CN112379432A - 小道数轻便式水听器阵列采集*** - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域，为提出长度小、体积小、重量轻的水听器阵列采集***。为此，本发明采取的技术方案是，小道数轻便式水听器阵列采集***，由水听器阵列、电子舱、前导段、数据处理与控制中心组成；N个压电水听器根据需要均匀或非均匀地布设在水听器阵列中，作为传感器去采集水声信号；电子舱与各个水听器之间、前导段内的信号传输介质均为屏蔽双绞线；前导段传输控制命令和水声信号数据，并且将水听器阵列和数据处理与控制中心隔开距离，避免数据处理与控制中心的噪声对水听器阵列探测性能的影响。本发明主要应用于地球物理勘探场合。

Description

小道数轻便式水听器阵列采集***

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，特别是涉及一种小道数轻便式的水听器阵列采集***，具体讲,涉及小道数轻便式水听器阵列采集***。

背景技术

水下声学探测依赖于各种高性能的声呐，水听阵列采集***是最具代表性的声呐种类之一，在水下反潜、目标定位、军事监测等军用领域，以及海洋资源勘探、环境环境监测等领域方面具有广泛的应用。水听器阵列采集***主要由数据记录及控制中心和水听器阵列两部分组成。传统的水听器阵列探测***一般列装在潜艇、军舰等大型拖曳平台上，为了获得尽可能高的水下目标探测与定位精度以及大的阵列孔径，传统水听器阵列的体积、重量和长度都非常可观，因此，要求拖曳平台上具有足够大的牵引拖力和体积。

然而，一方面，在一些未知或存在危险的水域，应尽量避免人员在现场作业，因此近年来水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)、水下滑翔机和无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)等小型无人拖曳平台在水下探测、监测等方面得到了快速的发展，然而由于这些小型无人拖曳平台的牵引力和体积都很小，因此在进行水下目标高精度远距离定位时，传统水听器阵列采集***无法与其相匹配。

另一方面，传统水听器阵列采集***的水听器道数多、结构复杂性高、***同步性与协调性控制难度大、制造和维修成本高，为制造、使用和后期维护带来了极大难度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出长度小、体积小、重量轻的水听器阵列采集***。为此，本发明采取的技术方案是，小道数轻便式水听器阵列采集***，由水听器阵列、电子舱、前导段、数据处理与控制中心组成；N个压电水听器根据需要均匀或非均匀地布设在水听器阵列中，作为传感器去采集水声信号；电子舱与各个水听器之间、前导段内的信号传输介质均为屏蔽双绞线；前导段传输控制命令和水声信号数据，并且将水听器阵列和数据处理与控制中心隔开距离，避免数据处理与控制中心的噪声对水听器阵列探测性能的影响；

电子舱由采集模块和传输模块组成，采集模块和传输模块之间通过上行数据链路和下行命令链路进行连接；

采集模块与所有水听器直接相连，能同时接收和处理多个水听器传来的信号，是小道数轻便式水听器阵列采集***的模拟前端，它能够实现N通道水声信号的信号调理、模数转换与预处理；

采集模块由信号调理模块、模数转换模块、采集模块控制中心组成；信号调理模块与模数转换模块将压电水听器通过屏蔽双绞线传来的水声信号或进行放大、滤波与模数转换处理，然后再将数字数据传送至采集模块控制中心；采集模块控制中心一方面接收和解析传输模块通过下行命令链路下传的控制命令，并根据命令内容对采集模块的工作状态进行相应控制；另一方面，采集模块控制中心接收N个信号采集通道信号数字化后的数据，并将其按照协议打包成帧，通过上行数据链路上传给传输模块；

传输模块是连接数据处理与控制中心和水听器阵列的桥梁，传输模块中的传输模块处理中心将采集模块上传的数据按通讯协议打包成帧，通过数据远程发送模块和上行数据链路，上传至数据处理与控制中心，并通过命令远程接收模块和下行命令链路，接收数据处理与控制中心下传的控制命令；数据处理与控制中心中的数据远程接收模块接收通过上行数据链路接收上传的数据，然后将其上传至主控***，命令远程发送模块通过下行命令链路向下转发各项控制命令，主控***主要完成数据的接收、存储与回显，以及整个水听器阵列采集***的控制。

本发明的特点及有益效果是：

本发明能克服如下缺点：(1)本发明能够克服传统水听器阵列采集***水听器道数多、结构复杂性高、***同步性与协调性控制难度大、制造和维修成本高的缺点；(2)本发明能够克服传统大道数水听器阵列采集***无法与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台匹配的缺点。

本发明具有如下优点：(1)长度小，体积小、重量轻，便于制造、使用和维护，能够广泛与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台联合使用；(2)采用性价比高、结构简单、性能稳定、灵敏度响应平坦的压电水听器来获取信号，***制造成本低，采集到的信号质量能够满足大多数水下探测、监测的性能需求。(3)采用机械强度高、连接简单方便、抗干扰能力强的屏蔽双绞线作为水声信号传输介质，***可靠性高，信号传输质量和传输速率高。

附图说明：

本发明的其它目的和方面将参考附图从以下具体实施方式中变得清楚，附图中：

图1示出本发明的小道数轻便式水听器阵列探测***的总体方案结构图。

图2示出本发明的采集模块结构图。

图3示出本发明的传输模块和数据处理与控制中心的结构图。

图1中：1为水听器阵列；2为电子舱；3为前导段；4为数据处理与控制中心；5为压电水听器；6为屏蔽双绞线；7为采集模块；8为传输模块；9为上行数据链路；10为下行命令链路；11为上行数据链路；12为下行命令链路。

图2中：13为信号调理模块；14为模数转换模块；15为采集模块控制中心。

图3中：16为传输模块控制中心；17为数据远程发送模块；18为命令远程接收模块；19为上行数据链路；20为下行命令链路；21为数据远程接收模块；22为命令远程发送模块；23为主控***。

具体实施方式

(1)本发明中，水听器阵列采集***长度小、体积小、重量轻，水听器阵列的外直径不大于50mm，长度不超过100m，阵列内的水听器不超过32个，能够大大降低对制造设备和场地的要求，同时出海工作过程中便于运输和布置，对拖曳平台的运动性能影响小，牵引力要求小，能够广泛与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台或固定平台联合使用，进行水下探测、监测等，且***易于维护；

(2)本发明中，水听器阵列中的传感器采用压电水听器，以利用压电水听器性价比高、结构简单、性能稳定、灵敏度响应平坦的优点，水听器阵列采集***内全部采用电线进行电信号的传输和处理，***中的信号进行远距离传输时则采用机械强度高、焊接简单方便、抗干扰能力强的屏蔽双绞线，从而在保证水听器阵列采集***获取的信号质量满足大多数水下声学探测的性能需求的前提条件下，降低***的制造难度和成本。

为克服现有技术的不足，本发明提供一种小道数轻便式水听器阵列采集***，特能够克服如下缺点：(1)本发明能够克服传统水听器阵列采集***水听器道数多、结构复杂性高、***同步性与协调性控制难度大、制造和维修成本高的缺点；(2)本发明能够克服传统水听器阵列采集***无法与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台匹配的缺点。

本发明具有如下优点：(1)长度小，体积小、重量轻，便于制造、使用和维护，能够广泛与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台联合使用；(2)采用性价比高、结构简单、性能稳定、灵敏度响应平坦的压电水听器来获取信号，***制造成本低，采集到的信号质量能够满足大多数水下探测、监测的性能需求。(3)采用机械强度高、连接简单方便、抗干扰能力强的屏蔽双绞线作为水声信号传输介质，***可靠性高，信号传输质量和传输速率高；

本发明采取的技术方案是，一种小道数轻便式水听器阵列探测***，包括：

首先确定小道数轻便式水听器阵列采集***的总体方案。小道数轻便式水听器阵列探测***的总体方案如图1所示，它主要由水听器阵列1，电子舱2，前导段3，数据处理与控制中心4组成；

进一步，N(1≤N≤32)个压电水听器5根据需要均匀或非均匀地布设在阵列1中，作为传感器去采集水声信号；水听器阵列的外直径不大于50mm，长度不超过100m；水听器阵列采集***中所有信号传输介质均为电线，其中电子舱2与各个水听器之间、前导段3内的信号传输介质均为屏蔽双绞线；

进一步，前导段3传输控制命令和水声信号数据，并且将水听器阵列1和数据处理与控制中心4隔开一定距离，避免数据处理与控制中心的噪声对水听器阵列1探测性能的影响；

进一步，电子舱2由采集模块7和传输模块8组成，采集模块7和传输模块8之间通过上行数据链路9和下行命令链路10进行连接；

进一步，采集模块7与所有水听器直接相连，能同时接收和处理多个水听器传来的信号，是小道数轻便式水听器阵列采集***的模拟前端，它能够实现N通道水声信号的信号调理、模数转换与预处理；采集模块7的结构如图2所示，主要由信号调理模块13、模数转换模块14、采集模块控制中心15组成；信号调理模块13与模数转换模块14将压电水听器5通过屏蔽双绞线6传来的水声信号或进行放大、滤波与模数转换处理，然后再将数字数据传送至采集模块控制中心15；采集模块控制中心15一方面接收和解析传输模块8通过下行命令链路10下传的控制命令，并根据命令内容对采集模块7的工作状态进行相应控制；另一方面，采集模块控制中心接收N个信号采集通道信号数字化后的数据，并将其按照协议打包成帧，通过上行数据链路9上传给传输模块8；

进一步，传输模块是连接数据处理与控制中心4和水听器阵列1的桥梁，传输模块8及数据处理与控制中心4的结构如图3所示；传输模块8中的传输模块处理中心16将采集模块上传的数据按通讯协议打包成帧，通过数据远程发送模块17和上行数据链路11，上传至数据处理与控制中心4，并通过命令远程接收模块18和下行命令链路12，接收数据处理与控制中心4下传的控制命令；数据处理与控制中心4中的数据远程接收模块21接收通过上行数据链路19接收上传的数据，然后将其上传至主控***，命令远程发送模块22通过下行命令链路20向下转发各项控制命令，主控***23主要完成数据的接收、存储与回显，以及整个水听器阵列采集***的控制；

为克服现有技术的不足，本发明提供一种小道数轻便式水听器阵列采集***，特能够克服如下缺点：(1)本发明能够克服传统水听器阵列采集***水听器道数多、结构复杂性高、***同步性与协调性控制难度大、制造和维修成本高的缺点；(2)本发明能够克服传统水听器阵列采集***无法与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台匹配的缺点。

本发明具有如下优点：(1)长度小，体积小、重量轻，便于制造、使用和维护，能够广泛与AUV、水下滑翔机、USV等小型无人拖曳平台联合使用；(2)采用性价比高、结构简单、性能稳定、灵敏度响应平坦的压电水听器来获取信号，***制造成本低，采集到的信号质量能够满足大多数水下探测、监测的性能需求。(3)采用机械强度高、连接简单方便、抗干扰能力强的屏蔽双绞线作为水声信号传输介质，***可靠性高，信号传输质量和传输速率高；

下面结合具体实例进一步详细说明本发明。

本发明采取的技术方案是，一种小道数轻便式水听器阵列探测***，包括：

首先确定小道数轻便式水听器阵列采集***的总体方案。小道数轻便式水听器阵列探测***的总体方案如图1所示，它主要由水听器阵列1，电子舱2，前导段3，数据处理与控制中心4组成；

进一步，16个压电水听器5根据需要均匀地布设在阵列1中，作为传感器去采集水声信号，水听器阵列长10米，外径45mm，内径39mm，水听器间距0.5m；水听器阵列采集***中所有信号传输介质均为电线，其中电子舱2与各个水听器之间、前导段3内的信号传输介质均为屏蔽双绞线；

进一步，前导段3传输控制命令和水声信号数据，并且将水听器阵列1和数据处理与控制中心4隔开一定距离，避免数据处理与控制中心的噪声对水听器阵列1探测性能的影响，前导段长度为50m；

进一步，电子舱2由采集模块7和传输模块8组成，采集模块7和传输模块8之间通过上行数据链路9和下行命令链路10进行连接；

进一步，采集模块7与所有水听器直接相连，能同时接收和处理多个水听器传来的信号，是小道数轻便式水听器阵列采集***的模拟前端，它能够实现16通道水声信号的信号调理、模数转换与预处理；采集模块7的结构如图2所示，主要由信号调理模块13、模数转换模块14、采集模块控制中心15组成；信号调理模块13与模数转换模块14将压电水听器5通过屏蔽双绞线6传来的水声信号或进行放大、滤波与模数转换处理，然后再将数字数据传送至采集模块控制中心15；采集模块控制中心15一方面接收和解析传输模块8通过下行命令链路10下传的控制命令，并根据命令内容对采集模块7的工作状态进行相应控制；另一方面，采集模块控制中心接收16个信号采集通道信号数字化后的数据，并将其按照协议打包成帧，通过上行数据链路9上传给传输模块8；采集模块控制中心15采用现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)作为主控芯片，从而实现采集模块7的多任务并行数据高速采集、处理和传输；

进一步，传输模块是连接数据处理与控制中心4和水听器阵列1的桥梁，传输模块8及数据处理与控制中心4的结构如图3所示；传输模块8中的传输模块处理中心16将采集模块上传的数据按通讯协议打包成帧，通过数据远程发送模块17和上行数据链路11，上传至数据处理与控制中心4，并通过命令远程接收模块18和下行命令链路12，接收数据处理与控制中心4下传的控制命令；数据处理与控制中心4中的数据远程接收模块21接收通过上行数据链路19接收上传的数据，然后将其上传至主控***，命令远程发送模块22通过下行命令链路20向下转发各项控制命令，主控***23主要完成数据的接收、存储与回显，以及整个水听器阵列采集***的控制；传输模块处理中心16采用FPGA作为主控芯片，从而实现传输模块8的多任务并行数据高速采集、处理和传输。

Claims (1)

1.一种小道数轻便式水听器阵列采集***，其特征是，由水听器阵列、电子舱、前导段、数据处理与控制中心组成；N个压电水听器根据需要均匀或非均匀地布设在水听器阵列中，作为传感器去采集水声信号；电子舱与各个水听器之间、前导段内的信号传输介质均为屏蔽双绞线；前导段传输控制命令和水声信号数据，并且将水听器阵列和数据处理与控制中心隔开距离，避免数据处理与控制中心的噪声对水听器阵列探测性能的影响；

电子舱由采集模块和传输模块组成，采集模块和传输模块之间通过上行数据链路和下行命令链路进行连接；

采集模块与所有水听器直接相连，能同时接收和处理多个水听器传来的信号，是小道数轻便式水听器阵列采集***的模拟前端，它能够实现N通道水声信号的信号调理、模数转换与预处理；

采集模块由信号调理模块、模数转换模块、采集模块控制中心组成；信号调理模块与模数转换模块将压电水听器通过屏蔽双绞线传来的水声信号或进行放大、滤波与模数转换处理，然后再将数字数据传送至采集模块控制中心；采集模块控制中心一方面接收和解析传输模块通过下行命令链路下传的控制命令，并根据命令内容对采集模块的工作状态进行相应控制；另一方面，采集模块控制中心接收N个信号采集通道信号数字化后的数据，并将其按照协议打包成帧，通过上行数据链路上传给传输模块；

传输模块是连接数据处理与控制中心和水听器阵列的桥梁，传输模块中的传输模块处理中心将采集模块上传的数据按通讯协议打包成帧，通过数据远程发送模块和上行数据链路，上传至数据处理与控制中心，并通过命令远程接收模块和下行命令链路，接收数据处理与控制中心下传的控制命令；数据处理与控制中心中的数据远程接收模块接收通过上行数据链路接收上传的数据，然后将其上传至主控***，命令远程发送模块通过下行命令链路向下转发各项控制命令，主控***主要完成数据的接收、存储与回显，以及整个水听器阵列采集***的控制。

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