具有采集单元地址快速分配功能的水声阵列系统的制作方法

本发明涉及一种水声阵列系统，特别是涉及拖曳式声呐线列阵系统。

背景技术：

水声阵列系统是最主要的海洋信息获取手段之一，大量的海底油藏、海底地质构造、海底矿产、海洋鱼群密度及行为特征、海洋军事监测等信息都是采用该技术实现的。水声阵列系统采用人工激发地震波的方式，通过水听器阵列接收回波信号，对采集到的数据进行处理解释，判断海底油气资源分布情况，地层结构和岩石性质，研究盆地类型，断层发育情况、活动性以及区域地震危险性，判断海洋地震的可能性。

传统的水声阵列系统，其系统结构如图1所示，采用级联型结构进行连接，主要由预处理模块、命令线、数据线、采集单元以及水声传感器(水听器)五部分组成。其中，预处理模块的功能主要是完成同步时钟与下行命令的发送，以及信号采集数据的接收，最后将接收到的数据统一上传至船上控制中心进行存储以及显示；采集单元主要完成多路水听器信号的采集、整合以及上传等。系统在作业过程中，声源以固定频率发出声波波束。声波波束经过不同地层的反射，得到不同的地层反射信号，被水声阵列中的各水听器实时接收，并由各采集单元将接收到的数据逐级上传至船上控制系统。

由于水声阵列系统采用多段阵缆与采集单元组合而成，在安装过程中，各采集单元也是随机连接的。因此，不同采集单元的地址需要得到有序的分配，以提高系统的灵活性。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供采集单元地址快速分配功能的水声阵列系统。本发明采用的技术方案是，具有采集单元地址快速分配功能的水声阵列系统，由预处理模块、命令线、数据线、采集单元以及水声传感器五部分，控制中心通过预处理模块，经由命令线，向下级的各采集单元发送地址分配命令，各采集单元在接收到该命令后，完成对本地地址的设置，并将处理后的地址分配命令转发至下一级；地址分配命令的帧结构分为识别码以及地址码。其中，识别码用于区别不同的下行命令；地址码用于设置各采集单元的地址，在各采集单元完成地址分配后自动加1，用于下一级采集单元的地址分配。

采集单元设置有FPGA硬件逻辑结构，所述FPGA硬件逻辑结构包括如下模块：

命令识别模块，用于预处理模块或上级采集单元下发的识别地址分配命令；

地址缓存模块，用于缓存地址分配命令中的地址码；

数据整合及发送模块，用于将从下级采集单元接收到的数据与本地采集单元的地址整合，并向上级采集单元或预处理模块发送整合过的数据帧；

命令发送模块，用于向下级采集单元发送更新后的地址分配命令；

地址+1缓存模块，用于将接收到的地址码加1并缓存；

数据接收模块，用于接收下级采集单元上传的数据；

本地数据模块，用于缓存本地采集单元采集的数据。

本发明的特点及有益效果是：

本发明的水声阵列系统，通过发送下行地址分配命令，设计了能够快速响应下行命令的硬件逻辑结构，当命令到达最后一级采集单元时，即可完成对系统所有采集单元地址的分配。进一步，提出了一种故障快速定位方法，能够使系统实现对故障出现位置的快速定位，为后续系统的维修提供便利条件。

附图说明：

图1是传统水声阵列系统的结构框图；

图2是本发明的地址快速分配模型图；

图3是本发明的地址分配命令帧结构图；

图4是本发明的采集单元硬件逻辑结构图；

图5是本发明的采集单元数据帧结构图；

图6是本发明的采集单元地址分配的耗时模型图；

图中

1：海平面；2：拖船；3：声源；4：声波；5：地层反射信号；6：海底地层；7：阵列；8：预处理模块；9：命令线；10：数据线；11：采集单元；12：传感器；13：命令识别模块；14：地址缓存模块；15：数据整合及发送模块；16：命令发送模块；17：地址+1缓存模块；18：数据接收模块；19：本地数据模块；20：船上控制中心；21：预处理模块；22：采集单元1；23：采集单元2；24：采集单元N

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现采集单元地址快速分配的水声阵列系统。

本发明所采用的技术方案是：

本发明的水声阵列系统，通过发送下行地址分配命令，设计了能够快速响应下行命令的硬件逻辑结构，当命令到达最后一级采集单元时，即可完成对系统所有采集单元地址的分配。进一步，提出了一种故障快速定位方法，能够使系统实现对故障出现位置的快速定位，为后续系统的维修提供便利条件。

下面结合附图和具体实施例对本发明的一种水声阵列系统做出详细说明。

如图2所示，采集单元的地址快速分配过程为：1)船上控制中心通过预处理模块，经由同步和命令线，向下级的各采集单元发送地址分配命令。2)各采集单元在接收到该命令后，完成对本地地址的设置，并将处理后的地址分配命令转发至下一级。

如图3所示，本发明中地址分配命令的帧结构分为识别码以及地址码。其中，识别码用于区别不同的下行命令；地址码(4’b0000-4’b1111)用于设置各采集单元的地址，它的初始值为4’b0000，在各采集单元完成地址分配后自动加1，用于下一级采集单元的地址分配，由此可知，本发明中的水声阵列系统能够实现16个采集单元的地址分配。最终的地址分配结果为：距离预处理模块最近的采集单元，其地址为4’b0000，最远的采集单元地址为4’b1111。

本发明中水声阵列系统的地址快速分配方法，采用如图4所示的FPGA硬件逻辑结构。该硬件逻辑结构包括：

命令识别模块13，用于预处理模块或上级采集单元下发的识别地址分配命令；

地址缓存模块14，用于缓存地址分配命令中的地址码；

数据整合及发送模块15，用于将从下级采集单元接收到的数据与本地采集单元的地址整合，并向上级采集单元或预处理模块发送整合过的数据帧；

命令发送模块16，用于向下级采集单元发送更新后的地址分配命令；

地址+1缓存模块17，用于将接收到的地址码加1并缓存；

数据接收模块18，用于接收下级采集单元上传的数据；

本地数据模块19，用于缓存本地采集单元采集的数据。

采集单元首先对接收到的命令进行识别，若为地址分配命令，则将其中的地址码提取至地址缓存中，用于对本地地址进行配置；同时，采集单元将该地址码加1，再将加1之后的地址码更新至地址分配命令中，最后转发至下一级采集单元。经过一定时间后，所有采集单元即可完成各自本地地址的配置。

如图5所示，各采集单元采集数据帧结构由帧头、本地采集单元地址、本地采集单元数据及CRC校验码组成，而本发明中水声阵列系统的总体数据帧结构是从采集单元1到N依次排列的，其具体的实现过程为：采集单元接收到本地数据后，将数据与本地地址进行组帧，优先传输本地数据帧；同时，采集单元接收由下一级采集单元上传的级联数据，将其先存储起来，待本地数据完成长传后再进行上传。

如图6所示，系统所有采集单元地址分配的耗时主要分为以下四个步骤：

步骤一，船上控制中心下发地址分配命令到预处理模块，该步骤所需时间为Tsend；

步骤二，预处理模块转发地址分配命令至第一级采集单元，该步骤所需时间为Tresend；

步骤三，各级采集单元只需完成对地址码的提取及修改即可实现本地地址的配置，完成该步骤所需时间为Tlocal；

步骤四，上级采集单元修改过的地址分配命令转发至下级，该步骤所需时间为Ttrans；

至此，完成系统所有采集单元地址分配所需时间为：

Ttotal＝Tsend+Tresend+Tlocal+(N-1)×Ttrans；

本发明中，由于水声阵列系统采用的是级联型结构上传数据，若假设采集单元3出现故障，将会导致船上控制中心无法接收来自采集单元3到采集单元N的所有数据帧。因此船上控制中心可以实时监测接收到的数据帧，查找未接收到的地址与数据，即可完成对故障的快速定位。