CN116381657B - 发射通道故障监测方法、装置、声呐发射机及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了发射通道故障监测方法、装置、声呐发射机及存储介质，该方法包括：获取声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，其中，N为大于等于1的整数；基于N个发射信号和N个电压频率转换电路，确定N个发射通道分别对应的输出频率；基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。本发明提供的技术方案中，利用电压频率转换电路进行电压频率转换，得到输出频率，并根据输出频率和原始信号序列进行故障判断，电路简单，监测过程中涉及到的元器件数量较少，有效减少声呐发射机通道监测所需硬件资源。
Description
技术领域
本发明涉及声呐信号处理领域，且更具体地，涉及发射通道故障监测方法、装置、声呐发射机及存储介质。
背景技术
声呐发射机常常用于实现以下两个主要功能，一方面，利用模拟或数字信号放大器形成多通道大幅值发射信号加载在发射换能器基元两端；另一方面，监测发射信号并通过发射信号特征判别发射通道故障（例如短路、开路、异常），为声呐发射机安全运行提供判据并为后续及时关闭故障通道并告警提供参考。
目前，在对声呐发射机进行故障监测时，常常会使用模数转换器（Analog toDigital，ADC）获取发射信号波形，并使用SPI（Serial Peripheral interface，串行外围设备接口）总线作为模数转换器的接口。在声呐发射机存在N通道发射信号的情况下，在发射通道故障监测过程中至少需要使用2N个端口，监测所需硬件资源较多，复杂度较高。
发明内容
本发明提供了发射通道故障监测方法、装置、声呐发射机及存储介质，以解决现有技术中对声呐发射机的发射通道进行故障监测时，监测所需硬件资源较多，复杂度较高的技术问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种发射通道故障监测方法，包括：
获取声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，其中，N为大于等于1的整数；
基于N个发射信号和N个电压频率转换电路，确定N个发射通道分别对应的输出频率；
基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
可选地，所述基于N个发射信号和N个电压频率转换电路，确定N个发射通道分别对应的输出频率，包括：
对每一发射信号分别进行分压处理，得到N个发射通道分别对应的监测信号；
将每一监测信号分别输入对应的电压频率转换电路，得到N个发射通道分别对应的输出频率。
可选地，所述基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果，包括：
对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值；
基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列；
基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
可选地，所述基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果，包括：
针对每一发射通道：
确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数；
基于所述相关系数和预设相关系数等级，确定所述发射通道的故障监测结果。
可选地，在发射通道对应的发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，所述确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数，包括：
对所述发射通道对应的监测信号序列进行数字低通滤波，得到监测信号低通滤波序列；
确定所述监测信号低通滤波序列和所述原始信号序列的相关系数。
可选地，所述对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值，包括：
针对每一输出频率：
确定与所述输出频率对应相同发射通道的原始信号序列的采样间隔时间；
每隔所述采样间隔时间，对所述输出频率进行频率测量，得到所述输出频率对应的频率测量数值。
根据本发明的第二方面，提供了一种发射通道故障监测装置，包括：N个电压频率转换电路和监测控制器；其中，N为大于等于1的整数；
所述N个电压频率转换电路，用于基于声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，输出N个发射通道分别对应的输出频率；
所述监测控制器，用于基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
可选地，所述装置还包括N个分压电阻电路；
所述N个分压电阻电路，用于对获取的声呐发射机的N个发射通道对应的发射信号进行分压处理，得到N个发射通道分别对应的监测信号；
所述N个电压频率转换电路，用于基于N个发射通道分别对应的监测信号，输出N个发射通道分别对应的输出频率。
根据本发明的第三方面，提供了一种声呐发射机，该声呐发射机包括上述的发射通道故障监测装置。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述发射通道故障监测方法。
根据本发明的第五方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
处理器；
用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现上述的发射通道故障监测方法。
与现有技术相比，本发明提供的发射通道故障监测方法、装置、声呐发射机及存储介质，至少包括以下有益效果：
本发明的技术方案通过获取声呐发射机的每个通道分别对应的发射信号，基于N个电压频率转换电路对N个发射信号进行电压频率转换，得到N个发射通道分别对应的输出频率，然后根据N个输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定出N个发射通道分别对应的故障检测结果。在本发明提供的技术方案中，利用电压频率转换电路进行电压频率转换，得到输出频率，并根据输出频率和原始信号序列进行故障判断，电路简单，避免使用模数转换器进行故障监测，从而使得监测过程中涉及到的元器件数量较少，在声呐发射机存在N通道发射信号的情况下，在发射通道故障监测过程中使用N个端口即可实现故障监测，有效减少声呐发射机通道监测所需硬件资源。进一步地，在本发明中可以实现对N个发射通道的并行监测，可以快速地获取到准确的故障监测结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是利用模数转换器进行发射通道故障监测的示意图；
图2是本发明一示例性实施例提供的发射通道故障监测方法的流程示意图；
图3是本发明一示例性实施例提供的声呐系统单通道架构的示意图一；
图4是本发明一示例性实施例提供的声呐系统单通道架构的示意图二；
图5是本发明一示例性实施例提供的发射通道故障监测方法中各种信号序列的示意图；
图6是本发明一示例性实施例提供的发射通道故障监测装置的结构示意图一；
图7是本发明一示例性实施例提供的发射通道故障监测装置的结构示意图二；
图8是本发明一示例性实施例提供的电子设备的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实施例保护的范围。
声呐发射机实现两个主要功能，第一：利用模拟或数字信号放大器形成多通道大幅值发射信号加载在发射换能器基元两端；第二：监测发射信号并通过发射信号特征判别发射通道故障（短路、开路、异常），为声呐发射机安全运行提供判据并为后续及时关闭故障通道并告警提供参考。
声呐发射机普遍采用阵列信号处理技术，通常大幅增加发射换能器基元数量并配置对应数量的多个发射通道实现更窄的发射波束。以中水多波束声呐为例，发射通道数量可达1800个以上。如何对多通道的声呐发射机实施故障监测存在工程实施难题。
在对多通道声呐发射机进行故障监测时，需要对发射信号进行处理后形成监测信号，通过监测监测信号获得发射信号波形，进一步根据发射信号波形获知幅值、脉冲数、频率等各种信息，通过不同信息的组合判断发射通道工作情况。
图1示出了利用模数转换器（ADC）获取发射信号波形时的单通道电路架构。利用电阻分压网络实现发射信号的电压调整，形成监测信号，该监测信号满足模数转换器输入要求。将监测信号与电压基准连接模数转换器模拟输入采样发射信号波形，模数转换器接口连接监测控制器，监测控制器用于模数转换器控制和获取监测信号序列。
声呐发射机工作过程中，需要同时对多通道发射信号进行监测，即同步并行监测。为降低多通道并行监测占用较多监测控制器端口资源，工程中会使用SPI总线作为模数转换器接口。SPI总线需要4端口：CS（Chip Select，选择线路）、CLK（Serial Clock，时钟线路）、MOSI（MasterOutput Slave Input，主设备数据输出、从设备数据输入）、MISO（MasterInput Slave Output，主设备数据输入、从设备数据输出），工程应用最低需要2端口（CLK与MISO），CLK用作控制模数转换器时钟与同步，MISO用作模数转换器向监测控制器输出监测信号数字序列。
由此可知，在利用模数转换器获取N个发射信号波形时，要求单板监测控制器至少具有2N个端口，并利用N个模数转换器器件，N个电压基准，监测资源硬件需求量大、复杂度高、且成本投入大。
需要说明的是，为了降低模数转换器器件数量，将实时并行监测改为各通道分时监测的串行监测的方法在声呐发射机中不适用，主要原因在于：声呐发射机各通道发射信号相位在不同时刻均不同，容易造成因多通道切换或监测顺序问题错过发射信号波形获取，从而会降低监测结果的准确率。同样地，为简化监测硬件资源，使用模拟比较器设置合理阈值，将发射信号波形转化为二值电平，通过二值电平分布表征发射信号波形，但该方法属粗略测量，误差大，严重影响监测结果的准确率。
进一步地，若在多发射通道的故障监测过程中占用较多端口资源，则受制于可编程逻辑器件端口数量，导致在声呐系统内难以利用同一个物理元器件实现发射控制器和监测控制器功能。
图2是本发明一示例性实施例提供的发射通道故障监测方法的流程示意图，至少包括如下步骤：
步骤21，获取声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，其中，N为大于等于1的整数。
其中，声呐发射机用于生成发射信号，声呐发射机具有N个发射通道，N为大于等于1的整数，例如N=1800，或N≥960个。每一发射通道对应一个发射信号，在声呐发射机存在N个发射通道的情况下，存在N个发射信号。
具体地，声呐发射机包括发射换能器基元，发射信号为发射换能器基元两端的信号。发射信号的制式为大幅值的CW（Continuous Wave，单载频连续波信号，为某确定频率的正弦信号）及LFM（Linear Frequency Modulation，线性调频信号）。发射信号可以为模拟信号或数字信号。
示例性地，在发射信号为模拟信号的情况下，声呐系统单通道架构如图3所示，包括：数模转换器（DAC，Digital to Analog Converter）、模拟信号放大器和发射换能器基元。具体地，将原始信号序列（原始信号数字序列）利用数模转换器及模拟信号放大器产生K倍于原始信号的模拟信号（LFM或CW）以驱动发射换能器基元，发射信号为端A1与端A2之间的信号，原始信号序列（LFM或CW）是存储在发射控制器内部的数字序列。
示例性地，在发射信号为数字信号的情况下，声呐系统单通道架构如图4所示，包括：PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号发生电路、驱动控制电路及全桥功率放大电路（包括供电电压VCC等，其中VCC为Volt Current Condenser的缩写），产生K倍于原始信号的PWM信号（脉冲宽度调制信号）驱动发射换能器基元，其中该PWM信号发生电路含运算放大器、三角波发生器、模拟比较器。发射信号为端A3与端A4之间的信号。该声呐系统单通道架构具有功率大、电路简单、应用范围广等优点。
进一步地，PWM信号发生电路可由物理电子元器件实现，为了简化电路，通常由发射控制器产生原始信号数字序列与三角波数字序列，并经数值比较产生PWM信号，即PWM信号在发射控制器内部产生并经1个端口输出，再经驱动控制电路、全桥功率放大电路放大后形成发射信号施加在发射换能器基元。显然，完成N通道发射信号产生，需要发射控制器至少提供N个端口输出N路PWM信号。
步骤22，基于N个发射信号和N个电压频率转换电路，确定N个发射通道分别对应的输出频率。
其中，电压频率转换电路用于进行电压频率转换。
具体地，利用电压频率转换电路对获取的发射信号进行转换，得到电压频率转换电路输出的输出频率。
在一实施例中，所述步骤22包括：
步骤221，对每一发射信号分别进行分压处理，得到N个发射通道分别对应的监测信号；
步骤222，将每一监测信号分别输入对应的电压频率转换电路，得到N个发射通道分别对应的输出频率。
在本实施例中，考虑到发射信号为大幅值的CW或LFM，因此为了满足电压频率转换电路的输入要求，对发射信号进行分压处理，减小发射信号的幅值，得到监测信号，监测信号对应的幅值小于发射信号对应的幅值，然后将幅值较小的监测信号输入电压频率转换电路进行电压频率转换，得到发射通道对应的输出频率。
在一种可能的实现方式中，利用分压电阻网络进行分压处理，利用电压频率转换电路进行电压频率转换。在发射通道的数量为N个时，分压电阻网络的数量为N，电压频率转换电路的数量为N。因此在得到N个通道分别对应的发射信号后，将N个发射信号分别输入N个分压电阻网络，N个分压电阻网络输出N路监测信号，N路监测信号分别输入N个电压频率转换电路，得到N个输出频率。
在一种可能的实现方式中，在电压频率转换电路前配置光耦或变压器。通过在电压频率转换电路前配置光耦或变压器，可以实现隔离监测。
步骤23，基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
其中，原始信号序列为存储的用于得到发射信号的数字序列。
具体地，每一发射通道对应的输出频率用于指示发射信号的当前信息，原始信号序列可以为输出频率提供参考信息，从而可以根据输出频率和发射通道对应的原始信号序列，确定发射通道对应的故障监测结果。
在一种可能的实现方式中，利用监测控制器基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。在对声呐发射机的多发射通道进行故障监测的过程中，涉及到的元器件较少，且利用电压频率转换电路，电路简单，对监测控制器所需端口较少。在对N个发射通道进行故障监测时，所需监测控制器的端口为N个，利用模数转换器进行故障监测时，所需监测控制器的端口为2N，因此减少了50%的端口需求，有效减少监测所需硬件资源。
在一实施例中，针对每一发射通道，基于所述发射通道对应的输出频率，确定所述发射通道对应的监测信号序列。监测信号序列用于指示发射信号波形，因此在获取到监测信号序列后，将监测信号序列和原始信号序列进行比较，确定出该发射通道的故障监测结果。
在一实施例中，所述步骤23包括：
步骤231，对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值。
步骤232，基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列。
步骤233，基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
其中，预设压频比率为预先设定好的固定参数。例如，可以通过配置外部电源和少量电容电阻，确定预设压频比率。示例性地，预设压频比率记为α（V/Hz），则将幅值U（V）转化为与之对应的输出频率f（Hz）的公式如下式（1）所示：
U=α·f ；（1）
具体地，在将发射信号转换为输出频率时，得到的是连续信号，而原始信号序列为离散值，因此需要对连续的输出频率进行频率测量，确定一系列的频率测量数值。可以采用直接计数测量法、间接测量法、等精度测量法进行频率测量，以得到频率测量数值。
示例性地，在利用直接计数测量法进行频率测量时，监测控制器预设频率固定为F的基准时钟sys_clk（系统的基准时钟），按输出频率范围选择合适的闸门时间T_zm以满足频率测量要求，在T_zm内对输出频率进行计数，得到输出频率测量数值。
在一实施例中，所述步骤231包括：针对每一输出频率：确定与所述输出频率对应相同发射通道的原始信号序列的采样间隔时间；每隔所述采样间隔时间，对所述输出频率进行频率测量，得到所述输出频率对应的频率测量数值。
在本实施例中，根据原始信号序列确定采样间隔时间，并以该采样间隔时间为周期时间，每间隔该采样间隔时间，对输出频率进行一次频率测量，得到一个频率测量数值。随着时间的推移，不断对同一个输出频率进行频率测量，从而得到一系列的频率测量数值。也就是说每个发射通道均会对应一系列的频率测量数值。
进一步地，在获取到频率测量数值后，根据式（1）可以还原得到监测信号序列，该监测信号序列用于指示发射信号波形。
需要说明的是，由于监测信号是由发射信号经分压电阻网络获得，因此监测信号也为模拟信号。按声呐系统原理，原始信号序列（原始信号数字序列）、发射信号序列（发射信号数字序列）与监测信号序列（监测信号数字序列）分别在脉宽包络T1~T2时间、T3~T4时间、T5~T6时间内属于功率信号，且T1~T2时间段、T3~T4时间段、T5~T6时间段相同，见图5所示。
因此在已知原始信号序列的情况下，根据频率测量数值进行监测信号序列还原时，控制监测信号序列的长度与原始信号序列的长度相同。具体地，在已知原始信号序列在脉宽包络T1~T2时间内总采样点数量Q与连续两个采样点之间时间间隔△t，△t=(T2-T1)/Q。则在将监测信号转化为输出频率时，将输出频率在脉宽包络T5~T6时间内按时间间隔△t通过采样、内插、抽取等方式，获取一系列的频率测试数值，并基于预设压频比率，得到一系列的还原数值，即按时间间隔△t采样的Q个采样点，保证监测信号序列与原始信号序列两个序列长度均为Q。
进一步地，在获取到N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列后，其中，各个发射通道对应的原始信号序列可以相同。针对每一发射通道，对该发射通道的监测信号序列和原始信号序列进行对比，以确定出该发射通道的故障监测结果。
在一实施例中，所述步骤233包括：针对每一发射通道：确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数；基于所述相关系数和预设相关系数等级，确定所述发射通道的故障监测结果。
其中，相关系数用于指示监测信号序列和原始信号序列的相似程度，相关系数数值越大，监测信号序列和原始信号序列的相似程度越高，发射通道故障的可能性越小；相关系数数值越小，监测信号序列和原始信号序列的相似程度越低，发射通道故障的可能性越大。
预设相关系数等级为预先设定参数，用于对相关系数值进行分级，不同的分级结果对应不同的故障监测结果。
具体地，针对每一发射通道，确定监测信号序列和原始信号序列的相关系数。然后确定该相关系数在预设相关系数等级中所处的目标等级，根据目标等级，确定出该发射通道的故障监测结果。
在一种可能的实现方式中，预先设定如式（2）所示的相关系数公式：
（2）
其中，表征相关系数，Q表征序列长度，/>表征监测信号序列，/>表征原始信号序列，q表征序列内部各采样点。利用式（2）所示公式可以准确地评估出原始信号序列和监测信号序列的相似性。
预先设置两个相关系数等级，第一级别为大于等于0.9且小于等于1，表明发射通道良好无故障；第二等级为小于0.9，表明发射通道故障。因此在确定出某个发射通道的相关系数后，确定该相关系数属于第一等级还是第二等级，在相关系数大于等于0.9且小于等于1时，得到表明发射通道无故障的故障监测结果；在该相关系数小于0.9时，得到表明发射通道故障的故障监测结果。
因为监测信号序列可以指示发射信号波形，因此在获取到发射信号波形后，常规方法需存储发射信号波形对应的监测信号序列，以便后续计算及故障判断，对监测控制器存储空间和监测过程都提出了高要求，对于多通道、高频率、并行监测的需求，须额外配置大容量存储器。而在本实施例中，利用式（2）准确地确定出监测信号序列和原始信号序列的相似程度，无需存储发射信号波形，可以逐个采样点利用监测控制器内部少量存储单元通过乘法和加法实现，无需额外配置存储器，解决了发射信号波形存储占用监测控制器存储空间问题。
在一实施例中，在获取到监测信号序列后，还可以通过统计监测信号序列中过零采样点之间的时间间隔，测量监测信号序列频率变化，便于判别CW与LFM信号，通过将该频率变化与原始信号序列进行对比，确定出故障监测结果。
在一实施例中，在获取到监测信号序列后，还可以通过统计监测信号序列中过零采样点次数，测量监测信号序列脉冲数，将该脉冲数与原始信号序列进行对比，验证发射信号是否正常，确定出故障监测结果。
在一种可能的应用场景中，采用本实施例提供的方法对64通道的发射信号产生及发射信号波形监测：
采用发射信号为模拟信号的声呐系统单通道架构，发射控制器完成发射信号产生须128个端口；监测控制器完成发射信号波形监测须64个端口，总计192个端口，可选择一个用户I/O（Input/Output ，输入输出）端口规模为500个左右的FPGA（Field-ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列）作为发射控制器和监测控制器。
采用发射信号为数字信号的声呐系统单通道架构，发射控制器完成发射信号产生须64个端口；监测控制器完成发射信号波形监测须64个端口，总计128个端口，可选择一个用户I/O端口规模为400个左右的FPGA作为发射控制器和监测控制器。监测控制器端口需求减少有利于实现发射控制器和监测控制器集成。
需要说明的是，在对发射信号进行故障监测时存在如下内容：第一，原始信号波形已知；第二，发射通道主要完成幅值放大，获取发射信号波形并通过幅值调整即可获知对应发射信号波形的原始信号波形；第三，发射信号是声呐发射机最终结果，更有利于判断发射通道故障。因此可以根据发射信号波形与原始信号波形确定故障监测结果，然而发射信号波形与原始信号波形会存在差异性。
在一种可能的应用场景中，假设原始信号波形为40kHzCW正弦波。
对于发射信号为数字信号的声呐系统单通道架构而言，该原始信号波形（40kHzCW正弦波）与三角波作用，再经过模拟比较器后经驱动控制电路及全桥功率放大电路放大，最终发射信号波形为PWM信号。
发射信号驱动低阻抗的发射换能器基元，可配置模拟RC（电阻电容）低通滤波器，发射信号经模拟RC低通滤波器滤波后由数字信号（PWM信号）变为模拟信号（40kHzCW正弦波），即最终加载在发射换能器基元两端的信号为模拟信号（40kHzCW正弦波），发射信号波形（40kHzCW正弦波）与原始信号波形（40kHzCW正弦波）不存在差异，便于判断发射通道故障。
发射信号驱动高阻抗的发射换能器基元，不能通过配置模拟RC低通滤波器方式将数字信号（PWM信号）变为模拟信号（40kHzCW正弦波），最终加载在发射换能器基元两端的信号为数字信号（PWM信号），发射信号波形（PWM信号）与原始信号波形（40kHzCW正弦波）存在差异，此时二者波形不同。
为了在发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，也可以获取到准确的故障监测结果。在一实施例中，在发射通道对应的发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数，包括：对所述发射通道对应的监测信号序列进行数字低通滤波，得到监测信号低通滤波序列；确定所述监测信号低通滤波序列和所述原始信号序列的相关系数。
具体地，在利用PWM体制驱动高阻抗的发射换能器基元时，会存在发射信号波形与原始信号波形不同的情况，此时监测信号序列与原始信号序列间存在重大差异，因此先对监测信号序列进行数字低通滤波，得到监测信号低通滤波序列，然后根据监测信号低通滤波序列和原始信号序列，确定出相关系数。
在一种可能的实现方式中，在监测控制器构造数字低通滤波器，对监测信号序列进行数字低通滤波后形成监测信号低通滤波序列，再将监测信号低通滤波序列与原始信号序列按照式（2）所示公式，计算出相关系数。
示例性地，在发射通道对应的发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，步骤23具体包括如下子步骤：
步骤23a，获取原始信号数字序列在脉宽包络T1~T2时间内总采样点数量Q与连续两个采样点之间时间间隔△t，△t=(T2-T1)/Q。
步骤23b，在将监测信号转化为输出频率时，将输出频率在脉宽包络T5~T6时间内按时间间隔△t通过采样、内插、抽取等方式，获取一系列的频率测试数值，并基于预设压频比率，得到Q个采样点，即保证监测信号序列与原始信号序列两个序列长度均为Q。
步骤23c，构造数字低通滤波器，对监测信号序列进行数字低通滤波，生成监测信号低通滤波序列，其中，监测信号低通滤波序列总采样点数量也为Q。示例性地，数字低通滤波器可以为FIR（Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应）滤波器，利用FIR滤波器对监测信号序列进行数字低通滤波生成监测信号低通滤波序列。
步骤23d，按照式（2）计算监测信号低通滤波序列与原始信号序列的相关系数。
步骤23e，在0~1数值内预分级作为发射通道波形故障的判断依据，根据相关系数判断和评估发射通道故障。
在本实施例中，即使在发射通道对应的发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，即对于高阻抗的发射换能器基元获取发射信号波形后，也可以通过低通滤波处理对监测信号序列进行处理，以实现对发射通道的情况进行判断，确定出准确的故障监测结果。
在上实施例中，通过获取声呐发射机的每个通道分别对应的发射信号，基于N个电压频率转换电路对N个发射信号进行电压频率转换，得到N个发射通道分别对应的输出频率，然后根据N个输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定出N个发射通道分别对应的故障检测结果。在本发明提供的技术方案中，利用电压频率转换电路进行电压频率转换，得到输出频率，并根据输出频率和原始信号序列进行故障判断，电路简单，避免使用模数转换器进行故障监测，从而使得监测过程中涉及到的元器件数量较少，在声呐发射机存在N通道发射信号的情况下，在发射通道故障监测过程中使用N个端口即可实现故障监测，有效减少声呐发射机通道监测所需硬件资源。进一步地，在本发明中可以实现对N个发射通道的并行监测，可以快速地获取到准确的故障监测结果。
进一步地，相比于SPI接口模数转换器，其CLK端口需要较高频率，涉及信号完整性问题。而采用电压频率转换电路，通过合理设置压频比率α，将输出频率限定在合理频率范围，降低多通道时延匹配要求与布线难度，在一定程度上解决了应用和布线工程问题。
进一步地，采用电压频率转换器，电压测量精度可小于0.5%以内，解决了非模数转换器获取发射信号波形方法导致监测误差大问题；
进一步地，按N通道发射信号并行监测配置电路，N通道发射信号经N通道分压电阻网络得到N通道监测信号，再经过电压频率转换电路形成N通道输出频率输入监测控制器，对N通道输出频率按并行波形获取与通道故障判断方法实现并行波形获取及并行通道故障，实现快速准确地并行监测。
示例性装置
基于与本发明方法实施例相同的构思，本发明实施例还提供了一种发射通道故障监测装置。
图6示出了本发明一示例性实施例提供的发射通道故障监测装置的结构示意图，包括：
N个电压频率转换电路61和监测控制器62；其中，N为大于等于1的整数；
所述N个电压频率转换电路61，用于基于声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，输出N个发射通道分别对应的输出频率；
所述监测控制器62，用于基于每一输出频率和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
其中，电压频率转换电路主要元件为电压频率转换器，根据发射信号频率范围、准确度要求、信号极性等条件确定合适电压频率转换器。示例性地，电压频率转换器为VFC100，通过配置外部电源、少量电容电阻后可确定压频比率。
监测控制器用于获取N通道输出频率，计算获取N通道发射信号波形，并根据并行波形与原始信号波形，对N发射通道进行故障监测。监测控制器优选具有并行信号处理能力的可编程逻辑器件，包括但不限于FPGA、DSP（digital singnal processor，是一种微处理器）、CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）、MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）等。
在本实施例中，发射通道故障监测装置利用电压频率转换电路，电路简单，对监测控制器所需端口较少。在对N个发射通道进行故障监测时，所需监测控制器的端口为N个，利用模数转换器进行故障监测时，所需监测控制器的端口为2N，因此减少了50%的端口需求，有效减少监测所需硬件资源。进一步地，本实施例提供的发射通道故障监测装置可以对声呐发射机的多个通道实行并行监测，监测效率和准确率较高。
在本发明一示例性实施例中，如图7所示，所述装置还包括N个分压电阻电路63；
所述N个分压电阻电路63，用于对获取的声呐发射机的N个发射通道对应的发射信号进行分压处理，得到N个发射通道分别对应的监测信号；
相应地，所述N个电压频率转换电路61，用于基于N个发射通道分别对应的监测信号，输出N个发射通道分别对应的输出频率。
其中，分压电阻网络的目的是将大幅值发射信号通过两个电阻分压转换为小幅值监测信号，以适配电压频率转换器输入要求。
在本发明一示例性实施例中，所述监测控制器，还用于对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值；基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列；基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
在本发明一示例性实施例中，所述监测控制器，还用于对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值；基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列；并针对每一发射通道：确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数；基于所述相关系数和预设相关系数等级，确定所述发射通道的故障监测结果。
在本发明一示例性实施例中，在发射通道对应的发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，所述监测控制器，还用于对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值；基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列；并针对每一发射通道：对所述发射通道对应的监测信号序列进行数字低通滤波，得到监测信号低通滤波序列；确定所述监测信号低通滤波序列和所述原始信号序列的相关系数；基于所述相关系数和预设相关系数等级，确定所述发射通道的故障监测结果。
在本发明一示例性实施例中，所述监测控制器，还用于针对每一输出频率：确定与所述输出频率对应相同发射通道的原始信号序列的采样间隔时间；每隔所述采样间隔时间，对所述输出频率进行频率测量，得到所述输出频率对应的频率测量数值。
在上述实施例中，相较于利用模数转换器实现N通道发射信号监测至少需要2N个端口相比，本例发射通道故障监测装置需N个端口，相应监测控制器端口需求减少50%，对于通道数量多的声呐发射机，优势显著。解决了多通道并行监测方式占用监测控制器较多端口硬件资源问题。
在一种可能的应用场景中，在需要完成64通道的发射信号产生及发射信号波形监测：
采用发射信号为模拟信号的声呐系统单通道架构，发射控制器完成发射信号产生须128个端口；监测控制器完成发射信号波形监测须64个端口，总计192个端口，可选择一个用户I/O端口规模为500个左右的FPGA作为发射控制器和监测控制器。
采用发射信号为数字信号的声呐系统单通道架构，发射控制器完成发射信号产生须64个端口；监测控制器完成发射信号波形监测须64个端口，总计128个端口，可选择一个用户I/O端口规模为400个左右的FPGA作为发射控制器和监测控制器。
监测控制器端口需求减少有利于实现发射控制器和监测控制器集成。
进一步地，发射通道故障监测装置器件包括电压频率转换器及少量电阻电容，电路简单。同时，相比于SPI接口模数转换器，其CLK端口需要较高频率，涉及信号完整性问题。而采用电压频率转换器，通过合理设置压频比率α，将输出频率限定在合理频率范围，降低多通道时延匹配要求与布线难度。一定程度上解决了应用和布线工程问题。
进一步地，发射通道故障监测装置采用电压频率转换器，电压测量精度可小于0.5%以内，解决了非模数转换器获取发射信号波形方法导致监测误差大问题。
基于与本发明装置实施例相同的构思，本发明实施例还提供了一种声呐发射机，该声呐发射机包括上述任一所述的发射通道故障监测装置。
示例性电子设备
图8图示了根据本发明实施例的电子设备的框图。
如图8所示，电子设备80包括一个或多个处理器81和存储器82。
处理器81可以是中央处理单元（CPU）或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备80中的其他组件以执行期望的功能。
存储器82可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器（RAM）和/或高速缓冲存储器（cache）等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器（ROM）、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器81可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本发明的各个实施例的发射通道故障监测方法以及/或者其他期望的功能。
在一个示例中，电子设备80还可以包括：输入装置83和输出装置84，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构（未示出）互连。
当然，为了简化，图8中仅示出了该电子设备80中与本发明有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备80还可以包括任何其他适当的组件。
示例性计算机程序产品和计算机可读存储介质
第六方面，除了上述方法和设备以外，本发明的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种实施例的发射通道故障监测方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本发明的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种实施例的发射通道故障监测方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述发明的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
本发明中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本发明的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。
提供所发明的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此发明的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此发明的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (9)
1.一种发射通道故障监测方法，其特征在于，包括：
获取声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，其中，N为大于等于1的整数；
基于N个发射信号和N个电压频率转换电路，确定N个发射通道分别对应的输出频率；
对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值；
基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列；
基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于N个发射信号和N个电压频率转换电路，确定N个发射通道分别对应的输出频率，包括：
对每一发射信号分别进行分压处理，得到N个发射通道分别对应的监测信号；
将每一监测信号分别输入对应的电压频率转换电路，得到N个发射通道分别对应的输出频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果，包括：
针对每一发射通道：
确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数；
基于所述相关系数和预设相关系数等级，确定所述发射通道的故障监测结果。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在发射通道对应的发射信号波形与原始信号波形不同的情况下，所述确定所述发射通道对应的监测信号序列和所述发射通道对应的原始信号序列的相关系数，包括：
对所述发射通道对应的监测信号序列进行数字低通滤波，得到监测信号低通滤波序列；
确定所述监测信号低通滤波序列和所述原始信号序列的相关系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值，包括：
针对每一输出频率：
确定与所述输出频率对应相同发射通道的原始信号序列的采样间隔时间；
每隔所述采样间隔时间，对所述输出频率进行频率测量，得到所述输出频率对应的频率测量数值。
6.一种发射通道故障监测装置，其特征在于，包括：N个电压频率转换电路和监测控制器；其中，N为大于等于1的整数；
所述N个电压频率转换电路，用于基于声呐发射机N个发射通道分别对应的发射信号，输出N个发射通道分别对应的输出频率；
所述监测控制器，用于对每一输出频率进行频率测量，得到每一输出频率分别对应的频率测量数值；并用于基于每一输出频率分别对应的频率测量数值和预设压频比率，得到N个发射通道分别对应的监测信号序列；还用于基于N个发射通道分别对应的监测信号序列和N个发射通道分别对应的原始信号序列，确定N个发射通道分别对应的故障监测结果。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括N个分压电阻电路；
所述N个分压电阻电路，用于对获取的声呐发射机的N个发射通道对应的发射信号进行分压处理，得到N个发射通道分别对应的监测信号；
所述N个电压频率转换电路，用于基于N个发射通道分别对应的监测信号，输出N个发射通道分别对应的输出频率。
8.一种声呐发射机，其特征在于，所述声呐发射机包括权利要求6或7所述的发射通道故障监测装置。
9.一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述权利要求1-5任一项所述的发射通道故障监测方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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