技术领域
[0001] 本
发明属于
水下通信和水声潜标
信号声学传输以及处理、海洋声学仪器设备技术领域，具体涉及一种用于深海的声学潜标系统。
背景技术
[0002] 海洋声学潜标能携带多种声学测量和海洋环境传感设备，布放于深海海域后在水下自主工作，相对隐蔽地进行长期、定点的水声信号采集、记录、处理和水声信号发射，以及连续、多层面的同步海洋环境测量，是开展海洋声学技术研究的重要装备。深海声学潜标装置具有系统复杂、使用需求多样、传感设备种类众多、技术先进、不易遭到破坏的特点，在海洋科学调查研究、海洋军事等方面得到了广泛的应用。
[0003] 鉴于海洋声学潜标使用需求的多样化，目前应用于海洋声学技术研究的声学潜标的专用性较强，一般采用一标一用的设计方法，针对具体的应用需求，采用定制化设计的舱内控制
电子系统和与
海水接触的湿端部件。对于各种类型和不同应用需求的声学潜标来说，一方面，没有充分利用声学潜标通用模
块，大幅增加
硬件成本，另一方面，不同声学潜标的特点各异、操作要求不同，增加了使用和运行维护的难度。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，为解决现有海洋声学潜标存在的上述
缺陷，本发明提出了一种用于深海的声学潜标系统，该系统能够做到一标多用，并用于深海环境下的水声物理研究、海洋调查、水声探测、通信、导航
定位和国家海洋安全等诸多研究；该系统克服当前声学潜浮标专用性强的局限性，提高声学潜标系统中各单元的利用率，降低声学潜标系统的维护保障难度。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种用于深海的声学潜标系统，该系统包括：
基础模块和功能扩展模块；功能扩展模块中的各单元插接在设置基础模块上的多个通用
接口上；
[0006] 所述基础模块，用于深海水密耐压、低功耗水下值班、系统状态监控和提供多个通用接口；
[0007] 所述功能扩展模块，用于完成深海的多通道水声信号采集记录、水声信号接收和处理、待发射的水声信号准时发射。
[0008] 作为上述技术方案的改进之一，所述基础模块进一步包括：主控处理器、接口单元、弱电电源单元、水密及机械结构单元；
[0009] 所述主控处理器，用于完成通用潜标平台的低功耗水下值班、系统状态监测和控制；
[0010] 所述接口单元，用于提供多个通用接口，并实现主控处理器、弱电电源单元、水密及机械结构单元、功能扩展模块的各单元的接口连接；
[0011] 所述弱电电源单元，用于提供电源管理和控制，为主控处理器、接口单元、功能扩展模块的各单元提供弱电电源；所述弱电电源单元采用一次性锂
电池或可充式锂电池；
[0012] 所述水密及机械结构单元，用于提供深海水密耐压。
[0013] 作为上述技术方案的改进之一，所述主控处理器包括：第一处理单元、第二处理单元和存储单元；
[0014] 所述第一处理单元，用于完成通用潜标平台的低功耗水下值班、水下
能源供给；
[0015] 所述第二处理单元，用于对系统状态进行监测和控制；
[0016] 所述存储单元，用于存储准时发射参数。
[0017] 作为上述技术方案的改进之一，所述水密及机械结构单元包括：深海水密电子舱和系留结构；
[0018] 所述水密电子舱，用于将主控处理器、接口单元、弱电电源单元、水密及机械结构单元均安装位于水密电子舱内部，并保护位于舱内部的各单元在深海下恶劣环境中正常工作；
[0019] 所述系留结构为保障水密电子舱、其他湿端设备在水中
位置和深度稳定的
支撑平台。
[0020] 作为上述技术方案的改进之一，所述系留结构包括：浮体、系留缆、深海声学释放器、锚系重块；
[0021] 浮体的下方连接深海水密电子舱，深海水密电子舱的下方顺序连接系留缆、深海声学释放器、锚系重块。
[0022] 作为上述技术方案的改进之一，所述功能扩展模块进一步包括：深海
水听器阵列、
数据采集单元、数据存储单元、时钟和
信号处理单元、高
精度频标单元、功放单元、深海发射换能器和强电电源单元；
[0023] 所述深海水听器阵列，用于完成多路水声信号的声电转换、前置放大和滤波，获得多路
模拟信号，并将拾取到的每个
采样点的多路模拟
信号传输至数据采集单元；
[0024] 所述数据采集单元，用于接收并将拾取的每个采样点的多路模拟信号进行调理和AD转换的预处理，获得每个采样点的预处理后的多路
数字信号；
[0025] 所述数据存储单元，用于存储、记录每个采样点的预处理后的数字信号；
[0026] 所述时钟和信号处理单元，用于对预先存储在主控处理器中的准时发射参数进行编码，获得待发射水声信号，并依据高精度频标单元提供的精准
频率源信号，向功放单元发送触发信号，并维持高精度的工作时钟；
[0027] 所述高精度频标单元，用于采用低功耗
原子频标，为时钟和信号处理单元提供高精度的频率源信号，同时可在岸上通过接入铷钟系统，对高精度频标单元进行驯服，使其保持更高精度；
[0028] 所述功放单元，用于接收时钟和信号处理单元输出的待发射水声信号，并对该待发射水声信号进行功率放大，获得放大后的待发射水声信号；所述功放单元同时接收时钟和信号处理单元输出的触发信号，当接收到触发信号后，立即将放大后的待发射水声信号输出至深海发射换能器；
[0029] 所述深海发射换能器，用于实现电声
能量的转换，接收放大后的待发射水声信号，将其转换为声能量，在海水中
辐射出去；
[0030] 所述强电电源单元，用于向功放单元提供强电电源。
[0031] 作为上述技术方案的改进之一，所述功能扩展模块还包括：上位机单元和海洋仪器设备；
[0032] 所述上位机单元，用于与主控处理器相连接，实现
人机交互；
[0033] 所述海洋仪器设备，用于提供ADCP、CTD、海底
地震仪、
生物传感器、化学传感器的连接接口，实现海洋环境信息观测。
[0034] 作为上述技术方案的改进之一，所述深海水听器阵列包括：多个压电型水听器单元，通过多个压电型水听器单元拾取每个采样点的多路水声信号，并将拾取的每个采样点的多路水声信号进行声电转换、前置放大和滤波，获得每个采样点的多路模拟信号，并将拾取到的每个采样点的多路模拟信号传输至数据采集单元。
[0035] 作为上述技术方案的改进之一，所述强电电源单元为一次性锂电池或可充式锂电池。
[0036] 作为上述技术方案的改进之一，所述通用潜标平台具体包括：浮体、水密电子舱、深海声学换能器、深海水听器阵列、系留缆、浮球、深海声学释放器、锚系重块、海洋仪器设备；浮体位于海面上，其下顺序连接水密电子舱、深海声学换能器、深海水听器阵列、系留缆、浮球、深海声学释放器、锚系重块、海洋仪器设备。
[0037] 本发明相比于
现有技术的有益效果在于：
[0038] 1、本发明提出了一种用于深海的声学潜标系统，基于基础模块，通过选择不同的功能扩展模块满足各种使用需求，达到一标多用的目的。该系统克服了当前声学潜浮标专用性强的局限性，同时提高了潜标各单元的利用率，降低了试验设备的维护保障难度。
[0039] 2.本发明的系统是一种可应用于深海环境的综合性声学潜标系统，集成了水声信号采集记录、水声信号接收和处理、待发射水声信号准时发射、海洋环境监测、人机交互等多种功能，能够满足水声物理研究、海洋调查、水声探测、通信、导航定位和国家海洋安全等诸多研究领域的使用需求。
[0040] 3.该潜标平台采用功能模块化和接口标准化的思路，一方面通过功能切分将潜标平台分为若干个基础模块和功能扩展模块，另一方面各单元间采用标准化的硬件接口和
软件协议，便于潜标平台的系列化、组合化设计，也有利于系统进一步改造和能
力升级。
附图说明
[0041] 图1是本发明的一种用于深海的声学潜标系统的潜标平台的结构示意图；
[0042] 图2是本发明的一种用于深海的声学潜标系统的结构示意图；
[0043] 图3是本发明的一种用于深海的声学潜标系统的工作
流程图。
[0044] 附图标记：
[0045] 1、浮体 2、水密电子舱
[0046] 3、深海声学换能器 4、深海水听器阵列
[0047] 5、系留缆 6、浮球
[0048] 7、深海声学释放器 8、锚系重块
[0049] 9、海洋仪器设备
具体实施方式
[0050] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0051] 本发明提供了一种用于深海的声学潜标系统，如图2所示，该系统包括：基础模块和功能扩展模块；功能扩展模块中的各单元插接在设置基础模块上的多个通用接口上，以实现对应的扩展功能；
[0052] 所述基础模块，用于深海水密耐压、低功耗水下值班、系统状态监控和通用接口；
[0053] 其中，所述基础模块进一步包括：主控处理器、接口单元、弱电电源单元、水密及机械结构单元；
[0054] 所述主控处理器，用于完成通用潜标平台的低功耗水下值班、系统状态监测和控制；
[0055] 具体地，所述主控处理器包括：第一处理单元、第二处理单元和存储单元；
[0056] 所述第一处理单元，用于完成通用潜标平台的低功耗水下值班、水下能源供给；
[0057] 所述第二处理单元，用于对系统状态进行监测和控制；
[0058] 所述存储单元，用于存储准时发射参数、采集记录参数和海洋环境检测参数；
[0059] 其中，所述第一处理单元和第二处理单元均设置在低功耗MSP430
单片机中，并在该单片机上设有多个通用接口，通过各自的通用接口，分别与接口单元、弱电电源单元、水密及机械结构单元和功能扩展模块的各单元的接口连接并进行信息交互。
[0060] 所述接口单元，用于提供多个通用接口，并实现主控处理器、弱电电源单元、水密及机械结构单元、功能扩展模块的各单元的接口连接；所述接口单元为一片低功耗FPGA芯片，具备RS232、RS485、以太网的通用接口；
[0061] 所述弱电电源单元，用于提供电源管理和控制，实现弱电电源的通断，为主控处理器、接口单元、功能扩展模块的各单元提供弱电电源；所述弱电电源单元采用一次性锂电池或可充式锂电池；
[0062] 所述水密及机械结构单元，用于提供深海水密耐压。
[0063] 具体地，所述水密及机械结构单元包括：深海水密电子舱2和系留结构；
[0064] 所述水密电子舱2，用于将主控处理器、接口单元、弱电电源单元、水密及机械结构单元均安装位于水密电子舱内部，并保护位于舱内部的各单元在深海下恶劣环境中正常工作；所述深海水密电子舱的结构是根据耐压环境和干端设备的安装要求，采用圆柱形或球形结构；深海水密电子舱的壳体材料采用抗
腐蚀性好、强度高的
钛合金或不锈
钢材料制成。所述电子设备包括：主控处理器、接口单元、弱电电源单元、数据采集单元、数据存储单元、时钟和信号处理单元、高精度频标单元、功放单元和强电电源单元。
[0065] 所述系留结构为保障水密电子舱2、其他湿端设备在水中位置和深度稳定的支撑平台。通过合理的
浮力设计，系留结构可使通用潜标平台的各组成部分在
风、浪、潮、流的环境中保持位置的相对稳定。
[0066] 其中，所述系留结构包括：浮体1、系留缆5、深海声学释放器7、锚系重块8；
[0067] 浮体1的下方连接深海水密电子舱2，深海水密电子舱2的下方顺序连接系留缆5、深海声学释放器7、锚系重块8。
[0068] 所述功能扩展模块，用于完成深海的多通道水声信号采集记录、水声信号接收和处理、待发射水声信号准时发射、海洋环境监测和人机交互。
[0069] 具体地，如图2所示，所述功能扩展模块进一步包括：深海水听器阵列4、数据采集单元、数据存储单元、时钟和信号处理单元、高精度频标单元、功放单元、深海发射换能器和强电电源单元；
[0070] 所述深海水听器阵列4，用于完成多路水声信号的声电转换、前置放大和滤波，获得多路模拟信号，并将拾取到的每个采样点的多路模拟信号传输至数据采集单元；具体地，所述深海水听器阵列4包括：多个压电型水听器单元，通过多个压电型水听器单元拾取每个采样点的多路水声信号，并将拾取的每个采样点的多路水声信号进行声电转换、前置放大和滤波，获得每个采样点的多路模拟信号，并将拾取到的每个采样点的多路模拟信号传输至数据采集单元；
[0071] 所述数据采集单元，用于接收并将拾取的每个采样点的多路模拟信号进行调理和AD转换的预处理，获得每个采样点的预处理后的多路数字信号；
[0072] 所述数据存储单元，用于存储、记录每个采样点的预处理后的数字信号；所述数据存储单元包括若干固态
硬盘，每个固态硬盘中按时间顺序存储、记录每个采样点的多路数字信号，并将其回收至岸上，用于试验数据的分析和处理；其中，所述数据存储单元中的每个固态硬盘，按照采集时间顺序，先存储第一个采样点的多了数字信号，然后存储第二个采样点的多路数字信号，依此类推，直至将第一块固态硬盘存满，然后自动切换至第二块固态硬盘继续按照采集时间顺序进行存储，直至将第二块固态硬盘存满，依此类推。
[0073] 所述时钟和信号处理单元，用于对预先存储在主控处理器中的准时发射参数进行编码，获得待发射水声信号，并依据高精度频标单元提供的精准频率源信号，向功放单元发送触发信号，并维持高精度的工作时钟；
[0074] 所述高精度频标单元，用于采用低功耗原子频标，为时钟和信号处理单元提供高精度的频率源信号，同时可在岸上通过接入铷钟系统，对高精度频标单元进行驯服，使其保持更高精度；
[0075] 所述功放单元，用于接收时钟和信号处理单元输出的待发射水声信号，并对该待发射水声信号进行功率放大，获得放大后的待发射水声信号；所述功放单元同时接收时钟和信号处理单元输出的触发信号，当接收到触发信号后，立即将放大后的待发射水声信号输出至深海发射换能器；
[0076] 所述深海发射换能器，用于实现电声能量的转换，接收放大后的待发射水声信号，将其转换为声能量，在海水中辐射出去。
[0077] 所述功能扩展模块还包括上位机单元，所述上位机单元，用于与主控处理器相连接，实现人机交互；
[0078] 所述功能扩展模块还包括海洋仪器设备，所述海洋仪器设备，用于提供ADCP、CTD、海底地震仪、
生物传感器、化学传感器的连接接口，实现连接ADCP、CTD、海底地震仪、生物传感器、化学传感器，进行多功能、多参数的海洋环境信息观测。
[0079] 其中，如图1所示，所述通用潜标平台具体包括：浮体1、水密电子舱2、深海声学换能器3、深海水听器阵列4、系留缆5、浮球6、深海声学释放器7、锚系重块8、海洋仪器设备9；
[0080] 深海通用声学潜标平台的顶部为浮体1；浮体1的下部通过凯夫拉绳与水密电子舱2相连接；其下通过凯夫拉绳顺序连接深海声学换能器3、深海水听器阵列4、系留缆5、浮球
6、深海声学释放器7、锚系重块8、海洋仪器设备9。
[0081] 本发明提出了一种用于深海的声学潜标系统，是一种应用于深海环境的通用型声学潜标系统，即同一潜标平台可在基础模块的基础上，通过选择功能扩展模块中不同的单元来满足各种使用需求，达到一标多用的目的，体现了该系统的通用性。
[0082] 本发明提出的深海通用声学潜标平台是一种可应用于深海环境的综合性声学潜标系统。如果该系统选配功能扩展模块中的所有单元，则可集成多路水声信号采集记录、水声信号接收和处理、水声信号准时发射、海洋环境监测、人机交互的不同功能于一体，满足海洋观测和海上试验研究对于声学潜标的综合需要；若仅需要一种或几种扩展功能，也可通过选配一个或几个不同的单元，实现定制化需求，体现了该系统的综合性。例如，[0083] 通过选配深海水听器阵列、数据采集单元和数据存储单元，实现水声信号采集和记录；
[0084] 通过选配深海水听器阵列4、时钟和信号处理单元，实现水声信号接收和处理；
[0085] 通过选配时钟和信号处理单元、高精度频标、换能器与功放单元，实现水声信号准时发射；
[0086] 通过选配上位机单元，实现人机交互功能：
[0087] 通过选配海洋仪器设备，实现海洋环境监测功能。
[0088] 该深海通用声学潜标平台采用模块化的思路，由基础模块和功能扩展模块组成。各单元在功能上相互独立，同时又具有各自标准化的接口。一方面通过基础模块实现该深海通用声学潜标平台的底层基本功能，另一方面可选配相应的功能扩展模块中的单元，直接与基础功能模块中的各单元拼插，实现一种或几种扩展功能，从而满足特定的声学潜标使用需求。此外，后续还可根据特殊使用需要，定制额外的具备标准接口的其他功能性单元，在基础模块和已有的功能扩展模块基础上，进一步实现功能扩展。
[0089] 如图1所示，深海通用声学潜标平台的顶部为浮体1，其下部通过凯夫拉绳与水密电子舱2相连接；水密电子舱下部配置了换能器3和深海水听器阵列4。深海水听器阵列向下分别是系留缆5、浮球6、声学释放器7和锚系重块8。在浮体1、水密电子舱2附近以及系留缆5上，也可以配置海洋仪器设备9，用于实现不同的功能扩展。
[0090] 如图3所示，所述功能扩展模块中需要对各单元进行插接判断、工作模式参数读取、根据上位机命令或各工作参数执行相应任务。
[0091] 数据采集单元、功放单元、其他海洋仪器设备及上位机单元具备即插即用功能，当其与声学潜标系统的电气接口连通后，主控处理器可根据握手信号判断是否接入以上对应的单元，同时将以上对应的单元所对应的工作模式标记置位；
[0092] 主控处理器根据置位的工作模式标记，读取主控处理器中存储的相应模式的工作参数；该工作参数也可以通过上位机命令下达至主控处理器；上位机指令包含：声学潜标系统状态检测、故障复归、各路电源上断电、主控处理器授时守时、上传主控处理器时间、高精度频标单元驯服、潜标系统参数配置、各工作模式参数下发和上传；各工作模式的工作参数包含：采集记录参数(采样率、通道数、采集记录模式、开始采集时间、采集时长、采集次数、工作时间间隔)、准时发射参数(开始发射时间、发射时长、发射
波形编码参数、发射时间间隔、发射次数)、海洋环境监测参数(监测参量、开始监测时间、监测时长、监测次数、监测时间间隔)；
[0093] 最后，主控处理器根据接收的上位机命令，响应和执行；同时，主控处理器根据读取的各工作模式参数，判断是否插接、是否到达任务开始时间，执行相应的工作任务。
[0094] 如图3所示，系统的主控处理器开始运行后，首先进行共功能扩展模块中的各单元的插接判断。依次通过不同单元的握手信号响应判断是否插接了数据采集单元、功放单元、其他海洋仪器设备及上位机单元；如一个或多个功能扩展模块已插接，则按顺序将相应的工作模式标记置位。然后进行各工作模式参数的读取。依次判断采集记录模式标记是否置位、准时发射模式标记是否置位、海洋环境监测模式是否置位、人机交互模式标记是否置位，如一个标记或多个标记已置位，则按顺序从主控处理器的存储单元中读取预先存好的相应的工作模式参数或读取人机交互模式的命令，并清除该标记。最后，根据以上获取的工作模式参数或人机交互命令，依次判断采集记录时间是否到达、准时发射时间是否到达、海洋环境监测时间是否到达、是否接收到上位机指令，如是，则按照之前获取的工作模式参数或人机交互命令，执行相应的任务。之后再次循环执行各功能扩展模块的插接判断、各工作模式参数的读取、根据各工作参数或人机交互命令执行任务。
[0095] 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
修改或者等同替换，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。
