本发明涉及到光纤传感技术领域，尤其涉及一种小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统。
背景技术：
随着我国对海洋开发和水下预警的日益重视，开展水声探测系统技术研究及工程应用研究已成为迫切需要。水下声场是海洋科研究和水下目标探测的重要观测要素，在物理上，水声场是矢量场，通过矢量水听器获取的标量和矢量信号，可以实现对声场进行完整描述。矢量水听器对于研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的规律,解决与水下目标探测、识别以及信号传输过程有关的声问题具有重要意义。近年来以光纤水听器为基础的水声探测技术得到了急速的发展，美国等发达国家已在潜艇舷侧阵、拖曳阵及潜标探测阵声纳中开始装备，其中光纤矢量水听器的出现和快速发展为解决深海探测问题提供了新的技术途径。
光纤矢量水听器结合了矢量水听器和光纤水听器的优点，具有灵敏度高，低频特性好，动态范围大，水下工作稳定性高，耐恶劣环境等特点，有利于对水声场的长期探测，不仅可应用于目标探测，还在海底观测网、海上石油探测等重要的领域展示了广阔的应用前景。光纤矢量水听器有多种应用形式，主要包括固定阵、潜标、UUV、自主攻击水雷、自寻深水炸弹等，其中潜标是重要一种应用，可机动灵活投放和回收，进行多次反复使用，也可以在水下长期、隐蔽地工作且不受海面气象条件影响。因而水下自主工作是潜标等无人探测系统实际应用中的基本要求。
光纤矢量水听器由于相对于传统矢量水听器在技术上较为复杂，因此水下自主工作实现是一个难点。
因此如何能够实现光纤矢量水听器系统高效的、高可靠性的水下自主工作，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统能够实现高效的、高可靠性的水下自主工作。
本发明提供小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统，包括湿端和水下仪器舱，其中：
所述湿端，用于探测待测位置的水声矢量场信号和光纤矢量水听器自身的姿态信号，并将水声矢量场信号转换为光信号，将相关信号发送给水下仪器舱；湿端包括光纤矢量水听器和姿态传感器，其中：
光纤矢量水听器，用于探测待测位置的水声矢量场信号，并转换为光信号，将光信号发送给水下仪器舱；
姿态传感器，用于探测光纤矢量水听器自身的姿态信号，并将姿态信号发送给水下仪器舱；
所述水下仪器舱与湿端通过传输线缆连接，用于为湿端提供光源，并接收湿端发送的光信号和姿态信号提取湿端光信号中的水声场信号，进行本地存储以及与外部设备进行信息交互；水下仪器舱包括光电信号处理模块、数据存储模块、激光发射模块和供电模块，其中：
光电信号处理模块，用于接收湿端发送的光信号和姿态信号，将光信号转化为水声场信号以及将姿态信号转换为数字角度信号，并将水声场信号和数字角度信号发送给数据存储模块以及与外部设备进行信息交互；产生调制信号发送给激光发射模块；
数据存储模块，用于接收光电信号处理模块发送的水声场信号并进行存储；
激光发射模块，用于为湿端提供调频激光；
供电模块，用于给水下仪器舱的各个模块提供电源。
优选地，所述光电信号处理模块包括信号采集模块、信号转换模块、信号解调模块、信号调制模块、数据收发模块，其中：
信号采集模块，用于接收湿端发送的光信号和姿态信号，将光信号进行幅度调整后发送给信号转换模块，将姿态信号发送给信号解调模块；
信号转换模块，用于接收信号采集模块发送的光信号转换电信号，发送给信号解调模块；
信号解调模块，用于将接收的姿态信号转换为数字角度信号和将接收的电信号解调为数字水声场信号，发送给数据收发模块；
信号调制模块，用于产生调制信号发送给激光发射模块；
数据收发模块，用于接收水声场信号发送给数据存储模块和外部设备及接收外部设备的操作指令信号。
优选地，所述光纤矢量水听器为干涉型光纤矢量水听器，将待测位置的水声矢量场信号转换为干涉光信号。
优选地，所述信号解调模块和信号调制模块均采用PGC方法生成调制信号和解调信号。
优选地，所述供电模块包括电池组、电量检测模块和电源转换模块，其中：
电池组由多个电池串联和\或并联组成；
值班检测模块，用于获得电池组中每块电池的相关信息，当电池组中某块电池达到预定条件关断电池组的输出，电池组其它电池保持输出；
电压转换模块，将电池组输出电压转换为水下仪器舱的各个模块需求的电压后输出给水下仪器舱的各个模块供电。
优选地，所述数据收发模块接收外部设备指令信号发送给值班检测模块，实现对值班检测模块的实时监控模式和值班模式切换。
优选地，所述值班检测模块的实时监控模式为：获得电池组中每块电池的电压或余量或温度信息，当电池组中某块电池电压低于预设值或电池组中某块电池的余量低于预设值或电池组中某块电池温度高于预设值，关断电池组中对应电池的输出，电池组其它电池保持输出。
优选地，所述数据收发模块接收外部设备指令信号建立预先建立电池组中每块电池工作时间和工作顺序的值班表，并可根据外部指令信号对工作时间参数和工作顺序参数进行修改。
优选地，所述值班检测模块的值班模式为：根据值班表控制打开或关断电池组中每块电池的输出。
优选地，所述数据收发模块通过水密接头与外部设备连接。
通过光纤矢量水听器和姿态传感器的配合使用提高了水声场矢量探测的准确性和可靠性，水下仪器舱中对光信号和姿态信号提取水声场信号，并可进行本次存储和与外部设备进行信息交互实现了高效的水下自主工作，且湿端是小功率供电的，带电部分安装于水下仪器舱内进一步提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的一种小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，为本发明提供的一种小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统的结构框图。
小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统，包括湿端100和水下仪器舱200，其中：
所述湿端100，用于探测待测位置的水声矢量场信号和光纤矢量水听器110自身的姿态信号，并将水声场信号转换为光信号，将相关信号发送给水下仪器舱200；湿端100包括光纤矢量水听器110和姿态传感器120，其中：
光纤矢量水听器110，用于探测待测位置的水声矢量场信号，并转换为光信号，将光信号发送给水下仪器舱200；
姿态传感器120，用于探测光纤矢量水听器110自身的姿态信号，并将姿态信号发送给水下仪器舱200；
所述水下仪器舱200与湿端100通过传输线缆连接，用于为湿端100提供光源，并接收湿端100发送的光信号和姿态信号，提取湿端100光信号中的水声场信号，进行本地存储以及与外部设备进行信息交互；水下仪器舱200包括光电信号处理模块210、数据存储模块220、激光发射模块230和供电模块240，其中：
光电信号处理模块210，用于接收湿端100发送的光信号和姿态信号，将光信号转化为数字水声场信号以及将姿态信号转换为数字角度信号，并将水声场信号和数字角度信号发送给数据存储模块220以及与外部设备进行信息交互；产生调制信号发送给激光发射模块230；
数据存储模块220，用于接收光电信号处理模块发送的水声场信号并进行存储；
激光发射模块230，用于为湿端100的光纤矢量水听器110提供调频激光；
供电模块240，用于给水下仪器舱200的各个模块提供电源。
水下仪器舱200的光电信号处理模块210产生调制信号发送给激光发射模块230，激光发射模块230可采用窄宽可调谐的的激光器，激光器发射调制后的激光经过传输线缆传输给光纤矢量水听器110，通过光纤矢量水听器110的探头探测待测位置的水声场信号，并转换为光信号，将光信号发送给水下仪器舱200。
姿态传感器120探测光纤矢量水听器110的探头的姿态信号，将姿态信号发送给水下仪器舱200。水下仪器舱200对姿态信号与光信号分段同步接收，保证光信号中包含的水声场信号与光纤矢量水听器110探头姿态变化的同步性，进一步提高水声场信号提取的准确性。
水下仪器舱200接收到光信号和姿态信号，将光信号转化为数字水声场信号，将姿态信号转换为数字角度信号，可以在本地的数据存储模块220中进行存储，也可以发送给外部设备进行远程存储或监控。
优选地，光纤矢量水听器110可采用干涉式同振型光纤矢量水听器，配以干涉式空气腔型光纤声压水听器，同步获取水声加速度与声压引起的干涉光信号，通过在水下仪器舱200中的光电信号处理模块210对干涉光中相位信息进行解调处理得到水声场加速度与声压信息。姿态传感器120采用MCX3000姿态传感器。
湿端100中光纤矢量水听器是无电的，姿态传感器只需毫瓦级小功率供电，需要供电的主要部分安装于水下仪器舱200内，由水下仪器舱200中的供电模块240进行供电。
通过光纤矢量水听器和姿态传感器的配合使用提高了水声场矢量探测的准确性和可靠性，水下仪器舱中对光信号和姿态信号提取水声场信号，并可进行本次存储和与外部设备进行信息交互实现了高效的水下自主工作。湿端和水下仪器舱均放入水下，且湿端是小功率供电的，带电部分安装于水下仪器舱内进一步提高了系统的可靠性。水下仪器舱一体化成型，具有密封性好，体积小的特点。水下仪器舱的设计使得内部模块产生热量不集中，且外壳导热性较好。
为了获取水声场矢量探测位置的深度信息，进一步提升应用性能，小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统还可包括压力传感器130，压力传感器130用于探测光纤矢量水听器110附近的压力信号，将压力信号发送给水下仪器舱200；光电信号处理模块210，用于接收湿端100发送的压力信号，将从光信号中解调的水声场信号以及转换后的压力信号和姿态信号发送给数据存储模块220以及与外部设备进行信息交互。压力传感器130采用ZT89-WX压力传感器。
下面将进一步对光电信号处理模块210进行讲述。
光电信号处理模块210包括信号采集模块211、信号转换模块212、信号解调模块213、信号调制模块214、数据收发模块215，其中：
信号采集模块211，用于接收湿端100发送的光信号和姿态信号，将光信号进行幅度调整后发送给信号转换模块212，将姿态信号发送给信号解调模块213；
信号转换模块212，用于接收信号采集模块211发送的光信号转换电信号，发送给信号解调模块213；
信号解调模块213，用于将接收的姿态信号转换为数字角度信号和将接收的电信号解调为数字水声场信号，发送给数据收发模块，发送给数据收发模块215；
信号调制模块214，用于产生调制信号发送给激光发射模块230；
数据收发模块215，用于接收水声场信号发送给数据存储模块220和外部设备及接收外部设备的操作指令信号。所述数据收发模块215可通过有线方式与外部设备进行连接，如水密接头250将数据收发模块215网口与外部设备连接。所述数据收发模块215还可通过无线方式与外部设备进行连接，如蓝牙、WIFI等。
信号采集模块211对姿态信号与光信号分段同步接收，将光信号将光信号进行幅度调整后发送给信号转换模块212，将姿态信号发送给信号解调模块213。为了提高信号转换模块212所接收的输入光信号的强度和稳定性，信号采集模块211中对光信号进行幅度进行调整。信号转换模块212将光信号转换电信号，并完成模数转换后，发送给信号解调模块213。信号解调模块213将电信号解调为水声场信号以及将姿态信号转换为数字角度信号，发送给数据收发模块215。数据收发模块215将水声场信号发送给数据存储模块220和外部设备及接收外部设备的操作指令信号。
信号调制模块214，用于产生调制信号发送给激光发射模块230，激光发射模块230发射激光经过传输线缆传输给光纤矢量水听器110。优选地，所述信号解调模块213和信号调制模块214均采用PGC方法生成调制信号和解调信号。PGC，Phase Generated Carrier，即相位产生载波技术，具有解调简单，对硬件要求小的特点。
为了进一步提高水声场信号的准确性，信号采集模块211接收湿端100发送的光信号、姿态信号和压力信号，将光信号发送给信号转换模块212，将姿态信号和压力信号发送给信号解调模块213；信号解调模块213将从电信号中解调的水声场信号、姿态信号转换为数字角度信号和压力信号转换为数字压力信号发送给数据收发模块215。
在进一步的方案中，供电模块240包括电池组241、电量检测模块242和电源转换模块243，其中：
电池组241由多个电池串联和\或并联组成；
值班检测模块242，用于获得电池组241中每块电池的相关信息，当电池组241中某块电池达到预定条件关断电池组的输出，电池组241其它电池保持输出；
电压转换模块242，将电池组241输出电压转换为水下仪器舱100的各个模块需求的电压后输出给水下仪器舱100的各个模块供电。
优选地，所述数据收发模块215接收外部设备指令信号并发送给值班检测模块242，实现对值班检测模块242的实时监控模式和值班模式切换。
优选地，所述值班检测模块242的实时监控模式为：获得电池组241中每块电池的电压或余量或温度信息，当电池组241中某块电池电压低于预设值或电池组241中某块电池的余量低于预设值或电池组241中某块电池温度高于预设值，关断电池组241中对应电池的输出，电池组241其它电池保持输出。
优选地，所述数据收发模块215接收外部设备指令信号建立预先建立电池组241中每块电池工作时间和工作顺序的值班表，并可根据外部指令信号对工作时间参数和工作顺序参数进行修改。
优选地，所述值班检测模块的值班模式为：根据值班表控制打开或关断电池组241中每块电池的输出。
为降低电压转换功耗，根据水下仪器舱供电需求，电池组241为24V，电池组241由多个电池串联和\或并联组成。经过电压转换模块242将电池组241输出电压转换为水下仪器舱100的各个模块需求的电压后输出给水下仪器舱100的各个模块供电。值班检测模块242采用STM32F103作为主芯片，电压转换模块243采用DC/DC电压转换模块。
此时，由于电池内阻，温度，容量等等因素不绝对一致，最终会导致在电池组中间有些电池在充电时高于平均电压，有些电池在放电时低于平均电压。这些情况都容易造成单颗电池的寿命缩短，而单颗电池的寿命缩短最终影响整个电池组的寿命。可以采用实时监控模式：电池组241中每块电池的情况，即获得电池组241中每块电池的电压或余量或温度信息，当电池组241中某块电池电压低于预设值或电池组241中某块电池的余量低于预设值或电池组241中某块电池温度高于预设值，关断电池组241中对应电池的输出，电池组241其它电池保持输出；也可以采用值班模式：根据值班表中每块电池工作时间和工作顺序的值班表控制打开或关断电池组241中每块电池的输出。当采用值班模式时，功耗则降低最低大约到0.1W左右。
所述数据收发模块215接收外部设备指令信号并发送给值班检测模块242，实现对值班检测模块242的实时监控模式和值班模式切换。建立预先建立电池组241中每块电池工作时间和工作顺序的值班表，并可根据外部指令信号对工作时间参数和工作顺序参数进行修改。
供电模块为整个水下仪器舱100中唯一一个持续工作的模块，采用低功耗设计。
以上对本发明所提供的一种小型水下自主工作的光纤矢量水听器系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。