CN114024642A - 一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能水听器技术领域，尤其涉及一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，包括换能器、信号调理与数字化模块和核心处理模块；换能器用于接收水声信号；信号调理与数字化模块用于水声信号调理、模拟信号数字化转换，并通过高速连接器传输到核心处理模块；核心处理模块内置PTP协议栈、高精度同步算法及PTP透明转发功能，用PTP同步协议对组网使用的所有智能水听器采集节点进行对时，实现对水声信号的同步采集及处理。本发明采用PTP协议经由以太网实现智能水听器间时钟同步，可以达到纳秒级的同步精度，且同步精度不会随网络规模的扩大而变差。同时提高了系统的同步精度和扩展性，方便用户组成大规模同步水声测量和观测处理系统。
Description
技术领域
本发明涉及智能水听器技术领域，尤其涉及一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器。
背景技术
智能水听器通过以太网接口可直接与水面上的上位机相连，从而形成一个完整的水声测量记录系统。由于一体化的设计减少了模拟信号的传输距离，因此在测量的过程中，可以明显减少信号失真、改善系统噪声，从而极大地提高系统动态范围。同时，该系统可以对采集到的数据进行实时处理，有效地减少了存储与传输的数据量。
目前市场上的智能水听器功能单一，测量精度低，动态范围小，关键参数无法灵活设置，也不具备同步的功能或者同步精度低不能满足阵列信号处理要求。用于阵列信号处理的水听器阵列普遍采用由一定数量的水听器按设定间隔排列，通过电缆连接后装入护套充油或充胶构成线列阵，该方式存在阵元间隔位置固定，无法更改，且深海阵列体积大、重量沉，海上布放回收作业难度大，一旦破损整阵损坏、维修难度大的缺点。为此，我们提出一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，能将水声信号进行纳秒级高精度同步采集、处理，并高可靠有序传输或进行本地存储的一体化、网络化、智能化水听器，具有很高的应用价值，解决了现有智能水听器功能单一，测量精度低，动态范围小，关键参数无法灵活设置，也不具备同步的功能或者同步精度低不能满足阵列信号处理要求的问题。
本发明提供如下技术方案：一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，包括换能器、信号调理与数字化模块和核心处理模块；
所述换能器用于接收水声信号；所述信号调理与数字化模块用于水声信号调理、模拟信号数字化转换，并通过高速连接器传输到核心处理模块；
所述核心处理模块内置PTP协议栈、高精度同步算法及PTP透明转发功能，用PTP同步协议对组网使用的所有智能水听器采集节点进行对时，实现对水声信号的同步采集及处理。
优选的，所述核心处理模块按照PTP协议规定的流程与外部主时钟进行频繁的PTP报文交换，通过算法计算出从时钟相对主时钟的时间漂移，然后对本地时钟进行校正，从而达到数字水听器与外部主时钟的同步。
优选的，所述从时钟根据多个报文的时间戳得到的本地晶振与主时钟晶振的频差，然后通过D/A对本地晶振的频率进行调节，从而达到主从时钟间的频率同步。
优选的，所述信号调理与数字化模块包括设置在换能器后端的模拟开关，所述模拟开关用于进行信号通路选择，采集微弱信号时，前置电路为放大电路，采集大信号时，前置电路切换为衰减电路。
优选的，所述信号调理与数字化模块包括可重构滤波电路，所述可重构滤波器用于对系统的工作频率与工作带宽进行实时调节。
优选的，所述可重构滤波器包括低噪声数字电位器与低噪声运算放大器，利用高通滤波与低通滤波级联的形式形成带通滤波的效果，并通过改变高通与低通滤波电路各自的截止频率实现工作频带的可重构。
优选的，所述信号调理与数字化模块包括可控增益放大电路，所述可控增益放大电路用于对信号的幅度进行进一步调节使其适应AD的最佳输入信号幅度范围。
优选的，所述智能水听器对外设有上行网口和下行网口，单独使用时，智能水听器的上行网口通过电缆与干端上位机连接即可采集信号，下行网口通过水密接头封堵；组网使用时，智能水听器通过上下行网口依次串联即可，最末端智能水听器的下行网口通过水密接头封堵。
优选的，所述智能水听器内置WEB服务器功能，可通过网络浏览器对智能水听器的工作带宽，采样率工作参数进行实时控制，对所采集的信号波形进行实时上传与播放。
优选的，所述信号调理与数字化模块和核心处理模块组成的电路板安装在电子舱内，所述电子舱的前端安装换能器，后端安装接插件，所述接插件为对外通讯端口，可通过电缆与上位机连接，且接插件分为上行网口和下行网口，所述电路板通过转接架与接插件连接。
本发明提供了一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，采用PTP协议经由以太网实现智能水听器间时钟同步，可以达到纳秒级的同步精度，且同步精度不会随网络规模的扩大而变差。同时，智能水听器的业务数据和同步报文使用复用链路进行传输，线缆数量少；集成PTP透明时钟，使其不仅具备同步水声数据采集处理功能，也可作为阵列系统中的透明交换传输节点，提高了系统的同步精度和扩展性，方便用户组成大规模同步水声测量和观测处理系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明智能水听器核心硬件电路的结构框图；
图3为本发明可重构滤波电路工作原理图；
图4为本发明智能水听器组网使用示意图。
图中：1、换能器；2、电子舱；3、接插件；4、电路板；5、转接架。
具体实施方式
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。
本发明提供一种技术方案：一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，包括换能器1、信号调理与数字化模块和核心处理模块；
如图1所示，信号调理与数字化模块和核心处理模块组成电路板4，电路板4安装在电子舱2中，电子舱2为密封不锈钢金属壳体，还包括接插件3水密接头，其中前端换能器1用于接收水声信号，为压电型换能器件，采用聚氨酯橡胶硫化密封，并保证其透声性能；金属壳体内主要为电子舱2，用于安装放置硬件电路；后端接插件3水密接头为对外通讯端口，可通过电缆与上位机连接。电子舱2内部放置硬件电路，硬件电路由信号调理与数字化模块电路板与核心处理模块电路板通过高速连接器扣接的方式组成，为双层叠层结构。
如图2所示，信号调理与数字化模块用于水声信号调理、模拟信号数字化转换，并通过高速连接器传输到核心处理模块；信号调理与数字化模块主要包含模拟开关，前置放大电路、前置衰减电路，自检信号产生电路，多路复用器电路，可重构滤波电路、可控增益放大电路和A/D转换电路。其主要作用是对水听器采集到的信号进行放大、滤波后送到A/D转换电路转为数字信号，并实现电路工作频带，系统增益、采样率等主要工作参数可根据应用场景及用户的设置灵活调节。
现有的智能水听器前置放大电路为固定增益，因此仅仅适合采集微弱信号，一旦换能器1接收的信号过大，放大电路很容易限幅，使采集的数据无法处理，难以满足多种应用场景的不同需求。
本发明的智能水听器在换能器1后端加入了模拟开关进行信号通路选择，采集微弱信号时，前置电路为放大电路，采集大信号时，可将前置电路切换为衰减电路，首先对换能器1信号做一定的衰减，以保证后续电路处理不会限幅，使采集到的信号均为有效信号。
同时适应大信号与微弱信号的高动态范围信号调理采集电路，可将水声信号采集设备的工作频带扩展至10Hz-100kHz；通过可重构滤波技术可实现系统工作频率与带宽的灵活在线可调；低噪声、小体积低功耗设计，可满足不同测量要求、适应不同工作环境。
模拟开关根据所采集信号幅度的大小将信号通路切换为前置放大电路或者前置衰减电路，以保证系统输出在采集微弱信号与大信号时均不会限幅；多路复用器对输入信号进行选择；自检信号产生电路生成标准正弦信号，并通过多路复用器接入系统进行自检；通过可重构滤波器可对系统的工作频率与工作带宽进行实时调节；可变增益放大电路对信号的幅度进行进一步调节使其适应AD的最佳输入信号幅度范围；24位ADC电路将所采集的信号转变为数字信号并通过高速连接器传输到核心板进行后续处理。
现有的智能水听器均为固定工作带宽设计，而水声目标探测与识别、海洋观测与海洋能源勘探、海洋生物监测、水下噪声测量等军用民用应用领域的工作频率及工作带宽不尽相同，针对这些不同的需求，现有的产品需要定制开发，开发周期长且通用性差。
如图3所示，本发明的智能水听器模拟电路采用可重构滤波技术，系统可采集信号的频率与带宽可在10Hz-100kHz范围内实时在线调节，因此通用性更强，可满足多种不同的应用需求，节约设备采购费用。系统中的可重构滤波器由低噪声数字电位器与低噪声运算放大器结合来设计实现，以高通滤波与低通滤波级联的形式形成带通滤波的效果，并且可通过改变高通与低通滤波电路各自的截止频率实现工作频带的可重构，其工作原理如图3所示。
核心处理模块内置PTP协议栈、高精度同步算法及PTP透明转发功能，用PTP同步协议对组网使用的所有智能水听器采集节点进行对时，实现对水声信号的同步采集及处理。核心处理模块以XILINX的ZYNQ系列SoC芯片为中心，内嵌网络协议栈与PTP同步与透明交换功能，实现SoC对信号调理与数字化模块电路板上模数转换、带宽重构、自检信号产生等的配置接口、实现对A/D同步采集的控制及采集数据收集、组包。智能水听器只有两个功能网口，电源采用POE供电方式。
如图2所示，核心处理模块按照PTP协议规定的流程与外部主时钟进行频繁的PTP报文交换，通过算法计算出从时钟相对主时钟的时间漂移，然后对本地时钟进行校正，从而达到数字水听器与外部主时钟的同步。从时钟根据多个报文的时间戳得到的本地晶振与主时钟晶振的频差，然后通过D/A对本地晶振的频率进行调节，从而达到主从时钟间的频率同步。
在水声探测应用中，单一的水声信号采集传输节点已不能满足要求，通常需要将多个节点组成分布式的水声信号采集网络，而各个采集节点之间的高精度同步采样对后续数据处理至关重要。现有的智能水听器有的不具备同步的功能，无法组网使用；有的同步方式落后，多为采用额外某通信协议，并使用多余电缆传输一个公用的系统主时钟与同步脉冲的方式，或者使用串行数据时钟恢复配合命令延时补偿的方式来实现小规模同步采集，同步精度不高，仅能达到微秒级，且同步精度随着系统规模的变大而变差，不具备大规模系统的扩展延伸性，而且实现起来较为复杂，需要额外的软硬件配合，对系统可靠性造成不良影响，在对可靠性要求极为严格的军用声纳和地震石油勘探领域内的应用受到限制。
本发明的智能水听器采用PTP协议经由以太网实现智能水听器间时钟同步，可以达到纳秒级的同步精度，且同步精度不会随网络规模的扩大而变差。同时，智能水听器的业务数据和同步报文使用复用链路进行传输，线缆数量少；集成PTP透明时钟，使其不仅具备同步水声数据采集处理功能，也可作为阵列系统中的透明交换传输节点，提高了系统的同步精度和扩展性，方便用户组成大规模同步水声测量和观测处理系统。PTP同步的具体原理请参照已授权的专利号为CN109831267A的一种基于PTP协议的级联同步数据采集及传输系统、专利号为CN109167667A的一种基于PTP同步的传感器数据采集传输系统和方法。
如图4所示，智能水听器对外设有上行网口和下行网口，单独使用时，智能水听器的上行网口通过电缆与干端上位机连接即可采集信号，下行网口通过水密接头封堵；组网使用时，智能水听器通过上下行网口依次串联即可，最末端智能水听器的下行网口通过水密接头封堵。
现有的水声信号采集传输系统架构复杂，技术业务数据、同步信号、时钟、电源都要采用单独的线缆传输，整个体系中线缆数量众多，连接关系复杂，工艺实现难度大，对系统可靠性造成不良影响。同时核心电路体积大，功耗高，不易扩展，因此不具备超大规模系统数据传输能力，数据吞吐量和传输距离受限。
本发明的智能水听器对外只有上行与下行两个网络接口，实现了真正的网络化，应用极其方便，具备便捷组网的优势。业务数据、同步报文和供电都通过网线传输，既可以即插即拔单独或小规模使用，也可以便捷组网成阵，具备大规模超大规模阵列的扩展能力。
智能水听器内置WEB服务器功能，可通过网络浏览器对智能水听器的工作带宽，采样率工作参数进行实时控制，对所采集的信号波形进行实时上传与播放。
同时智能水听器内置数据存储单元，因此还可以将采集的数据存储于智能水听器内部，待采集结束之后，再通过上位机WEB端进行访问及下载，具有较强的工作灵活性与便利性。
本发明的智能水听器既可以作为水声信号测量设备独立使用，也可以同其它信息处理设备组合使用，更可以进行便捷组网以实现功能更强的分布式阵列水声信号采集传输，组网使用的智能水听器可以看作是分布式网络中的同步节点。此外，智能水听器还满足小体积、低噪声、低功耗、大动态范围、架构简单、扩展性强、接口线缆数量少、无丢包无误码等要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：包括换能器(1)、信号调理与数字化模块和核心处理模块；
所述换能器(1)用于接收水声信号；所述信号调理与数字化模块用于水声信号调理、模拟信号数字化转换，并通过高速连接器传输到核心处理模块；
所述核心处理模块内置PTP协议栈、高精度同步算法及PTP透明转发功能，用PTP同步协议对组网使用的所有智能水听器采集节点进行对时，实现对水声信号的同步采集及处理。
2.根据权利要求1所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述核心处理模块按照PTP协议规定的流程与外部主时钟进行频繁的PTP报文交换，通过算法计算出从时钟相对主时钟的时间漂移，然后对本地时钟进行校正，从而达到数字水听器与外部主时钟的同步。
3.根据权利要求2所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述从时钟根据多个报文的时间戳得到的本地晶振与主时钟晶振的频差，然后通过D/A对本地晶振的频率进行调节，从而达到主从时钟间的频率同步。
4.根据权利要求1所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述信号调理与数字化模块包括设置在换能器(1)后端的模拟开关，所述模拟开关用于进行信号通路选择，采集微弱信号时，前置电路为放大电路，采集大信号时，前置电路切换为衰减电路。
5.根据权利要求1所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述信号调理与数字化模块包括可重构滤波电路，所述可重构滤波器用于对系统的工作频率与工作带宽进行实时调节。
6.根据权利要求5所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述可重构滤波器包括低噪声数字电位器与低噪声运算放大器，利用高通滤波与低通滤波级联的形式形成带通滤波的效果，并通过改变高通与低通滤波电路各自的截止频率实现工作频带的可重构。
7.根据权利要求1或6所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述信号调理与数字化模块包括可控增益放大电路，所述可控增益放大电路用于对信号的幅度进行进一步调节使其适应AD的最佳输入信号幅度范围。
8.根据权利要求1所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述智能水听器对外设有上行网口和下行网口，单独使用时，智能水听器的上行网口通过电缆与干端上位机连接即可采集信号，下行网口通过水密接头封堵；组网使用时，智能水听器通过上下行网口依次串联即可，最末端智能水听器的下行网口通过水密接头封堵。
9.根据权利要求1所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述智能水听器内置WEB服务器功能，可通过网络浏览器对智能水听器的工作带宽，采样率工作参数进行实时控制，对所采集的信号波形进行实时上传与播放。
10.根据权利要求1所述的一种可规模化便捷组网且可同步采集的智能水听器，其特征在于：所述信号调理与数字化模块和核心处理模块组成的电路板(4)安装在电子舱(2)内，所述电子舱(2)的前端安装换能器(1)，后端安装接插件(3)，所述接插件(3)为对外通讯端口，可通过电缆与上位机连接，且接插件(3)分为上行网口和下行网口，所述电路板(4)通过转接架(5)与接插件(3)连接。
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| CN (1) | CN114024642A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114777907A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-07-22 | 中国科学院声学研究所 | 一种水下移动平台用近零浮力水听器及其系统 |
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2021
- 2021-10-27 CN CN202111263905.4A patent/CN114024642A/zh active Pending
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| CN114777907A (zh) * | 2022-04-02 | 2022-07-22 | 中国科学院声学研究所 | 一种水下移动平台用近零浮力水听器及其系统 |
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