声纳系统信号采集传输控制方法及应用该方法的装置与流程

本发明涉及水下探测与成像仪器仪表领域，特别涉及一种可用于单频段、多频段、通用型的声纳信号采集传输控制方法及应用该方法的声纳信号采集传输控制装置，籍此实现声纳对水下物体、目标进行成像时的主动声波发射控制，以及反射声波信号的实时采集、传输，保证声纳在水下作业时成像功能的稳定性。

背景技术：

声纳是一种用于水下各类物体、目标探测与成像的装置，可在海洋、湖泊、河流等多种水域环境中进行作业，被众多领域所广泛应用。例如，水下考古、搜救、目标侦查、地貌勘探、油气管道维护等。

声纳成像的基本过程为：通过主动向待探测水域发射某一频率段的声波信号，然后接收被探测区域中该频率段内的反射声波信号。原始的反射声波信号经过预处理后，被采集并传输至后续的信号处理部分便可合成该区域的探测成像结果。

在上述过程中，主动声波的发射，反射声波信号的接收、采集和传输都需要根据声纳不同的工作参数及技术指标进行准确的控制，以达到协同稳定的工作状态。因此，为了满足不同声纳的系统集成及参数指标的要求，可设计一种功能可扩展、自定义的通用型模块化信号采集传输控制装置，用于完成声纳主动声波发射控制，反射声波信号采集、传输等功能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有通用性的声纳信号采集传输控制方法及装置，可完成不同声纳中主动声波发射控制，反射声波信号采集、传输等功能，并能满足不同声纳的系统集成及参数指标的要求。

本发明提供的具有通用性的声纳系统信号采集传输控制方法，所述声纳系统包括声波发射单元，反射声波接收单元，模拟信号预处理单元，信号采集传输控制单元，信号处理单元，其特征在于：所述的声纳系统信号采集传输控制方法包括如下步骤：

（1）该信号采集传输控制单元从所述信号处理单元接收声波发射单元的工作参数，模拟信号预处理单元的工作参数，以及所述声纳的系统参数；

（2）所述的信号采集传输控制单元将所接收的该声波发射单元的工作参数传递至声波发射单元中；

（3）所述的信号采集传输控制单元根据所接收的该声纳的系统参数中的采样时间间隔，控制声波发射单元以固定周期主动发射声波，发射完成后，所述的信号采集传输控制单元根据所接收的所述模拟信号预处理单元的工作参数，控制该模拟信号预处理单元对于所述反射声波接收单元输出的模拟信号的预处理过程；与此同时，所述的信号采集传输控制单元根据所接收的所述系统参数，在所述声波发射单元发射下一次声波前，从所述的模拟信号预处理单元采集相应数量的数字信号，随后，该信号采集传输控制单元按照所述信号处理单元所需的协议格式，将所采集的前述数字信号打包传输至所述的信号处理单元。

根据上述本发明提供的控制方法，本发明同时提出了一种声纳系统信号采集传输控制装置，所述控制装置包括：

声波发射单元，用于主动向被探测水域发射某一固定频段的声波；

反射声波接收单元，用于接收被探测水域所反射回的声波信号，并将该反射回的声波信号转换产生相应的模拟电信号；

模拟信号预处理单元，用于将上述模拟电信号经过滤波、降噪、放大等预处理后转换为数字信号；

信号采集传输控制单元，用于采集上述数字信号，并将所采集的该数字信号按照所采用的信号处理单元协议格式传输至信号处理单元；

信号处理单元，用于对上述信号采集传输控制单元传输的协议格式的数字信号进行处理最终合成被探测区域的图像；

其特征在于：所述的信号采集传输控制单元还用于：从所述信号处理单元接收声波发射单元的工作参数，模拟信号预处理单元的工作参数，以及所述声纳的系统参数，并将该声波发射单元的工作参数传递至所述的声波发射单元；该信号采集传输控制单元控制声波发射单元主动发射声波，并控制该模拟信号预处理单元对于所述反射声波接收单元输出的模拟信号的预处理过程；

上述本发明提供的声纳系统信号采集传输控制装置进一步的特征在于：所述的信号采集传输控制单元包括至少1个子模块，该子模块包括主控模块，信号传输模块，信号采集模块以及发射控制模块，该主控模块通过信号传输模块与信号处理单元连接，通过信号采集模块与模拟信号预处理单元连接，通过发射控制模块与声波发射单元连接。

进一步的，该主控模块通过信号传输模块从信号处理单元接收声波发射单元和模拟信号预处理单元的工作参数，以及所述声纳的系统参数，并向信号处理单元传输从模拟信号预处理单元所采集的数字信号。主控模块通过信号采集模块向模拟信号预处理单元传递其所需的工作参数，并从其中采集数字信号。主控模块通过发射控制模块向声波发射单元传递其所需的工作参数，并控制其发射声波的时刻。主控模块通过电源模块进行供电。

上述本发明提供的声纳系统信号采集传输控制装置进一步的还特征在于：当所述的信号采集传输控制单元包括超过一个的子模块，该子模块包括主控模块，信号传输模块，信号采集模块以及发射控制模块，该主控模块通过信号传输模块与信号处理单元连接，通过信号采集模块与模拟信号预处理单元连接，通过发射控制模块与声波发射单元连接；所述的各子模块，均可单独用作单个频率段的声波信号的发射控制，及该单频段的反射声波信号的采集传输功能。因此，每个子模块可分别独立完成一个不同频率段所有的对应功能。

当所述的信号采集传输控制装置仅需用作单个频率段的声纳系统的信号采集传输控制单元时，可选择子模块的任意一个，其他的子模块则可拆除，不作使用。当所述的信号采集传输控制装置需同时用作包含2个或以上频率段的声纳系统的信号采集传输控制单元时，则需同时使用两个或以上的子模块。

附图说明

图1为本发明实施例声纳系统结构示意框图；

图2为本发明实施例中信号采集传输控制单元结构示意框图；

图3为本发明实施例中信号采集传输控制单元子模块结构示意框图；

图4a、图4b为本发明实施例合成孔径声纳系统结构示意框图；

图5为本发明实施例中子模块结构示意框图。

具体实施方式

为使公众进一步了解本发明所采用之技术、手段及其有益效果，特举实施例并配合附图对本发明详细说明如下，相信当可由之得以深入而具体的了解。

本实施例提供的具有通用性的声纳系统信号采集传输控制方法，可同时适用于不同频段声纳的信号采集传输，并能满足不同声纳的系统集成及参数指标的要求，可完成不同声纳中主动声波发射控制，反射声波信号采集、传输等功能。

图1所示是本实施例声纳系统结构框图，其包括声波发射单元，反射声波接收单元，模拟信号预处理单元，信号采集传输控制单元，信号处理单元以及图像显示单元，其中所述的信号采集传输控制单元控制方法包括如下步骤：

（1）首先，该信号采集传输控制单元从所述信号处理单元接收声波发射单元的工作参数（包括发射功率、发射脉宽、发射频率、发射周期等），模拟信号预处理单元的工作参数（包括信号增益等），以及所述声纳的系统参数（包括采样时间间隔、采样点数、采样率、通道数等）；

（2）所述的信号采集传输控制单元将所接收的该声波发射单元的工作参数传递至声波发射单元中；

（3）当所述的声纳启动工作后，所述的信号采集传输控制单元根据所接收的该声纳的系统参数中的采样时间间隔，控制声波发射单元以固定周期主动发射声波，这个固定周期是由声纳所需要探测的距离决定的。发射完成后，所述的信号采集传输控制单元根据所接收的所述模拟信号预处理单元的工作参数，控制该模拟信号预处理单元对于所述反射声波接收单元输出的模拟信号的预处理过程，包括调节模拟电信号的放大、降噪、滤波、模数转换等；与此同时，所述的信号采集传输控制单元根据所接收的所述系统参数中的采样率、采样点数、通道数等参数，在所述声波发射单元发射下一次声波前，从所述的模拟信号预处理单元采集相应数据量的数字信号，随后，该信号采集传输控制单元按照所述信号处理单元所需的协议格式，将所采集的前述数字信号打包传输至所述的信号处理单元。

根据上述本发明提供的控制方法，本实施例同时提出了一种声纳系统信号采集传输控制装置，请参见图1，该控制装置包括：

声波发射单元，用于主动向被探测水域发射某一固定频段的声波；

反射声波接收单元，用于接收被探测水域所反射回的声波信号，并将该反射回的声波信号转换产生相应的模拟电信号；

模拟信号预处理单元，用于将上述模拟电信号经过滤波、降噪、放大等预处理后转换为数字信号；

信号采集传输控制单元，用于采集上述数字信号，并将所采集的该数字信号按照所采用的信号处理单元协议格式传输至信号处理单元；

信号处理单元，用于对上述信号采集传输控制单元传输的协议格式的数字信号进行处理，最终合成被探测区域的图像，传输至图像显示单元；

图像显示单元，显示经上述信号处理单元处理合成的图像；

所述的信号采集传输控制单元分别与声波发射单元，模拟信号接收单元，信号处理单元连接。在所述的声纳启动工作之前，信号采集传输控制单元从所述信号处理单元接收声波发射单元的工作参数（包括发射功率、发射脉宽、发射频率、发射周期等），模拟信号预处理单元的工作参数（包括信号增益等），以及所述声纳的系统参数（包括采样时间间隔、采样点数、采样率、通道数等），并将该声波发射单元的工作参数传递至所述的声波发射单元；当所述的声纳启动工作后，该信号采集传输控制单元控制声波发射单元主动发射声波，并控制该模拟信号预处理单元对于所述反射声波接收单元输出的模拟信号的预处理过程，包括模拟电信号的放大、降噪、滤波、模数转换等；与此同时，所述的信号采集传输控制单元根据所接收的所述系统参数中的采样率、采样点数、通道数等参数，在所述声波发射单元发射下一次声波前，从所述的模拟信号预处理单元采集相应数量的数字信号，随后，该信号采集传输控制单元按照所述信号处理单元所需的协议格式，将所采集的前述数字信号打包传输至所述的信号处理单元。

本实施例信号采集传输控制单元包括2个结构组成相同的子模块1和子模块2，1个电源模块，以及1个连接模块，如图2所示，该子模块1和子模块2分别包括主控模块，信号传输模块，信号采集模块以及发射控制模块，该主控模块通过信号传输模块与信号处理单元连接，通过信号采集模块与模拟信号预处理单元连接，通过发射控制模块与声波发射单元连接。

如图3，该主控模块通过信号传输模块从信号处理单元接收声波发射单元和模拟信号预处理单元的工作参数，以及所述声纳的系统参数，并向信号处理单元传输从模拟信号预处理单元所采集的数字信号。主控模块通过信号采集模块向模拟信号预处理单元传递其所需的工作参数，并从其中采集数字信号。主控模块通过发射控制模块向声波发射单元传递其所需的工作参数，并控制其发射声波的时刻。主控模块通过电源模块进行供电。

如图4a、图4b，以一种双频合成孔径声纳系统为例，该系统包含了高频、低频两套独立的声纳系统。其中，图4a所示的高频声纳系统包含了高频声波发射单元，高频反射声波接收单元，高频模拟信号预处理单元，高频信号采集传输控制单元，高频信号处理单元，高频图像显示单元，图4b所示的低频声纳系统包含了低频声波发射单元，低频反射声波接收单元，低频模拟信号预处理单元，低频信号采集传输控制单元，低频信号处理单元，低频图像显示单元。高频、低频声纳系统任意一个均可单独独立工作，两者也可同时工作。

本实施例提出的声纳信号采集传输控制方法为：

当高频声纳启动工作之前，所述的高频信号采集传输控制单元从高频信号处理单元接收高频声波发射单元的工作参数（发射功率、发射脉宽、发射频率、发射周期等），高频模拟信号预处理单元的信号增益参数，以及所述高频声纳的系统参数（采样时间间隔、采样点数、采样率、通道数等）。

然后，所述的高频信号采集传输控制单元将所接收的高频声波发射单元的工作参数传递至高频声波发射单元中。

当高频声纳启动工作后，所述的高频信号采集传输控制单元根据所接收的系统参数中的采样时间间隔，控制高频声波发射单元以固定周期主动发射声波。发射完成后，所述的高频信号采集传输控制单元根据所接收的高频模拟信号预处理单元的信号增益参数，动态调节高频模拟信号预处理单元对于高频反射声波接收单元输出的模拟信号的预处理过程中的信号增益值。与此同时，所述的高频信号采集传输控制单元根据所接的系统参数中的采样率、采样点数、通道数等参数，在高频声波发射单元发射下一次声波前，从高频模拟信号预处理单元采集相应数量的数字信号。随后，高频信号采集传输控制单元按照高频信号处理单元所需的协议格式，将所采集的数字信号打包传输至高频信号处理单元。

同理，当低频声纳启动工作之前，所述的低频信号采集传输控制单元从低频信号处理单元接收低频声波发射单元的工作参数（发射功率、发射脉宽、发射频率、发射周期等），低频模拟信号预处理单元的信号增益参数，以及所述低频声纳的系统参数（采样时间间隔、采样点数、采样率、通道数等）。

然后，所述的低频信号采集传输控制单元将所接收的低频声波发射单元的工作参数传递至低频声波发射单元中。

当低频声纳启动工作后，所述的低频信号采集传输控制单元根据所接收的系统参数中的采样时间间隔，控制低频声波发射单元以固定周期主动发射声波。发射完成后，所述的低频信号采集传输控制单元根据所接收的低频模拟信号预处理单元的信号增益参数，动态调节低频模拟信号预处理单元对于低频反射声波接收单元输出的模拟信号的预处理过程中的信号增益值。与此同时，所述的低频信号采集传输控制单元根据所接的系统参数中的采样率、采样点数、通道数等参数，在低频声波发射单元发射下一次声波前，从低频模拟信号预处理单元采集相应数量的数字信号。随后，低频信号采集传输控制单元按照低频信号处理单元所需的协议格式，将所采集的数字信号打包传输至低频信号处理单元。

图5是本实施例子模块的结构示意框图。子模块1、子模块2分别用于高频信号采集控制单元和低频信号采集控制单元，分别与高频声波发射单元/低频声波发射单元、高频模拟信号接收单元/低频模拟信号接收单元以及高频信号处理单元/低频信号处理单元连接。

两个子模块中，子模块1用于完成高频声纳系统的声波信号发射控制和反射声波信号的采集传输功能，子模块1的主控模块通过信号传输模块与高频信号处理单元连接，通过信号采集模块与高频模拟信号预处理单元连接，通过发射控制模块与高频声波发射单元连接。主控模块通过信号传输模块从高频信号处理单元接收高频声波发射单元和高频模拟信号预处理单元的信号增益参数，以及所述高频声纳的系统参数，并向高频信号处理单元传输从高频模拟信号预处理单元所采集的数字信号。主控模块通过信号采集模块向高频模拟信号预处理单元传递其所需的工作参数，并从其中采集数字信号。主控模块通过发射控制模块向高频声波发射单元传递其所需的工作参数，并控制其发射声波的时刻。

两个子模块中，子模块2用于完成低频声纳系统的声波信号发射控制和反射声波信号的采集传输功能。子模块2的主控模块通过信号传输模块与低频信号处理单元连接，通过信号采集模块与低频模拟信号预处理单元连接，通过发射控制模块与低频声波发射单元连接。主控模块通过信号传输模块从低频信号处理单元接收低频声波发射单元和低频模拟信号预处理单元的信号增益参数，以及所述低频声纳的系统参数，并向低频信号处理单元传输从低频模拟信号预处理单元所采集的数字信号。主控模块通过信号采集模块向低频模拟信号预处理单元传递其所需的工作参数，并从其中采集数字信号。主控模块通过发射控制模块向低频声波发射单元传递其所需的工作参数，并控制其发射声波的时刻。

当仅需高频声纳系统工作时，仅高频信号采集控制单元对应的子模块1工作，另一个子模块2可从图4系统中拆除；当仅需低频声纳系统工作时，仅低频信号采集控制单元对应的子模块2工作，另一个子模块1可从图4系统中拆除；当需要高频和低频声纳系统同时工作时，高频信号采集控制单元对应的子模块1和低频信号采集控制单元对应的子模块2需同时工作。

两个子模块1、子模块2结构相同，均设计为小型模块化的核心电路板，通过连接器扩展出所需接口与连接模块相连，可自由安装或拆卸。当高频或低频声纳系统需要进行额外的功能扩展时，相应的子模块1或子模块2需增加与之相关的外围电路，用以实现对应的功能。此时，子模块1和子模块2的结构会存在不同。

电源模块采用了模块化电源，用于给子模块1和子模块2提供电源。

连接模块采用单块电路板的形式，通过连接器与子模块1、子模块2和电源模块连接。该连接模块用于提供子模块1、子模块2和电源模块之间的机械和电气连接。

主控模块以SOC芯片为核心，可进行自由编程，用于实现本发明所述的信号采集传输控制方法。通过电源模块进行供电。

信号传输模块采用了千兆以太网模块，用于完成主控模块至高频信号处理单元或低频信号处理单元的双向数据传输。通过电源模块进行供电。

信号采集模块采用了电平转换模块，用于完成主控模块至高频模拟信号预处理单元或低频模拟信号预处理单元的双向电平转换。通过电源模块进行供电。

发射控制模块采用了RS485模块，用于将主控模块输出的LVCOMS信号转换为RS485信号输出至高频声波发射单元或低频声波发射单元。通过电源模块进行供电。

上述实施例，仅用于对本发明的原理、技术方案进行详细说明而非对本发明的限定，在本发明技术构思基础上进行的修改或者等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。