CN114061742B - 一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，包括：尾端接收模块、首端接收存储模块、设置于尾端接收模块和首端接收存储模块之间的缆式子阵列组和设置于上位机的信号分析处理模块；缆式子阵列组包括若干段首尾相连的缆式子阵列，每个子阵列将甚低频传感器对应位置信息和采集的声音信号打包为该段号的子阵列数据包后向前传输，由尾端侧顺序递进式上传，最后经首端侧缆式子阵列发送至首端接收存储模块；尾端接收模块接收尾端GPS或北斗位置数据及对应时间数据，并发送至尾端侧缆式子阵列；首端接收存储模块接收首端GPS或北斗位置数据和对应时间数据及所有子阵列数据包，并发送至信号分析处理模块通过声成像算法计算出声场分布。

Description

一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统
技术领域
本发明涉及声学甚低频传感器阵列技术领域，尤其涉及一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统。
背景技术
现有的低频或次声测量系统都是分立点组阵，其采集同步误差大，数据传输大多采用无线电方式，当测量节点数大时数据传输会存在拥挤现象造成上传速度慢，并且因为数量庞大而导致安装复杂且人员工作量大，实现上千节点测量系统的安装问题费时费力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统。
为了实现上述目的，本发明提出了一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，所述系统包括：尾端接收模块、首端接收存储模块、设置于尾端接收模块和首端接收存储模块之间的缆式子阵列组和设置于上位机的信号分析处理模块；其中，
所述缆式子阵列组，包括若干段首尾相连的缆式子阵列，每一段缆式子阵列中设置有2n个甚低频传感器，4≤n≤16，n为整数，每个缆式子阵列将本子阵列中每一个甚低频传感器对应的位置信息和采集的声音信号打包为该段号的子阵列数据包后，向前一个缆式子阵列传输，由尾端侧的缆式子阵列开始顺序递进式上传，最后经首端侧的缆式子阵列发送至首端接收存储模块；
所述尾端接收模块，用于接收尾端GPS或北斗位置数据及对应的时间数据，并发送至尾端侧的缆式子阵列；
所述首端接收存储模块，用于接收首端GPS或北斗位置数据和对应的时间数据，以及缆式子阵列组发送的所有子阵列数据包，并发送至信号分析处理模块；还用于接收信号分析处理模块发送的同步信号，并发送至缆式子阵列组，所述同步信号控制所有的缆式子阵列同时采集声音信号；
所述信号分析处理模块，用于根据收到的所有子阵列数据包，通过声成像算法计算出声场分布。
作为上述系统的一种改进，所述缆式子阵列通过接头依次首尾相连形成链式缆式子阵列组，尾端侧的最后一段缆式子阵列与尾端接收模块的接收器之间设置有接头；首端侧的第一段缆式子阵列与首端接收存储模块的数据接收存储器之间设置有接头。
作为上述系统的一种改进，所述缆式子阵列包括2n个随机排布的甚低频传感器，且各缆式子阵列的排布方式不重复。
作为上述系统的一种改进，所述缆式子阵列中的甚低频传感器的声音信号以电流信号形式分组传输到多个采集模块，每个采集模块将本组的甚低频传感器对应的位置信息放置在采集信号数据包中打包后发送至光纤传输模块，光纤传输模块将数据包传输至前一采集模块；由缆尾侧的采集模块开始顺序递进式上传，最后经缆头侧的采集模块形成该子阵列数据包。
作为上述系统的一种改进，当所述甚低频传感器节点为甚低频水听器时，用于测量水中的甚低频声场；当所述甚低频传感器节点为空气次声波甚低频传感器时，用于测量空气中的次声波声场；当所述甚低频传感器节点为地震甚低频传感器时，用于测量地震波场。
作为上述系统的一种改进，所述缆式子阵列还包括电源转换模块，用于将110V至500V的直流电转换成+24V电压供本段缆式子阵列工作。
作为上述系统的一种改进，所述接头为四芯接头，包括：直流电源通路、电源地通路、下行光纤通路和上行光纤通路；
所述直流电源通路接入110V至500V的直流电；
所述上行光纤通路，用于从尾端侧的缆式子阵列向首端侧的缆式子阵列传输数据包；
所述下行光纤通路，用于从首端缆式子阵列向尾端缆式子阵列传输同步信号。
作为上述系统的一种改进，所述尾端接收模块包括导航天线和接收器；其中，
所述导航天线，用于接收GPS或北斗卫星定位系统的尾端位置数据和对应的时间数据，并发送至接收器；
所述接收器，用于接收尾端位置数据和对应的时间数据，并发送至尾端侧的缆式子阵列。
作为上述系统的一种改进，所述首端接收存储模块包括导航天线和数据接收存储器；其中，
所述导航天线用于接收GPS或北斗卫星定位系统的首端位置数据和对应的时间数据，并发送至数据接收存储器；
所述数据接收存储器，用于接收首端位置数据和对应的时间数据，并和首端侧的缆式子阵列发送的所有子阵列数据包统一存储并发送至信号分析处理模块；还用于接收信号分析处理模块发送的同步信号，并发送至缆式子阵列组的首端侧的缆式子阵列。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明采用多段缆式子阵列首尾相接组成超长阵列系统，能够实现巨大阵列探测，实现对甚低频声波的高分辨探测；
2、本发明采用多段数据通过光纤按采集单元打包依次上传数据的模式，能够实现多段数据依次上传数据的模式，能够实现高速上传；
3、本发明采用光纤同步信号实现所有节点的同步采集，时间误差极小(nS级)。
4、本发明采用的电流型信号采集，并且是随机阵列，使得甚低频信号采集效果更好。
附图说明
图1是本发明实施例1的可扩展的甚低频链式探测阵列系统构成示意图；
图2是本发明实施例1的缆式子阵列构成示意图；
图3是本发明实施例1的64元随机阵列的探测指向性效果图；
图4是本发明实施例1的缆式子阵列系统的接头结构示意图。
附图标记
1、信号分析处理模块 2、首端数据接收存储器
3、缆式子阵列 4、首站导航天线
5、末端导航天线 6、110V-500V直流电源
7、首接头 8、第一光纤传输模块
9、前电流型信号采集模块 10、第二光纤传输模块
11、第三光纤传输模块 12、后电流型信号采集模块
13、第四光纤传输模块 14、尾接头
15、24V直流电源 16、前置放大器
17、传感器 18、接头里的电源地线
19、110V-500V直流供电线 20、接头里的下行光纤
21、接头里的上行光纤 22、接头里的辅助线缆
具体实施方式
解决现有多点监测阵列安装复杂问题，实现不限数量的甚低频测量系统自组织阵列。
本发明涉及一种可扩展的甚低频链式探测阵列系统，系统包括：尾端接收模块、首端接收存储模块、设置于尾端接收模块和首端接收存储模块之间的缆式子阵列组和设置于上位机的信号分析处理模块。缆式子阵列组包含了多段缆式子阵列链接而成的探测阵列，每一段缆式子阵列长度(典型长度180m)相同包含的甚低频传感器节点数量相同但是节点相对位置坐标不相同，各段缆式子阵列首尾相接可以无限延长形成巨型链式探测阵列系统，每个甚低频传感器节点位置数据保存在段内的采集控制器内，首段缆式子阵列的首端和末段缆式子阵列的末端各连接一个GPS/北斗天线，每一段缆式子阵列中包含了2n个甚低频传感器节点，4≤n≤16，n为整数，所有甚低频传感器输出电流型信号，每一段缆式子阵列有多个采集模块，每一个采集模块采集多路甚低频传感器信号，每个缆式子阵列中的甚低频传感器随机排布，且各缆式子阵列的排布方式不重复。段内采集模块之间是光纤传输，每段缆式子阵列中还有一个电源转换模块将110V至500V直流电转换成+24V电压供本段探测阵列工作。
每段缆式子阵列的两头是4芯接头，包含直流电源、电源地，下行光纤RX和上行光纤TX，多段缆式子阵列组成的大型链式探测阵列系统中数据通过上行光纤TX从末端向首端依次传递最终进入数据接收及存储器，下行光纤RX传输同步采集信号确保对所有甚低频传感器信号的采集同步进行。每个缆式子阵列将本子阵列中每一个甚低频传感器对应的位置信息和采集的声音信号打包为该段号的子阵列数据包后，向前一个缆式子阵列传输，由尾端侧的缆式子阵列开始顺序递进式上传，最后经首端侧的缆式子阵列发送至首端接收存储模块；每一个甚低频传感器对应的位置信息是在该缆式子阵列设置好时已经确定，包括甚低频传感器的编号以及和本子阵列中前一个甚低频传感器的距离。所有数据文件包含了甚低频传感器节点坐标数据和采集开始时间数据。所有甚低频传感器采集数据上传到数据接收及存储器中，信号分析处理模块根据采集数据中的甚低频传感器节点坐标自组织阵列，通过声成像算法计算出声场分布。该甚低频链式探测阵列系统既可适用于空气中的次声波声场探测，浅埋地震动探测，又可适用于海洋中甚低频水声探测。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提出了一种可扩展的甚低频链式探测阵列系统，包括：信号分析处理模块1，首端数据接收存储器2，110V-500V直流电源6，缆式子阵列3，尾端接收器，首站导航天线4，可以是GPS天线或北斗天线，末端导航天线5，可以是GPS天线或北斗天线，110V-500V直流电源6。缆式子阵列3，图1中的3缆式子阵列只是示意，表现首尾相连的效果，具体结构如图2所示。包括：首接头7，第一光纤传输模块8，前电流型信号采集模9，第二光纤传输模块10，第三光纤传输模块11，后电流型信号采集模块12，第四光纤传输模块13、尾接头14，24V直流电源15，前置放大器16，传感器17。前置放大器16为电流输出型前置放大器，一个阵列中有64个传感器，分别为S0-S63该传感器为甚低频传感器，。
缆式子阵列可以首尾相接扩展成多段链接的巨形阵，110V-500V直流电源接入缆式子阵列的首接头并连接到尾接头，由尾端侧的缆式子阵列开始顺序递进式上传子阵列数据包，直到首端侧的缆式子阵列，数据接收存储器接收到所有缆式子阵列上传的子阵列数据包，信号分析模块从数据接收存储器读取数据并分析数据。在数据接收存储器上连接有首站导航天线，读取坐标数据和时间数据，在缆式子阵列上连接有末端导航天线，读取坐标数据和时间数据，根据这些坐标数据和各缆式子阵列上所有甚低频传感器节点的坐标数据就可以自组织阵列。
有前半32路电流型信号采集和后半32路电流型信号采集，分别采集32个电流输出型前置放大器信号，每一个的电流输出型前置放大器连接一个甚低频传感器，电流输出型前置放大器双电压型放大器具有降低电磁感应噪声的功能。，每段缆式子阵列包含了通过光纤连接的前半32路电流型信号采集和后半32路电流型信号采集，后半32路电流型信号采集接收下一段缆式子阵列上传的子阵列数据包并且汇同本采集器数据一起向前半32路电流型信号采集上传，前半32路电流型信号采集再同样汇总数据后成为本子阵列数据包，向上一级缆式子阵列上传，直到所有子阵列数据包进入数据接收存储器。尾端缆式子阵列与尾端接收模块的接收器之间设置有接头；首端缆式子阵列与首端接收存储模块的数据接收存储器之间设置有接头；尾端缆式子阵列与首端缆式子阵列之间的任意两个相邻的缆式子阵列之间均设置有接头。
传感器在子阵列中随机排布，每个传感器上传的不仅有采集的声音信号还包括自身的传感器编号以及和前一个传感器的距离等位置信息，便于打包数据到信号分析处理模块能够快速的识别和处理。实验证明，传感器随机排布的声音效果更好，如图3所示为64元随机阵列的探测指向性效果图。
如图4所示，为缆式子阵列首接头、尾接头以及任意两个相邻的缆式子阵列的接头的结构示意图。接头是4芯接头，具体包括：接头里的电源地线18，110V-500V直流供电线19，接头里的下行光纤20，接头里的上行光纤21，接头里的辅助线缆22。
包含直流电源、电源地，下行光纤通路和上行光纤通路，多段缆式子阵列组成的大型链式探测阵列系统中数据通过上行光纤通路从末端向首端依次传递最终进入数据接收及存储器，下行光纤通路传输同步采集信号确保对所有甚低频传感器信号的采集同步进行。所有数据文件包含了甚低频传感器节点坐标数据和采集开始时间数据。所有甚低频传感器采集数据上传到数据接收及存储器中。
需要说明的是，一个阵列中有64个甚低频传感器只是示例，2n个甚低频传感器，4≤n≤16，n为整数，在实际应用中需要兼顾信号处理的能力以及工程实现的造价等多种因素进行调整。此外，每个式子阵列中的采集模块个数不限于本实施例的2个。
实施例2
系统组成如实施例1，当系统安装上甚低频水听器时可以用于测量水中的甚低频声场，当安装上空气次声波甚低频传感器时可用于测量空气中的次声波声场，当安装上地震动甚低频传感器时可用于测量地震动波场。其原理是一样的，不再赘述。
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)

1.一种可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述系统包括：尾端接收模块、首端接收存储模块、设置于尾端接收模块和首端接收存储模块之间的缆式子阵列组和设置于上位机的信号分析处理模块；其中，
所述缆式子阵列组，包括若干段首尾相连的缆式子阵列，每一段缆式子阵列中设置有2n个甚低频传感器，其中，4≤n≤16，且n为整数，每个缆式子阵列将本子阵列中每一个甚低频传感器对应的位置信息和采集的声音信号打包为该段缆式子阵列的子阵列数据包后，向前一个缆式子阵列传输，由尾端侧的缆式子阵列开始顺序递进式上传，最后经首端侧的缆式子阵列发送至首端接收存储模块；
所述尾端接收模块，用于接收尾端GPS或北斗位置数据及对应的时间数据，并发送至尾端侧的缆式子阵列；
所述首端接收存储模块，用于接收首端GPS或北斗位置数据和对应的时间数据，以及缆式子阵列组发送的所有子阵列数据包，并发送至信号分析处理模块；还用于接收信号分析处理模块发送的同步信号，并发送至缆式子阵列组，所述同步信号控制所有的缆式子阵列同时采集声音信号；
所述信号分析处理模块，用于根据收到的所有子阵列数据包，通过声成像算法计算出声场分布。
2.根据权利要求1所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述缆式子阵列通过接头依次首尾相连形成链式缆式子阵列组，尾端侧的最后一段缆式子阵列与尾端接收模块的接收器之间设置有接头；首端侧的第一段缆式子阵列与首端接收存储模块的数据接收存储器之间设置有接头。
3.根据权利要求1所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述缆式子阵列包括2n个随机排布的甚低频传感器，且各缆式子阵列的排布方式不重复。
4.根据权利要求3所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述缆式子阵列中的甚低频传感器的声音信号以电流信号形式分组传输到多个采集模块，每个采集模块将本组的甚低频传感器对应的位置信息放置在采集信号数据包中打包后发送至光纤传输模块，光纤传输模块将数据包传输至前一采集模块；由缆尾侧的采集模块开始顺序递进式上传，最后经缆头侧的采集模块形成该子阵列数据包。
5.根据权利要求3所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，当所述甚低频传感器节点为甚低频水听器时，用于测量水中的甚低频声场；当所述甚低频传感器节点为空气次声波甚低频传感器时，用于测量空气中的次声波声场；当所述甚低频传感器节点为地震甚低频传感器时，用于测量地震波场。
6.根据权利要求3所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述缆式子阵列还包括电源转换模块，用于将110V至500V的直流电转换成+24V电压供本段缆式子阵列工作。
7.根据权利要求2所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述接头为四芯接头，包括：直流电源通路、电源地通路、下行光纤通路和上行光纤通路；
所述直流电源通路接入110V至500V的直流电；
所述上行光纤通路，用于从尾端侧的缆式子阵列向首端侧的缆式子阵列传输数据包；
所述下行光纤通路，用于从首端侧的缆式子阵列向尾端侧的缆式子阵列传输同步信号。
8.根据权利要求1所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述尾端接收模块包括导航天线和接收器；其中，
所述导航天线，用于接收GPS或北斗卫星定位系统的尾端位置数据和对应的时间数据，并发送至接收器；
所述接收器，用于接收尾端位置数据和对应的时间数据，并发送至尾端侧的缆式子阵列。
9.根据权利要求1所述的可扩展的甚低频链式探测阵列的探测系统，其特征在于，所述首端接收存储模块包括导航天线和数据接收存储器；其中，
所述导航天线用于接收GPS或北斗卫星定位系统的首端位置数据和对应的时间数据，并发送至数据接收存储器；
所述数据接收存储器，用于接收首端位置数据和对应的时间数据，并和首端侧的缆式子阵列发送的所有子阵列数据包统一存储并发送至信号分析处理模块；还用于接收信号分析处理模块发送的同步信号，并发送至缆式子阵列组的首端侧的缆式子阵列。
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