CN109039479A - 一种长基线水声信号收发处理设备及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种长基线水声信号收发处理设备及其信号处理方法,属于水下定位设备技术领域。本发明通过测量各应答器信号到达的时间来进行定位,主要包含收发控制单元、模拟处理单元、模数/数模转换单元、信号处理单元、供电单元以及网络交换单元等。采用较为先进的电子电路器件,保证***运行的效率。实现了长基线***中水面平台上对水下目标的定位,水下目标进行自导航。在大量应答器存在时,实现了各应答器信号的区分功能,精确检测信号到达时间,同时完成了交汇解算等大量信号处理任务。本发明满足了水上、水下两用需求,实现了标准化,含有丰富的功能及扩展接口,适用于不同的应用场景。机箱结构紧凑,使用方便,利于靶场试验的进行。
Description
技术领域
本发明涉及水下定位设备技术领域,具体涉及一种长基线水声信号收发处理设备及其信号处理方法。
背景技术
随着人类的进步,陆地资源的开采已经达到瓶颈期,因此,人类正逐渐将开发方向转向丰富海洋资源的开发。海洋尽管含有如此充足的资源,但对于人类而言却极为陌生,对海洋的探索以及对海洋资源的开发成为了现在科技工作者的重要任务。水声学以及水声定位技术的出现,为对于海洋***的开发创造了有利条件。与发达国家相比,中国水声学方面的研究仍处于起步阶段,科学研究情况并无明显优势。然而作为海洋大国,水声学及水声定位技术的发展对于我国从海洋大国发展成海洋强国的蜕变有着决定性的作用。目前已经研究发明出的水声定位***按照不同标准划分其种类繁多,其中根据基线长度可将其大致分为三种,分别为超短基线定位***,短基线定位***以及长基线定位***。
长基线定位***LBL需要在海底布设3个以上的基点,以一定的几何图形组成海底定位基线阵,工作船或被测目标一般位于基线阵之内,通过测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器的坐标,工作方式有声学应答式、电触发式两种。长基线定位***的优点是定位精度与水深无关,在较大的范围上可以达到较高的相对定位精度,定位数据更新率高;缺点是***构成复杂,基线阵布设需要消耗高昂的费用,并且需要做大量的校正工作,耗费大量的时间。再者,虽然长基线定位***的定位精度是独立于水深的,但是却与工作频率密切相关,若要获得更高的定位精度,目前典型的做法是发展高频High Frequency或超高频Extra High Frequency的长基线定位***,但是由于高频信号在水中衰减很快,因此作用范围很有限,一般很难超过1000m。另外对水声定位***来说长距离的信号传输也是一个很难回避的问题,传统的水声数据传输方式有多频键控MFSK和多相键控MPSK两种,MFSK调制方法性能适中,具有一定的抗多途能力,MPSK方式可以提高信息传输速率,但在传输距离和环境适应性方面性能不足,近来利用水声扩频技术传输受到国内外的广泛重视,已经出现了扩频技术的水声MODEM产品,其性能有较明显的提高,表现在传输距离增加、误码率降低,且对使用环境具有较好的宽容性。水声信号收发处理设备作为长基线定位***的重要组成部分,其通过测量布放于海洋当中的各个应答器信号返回的时延差进行解算并定位,发挥了不可替代的作用。因此,对于长基线水声信号收发处理设备的设计与研发具有重大的意义。
针对以上问题,本发明提出了水上、水下两用的一种长基线水声信号收发处理设备及其信号处理方法,在需要进行水下声信号接收和发射的场景中,例如***中与水下应答器的结合应用中,所述的一种水声信号收发处理设备可以实现区分水下应答器信号,精确估计信号到达时间,进行交汇解算以及发送测阵、遥控指令等大量信号处理任务。对长基线定位***的改进、水下靶场的建设、高速水下兵器的研制乃至国防建设均具有重要意义。
发明内容
本发明为一种长基线水声信号收发处理设备,其特征在于,主要由机箱和接口面板组成:机箱包括收发控制单元1、模拟处理单元2、模数/数模转换单元3、信号处理单元4、供电单元5、网络交换单元6、电源灯7以及同步状态灯8;接口面板包括电源接口9、USB接口10、网口11、同步BNC口12、输入端口13、输出端口14以及传感器端口15;机箱中收发控制单元1同时连接模拟处理单元2、供电单元5以及网络交换单元6;模拟处理单元2与数模/模数转换单元3连接,同时连接同步状态灯8、接口面板上的USB接口10、同步BNC口12以及传感器端口15,数模/模数单元3与接口面板上输入接口13和输出接口14连接;数模/模数单元3包含一个数模转换器DA芯片和一个模数转换器AD芯片;信号处理单元4与供电单元5和网络交换单元6连接,供电单元5与电源灯7以及接口面板上的电源接口9连接,网络交换单元6与接口面板上的网口11连接;模拟处理单元2包括接收机和发射机;接收机由单端射随输入16、放大模拟滤波17、放大及单端转差分18以及光耦隔离19组成;发射机由光耦隔离20和射随输出21组成。
所述的机箱具体包括:机箱底部设有预埋件,机箱衬板安装于机箱内;模拟处理单元2固定于衬板右侧,接口固定于机箱面板上;收发控制单元1连接于模拟处理单元2顶部并固定;模数/数模转换单元3连接于模拟处理单元2顶部并固定;信号处理单元4通过四根立柱固定于机箱衬板上;供电单元5固定于机箱衬板左侧;网络交换单元8通过四根立柱固定于机箱左侧;电源灯7、同步状态灯8固定于机箱后面板;机箱及衬板均为铝合金材质,连接件采用304不锈钢材质,电子单元电路采用沉金工艺。
所述的接口面板具体包括:接口面板的电源接口9外接220V交流电;USB接口10和网口11外接上位机;同步BNC口12外接时统/GPS秒脉冲/外触发;输入端口12外接水听器;输出端口14外接功放与发射换能器、传感器端口15外接压力传感器。
所述的模拟处理单元2具体包括:所述的接收机的单端射随输入16将信号传入放大模拟滤波17,放大模拟滤波17与放大及单端转差分18相连,放大及单端转差分18与光耦隔离电路19相连,最后将信号输入数模/模数单元3的模数转换器AD芯片;数模/模数单元3的数模转换器DA芯片与光耦隔离电路19相连,光耦隔离电路19连接射随输出21,射随输出21将信号输入功率放大器。
所述的供电单元5具体包括:供电单元5将220V交流电转为12V直流电,供给模拟处理单元2、信号处理单元4、以及网络交换单元6,电平转换模块23将12V转为5V,经过隔离DC-DC模块24和LDO芯片25后,产生5V、3.3V、2.5V电压,供给MicroZed核心板卡、AD/DA芯片、模拟接收或输出以及水听器前放供电。
所述的收发控制单元1选用的核心板卡采用MicroZed-7Z010核心板;所述的模数/数模转换单元3采用的模数转换器AD型号为PCM4202,采用的数模转换器DA型号为DAC8411;所述的信号处理单元4采用DSP TMS320C6678核心板卡进行数据处理;所述的网络交换单元6采用Router Board 450G网络交换机。
一种长基线水声信号收发处理设备的信号处理方法,具体包括如下步骤:
(1)装备上电,各单元电路进行初始化,与显控PC机进行网络连接;
(2)水声信号收发平台自检,进行工作模式设置,参数设定等;
(3)进行信号检测时延估计、水声遥控指令检测;
(4)将数据处理结果进行上传;
(5)针对数据进行定位和导航。
本发明的有益效果为:
区别于以往同类设备采用PCI收发控制单元结合PCI-E信号处理单元的开发框架,采用基于Zynq内核的MicroZed 7010核心板进行ARM与FPGA联合研发的模式,***资源利用率更高,易于开发与管理。结合DSP TMS320C6678核心板卡,该核心板强大的处理能力,能够很好地满足信号处理平台的需求,且便于***快速集成、性能可靠。该***的可用性强,为基于此水声信号收发处理设备的信号处理算法实现,显控界面设计等提供了应用平台。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明涉及的接口面板的结构示意图;
图3为本发明涉及的***硬件整体框图;
图4为本发明涉及的模拟处理单元的硬件框图;
图5为本发明供电单元结构示意图;
图6为本发明收发控制单元FPGA端功能框图;
图7为本发明收发控制单元ARM端功能框图;
图8为本发明数据处理单元DSP功能结构框图;
图9为本发明的操作流程图。
具体实施方式
本发明为一种长基线水声信号收发处理设备及其信号处理方法,通过测量各应答器信号到达的时间来进行定位,主要包含收发控制单元、模拟处理单元、模数/数模转换单元、信号处理单元、供电单元以及网络交换单元等。
下面结合附图对本发明进行详细说明:
结合图1、图2、图3所示,本发明中的水声信号收发处理设备包括:机箱和接口面板。机箱包括收发控制单元1、模拟处理单元2、模数/数模转换单元3、信号处理单元4、供电单元5网络交换单元6、电源灯7以及同步状态灯8。收发控制单元1同时连接模拟处理单元2、供电单元5以及网络交换单元6;模拟处理单元2还与数模/模数转换单元3连接,同时连接同步状态灯8、接口面板上的USB接口10、同步BNC口12以及传感器端口15;在此基础上,数模/模数转换单元3与接口面板上输入接口13和输出接口14连接。信号处理单元4与供电单元5和网络交换单元6连接。供电单元5与电源灯7以及接口面板上的电源接口9连接。网络交换单元6与接口面板上的网口11连接。
所述机箱底部设有预埋件,机箱衬板安装于机箱内。所述模拟处理单元2固定于衬板右侧,接口固定于机箱面板上;所述收发控制单元1连接于模拟处理单元2顶部并固定;所述模数/数模转换单元3连接于模拟处理单元2顶部并固定;所述信号处理单元4通过四根立柱固定于衬板上;所述的供电单元5固定于衬板左侧;所述网络交换单元8通过四根立柱固定于机箱左侧;所述电源灯7、同步状态灯8固定于机箱后面板。
接口面板包括电源接口9、USB接口10、网口11、同步BNC口12、输入端口13、输出端口14以及传感器端口15。其中,所述电源接口9外接220V交流电;USB接口10和网口11外接上位机;所述同步BNC口12外接时统/GPS秒脉冲/外触发;所述输入端口12外接水听器;所述输出端口14外接功放与发射换能器、传感器端口15外接压力传感器。
结合图1、图3、图6和图7,本实施方式的水声信号收发处理设备及其方法,所述的收发控制单元1选用的核心板卡采用Xilinx公司基于ZYNQ内核的MicroZed-7Z010核心板。
结合图1、图3、图4本实施方式的水声信号收发处理设备及其方法,所述的模拟处理单元2包括接收机和发射机。接收机由单端射随输入16、放大模拟滤波17、放大及单端转差分18以及光耦隔离19组成;发射机由光耦隔离20和射随输出21组成。
结合结合图1、图3本实施方式的水声信号收发处理设备及其方法,所述的模数/数模转换单元3采用的模数转换器AD型号为PCM4202;采用的数模转换器DA型号为DAC8411。
结合图1、图3、图8本实施方式的水声信号收发处理设备及其方法,所述的信号处理单元4,采用DSP TMS320C6678核心板卡进行数据处理。
结合图1、图3和图5所述的供电单元5将220V交流电转为12V直流电,供给模拟处理单元2、信号处理单元4、以及网络交换单元6,电平转换模块23将12V转为5V,经过隔离DC-DC模块24和LDO芯片25后,产生5V、3.3V、2.5V电压,供给MicroZed核心板卡、AD/DA芯片、模拟接收或输出以及水听器前放供电等。其中,指示灯组包括蓝色指示灯和红色指示灯。两种颜色分别设定为电源灯7和同步状态灯8,同步状态下,蓝灯闪烁周期即为同步周期,现场实验人员可根据指示灯状态进行处理。
结合图1、图3本实施方式的水声信号收发处理设备及其方法,所述的网络交换单元6采用Router Board 450G网络交换机。
结合图1、图2本实施方式的水声信号收发处理设备及其方法,所述的USB接口10存储U盘根据实际情况进行选择,按照需求存储实时数据。
结合图6、图7、图8和图9,本发明中的水声信号收发处理设备的信号处理方法通过以下步骤实现:
(1)装备上电,各单元电路进行初始化,与显控PC机进行网络连接。
(2)水声信号收发平台自检,进行工作模式设置,参数设定等。
(3)进行信号检测时延估计、水声遥控指令检测。
(4)将数据处理结果进行上传。
(5)针对数据进行定位和导航。
本发明采用较为先进的电子电路器件,保证了***运行的效率,实现了长基线***中水面平台上对水下目标的定位,水下目标进行自导航。在需要进行水下声信号接收和发射的场景中,例如***中与水下应答器的结合应用中,本发明可以实现区分水下应答器信号,精确估计信号到达时间,进行交汇解算以及发送测阵、遥控指令等大量信号处理任务。具体表现为本发明可实现以下功能:在水上用于发射水声遥控指令,进行应答器阵型校正及通过时延交汇进行水下目标定位功能;在水下,水声信号收发处理设备与应答器配合完成导航功能;具有内外同步及非同步触发输出信号功能;具有单路采集功能;具有接收GPS秒脉冲或外触发或时统的功能;能够实时、高效地进行较大规模数据的处理;具有原始数据存储的功能;方便的显示与控制功能。本发明满足了水上、水下两用需求,实现了标准化,含有丰富的功能及扩展接口,适用于不同的应用场景。机箱结构紧凑,使用方便,利于靶场试验的进行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种长基线水声信号收发处理设备,其特征在于,主要由机箱和接口面板组成:机箱包括收发控制单元(1)、模拟处理单元(2)、模数/数模转换单元(3)、信号处理单元(4)、供电单元(5)、网络交换单元(6)、电源灯(7)以及同步状态灯(8);接口面板包括电源接口(9)、USB接口(10)、网口(11)、同步BNC口(12)、输入端口(13)、输出端口(14)以及传感器端口(15);机箱中收发控制单元(1)同时连接模拟处理单元(2)、供电单元(5)以及网络交换单元(6);模拟处理单元(2)与数模/模数转换单元(3)连接,同时连接同步状态灯(8)、接口面板上的USB接口(10)、同步BNC口(12)以及传感器端口(15),数模/模数单元(3)与接口面板上输入接口(13)和输出接口(14)连接;数模/模数单元(3)包含一个数模转换器DA芯片和一个模数转换器AD芯片;信号处理单元(4)与供电单元(5)和网络交换单元(6)连接,供电单元(5)与电源灯(7)以及接口面板上的电源接口(9)连接,网络交换单元(6)与接口面板上的网口(11)连接;模拟处理单元(2)包括接收机和发射机;接收机由单端射随输入(16)、放大模拟滤波(17)、放大及单端转差分(18)以及光耦隔离(19)组成;发射机由光耦隔离(20)和射随输出(21)组成。
2.根据权利要求1所述的一种长基线水声信号收发处理设备,其特征在于,所述的机箱具体包括:
机箱底部设有预埋件,机箱衬板安装于机箱内;模拟处理单元(2)固定于衬板右侧,接口固定于机箱面板上;收发控制单元(1)连接于模拟处理单元(2)顶部并固定;模数/数模转换单元(3)连接于模拟处理单元(2)顶部并固定;信号处理单元(4)通过四根立柱固定于机箱衬板上;供电单元(5)固定于机箱衬板左侧;网络交换单元(8)通过四根立柱固定于机箱左侧;电源灯(7)、同步状态灯(8)固定于机箱后面板;机箱及衬板均为铝合金材质,连接件采用304不锈钢材质,电子单元电路采用沉金工艺。
3.根据权利要求1所述的一种长基线水声信号收发处理设备,其特征在于,所述的接口面板具体包括:
接口面板的电源接口(9)外接220V交流电;USB接口(10)和网口(11)外接上位机;同步BNC口(12)外接时统/GPS秒脉冲/外触发;输入端口(12)外接水听器;输出端口(14)外接功放与发射换能器、传感器端口(15)外接压力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种长基线水声信号收发处理设备,其特征在于,所述的模拟处理单元(2)具体包括:所述的接收机的单端射随输入(16)将信号传入放大模拟滤波(17),放大模拟滤波(17)与放大及单端转差分(18)相连,放大及单端转差分(18)与光耦隔离电路(19)相连,最后将信号输入数模/模数单元(3)的模数转换器AD芯片;数模/模数单元(3)的数模转换器DA芯片与光耦隔离电路(19)相连,光耦隔离电路(19)连接射随输出(21),射随输出(21)将信号输入功率放大器。
5.根据权利要求1所述的一种长基线水声信号收发处理设备,其特征在于,所述的供电单元(5)具体包括:供电单元(5)将220V交流电转为12V直流电,供给模拟处理单元(2)、信号处理单元(4)、以及网络交换单元(6),电平转换模块(23)将12V转为5V,经过隔离DC-DC模块(24)和LDO芯片(25)后,产生5V、3.3V、2.5V电压,供给MicroZed核心板卡、AD/DA芯片、模拟接收或输出以及水听器前放供电。
6.根据权利要求1所述的水声信号收发处理设备及其方法,其特征在于:所述的收发控制单元(1)选用的核心板卡采用MicroZed-7Z010核心板;所述的模数/数模转换单元(3)采用的模数转换器AD型号为PCM4202,采用的数模转换器DA型号为DAC8411;所述的信号处理单元(4)采用DSP TMS320C6678核心板卡进行数据处理;所述的网络交换单元(6)采用Router Board 450G网络交换机。
7.一种长基线水声信号收发处理设备的信号处理方法,具体包括如下步骤:
(1)装备上电,各单元电路进行初始化,与显控PC机进行网络连接;
(2)水声信号收发平台自检,进行工作模式设置,参数设定等;
(3)进行信号检测时延估计、水声遥控指令检测;
(4)将数据处理结果进行上传;
(5)针对数据进行定位和导航。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181218 |
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