一种水声数传装置的制作方法

本实用新型涉及数据传输领域，特别是涉及一种水声数传装置。

背景技术：

水声数采系统(包括水声信号探测设备或水声应答装置)由于其应用领域的特殊性，具有普通数采设备不具备的一系列特点。首先，水声数采系统往往只关注某一频带内的声信息，如10kHz以内的低频噪声或30kHz-40kHz声信标脉冲信号，水声数采系统在接收水声信号后，通常需要实时对该频带内的信号进行频谱分析，以检测信号的功率谱构成或提取某一线谱的功率谱量级。其次，水下无法传送无线电信号，因此湿端设备只能通过有线电缆将被采信号传送至干端设备，湿端设备与干端记录设备间距离往往较远，可达数千米甚至更远，考虑到电缆还兼具承重功能，缆内包裹凯夫拉或钢缆，因此电缆芯数越少越好。最后，水声数采系统的干端设备通常安置于船舶上，工作场所受空间和供电等因素限制，要求其可靠便携，并且能独立供电。

当前的水声传输系统主要分为模拟型和数字型：模拟型使用双绞电缆将模拟信号从湿端部设备输至干端设备，再进行采集和处理，模拟系统结构简单，但信号抗干扰能力弱，无法实现程传输，且一对电缆只能传输一个通道信号，信道带宽低；数字型先将模拟信号在湿端设备进行数字化采样，再传输至干端设备进行处理，传统数字型系统多采用以太网传数，优点是带宽大，缺点是信道需要电缆芯线数较多，且以太网协议较复杂，开发成本较高。

水声数传装置存在改进空间。

技术实现要素：

本实用新型提供一种水声数传装置，避免了模拟数传易被干扰，传输距离较近的缺点，又解决了传统数字传输需要芯线多，开发成本较高的问题。

根据第一个方面，本实用新型的实施例提供了一种水声数传技术装置，其中，包括：湿端设备、通信电缆和干端设备；湿端设备包括水听器、信号调理与采集模块、频率压缩模块和第一通信接口；干端设备包括第二通信接口、解压缩模块和信号处理与显示模块组成。水听器被配置为接收水声并将其转换为电信号；信号调理与采集模块被配置为对于电信号进行放大、滤波与模数转换；频率压缩模块被配置为进行频谱压缩；通信电缆被配置为进行远程数据通信；解压缩模块被配置为进行频谱解压缩；信号处理与显示模块被配置为进行数据的存储、处理、显示与回放。

在本实用新型的实施例中，频率压缩模块包括FFT变换模块。

在本实用新型的实施例中，解压缩模块包括IFFT变换模块。

本实用新型的有益效果是：(1)对被采集信号的频域数据进行压缩，相较于传统的时域压缩方法，压缩效率极高，单通道信道带宽可大大减小；(2)频谱的实部和虚部数据并未丢失，原始信号的相位信息得以保留，因此能在终端设备上通过IFFT变换恢复时域波形；(3)该频率压缩方法可去除不需要的频率分量，具备滤波特性，阻带衰减率为100％，还避免了模拟滤波器易造成的波形失真缺陷；(4)可通过IFFT恢复时域波形，与原始波形相比具有线性相移特性，使被恢复信号不会产生失真。该技术成本低廉，可移植性好，可靠性高，不仅可运用于远程水声数采(包括水声信号探测设备或水声应答装置)、也可用于环境参数遥测及工业参数监测等领域。

附图说明

图1：装置各组件连接关系图；

图2：时域波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图对一种基于频率压缩方法的水声数据传输技术的较佳实施例进行详细阐述：

本实用新型的结构，请参附图1：1、湿端设备；2、通信电缆；3、干端设备。湿端设备由水听器11、信号调理与采集模块12、频率压缩模块13和第一通信接口14组成。干端设备3由通信接口31、解压缩模块32和信号处理与显示模块33组成。

对每个模块的实施例进行说明：(1)水听器11用于接收水声并将其转换为电信号；(2)信号调理与采集模块完成弱信号的放大、滤波与模数转换；(3)传统的FFT实现方法是通过软件(软件编程)和硬件(专用芯片ASIC)这两种方法来实现，前者实时性差，多通道数据处理能力弱；后者为订制芯片，使用灵活性较差。近年来，FPGA的快速发展给FFT设计提供了一种新途径。为了更好地满足设计人员的需要，各大公司相继推出了IP模块，本实用新型采用Altera公司的IP Core FFT MegaCore实现FFT。(4)通信接口(第一通信接口、第二通信接口)采用TI公司的高速串口收发芯片SN65HVD24作为接口芯片，该收发器的性能远超过常用的RS485收发器，为了满足TIA/EIA-485-A标准，SN65HVD24工作于扩展的共模电压之上，并且具有高ESD保护、宽接收允许迟滞和失效保护等特点。该收发器适合长缆网络传输以及恶劣的环境场所。该收发器拥有三态差分驱动器和差分接收器，单端5V供电即可。差分发送器和差分接收器在芯片内部相连形成一对差分总线接口，该接口能对差分总线产生最小负载。该端口能够形成扩展的共模工作电压，使该器件适用于多点应用和长缆传输。(5)解压缩模块32的IFFT为FFT的逆过程，可将频域信号变换为时域信号，利用LabVIEW，调用信号处理程序包中Inverse FFT VI可实现IFFT变换。(6)信号处理与显示模块33可以利用LabVIEW的信号处理开发套件可对时域信号进行多种算法的处理，利用Waveform Graph VI控件可实现波形的显示。

以下，对于频率压缩模块13以及解压缩模块32的工作过程进行举例说明。应当理解，所述频率压缩模块13以及解压缩模块32也可以采用现有的任何具有频率压缩和解压缩功能的电路模块或者设备。

频率压缩模块13以及解压缩模块32将所需带宽内的谱信息压缩后传输，并在接收端进行IFFT变换恢复时域数据。水声数据采样率通常为200kHz，位宽为16bits，FFT处理引擎变化域深度为2048点，输出数据包括变化域深度为2048点的16bits实部、虚部以及变化域深度为1的6bits指数位，频率分辨率为0.098kHz/点。若要将所有信息上传至上位机，需要6.4Mbps的通信带宽，若采用串口通信，无法支持如此高的通信带宽。水声数采系统通常只关注被检信号的功率谱构成或提取某一线谱的功率谱量级，因此可以考虑将通带频谱进行压缩，只传输特定频带内的谱信息。如某声信标脉冲频率处于34.5kHz～37.5kHz之间，故以33kHz～39kHz带内信息为例，此6kHz频带对应频谱的第338点至第390点，输出数据包括变化域深度为60点的16bits实部、虚部以及变化域深度为1的6bits指数位，需要带宽188kbps，频率压缩率为2.9％。串口由于通信协议简单、使用芯线数少、通信稳定可靠，广泛应用于工控、测量设备以及部分通信设备中。数传带宽需求为188kbps，考虑到数据包有起始符和结束符、串口协议包括起始位和终止位，并且两帧数据间隔时间需大于0.012ms，这些符号位和时间段都无法传输有效数据，故波特率必须大于262kbps，将串口波特率设置为921600bps，满足带宽需求。干端设备的IFFT输入数组长度必须和FFT输出数组长度相同才能变换出正确的时序信号，湿端部分的进行FFT的变化域深度为2048点，由于进行了频率压缩，只上传了频谱的338点至390点共60点的频谱数据，进行IFFT前需进行补零操作。需将实部和虚部作为直角分量的两个值，创建长度1024点的复数，在创建长度为2048点共轭复数列，最后将频域信号变换为时域信号，并可将时序信号显示波形控件中。

使用信号源产生线性调频CW脉冲信号，脉冲频率为34kHz～38kHz，Vpp为0.2mV，脉宽4ms，周期1s。将产生的模拟信号同时施加于湿端设备的AD输入端和8阶模拟滤波器。如附图2所示，(a)为示波器获取的原始信号波形，(b)为上位机获取的原始波形经频率压缩和IFFT变换后的波形，(c)为示波器获取的原始信号经8阶模拟带通滤波后的波形。比较(a)和(b)：(b)保留了(a)的Vpp、脉宽和占空比等信息，(b)较好还原了曲线(a)的原貌。比较(b)和(c)：(b)在脉冲开始沿和结束沿的包络存在缓变震荡过程，与(c)的滤波效果相似，是因为(b)的频率压缩去掉了低频成分和高频成分，相当于带通滤波效果。频率压缩后IFFT变换具备线性相移特性，故(b)信号只有时延而波形不会失真。模拟滤波器没有线性相移特性，故(c)不仅有延时，同时波形也会失真。

本实用新型公开了一种基于频率压缩方法的水声数传装置，本实用新型的特点是：(1)具有频率压缩模块，对被采集信号的频域数据进行压缩，相较于传统的时域压缩方法，压缩效率极高，单通道信道带宽可大大减小；(2)频谱的实部和虚部数据并未丢失，原始信号的相位信息得以保留，因此能在终端设备上通过IFFT变换恢复时域波形；(3)频率压缩模块可去除不需要的频率分量，具备滤波特性，阻带衰减率为100％，还避免了模拟滤波器易造成的波形失真缺陷；(4)可通过IFFT解压缩模块恢复时域波形，与原始波形相比具有线性相移特性，使被恢复信号不会产生失真。该技术成本低廉，可移植性好，可靠性高，不仅可运用于远程水声数采(包括水声信号探测设备或水声应答装置)、也可用于环境参数遥测及工业参数监测等领域。