基于數(shù)字水聽器的分布式水下聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)*

邢傳璽， 樸勝春， 宋 揚(yáng)

(1．哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于數(shù)字水聽器的分布式水下聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)*

邢傳璽1,2， 樸勝春1,2， 宋 揚(yáng)1,2

(1．哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

設(shè)計(jì)了一種自容式數(shù)字水聽器分布式水聲測(cè)量系統(tǒng)。海洋聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)數(shù)字水聽器連接構(gòu)成，各個(gè)數(shù)字水聽器通過電纜逐個(gè)相連，可以調(diào)整陣元的間隔和陣元個(gè)數(shù)。數(shù)字水聽器可對(duì)采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行自容式存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)上傳，優(yōu)化設(shè)計(jì)了可高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞S—485總線，采用8B/10B鏈路編碼，利用串行信號(hào)的上升/下降的時(shí)鐘邊沿作為高速時(shí)鐘采樣的起始標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的提取，可實(shí)現(xiàn)串行編碼數(shù)據(jù)沿雙絞線以15 MB/s遠(yuǎn)距離傳輸，并在總線上參考IEEE 1588授時(shí)協(xié)議給出了一種基元同步方案，同步最大誤差為0.5 μs。最終通過海上試驗(yàn)證明：采集效果良好，系統(tǒng)工作可靠、整體功耗低，各個(gè)陣元同步準(zhǔn)確，可以廣泛應(yīng)用于水下陣元測(cè)量領(lǐng)域。

垂直陣； 數(shù)字水聽器； 海洋聲學(xué)測(cè)量

0 引 言

海洋環(huán)境非常復(fù)雜多變，存在多途效應(yīng)、頻散效應(yīng)、水中的不均勻性以及邊界的不平整等干擾因素，會(huì)使聲信號(hào)在海洋信道中的傳播存在嚴(yán)重的畸變和起伏。這些不確定的環(huán)境因素限制了接收到的信號(hào)的時(shí)間和空間的穩(wěn)定性及連貫性，尤其在遠(yuǎn)距離低頻聲傳播試驗(yàn)中，這種干擾表現(xiàn)極其明顯。采用多元水聽器基陣不但可獲得空間增益，還可以得到更精確的聲級(jí)和譜級(jí)的測(cè)量值[1～4]。因此，目前多元水聽器基陣是進(jìn)行水下聲場(chǎng)測(cè)量的主要技術(shù)裝備之一。在國(guó)外，眾多研究機(jī)構(gòu)紛紛致力于該領(lǐng)域研究。Alessandra Tesei等人研制了一種最新型的數(shù)字陣列水聽器，可以靈活地通過增加水聽器的方式增加陣元數(shù)目，并可將水聽器信號(hào)采集結(jié)果通過有線電纜傳輸至控制單元，并經(jīng)控制單元發(fā)送至PC進(jìn)行存儲(chǔ)[2]。這種數(shù)字水聽器的缺點(diǎn)就是數(shù)據(jù)儲(chǔ)存必須要有PC參與，且需多路轉(zhuǎn)接后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而我國(guó)在多元水聽器集陣通常采用多個(gè)聲壓水聽器捆綁組成集陣，模擬信號(hào)通過電纜傳輸至船上再進(jìn)行接收，這種方法雖然易與實(shí)現(xiàn)，但是缺點(diǎn)也很明顯：陣元之間的距離調(diào)整復(fù)雜困難；模擬信號(hào)通過電纜傳輸損耗影響測(cè)量精度，且基元之間的同步性不可控。

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗、高分辨率的水聽器數(shù)字垂直陣海洋聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可進(jìn)行速率達(dá)15 MB/s的遠(yuǎn)距離傳輸，且對(duì)10 Hz～10 kHz寬帶信號(hào)的采集效果良好，性能穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由控制單元、多個(gè)自容式數(shù)字水聽器和連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)的外部電纜構(gòu)成：控制單元的主要功能為觸發(fā)各個(gè)數(shù)字水聽器進(jìn)行同步采集、基元授時(shí)；自容式數(shù)字水聽器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理；電纜包括了一組優(yōu)化的RS—485總線和外部電源線。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 自容式數(shù)字水聽器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字水聽器主要由壓電陶瓷聲壓水聽器、信號(hào)調(diào)理電路、采集存儲(chǔ)電路構(gòu)成，其外部形狀為一圓柱型罐體，底面直徑為80 cm，高為100 cm，信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)處理電路及鋰電池放置在罐體中，壓電陶瓷水聽器布置在罐體的底部，輸出電線連入罐體。數(shù)罐體內(nèi)部放置了信號(hào)調(diào)理電路和采集記錄電路，其電路組成結(jié)構(gòu)圖如圖1。

信號(hào)調(diào)理電路功能是對(duì)水聽器輸出信號(hào)進(jìn)行放大濾波，其采用高阻抗輸入電路，并根據(jù)聲壓水聽器的電容特性選擇輸入電容進(jìn)行阻抗匹配，這樣設(shè)計(jì)可以提高傳感器的靈敏度，可得到穩(wěn)定的可靠的弱電平信號(hào)。同時(shí)為提高整體動(dòng)態(tài)范圍，水聽器輸出信號(hào)分成兩路不同的放大增益信號(hào)輸出通道，兩通道增益相差40 dB，對(duì)于較小信號(hào)可觀測(cè)高增益通道采集結(jié)果，對(duì)于高增益通道限幅信號(hào)可觀測(cè)低增益通道采集結(jié)果[2]。

采集記錄電路主控芯片采用基于ARM CortexTM—M3內(nèi)核的微處理器STM32F103RET6，A/D轉(zhuǎn)換器采用24位Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1274，ADS1274有4路同步采集通道，本系統(tǒng)中只采用兩路分別連接低增益通道和高增益通道，另兩路作為擴(kuò)展備用[5,6]。

無論系統(tǒng)是否開啟實(shí)時(shí)上傳功能，采集到的數(shù)據(jù)均會(huì)存儲(chǔ)在SD卡中。在固件程序中開發(fā)中，移植了FAT32文件系統(tǒng)和Mass storage協(xié)議，系統(tǒng)的USB接口與PC連接后，系統(tǒng)便被識(shí)別為可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，操作人員可直接使用PC的文件管理系統(tǒng)訪問SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)。根據(jù)SD卡存儲(chǔ)速度，該數(shù)字水聽器最高采樣率可達(dá)100 kHz。如果開啟數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳功能，系統(tǒng)采樣率將受限于RS—485總線帶寬，最高采樣率為5 kHz。

圖1 數(shù)字水聽器電路結(jié)構(gòu)Fig 1 Circuit structure of digital hydrophones

在設(shè)計(jì)中，電路的器件全部采用了低功耗器件設(shè)計(jì)，單個(gè)數(shù)字水聽器開始采集時(shí)功耗大約200 mW。

2.2 控制單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制單元在本系統(tǒng)中主要功能有：作為主時(shí)鐘為所有分布式從時(shí)鐘同步；控制總線上的數(shù)字水聽器開始或停止數(shù)據(jù)采集，保證采集的同步性；在數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳時(shí)接收數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求將數(shù)據(jù)通過無線模塊上傳，控制單元部分還可連接GPS模塊，以獲得更精準(zhǔn)的時(shí)間信息用于同步授時(shí)。

控制單元通過RS—485總線向數(shù)字水聽器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)使其開始或停止采集，如果數(shù)字水聽器處于數(shù)據(jù)上傳模式，則在采集開始后，控制單元以應(yīng)答方式依次命令各個(gè)數(shù)字水聽器上傳數(shù)據(jù)。控制單元將接收到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋傳輸?shù)竭h(yuǎn)端PC。為了保證接收數(shù)據(jù)的碼流一致，控制單元選用與數(shù)字水聽器主控芯片相同序列的ARM CortexTM—M3內(nèi)核芯片。

2.3 分布式采集節(jié)點(diǎn)通信總線設(shè)計(jì)

為了能實(shí)現(xiàn)同步準(zhǔn)確和高速數(shù)據(jù)上傳，本系統(tǒng)對(duì)通信總線所采用的RS—485接口做了特殊設(shè)計(jì)：RS—485由主控芯片的PWM接口擴(kuò)展而成，并不是常規(guī)的UART接口，主控芯片的PWM接口最高速率可達(dá)到32 MHz，并且還可應(yīng)用DMA通道。對(duì)PWM通道編程使其產(chǎn)生的所需的數(shù)字方波編碼可實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)傳輸。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，利用PWM方波的輸入捕獲功能，通過識(shí)別捕獲得到的數(shù)據(jù)上升沿來識(shí)別所接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

影響RS—485傳輸速率的主要因素是傳輸線的特性阻抗、電纜長(zhǎng)度及傳輸方式[7,8]。傳輸線上的阻抗不連續(xù)和不匹配會(huì)導(dǎo)致總線內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)反射，因此,必須在雙絞線兩端跨接匹配電阻使其匹配，并且在電路的設(shè)計(jì)中需要降低傳輸損耗和防止終端阻抗失配。在高速傳輸時(shí)，電纜的寄生電阻和電容時(shí)間常數(shù)作用在不同的傳輸碼型時(shí)會(huì)對(duì)信號(hào)造成延遲時(shí)間和延遲抖動(dòng)，此外，當(dāng)串行數(shù)據(jù)中連續(xù)的出現(xiàn)數(shù)據(jù)“0”的低電平和“1”的高電平時(shí)，會(huì)使信號(hào)的直流電平出現(xiàn)漂移，從而使接收器因缺少跳變信號(hào)而跑偏。為了消除這一干擾，在數(shù)據(jù)發(fā)送前先進(jìn)行信道編碼以調(diào)整直流電平，在數(shù)據(jù)發(fā)送采用了8B/10B編碼，接收時(shí)采用10B/8B解碼，并分別在發(fā)送/接收端應(yīng)用了預(yù)加重或均衡，以達(dá)到補(bǔ)償高頻分量的衰減，以便進(jìn)一步提高接收信號(hào)強(qiáng)度。經(jīng)測(cè)試，本高速RS—485總線在220 m長(zhǎng)的雙絞線上數(shù)據(jù)率可達(dá)15 MB/s。

2.4 分布式采集節(jié)點(diǎn)同步方式

本系統(tǒng)中將控制單元作為主時(shí)鐘，連接在各個(gè)總線上的數(shù)字水聽器為從時(shí)鐘，由主時(shí)鐘對(duì)從時(shí)鐘進(jìn)行同步。整個(gè)同步過程包括延遲測(cè)量和偏移測(cè)量校準(zhǔn)兩部分。其中延遲測(cè)量是為了測(cè)試信號(hào)在傳輸線上的延遲，而偏移測(cè)量校準(zhǔn)是為了使從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)間信息同步[9,10]。當(dāng)控制單元放置在水面時(shí)，可隨時(shí)通過GPS進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)的校準(zhǔn)。

延遲測(cè)量的流程如圖2(a)所示，首先由掛在總線上最末端的數(shù)字水聽器發(fā)出測(cè)時(shí)延信號(hào)，并記錄信號(hào)發(fā)出時(shí)間TF0，其余各個(gè)數(shù)字水聽器將其收到測(cè)時(shí)延信號(hào)的時(shí)間記錄為TF0。控制單元在收到測(cè)時(shí)延信號(hào)后向總線上發(fā)送回饋信號(hào)，每個(gè)數(shù)字水聽器將收到回饋信號(hào)的時(shí)間記錄為TC0，則傳輸延遲Delay=(TC0-TF0)/2。本系統(tǒng)通過多次延遲測(cè)量，通過對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行均值計(jì)算以使準(zhǔn)確度提高。

為了保證測(cè)得時(shí)延準(zhǔn)確，測(cè)時(shí)延信號(hào)與回饋信號(hào)采用同樣位寬、速率的傳輸方式。從時(shí)鐘在延遲測(cè)量中用于計(jì)時(shí)的時(shí)間單位決定了時(shí)延準(zhǔn)確程度，每個(gè)數(shù)字水聽器在采集沒有開始之前CPU幾乎沒有工作任務(wù)，因此,將CPU所有資源用來分頻產(chǎn)生一個(gè)9 MHz頻率的時(shí)鐘來進(jìn)行校時(shí)，9 MHz時(shí)鐘大約0.1 μs，因此，在本系統(tǒng)的延遲測(cè)量里每個(gè)時(shí)間單位為0.1 μs。測(cè)量過程中最大誤差不超過5個(gè)時(shí)間單位，即0.5 μs，滿足本系統(tǒng)的同步需求。

因?yàn)楦鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的晶振均不相同，在使用中會(huì)存在時(shí)鐘偏移現(xiàn)象，因此，必須進(jìn)行偏移測(cè)量校準(zhǔn)。偏移測(cè)量校準(zhǔn)是將從時(shí)鐘的時(shí)間信息與主時(shí)鐘的時(shí)間信息進(jìn)行同步。本系統(tǒng)中偏移測(cè)量流程如圖2(b)所示，偏移測(cè)量校準(zhǔn)過程是由主時(shí)鐘發(fā)起的，主時(shí)鐘首先向總線上發(fā)出校準(zhǔn)的同步信號(hào)并記錄信號(hào)發(fā)送完畢的時(shí)間TIM1，各從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)分別記錄各自接收到信號(hào)的本機(jī)時(shí)間TS1，隨后主時(shí)鐘向總線發(fā)送TIM1時(shí)間信息，各從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)獲取到時(shí)間信息后計(jì)算其與主時(shí)鐘的偏移值

Offset=TS1-TIM1-Delay,

式中Delay為傳輸延遲值。得到偏移值后從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行時(shí)間校正，若本機(jī)時(shí)間為TS2，則時(shí)間校正為：TS3=TS2-Offset。

圖2 節(jié)點(diǎn)同步方式Fig 2 Synchronization mode of nodes

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的同步總線擁有較高的速率，同步過程完成較快，可通過提高同步頻率以獲得更高的同步精度。

3 系統(tǒng)測(cè)試與海上試驗(yàn)

對(duì)本系統(tǒng)分別進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)同步性能測(cè)試和海上試驗(yàn)。AD芯片開始執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換后，會(huì)輸出一個(gè)下降沿信號(hào)，通過觀測(cè)此管腳電平可獲知AD開始工作時(shí)刻。控制單元通過RS—485總線向數(shù)字水聽器發(fā)送開始采集命令后，通過示波器查看總線距離最長(zhǎng)的2個(gè)數(shù)字水聽器AD開始信號(hào)，誤差小于0.5 μs。

為進(jìn)一步驗(yàn)證各個(gè)基元分布式同步性能，分別選取總線上距離控制單元最近、最遠(yuǎn)、和中間處相鄰2個(gè)的數(shù)字水聽器進(jìn)行相位一致性試驗(yàn)。利用信號(hào)發(fā)生器從10 Hz開始采用按1/3倍頻程遞增至1 kHz的方式為各個(gè)數(shù)字水聽器發(fā)送信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)試，得出距離控制單元最近的數(shù)字水聽器與其他3個(gè)數(shù)字水聽器之間的相位差。如圖3所示，相位差都在0.6°以內(nèi)，基本符合設(shè)計(jì)要求。不過通過相位差測(cè)量可看出，實(shí)際相位誤差超過同步誤差值，這些誤差是模擬信號(hào)在通過各自的信號(hào)調(diào)理電路時(shí)所產(chǎn)生的。

圖3 相位一致性測(cè)量結(jié)果Fig 3 Result of phase consistency measurement

本系統(tǒng)在2012年7月在中國(guó)黃海某海域進(jìn)行了海上試驗(yàn)。試驗(yàn)中本系統(tǒng)采用垂直吊放方式，作為信號(hào)接收端，分別采用單頻6 kHz的CW信號(hào)、1～9 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)和爆炸聲信號(hào)作為聲源進(jìn)行試驗(yàn)。接收點(diǎn)距離聲源5 km處，2#和10#數(shù)字水聽器接收到的CW信號(hào)其時(shí)域信號(hào)如圖4所示。

圖4 海上試驗(yàn)信號(hào)波形Fig 4 Signal waveforms of offshore test

采集結(jié)束后16個(gè)數(shù)字水聽器的數(shù)據(jù)大小和采集時(shí)間基本完全一致，海試中各個(gè)數(shù)字水聽器接收到觸發(fā)信號(hào)延遲最大為0.4 μs，可以認(rèn)為，該海洋聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的多個(gè)數(shù)字水聽器同步性能良好，可以滿足同步采集需要。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自容式數(shù)字水聽器分布式水聲測(cè)量系統(tǒng)，可根據(jù)具體需求選擇對(duì)采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行自容式存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)上傳。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了速率可達(dá)15 MB/s的高速RS—485接口，通過該數(shù)據(jù)總線結(jié)合IEEE 1588授時(shí)協(xié)議完成了多個(gè)數(shù)字水聽器之間的同步，各基元之間最大誤差為0.5 μs。最終通過海上試驗(yàn)證明:分布式采集系統(tǒng)之間同步準(zhǔn)確，且對(duì)10 Hz～10 kHz帶寬的信號(hào)的采集效果良好，系統(tǒng)工作可靠、整體功耗低，可以廣泛應(yīng)用于水下陣元測(cè)量領(lǐng)域。

[1] Walkinshaw Helen M．Measurements of ambient noise spectra in the South Norwegian Sea[J].IEEE Journal of Oceanic Enginee-ring,2005,30(2):262-266.

[2] Alessandra Tesei.An advanced digital hydrophone array for ship noise measurements[C]∥ECUA 2010 Istanbul Conference,2010:3-12.

[3] Wagstaff R A,Aitken-head J W.Ambient noise measurements in the northwest Indian Ocean[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2005,30(2):295-302.

[4] 朱小華,鄭 紅,廖光洪,等. 沿海聲層析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(1):64-68.

[5] 賽爾吉?dú)W·佛朗哥,劉樹棠.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2009:277-289.

[6] 邢傳璽,樸勝春,劉振江,等.一種新型低頻聲矢量場(chǎng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(12):2800-2807.

[7] 李 成,王 鵬,丁天懷,等.RS—485總線的高速串行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2009,49(5):684-687.

[8] 丁天懷,李 成,王 鵬,等.地震勘探儀器的RS—485高速數(shù)據(jù)/能量傳輸[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2009,49(5):688-691.

[9] 潘宏偉.應(yīng)用IEEE 1588協(xié)議的電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)技術(shù)[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2011:15-22.

[10] 陶 麗.IEEE 1588時(shí)鐘同步協(xié)議的硬件設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010:12-28.

Distributed underwater acoustic field measurement system based on digital hydrophones*

XING Chuan-xi1,2, PIAO Sheng-chun1,2, SONG Yang1,2

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

A self-contained ocean acoustic measurement system is designed in the form of vertical array,based on digital hydrophones.The system consists of multiple digital hydrophones,which are connected to each other via cable.The number of elements and distance between each element can be adjusted.The collected datas are either stored or uploaded in real time by digital hydrophones,and high-speed serial data transmission system is optimally designed based on RS—485 bus,rising/falling edges of serial signal enable bit synchronization time-clock recovery,and data frame is realized with the 8 B/10B encoded mode,and bus provides remote data transmission along twisted-pair cable at the transmission rate of 15 MB/s,and a primitive synchronization scheme is also given on the bus in reference to IEEE 1588 timing protocol,whose synchronization the maximum error is 0.5 μs.Finally,tests prove that the acquisition effect is good,the system is reliable,with low overall power consumption and each array element is accurate and synchronous,and it can be widely used in underwater array element measurement.

vertical array; digital hydrophones; measurement of ocean-acoustics

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0110—04

2014—05—15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11104044,11104045)

TB52

A

1000—9787(2014)12—0110—04

邢傳璽(1982-)，男，黑龍江加格達(dá)奇人，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。