CN115792873B - 声呐系统和基于声呐系统的故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种声呐系统和基于声呐系统的故障监测方法，其中，声呐系统包括：处理单元和多组信号通道，每组信号通道包括：声波信号采集阵列中的一组传感阵元，对应的滤波单元、信号放大单元以及模数转换单元，其中，各组信号通道中，各组传感阵元与对应的滤波单元、信号放大单元、模数转换单元依次连接，各模数转换单元均与处理单元连接，各组传感阵元，用于采集目标对象的声波信号，并通过各信号通道将声波信号对应的数字采样信号传递至处理单元，处理单元，用于根据数字采样信号监测声呐系统的故障。实现在声呐系统运行过程中，对声呐系统进行在线故障监测。

Description

声呐系统和基于声呐系统的故障监测方法

技术领域

本申请涉及电路控制技术领域，具体而言，涉及一种声呐设备和基于声呐设备的故障监测方法。

背景技术

声呐是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，实现对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备或技术总称，由于声呐接收采集阵列和前端信号处理电路工作在水下，因此需要对该部分电路系统进行严格的密封和防水处理。

其中，声呐接收采集阵列中各信号通道元器件如电阻、电感、电容可能存在差异，且传感阵元信号排线距离（即不同传感阵元到对应滤波器的排线距离）不一定等长，加上声呐设备工作在不同水文条件下以及长时间运行后，内部密封液受工作温度和压力变化，将会导致声呐接收采集阵列和信号处理电路内部产生应力变化，进一步造成电学特性改变，可能造成部分通道性能偏离预期，甚至引起开路、短路等严重的硬件故障，然而，目前并未提供有针对声呐系统的硬件故障监测方案。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种声呐系统和基于声呐系统的故障监测方法，以提供一种针对声呐系统的硬件故障监测方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种声呐系统，包括：处理单元和多组信号通道；

每组所述信号通道包括：声波信号采集阵列中的一组传感阵元，对应的滤波单元、信号放大单元以及模数转换单元；

其中，各组所述信号通道中，各组传感阵元与对应的所述滤波单元、所述信号放大单元、所述模数转换单元依次连接；各所述模数转换单元均与所述处理单元连接；

各组所述传感阵元，用于采集目标对象的声波信号，并通过各所述信号通道将所述声波信号对应的数字采样信号传递至所述处理单元；

所述处理单元，用于根据所述数字采样信号监测声呐系统的故障。

在一可选的实施方式中，相邻两组所述传感阵元之间的间距相同。

在一可选的实施方式中，所述处理单元为现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述处理单元，用于对所述数字采样信号进行跟踪监测，以监测所述声呐系统的故障。

在一可选的实施方式中，所述处理单元包括：直流偏置补偿模块，每组所述信号通道的所述模数转换单元均与所述直流偏置补偿模块连接；

所述直流偏置补偿模块，用于计算未故障的所述信号通道的连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度，若所述平均信号幅度不满足预设条件，则根据所述平均信号幅度对未故障的所述信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿，所述第一数字采样信号为本轮采集的数字采样信号，所述第二数字采样信号为下一轮采集的数字采样信号。

在一可选的实施方式中，所述处理单元还包括：处理子模块和采样时序调整模块；

所述处理子模块的一端和所述直流偏置补偿模块连接、另一端和所述采样时序调整模块的一端连接，所述采样时序调整模块的另一端还和所述模数转换单元连接；

所述处理子模块，用于获取所述连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号，根据所述直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组所述传感阵元的间距，计算所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的标准相位差，根据所述标准相位差和所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的实际相位差，采用所述采样时序调整模块调整所述模数转换单元的采样时序。

在一可选的实施方式中，所述处理单元还包括：增益补偿模块，所述增益补偿模块和所述直流偏置补偿模块、所述信号放大单元连接；

所述增益补偿模块，用于根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算各未故障的所述信号通道的接收功率；

所述增益补偿模块，用于根据各未故障的所述信号通道的接收功率，以及多个未故障的所述信号通道的平均接收功率，调整各未故障的所述信号通道的信号放大单元的增益。

第二方面，本申请实施例还提供了一种基于声呐系统的故障监测方法，应用于第一方面任一所述的声呐系统，所述方法包括：

所述传感阵元采集目标对象的声波信号，并依次通过所述滤波单元、所述信号放大单元、所述模数转换单元处理，将所述声波信号对应的数字采样信号传递至所述处理单元；

所述处理单元根据所述数字采样信号，监测声呐系统的故障。

在一可选的实施方式中，所述处理单元为现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述处理单元根据所述数字采样信号，监测声呐系统的故障，包括：

所述处理单元获取连续多个第一数字采样信号的信号幅度，所述第一数字采样信号为本轮采集的数字采样信号；

所述处理单元根据所述信号幅度，对各所述信号通道进行故障监测。

在一可选的实施方式中，所述处理单元还包括：直流偏置补偿模块；每组所述信号通道的所述模数转换单元均与所述直流偏置补偿模块连接；

所述方法还包括：

所述直流偏置补偿模块计算未故障的所述信号通道的所述连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度；

若所述平均信号幅度不满足预设条件，则所述直流偏置补偿模块根据所述平均信号幅度对未故障的所述信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿，所述第二数字采样信号为下一轮采集的数字采样信号。

在一可选的实施方式中，所述处理单元还包括：处理子模块和采样时序调整模块，相邻两组所述传感阵元之间的间距相同；

所述方法还包括：

所述处理子模块获取所述连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号；

所述处理子模块根据所述直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组所述传感阵元的间距，计算所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的标准相位差；

所述处理子模块根据所述标准相位差和所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的实际相位差，采用所述采样时序调整模块调整所述模数转换单元的采样时序。

第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行第二方面任一所述的基于声呐系统的故障监测方法。

本申请提供了一种声呐系统和基于声呐系统的故障监测方法，其中，声呐系统包括：处理单元和多组信号通道，每组信号通道包括：声波信号采集阵列中的一组传感阵元，对应的滤波单元、信号放大单元以及模数转换单元，其中，各组信号通道中，各组传感阵元与对应的滤波单元、信号放大单元、模数转换单元依次连接，各模数转换单元均与处理单元连接，各组传感阵元，用于采集目标对象的声波信号，并通过各信号通道将声波信号对应的数字采样信号传递至处理单元，处理单元，用于根据数字采样信号监测声呐系统的故障。实现在声呐系统运行过程中，对声呐系统进行在线故障监测。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图一；

图2为本申请实施例提供的信号通道出现短路时数字采样信号的幅度示意图；

图3为本申请实施例提供的信号通道出现开路时数字采样信号的幅度示意图；

图4为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图二；

图5为本申请实施例提供的连续多个第二数字采样信号的示意图；

图6为本申请实施例提供的补偿后的第二数字采样信号的示意图；

图7为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图三；

图8为本申请实施例提供的声波信号传播路径的示意图；

图9为本申请实施例提供的延迟线自校准的示意图；

图10为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图四；

图11为本申请实施例提供的一个信号通道信号波形的示意图；

图12为本申请实施例提供的另一个信号通道信号波形的示意图；

图13为本申请实施例提供的一种具体的声呐系统的电路结构图；

图14为本申请实施例提供的基于声呐系统的故障监测方法的流程示意图一；

图15为本申请实施例提供的基于声呐系统的故障监测方法的流程示意图二；

图16为本申请实施例提供的基于声呐系统的故障监测方法的流程示意图三。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为实现对水下运行的声呐系统进行实时监测和性能校准，本申请提供了一种声呐系统和基于声呐系统的故障监测方法，通过多组信号通道对目标对象的声波信号进行处理得到数字采样信号，根据数字采样信号对声呐系统进行在线故障监测，实现硬件短路、开路的硬件故障判断并给出硬件错误指示代码和信号通道标识信息（如信号通道号），以及，对信号通道进行直流偏置补偿、增益补偿以及采样时序调整等，以实现声呐系统在线运行过程中的自校准，为后续高性能声波信号处理算法的实现提供重要基础。

下面结合图1-图3对本申请所提供的声呐系统进行说明。

图1为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图一，如图1所示，声呐系统包括：处理单元10和多组信号通道20。

每组信号通道20包括：声波信号采集阵列中的一组传感阵元201，对应的滤波单元202、信号放大单元203以及模数转换单元204。

其中，各组信号通道20中，各组传感阵元201与对应的滤波单元202、信号放大单元203连接、模数转换单元204依次连接，各模数转换单元204均与处理单元10连接。

声波信号采集阵列包括多组传感阵元201，每组传感阵元201由多个传感阵元构成。

各组信号通道20包括声波采集阵列中的一组传感阵元201、对应的滤波单元202、信号放大单元203以及模数转换单元204，对于各组信号通道20，各组传感阵元201与对应的滤波单元202、信号放大单元203、模数转换单元204连接依次连接，其中，各组传感阵元201中各传感阵元均与对应的滤波单元202连接，对应的滤波单元202和信号放大单元203连接，信号放大单元203和模数转换单元204连接。

各组传感阵元201，用于采集目标对象的声波信号，并通过各信号通道将声波信号对应的数字采样信号传递至处理单元10。

其中，滤波单元202用于对目标对象的声波信号进行滤波处理，滤波单元202可以通过模拟带通滤波器实现，信号放大单元203用于对滤波后的信号进行信号放大，信号放大单元203可以通过可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）芯片实现，模数转换单元204用于对放大后的信号进行模数转换，得到数字采样信号，处理单元10用于根据数字采样信号监测声呐系统的故障。

其中，声呐系统的故障可以包括信号通道存在硬件短路、硬件开路等故障。

可以理解的是，目标对象可以为在水中移动的待定位对象，声呐系统可以根据声波采集阵列采集的目标对象的声波信号对目标对象进行定位，但在一些情况中，由于声呐系统在水下工作，可能引起一些硬件上的故障，因此，在该方案中，通过对声呐系统进行在线故障监测和自校准，可为后续高性能声波信号处理算法的实现提供重要基础。

其中，各组传感阵元201中传感阵元201的数量可以根据实际情况选取，本实施例对此不做特别限定。

在一可选的实施方式中，相邻两组传感阵元201之间的间距相同。这样可实现各组传感阵元201分布均匀，提高声呐系统的探测精度。

另外，各组传感阵元201中相邻两个传感阵元之间的间距也可以相同，保证传感阵元分布均匀，以进一步提高声呐系统的探测精度。

在一可选的实施方式中，处理单元10可以为现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）芯片，处理单元10用于对数字采样信号进行跟踪监测，以监测声呐系统的故障。

其中，处理单元10可以包括硬件故障监测（HardwareERR_detect）模块，硬件故障监测模块可以对每组信号通道的数字采样信号进行跟踪监测，若信号通道的连续N个采样点（即连续N个数字采样信号）的幅度为固定值，则可以确定该信号通道可能存在硬件短路故障，若信号通道的连续N个采样点的信号幅度低于预设信号幅度、且采样点之间的幅度差低于预设幅度，则可以确定该信号通道可能硬件开路故障，其中，N例如可以为1024。

这样，通过对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现对声呐系统硬件故障的信号通道实时监测。

值得说明的是，处理单元10确定信号通道可能存在硬件短路故障时，还可以推送硬件短路错误指示代码（如0xFF）以及该信号通道的信号通道号，以便人工对该信号通道进行硬件短路排查和修复。

类似地，处理单元10确定信号通道可能存在硬件开路故障时，还可以推送硬件开路错误指示代码（如0xEE）以及该信号通道的信号通道号，以便人工对该信号通道进行硬件开路排查和修复，其中，采样点之间的极小幅度差可能是硬件电路底噪引起的小幅震荡。

图2为本申请实施例提供的信号通道出现短路时数字采样信号的幅度示意图，如图2所示，横坐标为时间，纵坐标为信号幅度，连续N个数字采样信号的幅度约为200，说明信号通道可能存在硬件短路故障。

图3为本申请实施例提供的信号通道出现开路时数字采样信号的幅度示意图，如图3所示，横坐标为时间，纵坐标为信号幅度，连续N个数字采样信号的幅度约为20且不同数字采样信号之间的幅度差较低，说明信号通道可能存在硬件开路故障。

在本实施例的声呐系统中，包括：处理单元和多组信号通道，每组信号通道包括：声波信号采集阵列中的一组传感阵元，对应的滤波单元、信号放大单元以及模数转换单元，其中，各组信号通道中，各组传感阵元与对应的滤波单元、信号放大单元、模数转换单元依次连接；各模数转换单元均与处理单元连接，各组传感阵元，用于采集目标对象的声波信号，并通过各信号通道将声波信号对应的数字采样信号传递至处理单元，处理单元，用于根据数字采样信号监测声呐系统的故障。实现在声呐系统运行过程中，对声呐系统进行在线故障监测。

图4为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图二，如图4所示，处理单元10包括：直流偏置补偿（N PointDC_Offset）模块101，每组信号通道的模数转换单元204均与直流偏置补偿模块101连接。

直流偏置补偿模块101，用于计算未故障的信号通道的连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度，若平均信号幅度不满足预设条件，则根据平均信号幅度对未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿。

其中，第一数字采样信号为本轮采集的数字采样信号，即本轮采集的连续多个声波信号处理后得到的数字采样信号，第二数字采样信号为下一轮采集的数字采样信号，即下一轮采集的连续多个数字采样信号处理后得到的数字采样信号，第一数字采样信号和第二数字采样信号的数量为N，N例如可以为1024。

每组信号通道的模数转换单元204均与直流偏置补偿模块101连接，排除掉硬件故障的信号通道之后，对未故障的信号通道的连续多个第一数字采样信号的幅度进行平均值计算，得到平均信号幅度

，若平均信号幅度/>

不满足预设条件，例如不等于0时，说明该未故障的信号通道存在直流偏置，其中，存在直流电流或电压成分的现象称为直流偏置，则需要对该信号通道进行校准补偿，之后获取到未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号时，根据平均信号幅度/>

对未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿。

其中，对连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿可以理解为采用各第二数字采样信号减去平均信号幅度

，得到补偿后的第二数字采样信号。

图5为本申请实施例提供的连续多个第二数字采样信号的示意图，图6为本申请实施例提供的补偿后的第二数字采样信号的示意图，如图5、图6所示，黑色原点表示第二数字采样信号，平均信号幅度

为-140，对图5的连续多个第二数字采样信号分别减去/>

，实现通道信号链路直流偏置校正，得到图6所示的补偿后的第二数字采样信号。

在本实施例的声呐系统中，处理单元包括：直流偏置补偿模块，每组信号通道的模数转换单元均与直流偏置补偿模块连接。直流偏置补偿模块，用于计算未故障的信号通道的连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度，若平均信号幅度不满足预设条件，则根据平均信号幅度对未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿。对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现声呐系统的信号通道的直流偏置实时监测和自动校准。

图7为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图三，如图7所示，处理单元10还包括：处理子模块102和采样时序调整模块103。

处理子模块102的一端和直流偏置补偿模块101连接、另一端和采样时序调整模块103的一端连接，采样时序调整模块103的另一端还和模数转换单元204连接。

处理子模块102，用于获取连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号，根据直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组传感阵元的间距，计算声波信号到相邻两组传感阵元的标准相位差，根据标准相位差和声波信号到相邻两组传感阵元的实际相位差，采用采样时序调整模块103调整模数转换单元204的采样时序。

其中，处理子模块102可以通过Sonar target detectionDSP Subsystem子系统实现，直流偏置补偿模块101输出连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号给处理子模块102，处理子模块102根据直流偏置补偿后的数字采样信号进行目标对象的距离和方位的探测，得到目标对象的方位角度，该方位角度为目标对象的声波信号的传输路径与水平方向的角度。

处理子模块102根据目标对象的方位角度和相邻两组传感阵元的间距，计算声波信号到相邻两组传感阵元的距离差，例如，方位角度为α，相邻两组传感阵元的间距为d，则声波信号到相邻两组传感阵元的距离差为d*cosα，其中，d可以等于4mm。

图8为本申请实施例提供的声波信号传播路径的示意图，如图8所示，相邻两组传感阵元的间距为d，方位角度为α，相邻两组传感阵元的距离差L=d*cosα。

处理子模块102还可以根据该距离差，计算声波信号到相邻两组传感阵元的标准相位差φ2，其中，标准相位差φ2为由于目标对象与相邻两组传感阵元的距离不同所引起的相位差。

处理子模块102根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算声波信号到相邻两组传感阵元的实际相位差φ1，然后比对标准相位差φ2和实际相位差φ1，若实际相位差φ1和标准相位差φ2不一致，则表明相邻两组传感阵元对应的信号通道的传播延时可能不一致，可能因为信号排线长短不一致、模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）采样时钟抖动（即不同信号通道的ADC采样时序不同）等。

针对ADC采样时钟抖动的问题，处理子模块102计算实际相位差φ1和标准相位差φ2的差值，并根据该差值采用采样时序调整模块103调整模数转换单元204的采样时序，其中，可以采用调节时序延迟线的方法，实现对ADC采样时刻调整（即相位调整），以使得各信号通道的ADC采样时序对齐，即保证各信号通道同时进行ADC采样。

其中，采样时序调整模块103可以通过ADC_CLK delay_Cal校准实现，采样时序调整模块103的一端连接处理子模块102，另一端分别和各信号通道的模数转换单元204的ADC采样时钟端连接，如图7中的ADC_CLK Ch1- ADC_CLK ChN，N为模数转换单元的数量。

也就是说，各信号通道的ADC采样时钟均由处理单元10的输出引脚提供，各信号通道的采样时钟分别对应一个输出引脚，并且由处理单元10的内置触发器输出，内置触发器为采样时序调整模块103。

处理单元10的输出引脚具有可调节延时功能，初始情况下各信号通道可调节延迟线设置可以为中间值，延迟线采用参考时钟为基准，参考时钟频率决定了延迟线最大可调节范围和最小可调分辨率。

值得说明的是，模数转换过程包括：ADC采样、保持和模数转换，具体可以参见现有技术的相关描述，在此不再赘述。

图9为本申请实施例提供的延迟线自校准的示意图，如图9所示，ADC_CLK delay_Cal校准的参考时钟为200MHz即周期5ns，延迟线具有32个档位，即档位0（tap0）、档位1（tap1）、档位2（tap2）、…、直至档位31（tap31），最大可调范围为周期的一半即2.5ns，最小可调颗粒度即精度为2.5ns/32=78.125皮秒（picosecond，ps），对于相邻两组传感阵元的间距d=4mm的信号通道的相位偏差，最大调节范围可达2.125°，最小可调颗粒度为0.067°。

在本实施例的声呐系统中，处理单元还包括：处理子模块和采样时序调整模块，处理子模块的一端和直流偏置补偿模块连接、另一端和采样时序调整模块的一端连接，采样时序调整模块的另一端还和模数转换单元连接，处理子模块，用于获取连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号，根据直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组传感阵元的间距，计算声波信号到相邻两组传感阵元的标准相位差，根据标准相位差和声波信号到相邻两组传感阵元的实际相位差，采用采样时序调整模块调整模数转换单元的采样时序。对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现信号通道的采样时序偏差进行实时检测和自动校准。

图10为本申请实施例提供的声呐系统的结构示意图四，如图10所示，处理单元10还包括：增益补偿模块104，增益补偿模块104和直流偏置补偿模块101、信号放大单元203连接。

增益补偿模块104，用于根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算各未故障的信号通道的接收功率。

增益补偿模块104，用于根据各未故障的信号通道的接收功率，以及多个未故障的信号通道的平均接收功率，调整各未故障的信号通道的信号放大单元的增益。

增益补偿模块（N Point Digital power）104和直流偏置补偿模块101连接，直流偏置补偿模块101将连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号传输给增益补偿模块104，增益补偿模块104根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算未故障的信号通道的接收功率，未故障的信号通道的接收功率为直流偏置补偿后的数字采样信号的信号功率。

其中，未故障的信号通道的数量包括但不限于一个，则增益补偿模块104可以计算多个未故障的信号通道的平均接收功率，该平均接收功率为多个未故障的信号通道的接收功率的平均值，然后根据各未故障的信号通道的接收功率和该平均接收功率的差值，调整各未故障的信号通道的信号放大单元的增益，以使各未故障的信号通道的接收功率和增益一致。

在一些实施例中，可以对各未故障的信号通道的接收功率

和平均接收功率/>

进行比较，得到/>

，该值作为信号放大单元203的调整依据，调整精度可以为0.5dB，按照四舍五入方式执行，最终使得各信号通道的接收功率一致。

可以理解的是，理论上来说，声呐系统的各信号通道的接收功率和增益是一致的，但由于声呐系统长时间运行，如连接线松动、温度不一致等因素，导致不同信号通道的接收功率和增益不一致，则可以采用该方案来调整信号放大单元的增益和接收功率，以实现增益和接收功率偏差的监测和自校准。

图11为本申请实施例提供的一个信号通道信号波形的示意图，图12为本申请实施例提供的另一个信号通道信号波形的示意图，如图11、图12所示，这两个信号通道的信号放大单元的增益不平衡导致接收功率（信号幅度越高接收功率越大，信号幅度越小接收功率越小）存在差异，其中，图11信号通道的信号放大单元的增益约为图12信号通道的信号放大单元的增益的一半，即相差6dB左右。

值得说明的是，对于各信号通道而言，信号放大单元的初始增益值相同，并且初始增益值和增益调整修改均可以通过增益补偿模块104进行配置。

在本实施例的声呐系统中，处理单元还包括：增益补偿模块，增益补偿模块和直流偏置补偿模块、信号放大单元连接，增益补偿模块，用于根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算各未故障的信号通道的接收功率，增益补偿模块，用于根据各未故障的信号通道的接收功率，以及多个未故障的信号通道的平均接收功率，调整各未故障的信号通道的信号放大单元的增益。对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现信号通道的信号放大单元的增益进行实时检测和自动校准。

下面以一个具体的电路结构说明本申请所提供的声呐系统。

以8行×8列共有m=64个通道的声呐系统的在线监控和自校准为例，每组信号通道由4阶模拟带通滤波器、VGA芯片和模数转换器（Analog to DigitalConverter，ADC）组成。其中，VGA芯片可以采用HMC960LP4E芯片，该芯片具有双通道结构，可以提供0-40dB的调整范围，步进0.5dB，具有串行外围接口（SerialPeripheral Interface，SPI）和并口两种配置方式，为节省FPGA的引脚占用，本方案可以使用SPI方式配置，且VGA增益初始值设置为中间值即20dB，ADC采用LTC2320芯片，单芯片集成8路并行工作的ADC通道，最高采样时钟为1.5MHz。

FPGA芯片可以使用XC7VX485T-2FFG1761C，多达700个通用输入输出（Input/Output，I/O）接口，本方案中，以声波在水中传播速度1500米/秒计算，375KHz声波在水中波长为4mm，8行×8列的声呐通道传感阵元间距d等于一个波长即4mm，而实际硬件电路中1ns的采样偏差将会引起约0.85°的相位变化，声呐阵列各通道经排线、4阶模拟低通滤波、VGA芯片再传输给ADC，加上各ADC芯片的采样时钟的抖动将会引起各通道间采样时刻误差的严重累积，基于此，本方案以连续N=1024个样点作为幅度监控、均值计算和平均功率统计，其中，FPGA的时序延迟线可采用200MHz输入时钟作为参考。

图13为本申请实施例提供的一种具体的声呐系统的电路结构图，如图13所示，对于各信号通道，分别经过4阶模拟带通滤波器、VGA芯片HMC960LP4E以及ADC芯片LTC2320，分别实现信号带通滤波、信号放大及信号采样，并将模数转换后的数字信号传输给FPGA芯片，FPGA通过SPI接口实现对VGA芯片的初始配置，初始值均设置为20dB，FPGA内部生成1.5MHz的周期性脉冲信号作为ADC的采样时钟的输入，即采样时序调整单元和ADC的ADC_CLK Ch1-ADC_CLK ChN端连接，N为ADC的数量。其中，增益补偿模块可以和VGC的VGC_Cal校准端连接。

具体执行过程如下：

步骤1：FPGA内部的Hardware ERR_detect模块对每个信号通道的数字采样信号幅度进行跟踪监测，若某通道连续1024个样点出现固定值，则可以判断该通道信号链路存在硬件短路的故障可能，并给出该硬件错误指示代码为0xFF和信号通道号；若某通道连续1024个样点处于低幅度且样点间幅值变化量极小，表示该通道信号链路存在硬件开路的故障可能，样点间极小的变化是硬件电路底噪引起的小幅震荡，相应地给出该通道硬件错误指示代码0xEE和信号通道号。

步骤2：排除掉步骤1中出现硬件错误的通道后，FPGA内部的N Point DC_Offset模块对其余通道的1024个样点分别进行平均值计算，若某通道1024个样点均值

不等于0，表示该通道的信号链路存在直流偏置，则通过对该通道的下一轮1024个样点分别减去/>

，实现该通道信号链路直流偏置校正。

步骤3：FPGA内部的N Point Digital power模块对步骤2中数字校准补偿后的每个通道1024个样点执行平均功率统计，首先计算出当前整个声呐系统单通道接收信号的平均功率

，然后每个通道的接收功率/>

分别与/>

进行比较即/>

，该值作为VGA芯片的调整依据，调整精度为0.5dB，按照四舍五入方式执行，最终使得各信号通道的接收功率基本一致。

步骤4：经步骤3增益校准处理后，整个声呐阵列各通道功率基本一致，N PointDC_Offset模块输出传输给Sonar target detection DSP Subsystem子系统，用于水下目标的距离和方位的探测，得到如方位角度α，根据已知声呐接收阵列各通道的固定间距d=4mm，可以计算目标信号在两两通道间距离差为d*cosα，若FPGA中的DSP Subsystem子系统计算得到根据信号计算的通道间相位差φ1与d*cosα对应的相位差φ2不一致，则表明两个通道间信号链路的传播延时可能不一致，计算φ1-φ2，并采用调节FPGA的时序延迟线的方法，根据φ1-φ2实现对ADC采样时刻调整也就是相位的调整，最终达到各通道间ADC采样时序对齐。

综上可知，对于8×8的声呐系统，通过采用一颗XC7VX485T系列FPGA芯片、32颗HMC960LP4E型号的VGA芯片、8颗LTC2320系列ADC芯片以及64路4阶模拟带通滤波器为主体组成的电路，实现了对64路声呐接收阵列通道的在线监控和自校准功能。因此，本方案可以实现对不同尺寸大小的声呐接收阵列采集电路各通道运行状态的在线监控，实现硬件异常故障的诊断和错误通道指示，信号链路直流偏置和链路增益偏差的监测和自校准，监测各通道ADC真实采样时刻偏差，并通过FPGA时序延迟线达到对各通道ADC采样时序对齐，为后续高质量声呐信号处理算法提供重要基础。

在上述实施例的基础上，下面结合图14-图16对本申请所提供的基于声呐系统的故障监测方法进行说明，该方法解决问题的原理与上述声呐系统相似，因此，该方法的具体实现过程可参见上述声呐系统的相关描述。

图14为本申请实施例提供的基于声呐系统的故障监测方法的流程示意图一，该方法应用于上述声呐系统。

如图14所示，该方法可以包括：

S301、传感阵元采集目标对象的声波信号，并依次通过滤波单元、信号放大单元、模数转换单元处理，将声波信号对应的数字采样信号传递至处理单元。

S302、处理单元根据数字采样信号，监测声呐系统的故障。

传感阵元采集目标对象的声波信号，并将声波信号传递给滤波单元，滤波单元对声波信号进行滤波处理，并将滤波后的信号传递给信号放大单元，信号方法单元对滤波后的信号进行信号放大，并将放大后的信号传递给模数转换单元，模数转换单元对放大后的信号进行模数转换，得到数字采样信号，处理单元根据数字采样信号监测声呐系统的故障。

在一可选的实施方式中，处理单元为现场可编程门阵列FPGA芯片，步骤S102，处理单元根据数字采样信号，监测声呐系统的故障，可以包括：

处理单元获取连续多个第一数字采样信号的信号幅度，处理单元根据信号幅度，对各信号通道进行故障监测。

第一数字采样信号为本轮采集的数字采样信号，处理单元每组信号通道的数字采样信号进行跟踪监测，获取连续多个第一数字采样信号的信号幅度，连续多个第一数字采样信号的数量可以为N，N例如可以为1024。

若信号通道的连续N个数字采样信号的幅度为固定值，则可以确定该信号通道可能存在硬件短路故障，若信号通道的连续N个采样点的信号幅度低于预设信号幅度、且采样点之间的幅度差低于预设幅度，则可以确定该信号通道可能硬件开路故障。

在本实施例的基于声呐系统的故障监测方法中，传感阵元采集目标对象的声波信号，并依次通过滤波单元、信号放大单元、模数转换单元处理，将声波信号对应的数字采样信号传递至处理单元，处理单元根据数字采样信号，监测声呐系统的故障。实现在声呐系统运行过程中，对声呐系统进行在线故障监测。

图15为本申请实施例提供的基于声呐系统的故障监测方法的流程示意图二，如图15所示，该方法可以包括：

S401、直流偏置补偿模块计算未故障的信号通道的连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度。

S402、若平均信号幅度不满足预设条件，则直流偏置补偿模块根据平均信号幅度对未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿。

其中，处理单元还包括：直流偏置补偿模块；每组信号通道的模数转换单元均与直流偏置补偿模块连接。

排除掉硬件故障的信号通道之后，对未故障的信号通道的连续多个第一数字采样信号的幅度进行平均值计算，得到平均信号幅度

，若平均信号幅度/>

不满足预设条件，例如不等于0时，说明该未故障的信号通道存在直流偏置，则需要对该信号通道进行校准补偿，在获取到未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号时，根据平均信号幅度/>

对未故障的信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿，第二数字采样信号为下一轮采集的数字采样信号。

在本实施例的基于声呐系统的故障监测方法中，通过对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现声呐系统的信号通道的直流偏置实时监测和自动校准。

图16为本申请实施例提供的基于声呐系统的故障监测方法的流程示意图三，如图16所示，该方法可以包括：

S501、处理子模块获取连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号。

S502、处理子模块根据直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组传感阵元的间距，计算声波信号到相邻两组传感阵元的标准相位差。

S503、处理子模块根据标准相位差和声波信号到相邻两组传感阵元的实际相位差，采用采样时序调整模块调整模数转换单元的采样时序。

其中，处理单元还包括：处理子模块和采样时序调整模块，相邻两组传感阵元之间的间距相同。

处理子模块获取连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号，并直流偏置补偿后的数字采样信号，计算目标对象的方位角度，以及根据目标对象的方位角度和相邻两组传感阵元的间距，计算声波信号到相邻两组传感阵元的距离差。

然后根据该距离差计算声波信号到相邻两组传感阵元的标准相位差，以及根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算声波信号到相邻两组传感阵元的实际相位差，然后根据实际相位差和标准相位差之间的相对大小，采用采样时序调整模块调整模数转换单元的采样时序。

在本实施例的基于声呐系统的故障监测方法中，通过对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现信号通道的采样时序偏差进行实时检测和自动校准。

在一可选的实施方式中，该方法还可以包括：增益补偿模块根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算各未故障的信号通道的接收功率，增益补偿模块，用于根据各未故障的信号通道的接收功率，以及多个未故障的信号通道的平均接收功率，调整各未故障的信号通道的信号放大单元的增益。

这样，可通过对声呐系统的信号通道进行在线监测，实现信号通道的信号放大单元的增益进行实时检测和自动校准。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行，所述处理器执行上述基于声呐系统的故障监测方法。

在本申请实施例中，该计算机程序被处理器运行时还可以执行其它机器可读指令，以执行如实施例中其它所述的方法，关于具体执行的方法步骤和原理参见实施例的说明，在此不再详细赘述。

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，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种声呐系统，其特征在于，包括：处理单元和多组信号通道；

每组所述信号通道包括：声波信号采集阵列中的一组传感阵元，对应的滤波单元、信号放大单元以及模数转换单元；

其中，各组所述信号通道中，各组传感阵元与对应的所述滤波单元、所述信号放大单元、所述模数转换单元依次连接；各所述模数转换单元均与所述处理单元连接；

各组所述传感阵元，用于采集目标对象的声波信号，并通过各所述信号通道将所述声波信号对应的数字采样信号传递至所述处理单元；

所述处理单元，用于根据所述数字采样信号监测声呐系统的故障；

所述处理单元为现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述处理单元，用于对所述数字采样信号进行跟踪监测，以监测所述声呐系统的故障，其中，所述跟踪监测用于指示监测连续多个数字采样信号的信号幅度；

相邻两组所述传感阵元之间的间距相同；

所述处理单元包括：直流偏置补偿模块，每组所述信号通道的所述模数转换单元均与所述直流偏置补偿模块连接；

所述直流偏置补偿模块，用于计算未故障的所述信号通道的连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度，若所述平均信号幅度不满足预设条件，则根据所述平均信号幅度对未故障的所述信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿，所述第一数字采样信号为本轮采集的数字采样信号，所述第二数字采样信号为下一轮采集的数字采样信号；

所述处理单元还包括：处理子模块和采样时序调整模块；

所述处理子模块的一端和所述直流偏置补偿模块连接、另一端和所述采样时序调整模块的一端连接，所述采样时序调整模块的另一端还和所述模数转换单元连接；

所述处理子模块，用于获取所述连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号，根据所述直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组所述传感阵元的间距，计算所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的标准相位差，根据所述标准相位差和所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的实际相位差，采用所述采样时序调整模块调整所述模数转换单元的采样时序。

2.根据权利要求1所述的声呐系统，其特征在于，所述处理单元还包括：增益补偿模块，所述增益补偿模块和所述直流偏置补偿模块、所述信号放大单元连接；

所述增益补偿模块，用于根据直流偏置补偿后的数字采样信号，计算各未故障的所述信号通道的接收功率；

所述增益补偿模块，用于根据各未故障的所述信号通道的接收功率，以及多个未故障的所述信号通道的平均接收功率，调整各未故障的所述信号通道的信号放大单元的增益。

3.一种基于声呐系统的故障监测方法，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的声呐系统，所述方法包括：

所述传感阵元采集目标对象的声波信号，并依次通过所述滤波单元、所述信号放大单元、所述模数转换单元处理，将所述声波信号对应的数字采样信号传递至所述处理单元；

所述处理单元根据所述数字采样信号，监测声呐系统的故障；

所述处理单元为现场可编程门阵列FPGA芯片；

所述处理单元根据所述数字采样信号，监测声呐系统的故障，包括：

所述处理单元获取连续多个第一数字采样信号的信号幅度，所述第一数字采样信号为本轮采集的数字采样信号；

所述处理单元根据所述信号幅度，对各所述信号通道进行故障监测；

所述处理单元还包括：直流偏置补偿模块；每组所述信号通道的所述模数转换单元均与所述直流偏置补偿模块连接；

所述方法还包括：

所述直流偏置补偿模块计算未故障的所述信号通道的所述连续多个第一数字采样信号的平均信号幅度；

若所述平均信号幅度不满足预设条件，则所述直流偏置补偿模块根据所述平均信号幅度对未故障的所述信号通道的连续多个第二数字采样信号进行直流偏置补偿，所述第二数字采样信号为下一轮采集的数字采样信号；

所述处理单元还包括：处理子模块和采样时序调整模块，相邻两组所述传感阵元之间的间距相同；

所述方法还包括：

所述处理子模块获取所述连续多个第二数字采样信号对应的直流偏置补偿后的数字采样信号；

所述处理子模块根据所述直流偏置补偿后的数字采样信号和相邻两组所述传感阵元的间距，计算所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的标准相位差；

所述处理子模块根据所述标准相位差和所述声波信号到相邻两组所述传感阵元的实际相位差，采用所述采样时序调整模块调整所述模数转换单元的采样时序。

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