CN112903089A - 一种水下空间三维声场探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下空间三维声场探测系统及方法，探测系统包括湿端电子组件及与湿端电子组件电连接的干端电子组件，干端电子组件封闭于干燥容器中；湿端电子组件包括水平声场信息采集装置、垂直声场信息采集装置及数据发射装置；干端电子组件包括控制存储模块及与控制存储模块电连接的模数转换模块、接口模块和功放模块，接口模块与模数转换模块通信连接，接口模块用于接收时钟信号；模数转换模块分别与水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置通信连接，功放模块与数据发射装置通信连接。本申请的水下空间三维声场探测系统有效提高了水下声场探测系统的数据采集范围和数据采集能力。

Description

一种水下空间三维声场探测系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋声学环境监测技术领域，尤其涉及一种水下空间三维声场探测系统及方法。

背景技术

现有搭载在无人艇上的声纳存在以下三方面问题：首先，传感器阵列形式单一，无法获取海洋环境的三维声场信息，数据采集的局限性直接影响后续数据处理的分析结果；其次，现有传感器阵列的工作模式单一，对于每个传感器不能进行单独控制、采集和数据存储，且传感器组之间同步较差，这将极大限制声纳设备工作的灵活性；最后，由于受无人艇运动和水流的作用，传感器阵列阵型会受到干扰，如不进行正确的数据补偿，可能会直接影响数据采集的精度。

传统无人艇声纳系统，接收阵列主要为一条拖曳线列阵，如果要采集不同深度的海洋环境信息，仅能通过收放绞车机械地改变阵列深度，从而达到采集垂直声场数据的目的，但这种方法可操作性不强、通用性低、无法连续变深度采集数据。

此外，在传统海洋科学考察过程中，位于水下的环境观测仪器均将采集的数据存储在设备内，需到预定日期由母船前去回收，取出数据后再重新不放。该方法存在周期长、费用高、易出现数据缺失等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下空间三维声场探测系统及方法，实现水下声场三维、灵活、精确的声学数据采集，具有水声信息实时采集与存储、数据实时回传、数据采集方式灵活配置等多种功能，不受系统运动和水流作用带来测量精度的影响，可为海洋环境观测、海洋科学研究、海洋资源调查等领域提供有力支持。

根据本申请的第一个方面，提供了一种水下空间三维声场探测系统，探测系统包括设置于水中的湿端电子组件，以及与湿端电子组件电连接的干端电子组件，干端电子组件封闭于干燥容器中，容器设置在水中；湿端电子组件包括水平声场信息采集装置、垂直声场信息采集装置以及数据发射装置；干端电子组件包括控制存储模块，以及与控制存储模块电连接的模数转换模块、接口模块和功放模块，接口模块与模数转换模块通信连接，其中，接口模块用于接收时钟信号；模数转换模块分别与水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置通信连接，功放模块与数据发射装置通信连接。

可选择地，控制存储模块包括主控单元，以及分别与主控单元电连接的处理单元、发射单元、供电控制单元和存储单元；

主控单元与接口模块电连接，处理单元与模数转换模块电连接，发射模块与功放模块电连接；

供电控制单元用于为控制存储模块供电，并接受外部电信号；

主控单元还与平台主控通信连接。

可选择地，模数转换模块包括多条模数转换通道，多条模数转换通道分别与水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置的采集信号线路通信连接，多条模数转换通道分别与控制存储模块通信连接。

可选择地，水平声场信息采集装置包括沿水平方向分布的多个拖曳水听器，每个拖曳水听器分别与多条模数转换通道的一条模数转换通道通信连接。

可选择地，垂直声场信息采集装置包括沿垂直方向分布的多个垂直水听器，每个垂直水听器分别与多条模数转换通道的一条模数转换通道通信连接。

可选择地，湿端电子组件还包括方位姿态检测装置，水平方位姿态检测装置包括水平方位检测单元和垂直方位检测单元；

水平方位检测单元设置于水平声场信息采集装置中，垂直方位检测单元设置于垂直声场信息采集装置中。

可选择地，水平方位检测单元设置于多个拖曳水听器的首部；

垂直方位检测单元设置设置于多个垂直水听器的首部。

可选择地，湿端电子组件还包括配重，配重设置于垂直声场信息采集装置的尾部。

可选择地，湿端电子组件还包括多个浮体，多个浮体沿水平方向设置在水平声场信息采集装置上。

根据本申请的第二个方面，提供了一种水下空间三维声场探测方法，应用于本申请的水下空间三维声场探测系统，探测方法包括数据采集模式和数据回传模式，数据采集模式和数据回传模式交替进行。

探测系统工作于数据采集模式时，包括以下步骤：

控制存储模块接收时钟信号；

控制存储模块接收采集数据信息，控制存储模块基于采集数据信息生成数据采集时刻表；

控制存储模块向模数转换模块发送唤醒指令；

模数转换模块根据数据采集时刻表，对平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置采集的数据信息进行模数转换，生成水声数据，并将水声数据发送给控制存储模块；

控制存储模块接收并存储水声数据。

探测系统工作于数据回传模式时，包括以下步骤：

控制存储模块接收时钟信号；

控制存储模块接收回传数据，控制存储模块基于回传数据生成数据回传时刻表；

控制存储模块根据数据回传时刻表，通过功放模块向数据发射装置发送发射信号。

本申请的水下空间三维声场探测系统，包括水平声场信息采集装置、垂直声场信息采集装置以及数据发射装置，可采集水下三维空间的水声数据并通过数据发射装置实时回传，有效提高了水下声场探测系统的数据采集范围和数据采集能力。

本申请的水下空间三维声场探测系统可在水中将采集到的水声数据实时回传至水上，无需反复多次回收再布放的过程，降低了反复布放的操作风险和成本。

本申请的水下空间三维声场探测系统对接收到的水声数据进行延时补偿、消除延时误差，避免系统运动和水流变化对采集的水声数据造成延时影响，实现水下空间三维声场信息的精确测量。

本申请的水下空间三维声场探测系统独立设置执行水声采集、存储的过程，增加了水声数据采集方式的可能性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的水下空间三维声场探测系统的框图；

图2是根据一示例性实施例示出的水下空间三维声场探测系统的示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的水下空间三维声场探测系统的数据采集示意。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

现有搭载在无人艇上的声纳存在以下三方面问题：首先，传感器阵列形式单一，无法获取海洋环境的三维声场信息，数据采集的局限性直接影响后续数据处理的分析结果；其次，现有传感器阵列的工作模式单一，对于每个传感器不能进行单独控制、采集和数据存储，且传感器组之间同步较差，这将极大限制声纳设备工作的灵活性；最后，由于受无人艇运动和水流的作用，传感器阵列阵型会受到干扰，如不进行正确的数据补偿，可能会直接影响数据采集的精度。

传统无人艇声纳系统，接收阵列主要为一条拖曳线列阵，如果要采集不同深度的海洋环境信息，仅能通过收放绞车机械地改变阵列深度，从而达到采集垂直声场数据的目的，但这种方法可操作性不强、通用性低、无法连续变深度采集数据。

此外，在传统海洋科学考察过程中，位于水下的环境观测仪器均将采集的数据存储在设备内，需到预定日期由母船前去回收，取出数据后再重新不放。该方法存在周期长、费用高、易出现数据缺失等缺点。

本申请提供了一种水下空间三维声场探测系统，包括水平声场信息采集装置、垂直声场信息采集装置以及数据发射装置，可采集水下三维空间的水声数据并通过数据发射装置实时回传。

如图1所示，本申请的水下空间三维声场探测系统，包括设置于水中的湿端电子组件，以及与湿端电子组件电连接的干端电子组件，干端电子组件封闭于干燥容器中，容器设置在水中。

湿端电子组件包括水平声场信息采集装置、垂直声场信息采集装置以及数据发射装置。

干端电子组件包括控制存储模块，以及与控制存储模块电连接的模数转换模块、接口模块和功放模块，接口模块与模数转换模块通信连接，其中，接口模块用于接收时钟信号。

模数转换模块分别与水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置通信连接，功放模块与数据发射装置通信连接。

本申请的水下空间三维声场探测系统布放在水中，控制存储模块生成数据采集时刻表和数据回传时刻表，控制检测系统在数据采集模式和数据回传模式之间交替工作。数据采集模式中，水平声场信息采集装置根据数据采集时刻表采集水平方向的声场信息并将采集到的声场数据通过模数转换模块模数转换成水声数据，垂直声场信息采集装置根据数据采集时刻表采集垂直方向的声场信息并将采集到的声场信息发送给模数转换模块转换成水声数据，模数转换模块向控制存储模块发送水声数据，水声数据存储在控制存储模块中。数据回传模式中，控制存储模块将接收到的水声数据通过功放模块放大后传送给数据发射装置，根据数据回传时刻表从水中向外传送水声数据。

本申请的水下空间三维声场探测系统，水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置结合，可方便的采集水下三维声场的数据信息，提高了声场探测系统的数据采集能力。数据发射模块可将采集到的水声数据回传到岸上，减少了反复回收、布放水下声场探测系统的工序，节约了探测成本。

如图1所示，控制存储模块包括主控单元，以及分别与主控单元电连接的处理单元、发射单元、供电控制单元和存储单元。其中，主控单元与接口模块电连接，处理单元与模数转换模块电连接，发射模块与功放模块电连接。供电控制单元用于为控制存储模块供电，并接受外部电信号。

主控单元还与平台主控通信连接。主控单元用于控制探测系统的数据采集、数据存储和数据回传，处理单元用于接收模数转换模块发送的水声数据，存储单元用于存储处理单元接收到的水声数据，发射单元用于将采集到的水声数据发射向岸上发射，供电控制单元用于向检测系统供电。

主控单元接收平台主控传送的采集数据生成数据采集时刻表，根据采集时刻表向模数转换单元发送唤醒指令，模数转换单元根据数据采集时刻表将水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置采集的声场信息转换为水声数据发送给处理模块，处理模块将水声数据传送并存储在存储单元中。主控单元接收平台主控传送的回传数据生成数据回传时刻表，主控单元向发射单元发送通信指令并将存储单元中存储的水声数据通过通信指令发送给功放模块，发射单元根据数据回传时刻表，通过功放模块向数据发射装置发送发射信号。

本申请的水下空间三维声场探测系统，模数转换模块包括多条模数转换通道，多条模数转换通道分别与水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置的采集信号线路通信连接，多条模数转换通道分别与控制存储模块通信连接。

多条模数转换通道相互独立，数据采集过程中，控制存储模块可控制不同的采集通道根据不同的数据采集时刻表对水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置采集的声场信息进行模数转换，分别控制水平水声数据和垂直声场数据的控制、采集和存储。

本申请的水下空间三维声场探测系统，水平声场信息采集装置包括沿水平方向分布的多个拖曳水听器，每个拖曳水听器分别与多条模数转换通道的一条模数转换通道通信连接。控制存储单元可对每个拖曳水听器对应的模数转换通道分别控制，模数转换通道根据不同的数据采集时刻表对拖曳水听器采集的声场信息进行模数转换。

本申请的水下空间三维声场探测系统，垂直声场信息采集装置包括沿垂直方向分布的多个垂直水听器，每个垂直水听器分别与多条模数转换通道的一条模数转换通道通信连接。控制存储单元可对每个垂直水听器对应的模数转换通道分别控制，模数转换通道根据不同的数据采集时刻表对垂直水听器采集的声场信息进行模数转换。

本申请的水下空间三维声场探测系统，湿端电子组件还包括方位姿态检测装置，水平方位姿态检测装置包括水平方位检测单元和垂直方位检测单元；水平方位检测单元设置于水平声场信息采集装置中，垂直方位检测单元设置于垂直声场信息采集装置中。

本申请的水下空间三维声场探测系统布设在水中，水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置受系统运动和水流作用的影响可能会产生位置偏移，导致采集到的水声数据传送给控制存储模块可能存在延时。本申请的探测系统增加了方位姿态检测装置检测水平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置在水中的方位姿态。

水平方位检测单元实时检测水平声场信息采集装置的方位姿态，水平声场信息采集装置向模数转换模块发送采集的声场数据时，水平方位检测单元将水平声场信息采集装置的实时方位姿态发送给模数转换模块，经模数转换后发送给处理单元，处理单元基于时钟信号，根据水平声场信息采集装置的方位姿态对采集到的水声数据进行延时补偿，消除因姿态方位的变化造成的延时误差，实现水声数据的精确测量。

垂直方位检测单元实时检测垂直声场信息采集装置的方位姿态，垂直声场信息采集装置向模数转换模块发送采集的声场数据时，垂直方位检测单元将垂直声场信息采集装置的实时方位姿态发送给模数转换模块，经模数转换后发送给处理单元，处理单元基于时钟信号，根据垂直声场信息采集装置的方位姿态对采集到的水声数据进行延时补偿。

作为本申请的一个实施方式，水平方位检测单元设置于多个拖曳水听器的首部。垂直方位检测单元设置设置于多个垂直水听器的首部。

处理单元对多个拖曳水听器采集的水声数据进行延时补偿的具体过程为，水平方位检测单元以设置位置为坐标原点建立空间直角坐标系，以多个拖曳水听器的预设方位姿态为标准，检测拖曳水听器相对于标准方位姿态的水平倾斜角，拖曳水听器向模数转换模块发送采集的声场数据时，水平方位检测单元将拖曳水听器实时的水平倾斜角与拖曳水听器采集的声场数据共同发送给模数转换模块进行模数转换后传输给处理单元，处理单元基于时钟信号，根据拖曳水听器的水平倾斜角对拖曳水听器采集的水声数据进行延时补偿，将多个拖曳水听器采集的水声数据调整到同一时间轴上。

处理单元对多个垂直水听器采集的水声数据进行延时补偿的具体过程为，垂直方位检测单元以设置位置为坐标原点建立空间直角坐标系，以多个垂直水听器的预设方位姿态为标准，检测垂直水听器相对于标准方位姿态的垂直倾斜角，垂直水听器向模数转换模块发送采集的声场数据时，垂直方位检测单元将垂直水听器实时的垂直倾斜角发送给模数转换模块进行模数转换后传输给处理单元，处理单元基于时钟信号，根据垂直水听器的垂直倾斜角对垂直水听器采集的水声数据进行延时补偿，将多个垂直水听器采集的水声数据调整到同一时间轴上。

作为本申请的一个实施方式，湿端电子组件还包括配重，配重设置于垂直声场信息采集装置的尾部，为垂直声场信息采集装置提供配重，保持垂直声场信息采集装置垂直，减少垂直声场信息采集装置的方位姿态受检测系统的运动和水流作用的影响。

作为本申请的一个实施方式，湿端电子组件还包括多个浮体，多个浮体沿水平方向设置在水平声场信息采集装置上，为水平声场信息采集装置提供配重，保持水平声场信息采集装置水平，减少水平声场信息采集装置的方位姿态受检测系统的运动和水流作用的影响。

作为本申请的一个实施方式，如图2所述，本申请的水下空间三维声场探测系统为无人艇系统，控制存储模块，以及与控制存储模块电连接的模数转换模块、接口模块和功放模块密封在无人艇1中，水平声场信息采集装置2、垂直声场信息采集装置3以及数据发射装置4分别搭载在无人艇上随无人艇布放在水中，水平声场信息采集装置2的首部设置有水平方位检测仪5，垂直声场信息采集装置3的首部设置有垂直方位检测仪6，垂直声场信息采集装置3的尾部设置有重块7。

本申请的水下空间三维声场探测方法，应用于本申请的水下空间三维声场探测系统，探测方法包括数据采集模式和数据回传模式，数据采集模式和数据回传模式交替进行。

探测系统工作于数据采集模式时，包括以下步骤：

控制存储模块接收时钟信号。

控制存储模块接收采集数据信息，控制存储模块基于采集数据信息生成数据采集时刻表。

控制存储模块向模数转换模块发送唤醒指令。

模数转换模块根据数据采集时刻表，对平声场信息采集装置和垂直声场信息采集装置采集的数据信息进行模数转换，生成水声数据，并将水声数据发送给控制存储模块。

控制存储模块接收并存储水声数据。

探测系统工作于数据回传模式时，包括以下步骤：

控制存储模块接收时钟信号。

控制存储模块接收回传数据，控制存储模块基于回传数据生成数据回传时刻表。

控制存储模块根据数据回传时刻表，通过功放模块向数据发射装置发送发射信号。

作为本申请的一种实施方式，本申请在水下空间三维声场探测系统工作于数据采集模式时，控制存储模块接收采集数据，采集数据包括采集起始时间、采集终止时间、采集间隔时长、采集次数、采集通道等，控制存储模块根据采集数据对应于模数转换模块的多条模数转换通道分别生成对应的数据采集时刻表，控制存储模块向模数转换模块发送唤醒指令，控制存储模块向模数转换模块、处理单元和存储模块供电，模数转换模块的多条模数转换通道分别根据对应的数据采集时刻表将接收到的声场信息转换成水声数据并发送给控制存储单元的处理单元，处理单元对接收到的水声数据进行延时补偿后，将水声数据打包存储在存储单元中。

例如，如图3所示，本申请在水下空间三维声场探测系统工作于数据采集模式时，接收采集数据，采集数据中包括对N条模数转换通道的采集信息，则控制存储模块根据采集数据生成N个数据采集时间表：数据采集时间表1、数据采集时间表2…数据采集时间表N。

控制存储模块向模数转换模块发送唤醒指令，控制存储模块向模数转换模块、处理单元和存储模块供电。模数转换模块的N条模数转换通道分别根据对应的N个数据采集时间表将接收到的声场信息转换成水声数据并发送给控制存储单元的处理单元，处理单元对接收到的水声数据进行延时补偿后，将N路水声数据打包存储在存储单元中。

作为本申请的一种实施方式，本申请在水下空间三维声场探测系统工作于数据回传模式时，控制存储模块接收回传数据，回传数据包括回传起始时间、回传终止时间、回传间隔时长、回传速率、发射声源级等，控制存储模块根据回传数据生成数据回传时间表，主控单元向发射单元发送通信指令，同时，主控单元控制供电控制单元停止向模数转换模块、处理单元和存储模块供电，模数转换模块停止数据采集，发射单元根据数据回传时间表将存储单元中存储的水声数据编码成发射信号，发射单元将发射信号发送给功放模块进行功率放大，功放模块将功率放大的发射信号发送给数据发射装置，通过数据发射装置将水声数据从水中传送出去。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述探测系统包括设置于水中的湿端电子组件，以及与所述湿端电子组件电连接的干端电子组件，所述干端电子组件封闭于干燥容器中，所述容器设置在水中；

所述湿端电子组件包括水平声场信息采集装置、垂直声场信息采集装置以及数据发射装置；

所述干端电子组件包括控制存储模块，以及与所述控制存储模块电连接的模数转换模块、接口模块和功放模块，所述接口模块与所述模数转换模块通信连接，其中，所述接口模块用于接收时钟信号；

所述模数转换模块分别与所述水平声场信息采集装置和所述垂直声场信息采集装置通信连接，所述功放模块与所述数据发射装置通信连接。

2.如权利要求1所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述控制存储模块包括主控单元，以及分别与所述主控单元电连接的处理单元、发射单元、供电控制单元和存储单元；

所述主控单元与所述接口模块电连接，所述处理单元与所述模数转换模块电连接，所述发射模块与所述功放模块电连接；

所述供电控制单元用于为所述控制存储模块供电，并接受外部电信号；

所述主控单元还与平台主控通信连接。

3.如权利要求1所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述模数转换模块包括多条模数转换通道，多条所述模数转换通道分别与所述水平声场信息采集装置和所述垂直声场信息采集装置的采集信号线路通信连接，多条所述模数转换通道分别与所述控制存储模块通信连接。

4.如权利要求3所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述水平声场信息采集装置包括沿水平方向分布的多个拖曳水听器，每个所述拖曳水听器分别与多条所述模数转换通道的一条所述模数转换通道通信连接。

5.如权利要求3所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述垂直声场信息采集装置包括沿垂直方向分布的多个垂直水听器，每个所述垂直水听器分别与多条所述模数转换通道的一条所述模数转换通道通信连接。

6.如权利要求4或5所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述湿端电子组件还包括方位姿态检测装置，所述水平方位姿态检测装置包括水平方位检测单元和垂直方位检测单元；

所述水平方位检测单元设置于所述水平声场信息采集装置中，所述垂直方位检测单元设置于所述垂直声场信息采集装置中。

7.如权利要求6所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述水平方位检测单元设置于所述多个拖曳水听器的首部；

所述垂直方位检测单元设置设置于所述多个垂直水听器的首部。

8.如权利要求6所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述湿端电子组件还包括配重，所述配重设置于所述垂直声场信息采集装置的尾部。

9.如权利要求6所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述湿端电子组件还包括多个浮体，多个所述浮体沿水平方向设置在所述水平声场信息采集装置上。

10.一种水下空间三维声场探测方法，应用于如权利要求1至9中任一项所述的水下空间三维声场探测系统，其特征在于，所述探测方法包括数据采集模式和数据回传模式，所述数据采集模式和所述数据回传模式交替进行；

所述探测系统工作于所述数据采集模式时，包括以下步骤：

所述控制存储模块接收时钟信号；

所述控制存储模块接收采集数据信息，所述控制存储模块基于所述采集数据信息生成数据采集时刻表；

所述控制存储模块向所述模数转换模块发送唤醒指令；

所述模数转换模块根据所述数据采集时刻表，对所述平声场信息采集装置和所述垂直声场信息采集装置采集的数据信息进行模数转换，生成水声数据，并将所述水声数据发送给所述控制存储模块；

所述控制存储模块接收并存储所述水声数据；

所述探测系统工作于所述数据回传模式时，包括以下步骤：

所述控制存储模块接收时钟信号；

所述控制存储模块接收回传数据，所述控制存储模块基于所述回传数据生成数据回传时刻表；

所述控制存储模块根据所述数据回传时刻表，通过所述功放模块向所述数据发射装置发送发射信号。

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