CN112697114A - 用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统和方法，湍流信号数据处理系统包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，分别用于接收湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据和湍流CTD数据。本发明湍流信号数据处理系统所采集到的数据可以满足对海洋湍流研究分析的要求，通过使用不同的支路分别采集湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据和湍流CTD数据，可以避免使用同一通道采集数据造成干扰，提高检测精度。与现有技术相比，本发明能够更好地应对测量湍流运动的环境温度变化复杂、湿度大、噪声大等不利因素，具有更优的信噪比性能、更小的体积和更低的功耗。本发明广泛应用于电子电路技术领域。

Description

用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统和方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统和方法。

背景技术

湍流运动是海洋内部动能耗散的主要形式，海洋湍流混合过程是发生在海洋中的一种微尺度“随机”运动，湍流动能耗散是认识海洋湍流的重要参量。海洋湍流对认知海洋环流如何运动，海水能量和物质输运，完善全球气候模型扮演着重要的角色。海洋微结构剖面仪是观测海洋微结构湍流的重要工具，使用海洋微结构剖面仪可以采集与湍流运动有关的电子数据，从而通过计算机对湍流运动进行分析。

目前的海洋微结构剖面仪中湍流信号采集与处理系统芯片采用分立器件为主的PCB工艺，面积大，功耗高，而且整个分立器件受温度、湿度等外界影响大，噪声大，从而影响湍流数据的准确性。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统和方法。

一方面，本发明实施例包括一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统，包括：

第一支路，用于通过其输入端接收湍流横向数据；

第二支路，用于通过其输入端接收湍流纵向数据；

第三支路，用于通过其输入端接收湍流温度变化数据；

第四支路，用于通过其输入端接收湍流CTD数据；

多通道选择模块，具有使能端、输出端和多个输入端，所述第一支路的输出端、第二支路的输出端、第三支路的输出端和第四支路的输出端分别与所述多通道选择模块的不同输入端连接；所述多通道选择模块通过使能端接收使能信号，根据所述使能信号选通输出端与相应的输入端；

模数转换模块，所述模数转换模块的输入端与所述多通道选择模块的输出端连接。

进一步地，所述第一支路包括：

第一电荷放大器；所述第一电荷放大器的输入端用作所述第一支路的输入端；

第一反馈电容；所述第一反馈电容的一端与所述第一电荷放大器的输入端连接，所述第一反馈电容的另一端与所述第一电荷放大器的输出端连接；

第一增益放大器；所述第一增益放大器的输入端与所述第一电荷放大器的输出端连接；

第一低通滤波电路；所述第一低通滤波电路的输入端与所述第一增益放大器的输出端连接，所述第一低通滤波电路的输出端用作所述第一支路的输出端。

进一步地，所述第二支路包括：

第二电荷放大器；所述第二电荷放大器的输入端用作所述第二支路的输入端；

第二反馈电容；所述第二反馈电容的一端与所述第二电荷放大器的输入端连接，所述第二反馈电容的另一端与所述第二电荷放大器的输出端连接；

第二增益放大器；所述第二增益放大器的输入端与所述第二电荷放大器的输出端连接；

第二低通滤波电路；所述第二低通滤波电路的输入端与所述第二增益放大器的输出端连接，所述第二低通滤波电路的输出端用作所述第二支路的输出端。

进一步地，所述第三支路包括：

前置放大器；所述前置放大器的输入端用作所述第三支路的输入端；

频率补偿电路；所述频率补偿电路的输入端与所述前置放大器的输出端连接；

预加重电路；所述预加重电路的输入端与所述频率补偿电路的输出端连接；

第三滤波电路；所述第三滤波电路的输入端与所述预加重电路的输出端连接；

线性高分辨率电路；所述线性高分辨率电路的输入端与所述频率补偿电路的输出端连接；

第四滤波电路；所述第四滤波电路的输入端与所述线性高分辨率电路的输出端连接；

所述第三滤波电路的输出端用作所述第三支路的其中一个输出端，所述第四滤波电路的输出端用作所述第三支路的另一个输出端。

进一步地，所述第三滤波电路的输出端、所述第四滤波电路的输出端分别与所述多通道选择模块的不同输入端连接。

进一步地，所述湍流信号数据处理系统是基于SMIC 0.18um CMOS工艺制造的。

进一步地，所述湍流信号数据处理系统还包括：

数据处理器；所述数据处理器的输入端与所述模数转换模块的输出端连接。

进一步地，所述湍流信号数据处理系统还包括：

第一剪切探头传感器；所述第一剪切探头传感器的输出端与所述第一支路的输入端连接，所述第一剪切探头传感器用于探测所述湍流横向数据；

第二剪切探头传感器；所述第二剪切探头传感器的输出端与所述第二支路的输入端连接，所述第二剪切探头传感器用于探测所述湍流纵向数据；

快速温度变化探头传感器；所述快速温度变化探头传感器的输出端与所述第三支路的输入端连接，所述快速温度变化探头传感器用于探测所述湍流温度变化数据；

CTD传感器；所述CTD传感器的输出端与所述第四支路的输入端连接，所述CTD传感器用于探测所述湍流CTD数据。

进一步地，所述数据处理器的型号为MSP430，所述第一剪切探头传感器和第二剪切探头传感器的型号均为PNS06，所诉快速温度变化探头传感器的型号为FP07。

进一步地，所述湍流CTD数据包括温度数据、盐度数据和深度数据。

另一方面，本发明实施例还包括一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理方法，包括：

使用第一支路通过其输入端接收湍流横向数据、使用第二支路通过其输入端接收湍流纵向数据、使用第三支路通过其输入端接收湍流温度变化数据或使用第四支路通过其输入端接收湍流CTD数据；所述第一支路的输出端、第二支路的输出端、第三支路的输出端和第四支路的输出端分别与所述多通道选择模块的不同输入端连接；

使用多通道选择模块接收使能信号，根据所述使能信号选通所述多通道选择模块的输出端与所述多通道选择模块相应的输入端；

使用模数转换模块将所述多通道选择模块输出的模拟信号转换成数字信号。

本发明的有益效果是：实施例中的湍流信号数据处理系统所采集到的湍流横向数据等数据可以满足对海洋湍流研究分析的要求，通过使用不同的支路分别采集湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据和湍流CTD数据，可以避免使用同一通道采集数据造成干扰，提高检测精度。实施例中的湍流信号数据处理系统容易通过集成电路工艺制作，与现有技术中使用分立元件制成的电路相比，能够更好地应对测量湍流运动的环境温度变化复杂、湿度大、噪声大等不利因素，具有更优的信噪比性能、更小的体积和更低的功耗；实施例中的湍流信号数据处理系统可以采用半导体器件为主的SMIC 0.18um CMOS工艺制造成芯片，具有较小的芯片面积和较低的功耗，而且CMOS半导体器件可以减少噪音的影响。

附图说明

图1为实施例中湍流信号数据处理系统的结构示意图；

图2为实施例中包含传感器和处理器的湍流信号数据处理系统的结构示意图；

图3为实施例中第一剪切探头传感器和第二剪切探头传感器的结构示意图；

图4为实施例中NTC曲线示意图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1，湍流信号数据处理系统包括第一支路、第二支路、第三支路、第四支路、多通道选择模块和模数转换模块。其中，第一支路用于通过其输入端接收湍流横向数据，第二支路用于通过其输入端接收湍流纵向数据，第三支路用于通过其输入端接收湍流温度变化数据，第四支路用于通过其输入端接收湍流CTD数据。

本实施例中，使用型号为PNS06的第一剪切探头传感器探测湍流横向数据，使用型号为PNS06的第二剪切探头传感器探测湍流纵向数据，使用型号为FP07的快速温度变化探头传感器探测湍流温度变化数据，使用CTD传感器探测湍流CTD数据，具体地，湍流CTD数据包括湍流的温度数据、盐度数据和深度数据。

本实施例中，参照图2，第一剪切探头传感器的输出端与第一支路的输入端连接，第一剪切探头传感器将探测到的湍流横向数据传送到第一支路。第二剪切探头传感器的输出端与第二支路的输入端连接，第二剪切探头传感器将探测到的湍流纵向数据传送到第二支路。快速温度变化探头传感器的输出端与第三支路的输入端连接，快速温度变化探头传感器将探测到的湍流温度变化数据传送到第三支路。CTD传感器的输出端与第四支路的输入端连接，CTD传感器将探测到的湍流CTD数据传送到第四支路。

参照图1和图2，第一支路包括第一电荷放大器、第一反馈电容、第一增益放大器和第一低通滤波电路，其中第一电荷放大器、第一增益放大器和第一低通滤波电路依次连接。第一剪切探头传感器测量湍流的横向数据，通过第一电荷放大器、第一反馈电容使得电荷信号转换为横向数据电压信号，进一步，通过第一增益放大器转换为放大后的横向数据电压信号，进一步，横向数据电压信号通过第一低通滤波电路进行1MHz的低通滤波。

参照图1和图2，第二支路包括第二电荷放大器、第二反馈电容、第二增益放大器和第二低通滤波电路，其中第二电荷放大器、第二增益放大器和第二低通滤波电路依次连接。第二剪切探头传感器测量湍流的横向数据，通过第二电荷放大器、第二反馈电容使得电荷信号转换为横向数据电压信号，进一步，通过第二增益放大器转换为放大后的横向数据电压信号，进一步，横向数据电压信号通过第二低通滤波电路进行1MHz的低通滤波。

参照图1和图2，第三支路包括前置放大器、频率补偿电路、预加重电路、第三滤波电路、线性高分辨率电路和第四滤波电路。快速温度变化探头传感器测量模拟信号，通过前置放大器放大模拟信号，进一步，通过频率补偿电路得到13Hz的频率扩展信号，进一步，频率扩展信号分成两路，一路通过预加重电路、第三滤波电路得到1MHz低通滤波后的预加重信号，另一路通过线性高分辨率电路、第四滤波电路得到159MHz低通滤波后的线性高分辨率信号。这两路信号分别输入到多通道选择模块的不同输入端中。

本实施例中，图1所示的电路能够使用SMIC 0.18μm CMOS工艺或者其他集成电路制造工艺制作成芯片。

本实施例中，在图1所示的集成电路的基础上，可以参照图2，将第一剪切探头传感器、第二剪切探头传感器、快速温度变化探头传感器和CTD传感器连接在该芯片的输入端引脚上，将型号为MSP430的数据处理器连接在该芯片的输出端引脚上。

参照图2，由MSP430数据处理器向多通道选择模块的使能端发送使能信号。多通道选择模块根据使能信号，选通多通道选择模块的输出端与多通道选择模块相应的输入端，从而将第一支路输出的湍流横向数据、第二支路输出的湍流纵向数据、第三支路输出的湍流温度变化数据、第四支路输出的CTD数据中的至少一个传送到MSP430数据处理器。MSP430数据处理器可以在本地对湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据、CTD数据中的至少一个进行处理分析，MSP430数据处理器也可以将湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据、CTD数据中的至少一个上传到PC电脑，由PC电脑进行处理分析。即图1中的电路可以起到对湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据、CTD数据等湍流数据的采集作用。

本实施例中的湍流信号数据处理系统，所采集到的湍流横向数据等数据可以满足对海洋湍流研究分析的要求，通过使用不同的支路分别采集湍流横向数据、湍流纵向数据、湍流温度变化数据和湍流CTD数据，可以避免使用同一通道采集数据造成干扰，提高检测精度。图1所示的电路容易通过集成电路工艺制作，与现有技术中使用分立元件制成的电路相比，能够更好地应对测量湍流运动的环境温度变化复杂、湿度大、噪声大等不利因素，具有更优的信噪比性能、更小的体积和更低的功耗。

本实施例中图2所示的湍流信号数据处理系统，能够应用于海洋微结构剖面仪等领域，例如可以作为海洋微结构剖面仪的组成部分。

本实施例中，所使用的第一剪切探头传感器和第二剪切探头传感器为PNS翼型剪切探头，其结构如图3所示。PNS06翼型头对平行于探头的轴向力不敏感，湍流的垂直水平横向速度u与垂直湍流测量平台相对于水体运动速度V在翼型头上产生上一个角度α的合速度U，准确性的讲，角度α需要保持在10。以内。这样探头在无粘水体中单位长度上的产生的升力为

其中ρ表示水体密度；A为翼型头的受力面积；X是翼型头顶点到受力点的距离；U表示平台与周围水体垂直方向的瞬间速度。整个翼型头测量到的湍流速度波动就是在翼型头上的全部受力积分，由下式sin(2α)＝2sinαcosα确定，其值为F_p＝ρAVu。

如图4所示，型号为FP07的快速温度变化探头传感器的信号带宽大约在23Hz，对应响应时间在7ms左右，实际结果表明，快速温度变化探头传感器的截止频率较低，在高频条件下的信噪比降低，不足以获取良好的温度谱，为扩展快速温度变化探头传感器的信号带宽，加入频率补偿电路，NTC的输出频率响应如图4中的NTC曲线。

本实施例中，用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理方法，包括以下步骤：

S1.使用第一支路通过其输入端接收湍流横向数据、使用第二支路通过其输入端接收湍流纵向数据、使用第三支路通过其输入端接收湍流温度变化数据或使用第四支路通过其输入端接收湍流CTD数据；第一支路的输出端、第二支路的输出端、第三支路的输出端和第四支路的输出端分别与多通道选择模块的不同输入端连接；

S2.使用多通道选择模块接收使能信号，根据使能信号选通多通道选择模块的输出端与多通道选择模块相应的输入端；

S3.使用模数转换模块将多通道选择模块输出的模拟信号转换成数字信号。

可以使用本实施例中的湍流信号数据处理系统来执行步骤S1-S3，从而达到湍流信号数据处理系统的技术效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (11)

1.一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理系统，其特征在于，包括：

第一支路，用于通过其输入端接收湍流横向数据；

第二支路，用于通过其输入端接收湍流纵向数据；

第三支路，用于通过其输入端接收湍流温度变化数据；

第四支路，用于通过其输入端接收湍流CTD数据；

多通道选择模块，具有使能端、输出端和多个输入端，所述第一支路的输出端、第二支路的输出端、第三支路的输出端和第四支路的输出端分别与所述多通道选择模块的不同输入端连接；所述多通道选择模块通过使能端接收使能信号，根据所述使能信号选通输出端与相应的输入端；

模数转换模块，所述模数转换模块的输入端与所述多通道选择模块的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述第一支路包括：

第一电荷放大器；所述第一电荷放大器的输入端用作所述第一支路的输入端；

第一反馈电容；所述第一反馈电容的一端与所述第一电荷放大器的输入端连接，所述第一反馈电容的另一端与所述第一电荷放大器的输出端连接；

第一增益放大器；所述第一增益放大器的输入端与所述第一电荷放大器的输出端连接；

第一低通滤波电路；所述第一低通滤波电路的输入端与所述第一增益放大器的输出端连接，所述第一低通滤波电路的输出端用作所述第一支路的输出端。

3.根据权利要求1所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述第二支路包括：

第二电荷放大器；所述第二电荷放大器的输入端用作所述第二支路的输入端；

第二反馈电容；所述第二反馈电容的一端与所述第二电荷放大器的输入端连接，所述第二反馈电容的另一端与所述第二电荷放大器的输出端连接；

第二增益放大器；所述第二增益放大器的输入端与所述第二电荷放大器的输出端连接；

第二低通滤波电路；所述第二低通滤波电路的输入端与所述第二增益放大器的输出端连接，所述第二低通滤波电路的输出端用作所述第二支路的输出端。

4.根据权利要求1所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述第三支路包括：

前置放大器；所述前置放大器的输入端用作所述第三支路的输入端；

频率补偿电路；所述频率补偿电路的输入端与所述前置放大器的输出端连接；

预加重电路；所述预加重电路的输入端与所述频率补偿电路的输出端连接；

第三滤波电路；所述第三滤波电路的输入端与所述预加重电路的输出端连接；

线性高分辨率电路；所述线性高分辨率电路的输入端与所述频率补偿电路的输出端连接；

第四滤波电路；所述第四滤波电路的输入端与所述线性高分辨率电路的输出端连接；

所述第三滤波电路的输出端用作所述第三支路的其中一个输出端，所述第四滤波电路的输出端用作所述第三支路的另一个输出端。

5.根据权利要求4所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述第三滤波电路的输出端、所述第四滤波电路的输出端分别与所述多通道选择模块的不同输入端连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述湍流信号数据处理系统是基于SMIC 0.18um CMOS工艺制造的。

7.根据权利要求1所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述湍流信号数据处理系统还包括：

数据处理器；所述数据处理器的输入端与所述模数转换模块的输出端连接。

8.根据权利要求7所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述湍流信号数据处理系统还包括：

第一剪切探头传感器；所述第一剪切探头传感器的输出端与所述第一支路的输入端连接，所述第一剪切探头传感器用于探测所述湍流横向数据；

第二剪切探头传感器；所述第二剪切探头传感器的输出端与所述第二支路的输入端连接，所述第二剪切探头传感器用于探测所述湍流纵向数据；

快速温度变化探头传感器；所述快速温度变化探头传感器的输出端与所述第三支路的输入端连接，所述快速温度变化探头传感器用于探测所述湍流温度变化数据；

CTD传感器；所述CTD传感器的输出端与所述第四支路的输入端连接，所述CTD传感器用于探测所述湍流CTD数据。

9.根据权利要求8所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述数据处理器的型号为MSP430，所述第一剪切探头传感器和第二剪切探头传感器的型号均为PNS06，所诉快速温度变化探头传感器的型号为FP07。

10.根据权利要求1-5、7-9任一项所述的湍流信号数据处理系统，其特征在于，所述湍流CTD数据包括温度数据、盐度数据和深度数据。

11.一种用于海洋微结构剖面仪的湍流信号数据处理方法，其特征在于，包括：

使用第一支路通过其输入端接收湍流横向数据、使用第二支路通过其输入端接收湍流纵向数据、使用第三支路通过其输入端接收湍流温度变化数据或使用第四支路通过其输入端接收湍流CTD数据；所述第一支路的输出端、第二支路的输出端、第三支路的输出端和第四支路的输出端分别与所述多通道选择模块的不同输入端连接；

使用多通道选择模块接收使能信号，根据所述使能信号选通所述多通道选择模块的输出端与所述多通道选择模块相应的输入端；

使用模数转换模块将所述多通道选择模块输出的模拟信号转换成数字信号。

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