CN113093107A - 水声信号采集传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水声信号采集传输系统和方法，涉及数据处理技术领域，水声信号采集传输系统包括：采集电子舱和采集阵列；采集阵列连接在采集电子舱的指定两侧；采集阵列用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号；采集电子舱用于对声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备；其中，传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作。本发明可以全方位的接收信号，能够准确定位声源的具体位置，并且可以进行超远距离传输，提升了数据传输的稳定性。

Description

水声信号采集传输系统和方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其是涉及一种水声信号采集传输系统和方法。

背景技术

水声信号主要表现为声呐信号、水下目标的回波信号、目标舰船的辐射噪声和海洋噪声信号等，需要通过电子测量方式进行水声信号采集，为水下目标识别和信号处理系统提供输入参量。

目前针对水声信号的分析处理主要建立在对其原始信号的准确有效采集的基础上。然而，通过多元阵基阵进行水声信号采集时，输出信号的路数较多，因此容易受到噪声干扰，特别是海洋混响等噪声的干扰，导致对水声信号数据采集和处理速度、数据实时上传等方面受到极大的限制。传统的水声信号采集系统在进行信号采集的过程中，无法对多路通道信号进行实时监视，不能实时的将所有通道的采集数据上传到采集控制计算机中当场进行数据的分析处理，也不能远距离数据传输；并且采集和处理过程分开执行(也即采用首先将信号进行采集保存，然后再将采集信号进行解析和分析处理的方式)，也无法实时做到声源定位，并且目前得到的定位结果精准度较低。

并且，由于采集基阵在水平指向性设计上还不能完全达到全方面无差别，因此在接收采集信号时，往往会导致某些方位角度由于指向性弱导致接收信号短，因此远距离接收信号会导致接收信号不准确或者无法捕捉到正确信号，或被距离声源覆盖，达不到理想水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水声信号采集传输系统和方法，可以全方位的接收信号，能够准确定位声源的具体位置，并且可以进行超远距离传输，提升了数据传输的稳定性。

第一方面，本发明提供一种水声信号采集传输系统，水声信号采集传输系统包括：采集电子舱和采集阵列；采集阵列连接在采集电子舱的指定两侧；

采集阵列用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号；

采集电子舱用于对声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备；其中，传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作。

在可选的实施方式中，安装在采集电子舱的每一侧的采集阵列均包含多个阵列基元；其中，多个阵列基元包括第一数量的4基元阵和第二数量的6基元阵；采集阵列的阵列基元包括陶瓷圆管、去耦材料和不锈钢盖板；其中，阵列基元的外表面通过硫化方式进行包覆。

在可选的实施方式中，阵列基元包括并联连接的指定数量陶瓷圆管。

在可选的实施方式中，当阵列基元为所述4基元阵时，指定数量为4个；当阵列基元为所述6基元阵时，第二数量6个。

在可选的实施方式中，安装在采集电子舱的每一侧的采集阵列的多个阵列基元之间按照预设的非等间距布阵方式进行布阵。

在可选的实施方式中，预设的非等间距布阵方式为：按照第一数量的每个4基元阵的之间间距为50mm、第二数量的每个6基元阵之间的间距为70mm的方式进行布阵。

在可选的实施方式中，采集电子舱至少包括信号调理模块、模数转换模块；

信号调理模块用于接收采集阵列输出的声学差分信号，对声学差分信号进行滤波和程控放大操作，得到处理后的声学差分信号；其中，信号调理模块包括多个采集通道；采集通道的数量与采集阵列的阵列基元的个数对应设置；

模数转换模块用于通过驱动接收声学差分信号，对声学差分信号进行模数转换，得到声波数字信号。

在可选的实施方式中，每个采集通道前端均设置有开关二极管。

在可选的实施方式中，采集电子舱还包括主控及传输模块；主控及传输模块包括主控FPGA，以及分别于主控FPGA连接的阵列信号接收模块、深度传感器、姿态传感器；阵列信号接收模块包括左阵接收子模块和右阵接收子模块；

主控FPGA用于接收左阵接收子模块的左阵声学数据、右阵接收子模块的右阵声学数据、深度传感器的深度数据和姿态传感器的姿态数据，实时的进行数据缓存、数据打包和数据上传。

第二方面，本发明提供一种水声信号采集传输方法，方法通过前述实施方式任一项的水声信号采集传输系统执行；水声信号采集传输系统包括采集电子舱和采集阵列；方法包括：

通过采集阵列用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号；

通过采集电子舱用于对声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备；其中，传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作。

本发明提供的水声信号采集传输系统和方法，水声信号采集传输系统包括采集电子舱和采集阵列，采集阵列连接在采集电子舱的指定两侧。其中，采集阵列对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号，采集电子舱对声学差分信号进行传输预处理操作(诸如包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作)，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备。上述系统通过将采集阵列连接在采集电子舱的指定两侧，可以全方位的接收信号，并且能够准确定位声源的具体位置，通过光纤将传输预处理操作后的声学差分信号传输至信号处理设备，可以实现超远距离传输，并且可以提升数据传输的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种水声信号采集传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种阵列基元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基元子阵的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种信号调理模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种主控与传输模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种采集电子舱的电路组成结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种主控FPGA程序的设计示意图；

图8为本发明实施例提供的一种水声信号采集传输方法的流程示意图。

图标：100-水声信号采集传输系统；10-采集电子舱；20-采集阵列；201-陶瓷圆管；202-去耦材料；203-不锈钢盖板。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为便于理解，首先对本发明实施例提供的一种水声信号采集传输系统100进行详细说明，参见图1所示的一种水声信号采集传输系统100的结构示意图，该水声信号采集传输系统100包括：采集电子舱10和采集阵列20，采集阵列20连接在采集电子舱10的指定两侧，在一种实施方式中，采集阵列20可以连接在采集电子舱10的左右两侧。并且，考虑到本实施例的应用环境为水声信号的采集传输，因此采集电子舱10与安装于采集电子舱10两侧的采集阵列20可以通过水密电缆进行连接。

采集阵列20用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号。诸如在一种实施方式中，在进行水声信号的采集时，可以采用每侧的阵列基元水平全方位、垂直近似±45°开角的方式进行水声信号采集和接收。

采集电子舱10用于对声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备，其中，上述传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作，以方便数据进行传输。

本发明实施例提供的水声信号采集传输系统，通过将采集阵列连接在采集电子舱的指定两侧，诸如在进行水声信号的采集时，每侧的阵列基元可以通过水平全方位，垂直近似±45°开角进行水声信号采集和接收，从而可以全方位的接收信号，并且能够准确定位声源的具体位置，通过光纤将传输预处理操作后的声学差分信号传输至信号处理设备，可以实现超远距离传输，并且可以提升数据传输的稳定性。

在一种实施方式中，安装在采集电子舱的每一侧的采集阵列均包括多个阵列基元，且每侧的阵列基元个数可以数量相同。诸如，当采集阵列的基元有48个时，每侧的阵列基元可以均为24个。其中，多个阵列基元包括第一数量的4基元阵和第二数量的6基元阵，在实际应用中，为了保证采集阵列在工作频段内具有平坦的灵敏度响应，本实施例将基元谐振频率远离工作频段，诸如，将采集阵列的阵列基元采用陶瓷圆管，可以使换能器谐振频率达到60kHz左右，从而远离工作频段1k～30kHz。

并且，为了满足上述设置阵列基元在垂直方向上具有近似±45°指向性开角，本实施例的阵列基元包括并联连接的指定数量的陶瓷圆管201、去耦材料202和不锈钢盖板203，参见图2所示。在一种实施方式中，当阵列基元为4基元阵时，并联连接的指定数量陶瓷圆管201为4个圆管进行并联连接；当阵列基元为所述6基元阵时，并联连接的指定数量陶瓷圆管201为6个圆管进行并联连接。为了保证基元水密性能，阵列基元的外表面采用硫化方式包覆。

按照布阵基本原则，为了形成良好的空间指向性同时避免栅瓣影响，安装在采集电子舱的每一侧的采集阵列的多个阵列基元之间按照预设的非等间距布阵方式进行布阵。在一种实施方式中，每一侧的阵列基元均包括有第一数量的4基元阵和第二数量的6基元阵；预设的非等间距布阵方式为：按照第一数量的每个4基元阵的之间间距为50mm、第二数量的每个6基元阵之间的间距为70mm的方式进行布阵。诸如，在采集阵列的基元有48个，每侧的阵列基元为24个的情况下，第一数量和第二数量可以均为12，也即每一侧的阵列基元均包括12个4基元阵和12个6基元阵，前12个采集基元(也即上述4基元阵)之间的间距可以设为50mm(对应于15kHz信号半波长)，后12个采集基元(也即上述6基元阵)之间的间距可以设为70mm(对应于10.7kHz信号半波长)。

此外，基元子阵的结构示意图可以参见图3所示，子阵背部金属支架上设计4个安装螺孔，用于将子阵固定安装到拖体安装支架上。子阵电缆在背部采用弯头一体硫化电缆引出，以降低安装空间要求。

进一步，对上述采集电子舱进行说明。考虑到水声信号在传播过程中由于传播损失导致衰减非常严重，接收到的水声信号往往比较微弱，不适合AD转换器直接采样。因此，需要先经过信号调理处理。因此在一种实施方式中，采集电子舱至少可以包括信号调理模块和模数转换模块，其中：

信号调理模块用于接收采集阵列输出的声学差分信号，对声学差分信号进行滤波和程控放大操作，得到处理后的声学差分信号。信号调理模块通过对声学差分信号进行放大、滤波，并将单端输入信号变为差分信号提供给模数转换模块，可以减少偶次谐波的产生。在一种实施方式中，信号调理模块的结构示意图可以参见图4所示。该信号调理模块主要由差分接收、前放(也即前置放大器)、滤波、程控增益、后放(也即后置放大器)和差分输出几部分组成。其中，前置放大器用于对信号进行初级放大，该放大器选用低噪声放大器，从而可以降低系统噪声，提高信噪比。滤波可以实现对带外噪声的抑制，保证信号在带外有足够大的衰减，以提高信噪比。程控增益控制可通过改变系统放大倍数，将输出信号稳定在一定的范围内，实现不同距离信号强弱采集。差分输出主要是将单端信号输出为差分信号(也即上述声波差分信号)以便提供给模数转换模块。进而模数转换模块可以通过驱动接收声学差分信号，对声学差分信号进行模数转换操作，从而得到声波数字信号。

在可选的实施方式中，采集电子舱还包括主控及传输模块，主控与传输模块可以参见图5所示，主控及传输模块包括主控FPGA，以及分别于主控FPGA连接的阵列信号接收模块(图中未示出)、深度传感器、姿态传感器、串行收发器、以及静态随机存取存储器(StaticRandom-Access Memory，SRAM)，其中，阵列信号接收模块包括左阵接收子模块和右阵接收子模块；主控FPGA用于接收左阵接收子模块的左阵声学数据、右阵接收子模块的右阵声学数据、深度传感器的深度数据和姿态传感器的姿态数据，实时的进行数据缓存、数据打包和数据上传。

为便于对上述处仅做示例，不作具体限定。每个采集通道前端均设置有开关二极管，从而可以防止过大声源引起电路击穿或者自激现象。

此外，图6中所示的采集电路也即上述模数转换模块，包括有8个模数ADC1～ADC8，模数转换器采用ADS1278。

在一种实施方式中，可以采用双网口传输的形式，2个网口均可用于数据传输，其中一个网口作为预留口，可以进行内部程序更新，或者在线调试，避免频繁拆筒导致水密性降低或者引起其他不必要的故障。

上述主控FPGA程序的设计是按接口和功能实现进行模块划分的，参见图7所示，接口完成与硬件的接口时序，功能模块完成信号处理和控制任务。其中，时钟模块：产生系统所需的时钟；罗盘接口：采集航向、姿态数据；ADC接口：采集声学数据，完成串并转换；噪声平滑：对采集的原始数据进行平滑，网络接收：接收指令和参数；网络发送：发送原始数据、姿态数据、自检数据；控制增益：根据采集数据设置放大倍数，整体增益为20db～80db，满足不同距离下的信号采集，近距离增益减小采集信号不会限幅，远距离增益增大更好的识别出采集信号。

本发明实施例还提供一种水声信号采集传输方法，参见图8所示的一种水声信号采集传输方法的流程示意图，该方法通过前述实施方式任一项的水声信号采集传输系统执行，水声信号采集传输系统包括采集电子舱和采集阵列，该方法包括以下步骤S802和步骤S804：

步骤S802，通过采集阵列用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号；

步骤S804，通过采集电子舱用于对声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备；其中，传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作。

本发明实施例提供的水声信号采集传输方法，通过将采集阵列进行水声信号采集和接收，从而可以全方位的接收信号，并且能够准确定位声源的具体位置，通过光纤将传输预处理操作后的声学差分信号传输至信号处理设备，可以实现超远距离传输，并且可以提升数据传输的稳定性。

本发明实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。

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 (10)

1.一种水声信号采集传输系统，其特征在于，所述水声信号采集传输系统包括：采集电子舱和采集阵列；所述采集阵列连接在所述采集电子舱的指定两侧；

所述采集阵列用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号；

所述采集电子舱用于对所述声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备；其中，所述传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作。

2.根据权利要求1所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，安装在所述采集电子舱的每一侧的所述采集阵列均包含多个阵列基元；其中，多个阵列基元包括第一数量的4基元阵和第二数量的6基元阵；所述采集阵列的阵列基元包括陶瓷圆管、去耦材料和不锈钢盖板；其中，所述阵列基元的外表面通过硫化方式进行包覆。

3.根据权利要求2所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，所述阵列基元包括并联连接的指定数量所述陶瓷圆管。

4.根据权利要求3所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，当所述阵列基元为所述4基元阵时，所述指定数量为4个；当所述阵列基元为所述6基元阵时，所述第二数量为6个。

5.根据权利要求2所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，安装在所述采集电子舱的每一侧的所述采集阵列的多个阵列基元之间按照预设的非等间距布阵方式进行布阵。

6.根据权利要求5所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，

所述预设的非等间距布阵方式为：按照所述第一数量的每个所述4基元阵的之间间距为50mm、所述第二数量的每个所述6基元阵之间的间距为70mm的方式进行布阵。

7.根据权利要求1所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，所述采集电子舱至少包括信号调理模块、模数转换模块；

所述信号调理模块用于接收所述采集阵列输出的所述声学差分信号，对所述声学差分信号进行滤波和程控放大操作，得到处理后的声学差分信号；其中，所述信号调理模块包括多个采集通道；所述采集通道的数量与所述采集阵列的阵列基元的个数对应设置；

所述模数转换模块用于通过驱动接收所述声学差分信号，对所述声学差分信号进行模数转换，得到声波数字信号。

8.根据权利要求7所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，每个所述采集通道前端均设置有开关二极管。

9.根据权利要求1所述的水声信号采集传输系统，其特征在于，所述采集电子舱还包括主控及传输模块；所述主控及传输模块包括主控FPGA，以及分别于所述主控FPGA连接的阵列信号接收模块、深度传感器、姿态传感器；所述阵列信号接收模块包括左阵接收子模块和右阵接收子模块；

所述主控FPGA用于接收所述左阵接收子模块的左阵声学数据、所述右阵接收子模块的右阵声学数据、所述深度传感器的深度数据和所述姿态传感器的姿态数据，实时的进行数据缓存、数据打包和数据上传。

10.一种水声信号采集传输方法，其特征在于，所述方法通过权利要求1至9任一项的水声信号采集传输系统执行；所述水声信号采集传输系统包括采集电子舱和采集阵列；所述方法包括：

通过所述采集阵列用于对采集到的水声信号进行声电转换和阵列接收，得到声学差分信号；

通过所述采集电子舱用于对所述声学差分信号进行传输预处理操作，并将传输预处理操作后的声学差分信号通过光纤传输至信号处理设备；其中，所述传输预处理操作包括信号放大操作、信号滤波操作和程控增益控制操作。

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