适用于深水使用的多功能自容式水听器及控制方法与流程

本发明涉及的是一种水听器，特别是涉及一种适用于深水使用的多功能自容式水听器。

背景技术：

我国是一个临海大国,海洋开发技术具有非常重要的地位。随着我国经济活动与世界联系越来越紧密,能源战略、渔业生产也逐渐由近海活动转向了深海大洋,深海水域中的矿藏、海产资源逐渐浮现在人们视野中。因此，深、远海环境要素信息的获取和预测对于海洋声学研究的发展来说变得越来越重要。

自容式水听器是一款自主录取并存储声学信息的设备，可以在无人值守的海洋环境中长期工作。其便捷高效的特点可以满足多种使用需求，现已成为海洋环境噪声研究、海洋声层分析、地声参数反演、水下声信道特性研究等科研领域不可或缺的重要工具。目前，我国的各科研单位所使用的自容式水听器主要来自国外的公司和企业。我国的同类产品与之相比存在一定的差距，有待于创新和提高。

目前国外和国内的自容式水听器存在续航能力差，连续工作时间长度不可调整、工作参数不能调整、工作方式不够灵活等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在深海条件下能同步获取深水大尺度范围内不同深度分布的水声信息的适用于深水使用的多功能自容式水听器。本发明的目的还在于提供一种适用于深水使用的多功能自容式水听器的控制方法。

本发明的适用于深水使用的多功能自容式水听器：包括标量水听器、电子舱、电池舱、保护罩以及配套的显控软件，

所述标量水听器用于拾取声学信号，将其转化为电信号，工作带宽为0.1Hz～160KHz；

所述的电子舱为耐深水压力的不锈钢结构，内部电子设备由信号调理单元和控制单元组成，所述信号调理单元由前级运算放大器、可变增益控制电路、带宽可调滤波器、后级运算放大器和光耦隔离电路组成，前级运算放大器、可变增益控制电路、带宽可调滤波器、后级运算放大器用于对采集到的模拟信号进行调理，光耦隔离电路用于对电路模拟端和数字端进行隔离，所述控制单元包括采集存储单元和值班单元，所述采集存储单元包括采样率可调模/数转换电路、低功耗单片机及外围电路和存储模块，采样率可调低噪声模/数转换电路用于将采集到的模拟信号转换为数字信号并发送给低功耗单片机，所述采集存储单元以低功耗单片机作为主控芯片，负责完成采集、存储、控制协议解析及执行配备以太网接口，所述值班单元包括值班电路、压力传感器和具有温补功能时钟芯片，值班电路用于控制对信号调理单元和采集存储单元的供电，压力传感器用于确定装置所在深度信息；

所述电池舱为耐深水压水密结构；

所述的保护罩用于保护标量水听器以及电子舱和电池舱的固定，并带有吊环；

所述的配套使用显控软件，用于完成参数预设、功能设置、采样控制和数据显示与分析。

本发明的适用于深水使用的多功能自容式水听器还包括GPS、北斗接收机通信接口以及RS232通信接口，接口通过水密接插件引出，所述配套使用显控软件配置有GPS、北斗标准通信协议，用于存储工作地点的位置信息。

本发明的适用于深水使用的多功能自容式水听器的存储模块为U盘，在电子舱顶端设置有水密盖，U盘置于水密盖中。

本发明的适用于深水使用的多功能自容式水听器的控制方法为：具备无缆和有缆两种工作模式，在无缆工作模式下，由电池舱供电，有定时和定深两种启动存储方式，定时启动是依据预先设定的存储开启时间点及存储的时长进行声学数据存储；定深启动是依据预先设定的水下深度并结合压力传感器的输出开启存储的工作方式，在有缆工作模式下，通过电缆用直流稳压源或变压器供电，利用配套的显控界面经网线控制工作，完成存储启动和停止、参数设置、工作模式选择、数据传输及显示和数据分析工作。

所述参数预设是指在入水工作之前，通过配套的显控界面对采样率、工作带宽、系统增益、启动时间、存储时长和启动深度工作参数进行设置。

本发明通过将水声信号采集记录,研制一种新型的适用于深水条件、低功耗、可定时、电子舱和电池舱分离、参数可设置和无缆和有缆可切换的自容式水听器。实现深海条件下,同步获取深水大尺度范围内不同深度分布的水声信息。本发明具有以下特点:

1.具备无缆和有缆两种工作模式:在无缆工作模式下，由电池舱供电，有定时和定深两种启动存储方式，定时启动是依据预先设定的存储开启时间点及存储的时长进行声学数据存储。定深启动是依据预先设定的水下深度并结合压力传感器的输出开启存储的工作方式。在有缆工作模式下，通过电缆用直流稳压源或变压器供电，操控员可利用配套的显控界面经网线控制该装置的工作，可完成存储启动和停止、参数设置、工作模式选择、数据传输及显示和数据分析工作。

2.可预置参数:可预置参数是指在该装置入水工作之前，可通过配套的显控界面对采样率、工作带宽、系统增益、启动时间、存储时长、启动深度等工作参数进行设置；

3.装置配置有GPS、北斗接收机通信接口:该装置配置有RS232通信接口，接口通过水密接插件引出。软件的配置有GPS、北斗标准通信协议，可用于存储工作地点的位置信息；

4.可编程控制存储信息的编码协议：用户可根据需求调整编码协议格式，可供存储的信息包括：时间、声学数据、深度、位置、工作采样率等。存储介质为U盘，其置于电子舱顶端水密盖下，测量工作结束后可打开水密盖拔出U盘导出和处理数据，方便快捷。

附图说明

图1是本申请的一种适用于深水使用的多功能自容式水听器结构示意图；

图2是本申请的一种适用于深水使用的多功能自容式水听器的电子舱、电池舱内部结构示意图；

图3是本申请的一种适用于深水使用的多功能自容式水听器的无缆、有缆工作模式示意图；

图4是本申请的一种适用于深水使用的多功能自容式水听器的通信缆连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

结合图1，本发明的适用于深水使用的多功能自容式水听器包括:标量水听器1、电子舱、电池舱3和保护罩5组成，电子舱带有水密盖4。

所述标量水听器用于拾取声学信号，将其转化为电信号，选用BK公司的8105型水听器，其工作带宽为0.1Hz～160KHz、工作深度超过1000米；

所述电子舱用于容置电子设备。电子设备包括信号调理单元、采集存储单元和值班单元。信号处理单元由前级运算放大器、可变增益控制电路、带宽可调滤波器、后级运算放大器、光耦隔离电路组成。采集控制单元由低功耗MCU、低噪声采样率可调模/数转换电路、U盘组成。值班单元有微功耗单片机、时钟芯片、压力传感器以及值班电路组成；

所述电池舱为耐深水压水密结构，本装置的电池舱分为几种规格，可依据水下值守的需求配置相应的电池舱；

所述的保护罩用于保护标量水听器以及电子舱和电池舱的固定，并带有吊环便于布放；

图2为本申请提供的适用于深水使用的多功能自容式水听器的电子舱、电池舱内部结构示意图。所述装置电子舱内部结构包括:信号调理单元、采集存储单元和值班单元。所述装置电池舱内部结构包括:电池单元。另外该装置还包括配套使用的显控软件；

所述的信号调理单元由前级运算放大器、可变增益控制电路、带宽可调滤波器、后级运算放大器、光耦隔离电路、低噪声采样率可调模/数转换电路、超低功耗单片机和压力传感器。运算放大器用于放大接收的微弱电信号。可变增益控制电路、带宽可调滤波器和采样率可调AD转换电路受单片机控制用于调整信号的增益、带宽和AD的采样率。AD转换电路用于将模拟信号转换为高精度数字信号。控制单元包括采样率可调模/数转换电路、低功耗单片机及外围电路和存储模块。采样率可调低噪声模/数转换电路用于将采集到的模拟信号转换为数字信号并发送给MCU。所述的采集存储单元由一片低功耗MCU作为主控芯片，负责完成采集、存储、控制协议解析及执行配备以太网接口。压力传感器用于确定装置所在深度，为定深唤醒提供相应参数。所选用的存储介质为U盘，用于存储采集到的声学信息、时间和深度信息。低功耗单片机选用TI公司的低功耗产品MSP432，其采用低功耗32位基于ARM内核的微控制器(MCU)，主频可达48MHz。芯片集成了高速14位1MSPS模数转换器(ADC)。存储介质选用1TB大容量U盘，可保证本装置的数模转换器在最高14bit分辨率和最高1MHz采样率的条件下，可以存储166个小时的数据；

所述的值班单元包括值班电路、压力传感器和具有温补功能时钟芯片。值班单元处于常值守状态并通过控制供电单元，实现对采集存储单元的工作控制。值班单元可依据定时和定深两种方式启动采集存储单元。值班单元的主控芯片是TI公司的MSP430F1609单片机。实时时钟模块选用低功耗的ISL12022芯片，其内部集成温度传感器及晶振模块,该芯片具有温度补偿功能。压力传感器选用PTX-1400型，它的压力范围为10KPa～60MPa，4～20mA的工业标准输出，最大深度可测得水下约6000m，精度达到±0.25％FS；

所述的配套使用显控软件，用于完成对本装置的参数预设、功能设置、采样控制和数据显示与分析；其中工作参数可以设置，包括工作带宽、采样频率、增益、存储启始时间、存储启始深度、存储时长等。这些参数可以通过显控软件进行设置。并存储在值班单元的MSP430单片机中，当开启采集存储工作后，参数由MSP430单片机通过SPI/I²C接口传输给低功耗MCU进行初始化设置。显控软件同时可以对即待存储的数据编码协议进行选择性设置。可供选择的数据种类包括：声学数据、深度信息、时间信息、位置信息、工作带宽和增益等。可以达到节约存储空间和提高传输速度的目的。

图3为本申请装置的工作方式示意图，包括无缆工作方式和有缆工作方式两种，无缆方式下，可安置于其他设备(如浮体6)上，工作于无人值守状态。由电池舱供电，有定时和定深两种启动存储方式，定时启动是依据预先设定的存储开启时间点及存储的时长进行声学数据存储。定深启动是依据预先设定的水下深度并结合压力传感器的输出开启存储的工作方式。在有缆模式下，通过电缆7用直流稳压源或变压器供电，可在工作船8上吊放使用。由显控软件控制数据采集转换后的数字信号由电缆传送入PC机9中，可完成存储启动和停止、参数设置、工作模式选择、数据传输及显示和数据分析工作。图3中10代表重物、11代表目标。

图4为本发明的通信缆连接方式示意图，电子舱和电池舱本端面配有SubConn型接插件，通过接插短缆连接。在电子舱接插件上预留有系统供电接口RS232接口和网络接口。在有缆工作方式下，将数据采集缆接头安插在电子舱接插件上，通过电缆7完成供电和数据传输。同时也可以通过RS232接口将录取数据的位置信息进行存储，供事后分析处理使用。