服了已有声学接收潜标能源供给受限、高精度时间同步能力欠缺、工作模式单一等问题，以及有效解决了多通道水声信号不能实现精确时间同步采集、传输和存储的问题。

附图说明

图1为本发明的一种深海声学接收潜标的结构示意图；

图2为本发明的一种深海声学接收潜标的水密电子舱的内部设置的结构示意图；

图3为本发明的一种深海声学接收潜标的水密电子舱内的主控处理模块内的信号处理电路和值班电路的结构示意图；

图4是本发明的一种深海声学接收潜标的一个具体实施例中的多通道数据实时采集示意图；

图5是本发明的一种深海声学接收潜标的一个具体实施例中的数据采集的时间表管理示意图。

附图说明

1、浮体 2、水密电子舱

3、海洋仪器设备 4、系留缆

5、浮球 6、深海声学释放器

7、锚系重块 8、深海水听器阵列

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种深海声学接收潜标，解决当前深海声学接收潜标存在的问题，实现长时、连续、全天候的声学观测，具有水声信号实时采集与存储、低功耗长期值守、高精度授时守时等多种功能，不受恶劣天气、海洋环境和能源供给的限制，可为深海水声技术、海洋环境观测等研究领域提供有力支持。

所述深海声学接收潜标包括：

水密电子舱和湿端配套设备；所述水密电子舱安装在湿端配套设备上，依据对应的采集时间表，所述湿端配套设备同步采集多通道的模拟水声信号，并将其传输至干端水密电子舱，水密电子舱将各通道的模拟水声信号进行数模转换，并将转换后的各通道的数字水声信号进行记录和存储；

同时，湿端配套设备还包括海洋仪器设备，依据对应的采集时间表，所述海洋仪器设备同步记录海洋环境参数，并将其传输至干端水密电子舱，并将海洋环境参数进行记录和存储。其中，所述时间采集信息包括：起始采集时间和终止采集时间。

如图1和2所示，所述干端水密电子舱包括：水密电子舱2、主控处理模块、A/D模块、存储模块、时钟模块和供电模块；所述主控处理模块、A/D模块、存储模块、时钟模块、供电模块均安装在水密电子舱2内；

所述A/D模块，在主控处理模块的控制下，将水听器阵列接收的各通道模拟水声信号进行数模转换，并转换为数字水声信号，再将转换后的各通道的数字水声信号发送至主控处理模块；

所述主控处理模块，用于根据采集的时间表和守时时间，进行低功耗值班工作模式和信号采集工作模式的切换；

还用于依据对应的采集时间表，控制A/D模块将水听器阵列接收的各通道模拟水声信号转换为数字水声信号，接收A/D模块输出的数字水声信号，并输入至存储模块进行记录和存储；

还用于依据对应的采集时间表，控制海洋仪器设备上电、记录海洋环境参数，并将海洋环境参数输入至存储模块进行记录和存储；

其中，所述时间表包括：不同的时间采集信息和低功耗值班时间，即不同的起始采集时间、终止采集时间，以及低功耗值班时间；

所述主控处理模块进一步包括：信号处理电路、值班电路、供电控制单元和接口电路；

所述信号处理电路，用于在信号采集工作模式下，接收模数转换后的各通道数字水声信号和海洋环境参数，输入至存储模块进行记录和存储；

其中，所述信号处理电路为FPGA处理器。

如图3所示，所述信号处理电路包括：数据缓存单元、数据接收与处理单元和接口控制逻辑单元；

所述数据缓存单元，用于通过数据总线接口与A/D模块连接，为数据总线发送的多通道数字水声信号、时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号提供缓存，并向数据接收与处理单元发送多通道数字水声信号、时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号；

所述数据接收与处理单元，用于接收数据缓存单元发送的数字信号，将其按照固定格式打包，获得打包后的数字信号，通过第一SATA接口和第二SATA接口发送至存储模块的第一固态存储盘和第二固态存储盘，即如图3所示的固态存储盘1和固态存储盘2；在上位机通过千兆网口与接口控制逻辑单元连接时，数据接收与处理单元也同时将打包后的数字信号发送至接口控制逻辑单元；

所述接口控制逻辑单元，用于通过千兆网口与上位机连接，通过SPI接口与值班电路连接，将上位机生成的时间表发送至值班电路；

还用于通过千兆网口将数据接收与处理单元发送的打包后的数字信号发送至上位机；

还用于生成和记录潜标的工作日志。

所述值班电路，用于维持守时时间、存储时间表信息，并不断判别时间表是否到来；

还用于监测各路电源供电是否正常，和控制各路电源的通断；

还预留串口用于与其他外接设备通过串口连接进行通信；

所述值班电路包括：低功耗值班控制单元、时间表存储单元、串口扩展单元、电源控制单元和电源监测单元；所述低功耗值班控制单元，用于维持守时时间，并不断判别时间表是否到来；当时间表到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备上电，同时将信号处理电路和存储模块上电，接收潜标进入信号采集工作模式；待时间表结束时间到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备断电，同时将信号处理电路和存储模块断电，潜标恢复低功耗值班工作模式；

所述时间表存储单元，用于接收来自上位机的多组时间表，并存储多组时间表；

所述串口扩展单元，用于预留串口，与其他外接设备通过串口连接进行通信；

所述电源控制单元，用于提供正常工作所需的+3.3V、+5V、+12V电源；还用于控制各路电源的通断；

所述电源监测单元，用于监测各路电源供电是否正常，是否发生短路；

若某路电源输出端发生短路或某一路电源供电异常，则低功耗值班控制单元通过电源控制单元将该路供电切断。

所述接口电路；用于提供接口，与海洋仪器设备连接并进行通信；

所述供电控制单元，用于向信号处理电路、值班电路和接口电路提供工作电源。

所述存储模块，用于存储主控处理模块输出的各通道的数字水声信号和海洋环境参数；其中，所示海洋环境参数包括海洋环境温度、压力、盐度、海水流速等参数。

其中，所述存储模块为固态存储盘，每块固态存储盘通过SATA接口直接与主控处理模块的信号处理电路相连。

所述时钟模块，用于将守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号作为模拟信号加载在A/D模块某一通道的输入端，与其他通道的模拟水声信号一起传输至A/D模块，实现多通道水声信号同时采集、待机、传输和存储，具有较高的绝对时间精度；

所述时钟模块包括：高稳定度频标、GPS授时电路、守时时钟电路、守时误差补偿和时钟输出电路；

所述高稳定度频标，用于向守时时钟电路提供高稳定频率源信号；

所述GPS授时电路，用于与外接GPS模块相连，接收GPS时间信息和整秒脉冲信号，将其发送至守时时钟电路，并同时测量高稳定度频标的高稳定频率源信号的频率误差；

所述守时时钟电路，用于接收高稳定度频标的高稳定频率源信号和GPS授时电路的GPS时间信息、整秒脉冲信号，进行时钟保持；

还用于将守时的整秒脉冲信号和守时时间信息输出至时钟输出电路；

所述守时误差补偿，用于根据GPS授时电路测量的高稳频标的频率源信号的频率误差进行时间补偿；

所述时钟输出电路，用于将守时时钟电路输出的整秒脉冲信号和守时时间信息输出至A/D模块，同时将守时时间信息输出至低功耗值班控制模块。

具体地，虽然高稳定频率源信号具有稳定、可靠、高精度的特点，但其仍存在微小误差，经过长时间累计后，守时时钟电路会产生一定的守时时间误差，守时误差补偿电路能根据历史比测数据进行一定的时间补偿，实现更高的守时时间精度。

所述供电模块，用于向主控处理模块、A/D模块、存储模块和时钟模块提供工作电源。其中，所述供电模块优选为可充电式锂电池组或一次性锂电池组。

当所接收到的时间表为低功耗值班时间，则继续维持低功耗值班工作模式；当所接收到的时间表包括：起始采集时间、终止采集时间，则发送切换工作模式指令至系统控制单元进行工作模式切换；其中，当试验人员需要从上位机设置时间表任务时，通过手动开关将FPGA处理器上电，将从上位机生成的时间表信息经过设置在FPGA处理器内的千兆网口、接口控制逻辑单元至低功耗值班控制单元，由低功耗值班控制单元写入时间表存储单元。

其中，低功耗值班控制单元作为值班电路的主控器，所述低功耗值班控制单元为超低功耗的MSP430单片机；

所述值班电路在没有接收时间表之前，处于低功耗的值班状态，仅仅进行各电路的监测，避免出现短路，破坏正常工作；所述值班电路在没有接收时间表之后，电源控制单元为信号处理电路供电，信号处理电路中的数据缓存单元存储A/D模块发送的守时时间信息；并通过数据接收与处理单元该守时时间信息，再通过接口控制逻辑单元将上位机生成的时间表发送至值班电路。其中，时间表任务是由试验人员需要从上位机设置完成的，通过手动开关将信号处理电路上电，将时间表信息经过信号处理电路的千兆网口、接口控制逻辑单元发送至低功耗值班控制单元，由低功耗值班控制单元写入时间表存储单元进行存储。

如图2所示，所述湿端配套设备包括：深海水听器阵列8、海洋仪器设备3、深海声学换能器6、锚系结构7、浮球5和浮体1；

深海通用声学潜标平台的顶部为浮体1；浮体1的下部通过凯夫拉绳与水密电子舱2相连接；浮体1与水密电子舱2之间连接有海洋仪器设备3；水密电子舱2的下方通过凯夫拉绳顺序连接深海水听器阵列8、深海声学换能器6、系留缆4、浮球5、深海声学释放器6、锚系结构7。

如图4所示，通道1为时钟模块向A/D模块输出的整秒脉冲信号和守时时间信息，该整秒脉冲信号的上升沿表示整秒时刻，该守时时间信息表示整秒时刻的时间信息；通道2至通道N分别对应水听器阵列阵元1至阵元N-1采集的水声信号数据。由于通道1至通道N在每个采样时间的数据是同步的，因此，可通过通道1的整秒脉冲信号的上升沿对通道2至通道N的采样时刻进行时间标记，精确的标记出通道2至通道N每个采样数据的采样时刻，从而实现精确时间同步的信号采集记录。如图5所示，时间表1至时间表N分别对应于传感器1至传感器N，可分别独立控制这些传感器的开始时间、采集时间、采集次数、采集间隔等参数，即可实现传感器1至传感器N在同一时间工作、协同配合，也可实现传感器1至传感器N在不同时间穿插进行工作。因此，用户可根据实际使用需求，独立编辑时间表1至时间表N，从而低功耗值班控制模块可根据这些时间表，控制这些传感器执行各种复杂的采集任务。

本发明还提供了一种深海声学接收潜标的信号采集方法，该方法通过上述深海声学接收潜标实现，该方法包括：

值班电路接收上位机采集的时间表，低功耗值班控制单元根据时间表存储单元中的时间表，判断是否从低功耗值班工作模式切换到信号采集工作模式；

如果没有时间表到来，则维持低功耗值班工作模式；

如果时间表到来，在时间表到来的时刻，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备上电，同时将信号处理电路和存储模块上电，接收潜标进入信号采集工作模式；

若该时间表对应的是水听器阵列的采集工作，则水听器阵列将接收的多通道模拟水声信号和时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号一起输入至A/D模块，经过A/D模块的多通道同步数模转换后，转换为多通道的数字信号；A/D模块将多通道的数字信号通过数据总线输出至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，获得打包后的数字信号，并将其转发至存储模块进行记录和存储。

若该时间表对应的是海洋仪器设备的采集工作，则海洋仪器设备将记录的海洋环境参数通过主控处理模块的接口电路发送至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，获得打包后的数字信号，并将其转发至存储模块进行记录和存储。

当时间表结束时间到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备断电，同时将信号处理电路和存储模块断电，接收潜标恢复低功耗值班工作模式。

在其他具体实施例中，用户可以根据不同用途搭载多种海洋传感器和监测设备，自由配置开始时间、采集时间、采集次数、采集间隔等多个参数，进而生成多个时间表。不同时间表可以独立控制不同的传感器组，允许数据采集和声学数据记录的工作可以交叉进行，这给声学潜标提供了灵活多变的工作模式。

本发明的深海声学接收潜标的工作流程如下：

接收潜标布防完成后，随即进入初始的低功耗值班工作模式，以降低系统平均功耗，实现该潜标系统长时、稳定地工作。当接收潜标收到采集指令后，根据时间表，将初始的低功耗值班工作模式切换为信号采集工作模式；主控处理模块根据预先设定的信号采集初始时间和信号采集终止时间，控制水听器阵列进行水声信号的同步采集，并进行数据记录。采集到的水声信号与守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号作为模拟信号加载在A/D模块的输入端，随后通过A/D模块进行信号的模数转换，经转换后的多通道数字信号通过数据总线输出至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，转发至存储模块，实现水声数据的记录功能。在水听器阵列进行数据采集阶段，供电模块提供能源的同时，其中一部分电能经过电源转换，为水听器阵列提供能源供应。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种深海声学接收潜标，其特征在于，其包括：水密电子舱和湿端配套设备；所述水密电子舱安装在湿端配套设备上，依据对应的采集时间表，所述湿端配套设备同步采集多通道的模拟水声信号，并将其传输至干端水密电子舱，水密电子舱将各通道的模拟水声信号进行数模转换，并将转换后的各通道的数字水声信号进行记录和存储；

同时，湿端配套设备还包括海洋仪器设备，依据对应的采集时间表，所述海洋仪器设备同步记录海洋环境参数，并将其传输至干端水密电子舱，并将海洋环境参数进行记录和存储。

2.根据权利要求1所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述干端水密电子舱包括：水密电子舱(2)、主控处理模块、A/D模块、存储模块、时钟模块和供电模块；所述主控处理模块、A/D模块、存储模块、时钟模块、供电模块均安装在水密电子舱(2)内；

所述A/D模块，在主控处理模块的控制下，将水听器阵列接收的各通道模拟水声信号进行数模转换，并转换为数字水声信号，再将转换后的各通道的数字水声信号发送至主控处理模块；

所述主控处理模块，用于根据采集的时间表和守时时间，进行低功耗值班工作模式和信号采集工作模式的切换；

还用于依据对应的采集时间表，控制A/D模块将水听器阵列接收的各通道模拟水声信号转换为数字水声信号，接收A/D模块输出的数字水声信号，并输入至存储模块进行记录和存储；

还用于依据对应的采集时间表，控制海洋仪器设备上电、记录海洋环境参数，并将海洋环境参数输入至存储模块进行记录和存储；

所述存储模块，用于存储主控处理模块输出的各通道的数字水声信号和海洋环境参数；

所述时钟模块，用于将守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号作为模拟信号加载在A/D模块某一通道的输入端，与其他通道的模拟水声信号一起传输至A/D模块；

所述供电模块，用于向主控处理模块、A/D模块、存储模块和时钟模块提供工作电源。

3.根据权利要求2所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述存储模块为固态存储盘，每块固态存储盘通过SATA接口直接与主控处理模块的信号处理电路相连。

4.根据权利要求2所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述主控处理模块进一步包括：信号处理电路、值班电路、供电控制单元和接口电路；

所述信号处理电路，用于在信号采集工作模式下，接收模数转换后的各通道数字水声信号和海洋环境参数，输出至存储模块进行记录和存储；

所述值班电路，用于维持守时时间、存储时间表信息，并不断判别时间表是否到来；

还用于监测各路电源供电是否正常，和控制各路电源的通断；

还预留串口用于与其他外接设备通过串口连接进行通信；

所述接口电路；用于提供接口，与海洋仪器设备连接并进行通信；

所述供电控制单元，用于向信号处理电路、值班电路和接口电路提供工作电源。

5.根据权利要求4所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述信号处理电路为FPGA处理器；所述信号处理电路包括：数据缓存单元、数据接收与处理单元和接口控制逻辑单元；

所述数据缓存单元，用于通过数据总线接口与A/D模块连接，为数据总线发送的多通道数字水声信号、时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号提供缓存，并向数据接收与处理单元发送多通道数字水声信号、时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号；

所述数据接收与处理单元，用于接收数据缓存单元发送的数字信号，将其按照固定格式打包，获得打包后的数字信号，通过第一SATA接口和第二SATA接口发送至存储模块的第一固态存储盘和第二固态存储盘；在上位机通过千兆网口与接口控制逻辑单元连接时，数据接收与处理单元也同时将打包后的数字信号发送至接口控制逻辑单元；

所述接口控制逻辑单元，用于通过千兆网口与上位机连接，通过SPI接口与值班电路连接，将上位机生成的时间表发送至值班电路；

还用于通过千兆网口将数据接收与处理单元发送的打包后的数字信号发送至上位机；

还用于生成和记录潜标的工作日志。

6.根据权利要求4所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述值班电路包括：低功耗值班控制单元、时间表存储单元、串口扩展单元、电源控制单元和电源监测单元；所述低功耗值班控制单元，用于维持守时时间，并不断判别时间表是否到来；当时间表到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备上电，同时将信号处理电路和存储模块上电，接收潜标进入信号采集工作模式；待时间表结束时间到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备断电，同时将信号处理电路和存储模块断电，潜标恢复低功耗值班工作模式；

所述时间表存储单元，用于接收来自上位机的多组时间表，并存储多组时间表；

所述串口扩展单元，用于预留串口，与其他外接设备通过串口连接进行通信；

所述电源控制单元，用于提供正常工作所需的+3.3V、+5V、+12V电源；还用于控制各路电源的通断；

所述电源监测单元，用于监测各路电源供电是否正常，是否发生短路；

若某路电源输出端发生短路或某一路电源供电异常，则低功耗值班控制单元通过电源控制单元将该路供电切断。

7.根据权利要求2所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述时钟模块包括：高稳定度频标、GPS授时电路、守时时钟电路、守时误差补偿和时钟输出电路；

所述高稳定度频标，用于向守时时钟电路提供高稳定频率源信号；

所述GPS授时电路，用于与外接GPS模块相连，接收GPS时间信息和整秒脉冲信号，将其发送至守时时钟电路，并同时测量高稳定度频标的高稳定频率源信号的频率误差；

所述守时时钟电路，用于接收高稳定度频标的高稳定频率源信号和GPS授时电路的GPS时间信息、整秒脉冲信号，进行时钟保持；

还用于将守时的整秒脉冲信号和守时时间信息输出至时钟输出电路；

所述守时误差补偿，用于根据GPS授时电路测量的高稳频标的频率源信号的频率误差进行时间补偿；

所述时钟输出电路，用于将守时时钟电路输出的整秒脉冲信号和守时时间信息输出至A/D模块，同时将守时时间信息输出至低功耗值班控制模块。

8.根据权利要求1所述的深海声学接收潜标，其特征在于，所述湿端配套设备包括：深海水听器阵列(8)、海洋仪器设备(3)、深海声学换能器(6)、锚系结构(7)、浮球(5)和浮体(1)；

深海通用声学潜标平台的顶部为浮体(1)；浮体(1)的下部通过凯夫拉绳与水密电子舱(2)相连接；浮体(1)与水密电子舱(2)之间连接有海洋仪器设备(3)；水密电子舱(2)的下方通过凯夫拉绳顺序连接深海水听器阵列(8)、系留缆(4)、浮球(5)、深海声学释放器(6)、锚系结构(7)。

9.一种深海声学接收潜标的信号采集方法，该方法通过上述权利要求1-8中任一所述的深海声学接收潜标实现，该方法包括：值班电路接收上位机采集的时间表，低功耗值班控制单元根据时间表存储单元中的时间表，判断是否从低功耗值班工作模式切换到信号采集工作模式；

如果没有时间表到来，则维持低功耗值班工作模式；

如果时间表到来，在时间表到来的时刻，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备上电，同时将信号处理电路和存储模块上电，接收潜标进入信号采集工作模式；

若该时间表对应的是水听器阵列的采集工作，则水听器阵列将接收的多通道模拟水声信号和时钟模块守时输出的整秒脉冲信号及数字时间信号一起输出至A/D模块，经过A/D模块的多通道同步数模转换后，转换为多通道的数字信号；A/D模块将多通道的数字信号通过数据总线输出至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，获得打包后的数字信号，并将其转发至存储模块进行记录和存储；

若该时间表对应的是海洋仪器设备的采集工作，则海洋仪器设备将记录的海洋环境参数通过主控处理模块的接口电路发送至信号处理电路，经过数据缓存和打包后，获得打包后的数字信号，并将其转发至存储模块进行记录和存储；

当时间表结束时间到来时，低功耗值班控制单元控制电源控制单元将该时间表对应的水听器阵列或海洋仪器设备断电，同时将信号处理电路和存储模块断电，接收潜标恢复低功耗值班工作模式。

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