自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置、系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001 ] 本申請涉及海洋環(huán)境信息監(jiān)測技術領域，尤其涉及一種自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置、系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]海洋聲學及其技術由淺海向深海拓展，是認識深海、利用深海、開發(fā)深海的重大需求，是順應國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略需求的重要領域。深海海洋水文環(huán)境參數(shù)時空變化顯著，水文現(xiàn)象極其復雜，導致聲場分布規(guī)律和時空相干結構復雜多變，進而影響著聲信息傳輸與水下目標探測的性能。因此，開展深海聲學研究必需加入環(huán)境參數(shù)。水文觀測設備是進行深海水聲場傳播分析的必要技術途徑。同樣，深海水聲、水文觀測參數(shù)可為開展低頻聲波與深海海洋動力過程(如鋒面、渦旋、內波等中、大尺度現(xiàn)象)之間的耦合機理研究，優(yōu)化與發(fā)展海洋動力學預報模式、實現(xiàn)深海聲學預報等基礎研究提供必要的技術支撐。
[0003]目前，傳統(tǒng)方式是通過水聽器陣列和水文環(huán)境(如溫度、深度、鹽度)參數(shù)采集鏈的獨立作業(yè)方式實現(xiàn)水聲信號、水文參數(shù)測量，具體而言，水聽器陣列通常是指由一定數(shù)量的水聽器按固定間隔排列，通過一條多芯電纜(供電與信號傳輸共用)串接構成的陣列，陣列中的水聽器將采集到的水聲模擬信號由電纜傳輸?shù)讲杉O備實現(xiàn)水聲信號的數(shù)字化采集存儲；水文環(huán)境參數(shù)采集鏈通常是將自容式或直讀式水文環(huán)境傳感器按不同深度懸掛于繩纜，獲取不同深度的水文參數(shù)。但這種工作方式由于受到設備和海上實施等因素限制，存在以下局限性與不足之處:
[0004]1.水聲與水文參數(shù)非共點、非同步采集:傳統(tǒng)水聽器陣列與水文環(huán)境參數(shù)采集鏈為各自獨立系統(tǒng)，時鐘獨立，難以實現(xiàn)相同深度同步觀測水聲、水文環(huán)境參數(shù)。
[0005]2.操作不便:深水陣列體積大，海上布放、回收作業(yè)難度大，存儲、運輸不便，而且陣元的間隔位置固定，難以最佳接收的垂向空間分布。
[0006]3.信號質量低:長距離的供電電纜必然導致供電電壓壓降增大，導致遠端水聽器的動態(tài)范圍降低，而且長距離的信號傳輸纜將使水聲信號衰減增大、長纜的分布電容增加，水聲信號質量下降。
[0007]4.可靠性低:深水水聽器陣列內含多芯供電纜和信號傳輸纜，對于深水高靜水壓環(huán)境，電纜長度大，破損幾率高，且高壓環(huán)境下的電纜破損將迅速導致整條陣列徹底損壞，維修難度非常大。

【發(fā)明內容】

[0008]本申請的目的是提供一種自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置、系統(tǒng)及方法，通過將聲信號記錄、水文環(huán)境參數(shù)記錄相互融合的設計方法，研制一種新型的大深度、小型化、低功耗、自容式水聲水文環(huán)境參數(shù)同步采集數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)深海條件下，同步獲取深水大尺度范圍內不同深度分布的水聲信號與水文環(huán)境參數(shù)。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置，所述裝置包括:第一數(shù)據(jù)采集模塊、第二數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、存儲模塊；
[0010]所述第一數(shù)據(jù)采集模塊用于采集第一水聲數(shù)據(jù)，并將所述第一水聲數(shù)據(jù)轉換為第二水聲數(shù)據(jù)發(fā)送給所述控制模塊；
[0011]所述第二數(shù)據(jù)采集模塊用于采集第一水文數(shù)據(jù)，并將所述第一水文數(shù)據(jù)轉換為第二水文數(shù)據(jù)發(fā)送給所述控制模塊；
[0012]所述控制模塊用于控制所述第一數(shù)據(jù)采集模塊和所述第二數(shù)據(jù)采集模塊，并將所述第二水聲數(shù)據(jù)和所述第二水文數(shù)據(jù)發(fā)送給所述存儲模塊；
[0013]所述存儲模塊用于存儲所述第二水聲數(shù)據(jù)和第二水文數(shù)據(jù)，以使主控計算機讀取所述第二水聲數(shù)據(jù)和所述第二水文數(shù)據(jù)。
[0014]第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:本申請實施例中的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置、主控計算機及授時系統(tǒng)；
[0015]所述主控計算機用于控制所述裝置，并分別讀取第二水聲數(shù)據(jù)和第二水文數(shù)據(jù)確定海洋水聲和水文信息；
[0016]所述授時系統(tǒng)用于獲取時間信息，并為所述裝置賦予時間值。
[0017]第三方面，本申請?zhí)峁┝艘环N自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集方法，所述方法包括:
[0018]分別采集第一水聲數(shù)據(jù)和第一水文數(shù)據(jù)；
[0019]將所述第一水聲數(shù)據(jù)和所述第一水文數(shù)據(jù)分別轉換為第二水聲數(shù)據(jù)和第二水文數(shù)據(jù)；
[0020]分別根據(jù)所述第二水聲數(shù)據(jù)和所述第二水文數(shù)據(jù)，確定海洋水聲和水文信息。
[0021]本申請?zhí)峁┑淖匀菔剿?、水文?shù)據(jù)同步采集裝置、系統(tǒng)及方法，具有以下優(yōu)點:
[0022]1.水聲與水文參數(shù)共點、同步采集:每個裝置可接入水聲、溫度、壓力、鹽度等多種傳感器，實現(xiàn)水聲信號與水文參數(shù)的空間、時間同步記錄。
[0023]2.操作靈活:每個裝置均為獨立設備，用戶可根據(jù)需求決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置個數(shù)、空間間隔、布放深度等；
[0024]3.信號質量高:每個裝置均為分布式數(shù)字化的設備，實現(xiàn)水聲、水文參數(shù)的近端數(shù)字化采集記錄，有效克服了傳統(tǒng)陣列的長程傳輸存在的信號衰減、干擾、電壓下降等問題。
[0025]4.高可靠性:自容式的裝置獨立可有效的實現(xiàn)故障隔離，不會因為單個裝置的故障導致整個采集系統(tǒng)損壞，大大提高系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0026]圖1為本申請實施例一提供的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置示意圖；
[0027]圖2為本申請實施例一提供的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置中的水密電子艙結構圖；
[0028]圖3為本申請實施例一提供的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置對應的系統(tǒng)示意圖；
[0029]圖4為本申請實施例一提供的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置對應的采集數(shù)據(jù)鏈工作狀態(tài)示意圖；
[0030]圖5為本申請實施例一提供的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置對應的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0031]下面通過附圖和實施例，對本申請的技術方案做進一步的詳細描述。
[0032]圖1為本申請實施例一提供的自容式水聲、水文數(shù)據(jù)同步采集裝置示意圖。如圖1所示，所述裝置包括:第一數(shù)據(jù)采集模塊10、第二數(shù)據(jù)采集模塊20、控制模塊30、存儲模塊40 ;第一數(shù)據(jù)采集模塊10用于采集第一水聲數(shù)據(jù)，并將第一水聲數(shù)據(jù)轉換為第二水聲數(shù)據(jù)發(fā)送給所述控制模塊30 ;第二數(shù)據(jù)采集模塊20用于采集第一水文數(shù)據(jù)，并將第一水文數(shù)據(jù)轉換為第二水文數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊30 ;控制模塊30用于控制第一數(shù)據(jù)采集模塊10和第二數(shù)據(jù)采集模塊20，并將第二水聲數(shù)據(jù)和第二水文數(shù)據(jù)發(fā)送給存儲模塊40 ;存儲模塊40用于存儲第二水聲數(shù)據(jù)和第二水文數(shù)據(jù)，以使主控計算機讀取第二水聲數(shù)據(jù)和第二水文數(shù)據(jù)。
[0033]優(yōu)選地，裝置還包括:電源模塊50，電源模塊包括供電單元501和監(jiān)控單元502 ；
[0034]供電單元501為高能鋰電池組，用于為裝置供電；
[0035]監(jiān)控單元502用于監(jiān)控電流和電壓的變化，當發(fā)現(xiàn)異常情況時發(fā)出告警信號。
[0036]優(yōu)選地，裝置還包括:水密電子艙60 ；
[0037]水密電子艙60，用于容置控制模塊30、存儲模塊40和電源模塊50。
[0038]水密電子艙60為密閉結構，以防止內部進入海水。材質可以采用鈦合金，可耐2000米高靜水壓，同樣鈦合金可保證電子倉在長期海水腐蝕環(huán)境下水密正常。
[0039]水密電子艙60結構如圖2所示，其中，I為水密接插件，2為深水水文環(huán)境傳感器安裝孔，3為儀器托架，4為電池托架，5為外筒。
[0040]第一數(shù)據(jù)采集模塊10具體包括:深水水聽器、低噪聲模/數(shù)轉換電路、低噪聲運算放大器。
[0041]深水水聽器包括耐高壓、高靈敏度的新型壓電型水聲傳感器。
[0042]低噪聲運算放大器用于對采集到的數(shù)據(jù)進行信號調理。
[0043]低噪聲模/數(shù)轉換電路用于將第一水聲數(shù)據(jù)轉換為第二水聲數(shù)據(jù)，第一水聲數(shù)據(jù)為模擬信號，第二水聲數(shù)據(jù)為數(shù)字信號。
[0044]第二數(shù)據(jù)采集模塊20具體為:深水水文環(huán)境傳感器。深水水文環(huán)境傳感器具體為高精度直讀式水文環(huán)境參數(shù)傳感器。
[0045]水文環(huán)境參數(shù)包括:溫度參數(shù)、深度參數(shù)、鹽度參數(shù)等。
[0046]第二數(shù)據(jù)采集模塊20將采集到的第一水文數(shù)據(jù)轉換為第二水文數(shù)據(jù)，第一水文數(shù)據(jù)為模擬信號，第二水文數(shù)據(jù)為數(shù)字信號。
[0047]需要說明的是，對于不同類型的傳感器，采集到的信號類型不同。如果第二數(shù)據(jù)采集模塊20采集到的為數(shù)字信號，此處不需要進行轉換處理，直接將采集到的數(shù)字信號發(fā)送給控制模塊30。
[0048]控制模塊30具體包括:超低功耗單片機、低功耗現(xiàn)場可編程門陣列(Field —Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)和實時時鐘；超低功耗單片機作為主控單元，用于實現(xiàn)運行模式轉換和異常事件處理；FPGA為接口單元，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)類型轉換、數(shù)據(jù)緩存、采集數(shù)據(jù)存儲和與外部設備進行通訊；實時時鐘用于通過授時系統(tǒng)為裝置賦予時間值，授時系統(tǒng)可以為全球定位系統(tǒng)(Global Posit1ning System，GPS)、北斗授時系統(tǒng)等。
[0049]存儲模塊40具體為大容量固態(tài)存儲器。例如，高容量安全(Secure Digital HighCapacity，SDHC)或容量擴展(Secure Digital extended Capacit