[实用新型]一种水声信号采集装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及水声信号采集与处理，尤其是涉及一种水声信号采集装置。

背景技术

水声信号采集、处理装置作为水声信号接收机的重要组成部分，是水声试验的重要设备。目前实现水下无线信息传输的有效载体为声波，而声波在水中的衰减幅度和频率的平方成正比，这种特性也在水声通信中的带宽大小上有一定的限制【1】。此外，水声信号所处自然环境极其复杂，受各种环境噪声影响，采集到的水声信号信噪比低。基于以上原因，水声信号的采集对接收机的滤波和信号放大模块的要求都非常严格，因此研制一套高性能的适应于水声环境的数据采集处理系统是必不可少的。

目前的水声信号采集与处理模块普遍还存在以下一些设计缺陷：第一：主要用于数据采集和处理的DSP(Digital Signal Processing)或FPGA(Field Programmable Gate Array)处理器能够实现快速信号采集处理能力，但是处理器功率消耗较大，电源续航能力不足，难以长期于无人值守、无法充电的海洋环境下以一定高速的采样频率进行水声信号采集处理作业，如在专利“一种水下声波采集系统”中【2】，水声信号采集系统以FPGA作为主控单元，FPGA虽然设计灵活，可实现“可定制电路”，但其功率消耗较大，不适于在水下长时间进行水声信号采集作业。第二：绝大多数水声信号采集处理系统设计结构较为固定单一，尚未实现模拟信号采集、模数转换、数字信号处理的模块化，不具备模块间的独立工作和可替换功能，使得整个系统的使用不够灵活，如在专利“水下语音收发器、水声语音收发器及水声对讲系统”中【3】所使用到的水下语音信号处理电路为单一模块，水声语音信号处理功能分工不明确，未进行对水声语音信号放大、滤波、模数转换等功能的合理划分，使得水下语音信号采集与处理缺少了模块化的优势。第三：在水声试验中，往往需要获取大量的原始声信号，进行高速高精度数据采集与实时记录，而传统的数据采集系统多采用Flash芯片作为存储介质，该芯片容量小(一般不超过8Mb)，价格高(尤其大容量芯片)，灵活性低(多采用焊接方式)，难以满足大容量水声数据采集、数据灵活存取的要求。经调研，大多数信号采集与处理系统仅具有数据缓存，当缓存区满后原有数据即被覆盖，不具有大容量数据存取的功能。而一些信号采集系统虽使用较大容量的存储介质，如专利“一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置”中【4】使用大容量存储NAND FLASH存储电路，存储能力达到2GB，但其灵活性低，不方便进行线下的数据读取和分析。第四：目前的水声信号采集装置多设计实现为单通道采集和处理功能，在水声通信发展早期能够满足信号采集的要求，如在专利“水声信号数据采集系统”中【5】，仅实现了对水声信号的单通道采集、放大、滤波和处理。但随着水下传感器网络、水声阵列信号处理、信号分集技术等领域的发展，这样的功能设计无法对信号进行多路采集或分子带的放大、滤波和模数转换。以往的水声信号采集与处理模块往往设计解决了以上设计缺陷的某一方面，但目前水声信号采集领域尚未提出和弥补一种以上所有设计缺陷的水声信号采集与处理装置。因此，一个性能优越、同时可以实现多路数据采集、处理的多通道信号处理系统在水声通信中起着越来越重要的作用。

多普勒效应指出，波在收发两端两端相互接近时接收频率变高，而在相互远离时接收频率变低。不同于陆地上的无线电通信，水声通信中，声波在水下的传播速度远小于电磁波的传播速度，故与陆空无线通信比较而言，水声信道中存在更为明显的多普勒效应。水声通信中的多普勒效应主要是由发射机与接收机之间的相对运动、发射机与接收机系统的晶振偏差、海洋自身的复杂运动而引起【6】。由于水声信道的可用带宽窄，水声通信本质上是一个宽带通信系统。因此，水声信道中的多普勒效应将会引起接收信号在频域上的频率偏移和频谱扩展，在时域上则表现为接收时域波形的压缩或扩展。为了减小多普勒效应在水声信号接收和处理时的不良影响，有必要对接收到的水声信号进行有效的多普勒扩展因子(a＝vcosθ/c，vcosθ为相对运动速度，c为声速)估计和补偿，从而能够恢复出原有的信号波形。据调研，目前已有的水声信号采集与处理装置尚未具备多普勒扩展因子的估计和补偿功能。

综上所述，为了适应水声信号采集与处理所需要遇到的诸如水声环境恶劣、接收装置难以及时充电、数据采集量大、多普勒效应严重等方面问题，迫切需要设计一种兼具高性能、低功耗、大容量数据灵活存取、模块化和多通道特性的水声信号采集与处理装置。

参考文献：

[1]项顼.水声信号采集模块研制[D].中国海洋大学,2015。