多站點水聲信號光纖傳輸處理技術?

（中國電子科技集團公司第三十四研究所 桂林 541004）

1 引言

大力進行海洋開發(fā)是國家重大決策，蛟龍?zhí)栞d人潛水器成功下潛七千多米，同時還建設了大量的海上作業(yè)平臺進行海洋開發(fā)。在海洋開發(fā)中，鋪設的很多的海底管道、海纜，安裝各種設備，為保衛(wèi)海洋，防止?jié)O船作業(yè)和敵對勢力的破壞，全方位的感知環(huán)境[1]，需要監(jiān)測的大量的海上海下目標。水下監(jiān)測系統(tǒng)測量系統(tǒng)越來越重要。水聲信號的采集、傳輸、處理作為“水下監(jiān)測、測量系統(tǒng)”重要組成部分，發(fā)揮了至關重要的作用，可靠、實時等特點也是系統(tǒng)最迫切需求的。由于光纖具有重量輕、工作頻帶寬、傳輸損耗小、安全性高、可靠性高的優(yōu)點，在海洋水聲信號多路探測、遠距離信號傳輸中比電纜傳輸更有極大的優(yōu)勢，基于海底光纜傳輸?shù)亩嗾军c水聲信號采集、傳輸、處理系統(tǒng)，充分利用了光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢，可以安全、可靠地實現(xiàn)多站點的水聲信號采集、傳輸?shù)裙δ?，并且組網(wǎng)的拓撲結構也較簡單[2]。

2 系統(tǒng)設計分析

在水下目標測量、水下安防監(jiān)控應用中，需要對目標數(shù)量、運動軌跡、速度、深度等參數(shù)進行精確測量。由于水下環(huán)境的非常復雜，相比雷達的空中工作環(huán)境，水下環(huán)境中有高山、有河谷、有各種生物等，這些物體都會反射聲波，使得水上傳播的聲音存在大量的多徑反射，很難確定具體的聲源位置，就像人在深山中一樣。現(xiàn)在雷達可以同時跟蹤成千上萬目標，而水下聲納處理系統(tǒng)能同時跟蹤的目標數(shù)量非常有限，目標參數(shù)精確測量非常復雜、困難，象普通雷達一樣的單個探測裝置很難完成這樣的工作，因此，水下網(wǎng)絡系統(tǒng)基本上只能由多個水下站點、多個探測傳感器協(xié)同工作完成。測量系統(tǒng)通過對這些傳感器數(shù)據(jù)進行多方面、多層次的融合處理、分析，才能有效可靠地對水下目標的探測、跟蹤、識別等。多站點水聲信號光纖傳輸處理系統(tǒng)需要傳輸?shù)男盘栴愋汀⑿盘枖?shù)量較多，對系統(tǒng)的傳輸帶寬要求比較高[3]。

光纖傳輸系統(tǒng)方案的組成如圖1所示。

圖1 光纖傳輸系統(tǒng)框圖

圖中多站點水聲信號光纖傳輸處理系統(tǒng)的各個水下站點通過水下光纜與水上信號處理中心進行雙向通信，同一個水下站點的各個水聽器采集到的水聲模擬信號通過電纜傳輸?shù)皆撜军c信號處理傳輸設備，經(jīng)過處理后經(jīng)光纖傳到水上信號處理中心接收。多個水下節(jié)點與水上信號處理中心信號的光纖傳輸拓撲結構常用環(huán)型級聯(lián)的拓撲結構[4]或者星型直連的拓撲結構[5]兩種方式。如圖2所示。

圖2 光纖傳輸拓撲結構

在環(huán)型級聯(lián)方式中，由于站點采用級聯(lián)方式，各站點的水聲探測信號是采用接續(xù)的方式進行傳輸?shù)模總€站點的信號先傳輸?shù)较噜彽恼军c中進行解復用，然后再與本地信號進行復用成串行信號，然后繼續(xù)傳輸?shù)较乱粋€站點，最后才傳輸?shù)剿闲盘柼幚碇行摹Ｔ诠饫w傳輸帶寬允許的前提下，水下采集傳輸設備可以在不增加光纖數(shù)量的前提下不斷擴展，充分利用了光纖大容量這一特性。而在星型直連方式中，每個站點和水上信號處理中心都采用單獨的一組光纖連接，其傳輸容量較大，每個水下站點可以接入大量的數(shù)據(jù)設備，接入大量的探測終端，但是由于使用光纖數(shù)量多，在水下站點數(shù)量不多時傳輸系統(tǒng)較簡單，隨著水下站點增加和傳輸距離增多時，其鏈路成本和施工成本急劇增加，水下站點的功耗比環(huán)形配置時的功耗小，系統(tǒng)的供電設計簡單[6]。

水上信號處理中心接收所有水下站點的光信號，從這些光信號中恢復出電信號，最后通過網(wǎng)絡或數(shù)據(jù)總線接口的形式傳輸給后端信號處理設備。信號處理單元收到水上信號處理中心接傳輸過來的數(shù)據(jù)信號，解出其中的數(shù)據(jù)信號進行數(shù)據(jù)運算和分析，實現(xiàn)水下目標的探測、識別和跟蹤[7]。

3 水聲信號的采集及傳輸

水下站點的主要功能為完成水下水聲信號的采集、多路信號復用，然后再傳輸?shù)剿闲盘柼幚碇行倪M行分析。水下站點信號處理及傳輸原理框圖如圖3所示。

圖3 水下站點信號處理及傳輸原理框圖

水聲信號是一種聲音信號，有用的信號頻率范圍通常為20Hz～20kHz，個別項目需求頻率范圍達幾十kHz。壓電陶瓷傳感器探測水中傳來的水聲壓強信號，并把壓強信號轉換成電信號輸出，輸出幅度很小輸出阻抗很大，不適合直接輸入給A/D電路進行采樣，需要在A/D采樣前先進行濾波、放大，把mV級的信號幅度放大到A/D滿量程輸入的0.5倍。低通濾波采用Chebyshev電路，級數(shù)為9階，帶內波動為0.25db，低通濾波通帶比要求的最高信號頻率大1.1倍，帶外衰減在最高信號頻率的1.5倍處≥40db以上，這樣低通濾波器有利于減少采樣電路的采樣噪聲提高信號信噪比，減少信號采樣混疊的影響減少信號的失真度。增益調整電路為數(shù)控DGA，由水上信號處理中心控制，根據(jù)壓電陶瓷傳感器探測到的信號幅度大小進行調節(jié)，提高信噪比。A/D轉換器選擇16bit連續(xù)同步采樣芯片，采用同步采樣方式工作，保證采樣后水聲信號相位一致[8]。多路水聲信號A/D轉換后與水下姿態(tài)傳感器串口信號同時輸入到可編程芯片進行電復用，然后經(jīng)電/光轉換電路轉換成1550nm光信號，再通過波分復用器光復用后由單芯光纖傳輸?shù)剿闲盘柼幚碇行?。水上信號處理中心傳下來的光信號波長為1310nm，通過光纜傳輸?shù)剿抡军c，由波分復用器解復用后輸出1310nm光信號，再經(jīng)光/電轉換電路轉換恢復出電信號，由可編程芯片進行電解復用，恢復出控制信號輸出。輸出控制信號有水下姿態(tài)傳感器設備控制信號、增益控制信號、同步采樣信號等[9]。

4 水上數(shù)字信號處理

水上信號處理中心設備包括水上收發(fā)處理設備、信號處理設備及實時監(jiān)控顯示終端設備等[10]，其組成功能框圖見圖4。

圖4 水上信號處理中心信號處理框圖

4.1 水上收發(fā)處理設備

水上收發(fā)處理設備主要是實現(xiàn)水上信號下發(fā)和水下上傳信號接收的功能。下發(fā)光信號中包含了系統(tǒng)時鐘信號、各種控制信號等，這些信號先通過水上收發(fā)設備的電復用光復用模塊復用后由光纜傳輸給每個水下站點。上傳光信號包括了水聲信號的A/D數(shù)據(jù)、姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)等，水上收發(fā)處理設備從上傳的光信號中先恢復出同步時鐘信號、水聲信號A/D數(shù)據(jù)信號、姿態(tài)傳感數(shù)據(jù)，然后輸入到可編程芯片進行信號延遲調整，將輸入的多路A/D數(shù)字信號按照系統(tǒng)要求的時延需要進行時延控制，使延遲后的各站點A/D數(shù)據(jù)對齊，然后一方面輸出給D/A轉換芯片進行數(shù)模轉換，恢復出模擬水聲信號，經(jīng)濾波放大后輸出給實時波形顯示終端、頻率分析終端進行實現(xiàn)信號分析；另一方面，水聲信號A/D數(shù)據(jù)信號經(jīng)重新封裝、組幀成以太網(wǎng)信號，通過網(wǎng)絡接口輸出給計算機等處理設備，同時還通過數(shù)據(jù)接口電路輸出給數(shù)據(jù)信號處理設備等。

4.2 信號處理設備

信號處理設備主要是為系統(tǒng)提供同步信號，對水下站點進行遠程控制及監(jiān)控；對水下站點上傳的信號進行分析、運算，測量水下目標的各種參數(shù)。

同步信號由水上信號處理設備產(chǎn)生，通過光纜向水下所有站點進行分發(fā)，各站點根據(jù)同步信號對水聲信號進行同步采樣，保證傳輸?shù)乃曅盘栂嗤瑫r刻相位一致；同時水上設備又從上傳信號中恢復時鐘，保證信號處理同步。

4.3 A/D數(shù)字信號的重新封裝、組幀

為了使水聲A/D數(shù)字信號便于轉發(fā)、存儲等處理，需要將所有接收到的數(shù)字信號按照以太網(wǎng)的格式重新封裝、組幀，以太網(wǎng)封裝、組幀原理[11]見圖5。

圖5 水聲數(shù)據(jù)以太網(wǎng)封裝框圖

圖6 水聲數(shù)據(jù)以太網(wǎng)格式

水聲A/D數(shù)據(jù)信號輸入到串/并轉換模塊，按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式（包頭+數(shù)據(jù)）轉換成8位并行的高速數(shù)據(jù)，8位并行數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)MAC控制器流量控制、幀控制后轉換為GMII接口數(shù)據(jù)，最后經(jīng)PHY輸出千兆以太網(wǎng)網(wǎng)絡信號。經(jīng)過重新封裝、組幀后的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式見圖6，后端數(shù)字信號處理單元參照該數(shù)據(jù)格式可以很快地從該以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中恢復出每路A/D數(shù)據(jù)信號。

5 結語

多站點水聲信號傳輸處理技術使用光纖傳輸方式，通過電復用光復用技術使用一芯光纖雙向傳輸信號，解決了水下遠距離、多路信號傳輸?shù)睦щy[12]，節(jié)省了光纜成本和光纜布放費用，減少施工困難；系統(tǒng)采用同步時鐘方式工作，保證了分布在不同位置的多個水下站點的水聲信號同步采集，為水下運動目標的精確測量提供技術保證；在岸上將恢復的水聲信號以多種信號形式輸出，具有很大的適應性，可以方便連接示波器、頻率分析儀、網(wǎng)絡交換機、計算機等各種設備，方便用戶系統(tǒng)進行實時信號處理、顯示、存儲、交換分發(fā)和傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)已連續(xù)多年工作，系統(tǒng)技術性能穩(wěn)定，全面滿足總體的技術要求，具有較大的使用和推廣價值。