全双工的水声信号实时处理系统和方法技术方案

本全双工水声信号实时处理系统包括：前放器

【技术实现步骤摘要】
全双工的水声信号实时处理系统和方法


[0001]本专利技术专利属于水声信号检测
，具体涉及一种多功能
、
全双工的水声信号实时处理方法和系统
。

技术介绍

[0002]水声信号处理技术广泛应用于水声探测
、
水声定位
、
水声通信
、
水声对抗等多个领域，是声呐设备
/
系统的核心关键技术
。
[0003]水声信号处理是指广泛应用统计决策论
、
信息论等理论，以及各种模拟
、
数字信号处理技术对水声发射和接收信号进行技术处理，从而提高声呐精度
、
质量
、
可靠性及保密性等相关处理方法
。
比如在复杂海洋环境下，将微弱水声信号从噪声和混响等背景中，进行实时检测提取和解算，获得有效信息
。
以及将多种信息进行编码处理后的，实时功率放大输出
(
含功率放大和声信号发射
)
等过程
。
[0004]由于水声信号高频段传播损失大，低频段则受环境噪声和发射换能器影响严重，所以实际可使用水声信号频段极为有限
。
另外，复杂海洋环境下水声信道具有强烈时
‑
空
‑
频随机变化
、
强多径
、
带宽受限和高噪声等特性，对水声信号处理造成极大影响
。
特别是不同水声环境
、
不同水声传输模式下，不同时间尺度
、
不同机理海洋现象的综合影响，导致水声信道多径呈现时延扩展
、
结构多变
、
多态混合等特征，使其难以用单一模型有效表征，往往造成处理方法失配，导致信号处理增益剧烈起伏，严重影响声呐性能
。
因此，当前水声信号处理系统多是根据实际功能与指标
、
使用环境等具体要求和特点，针对性设计实施
。
[0005]当前常规水声信号处理系统，按照实现平台来区分，主要分为两类
。
一类是以中央处理器
(Central Processing Unit
，
CPU)
和图形处理器
(Graphics Processing Unit
，
GPU)
为代表的大型处理平台，另一类为基于现场可编程门阵列
(Field
‑
Programmable Gate Array
，
FPGA)
和数字信号处理器
(Digital Signal Processor
，
DSP)
等大规模集成电路芯片的嵌入式信号处理平台
。
前者开发环境教好，计算功能较强，但尺寸大，功耗高，实时性不强；后者实时信号处理速度快，尺寸小
、
功耗低，但也存在开发周期长
、
板卡众多
、
升级与维护复杂和功能单一等不足
。
因此，以
FPGA
和
DSP
为核心的信号处理系统多用于小型声呐，而以
CPU
和
GPU
为核心的信号处理系统多用于大型声呐
。
[0006]为了更好说明当前水声信号处理技术现状，这里列出两种典型水声信号处理系统和方法进行说明：
[0007]中国专利
CN217112708U
公开了一种高性能水下声纳接收发射系统，它是典型的大型量身定制式水声信号处理系统，采用分时复用方法实现
50
路信号的接收和8信号的发射功能，但是，该系统本质上是分时处理，不能实现真正全双工处理，且尺寸和功耗都不适合小型
/
微型声呐使用
。
[0008]中国专利
CN112291020A
公开了一种全双工水声数字语音通信系统及其方法，它是将水声信号带宽分成3个不同的子带，利用不同频带实现全双工的水声数字语音通信，实际上该方法采用频分方式实现水声信号的接收和发射，并且信号处理主要依靠单个
DSP
(C6748)
处理器顺序完成，仍存在一定的延时，本质上属于非并行类实时水声信号处理系统
。
另外，外部传感器接口只有麦克风和耳机，属于小型水声通信类专用信号处理系统
。
[0009]随着海洋强国战略的持续推进实施，海工装备逐渐向智能化
、
系列化和小型化方向发展，这对相应的水声信号处理系统提出更高要求，如信号处理系统需要更低的功耗
、
更小的尺寸，以及更为全面和更高精度的处理功能
。
另外，随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，当前水声信号处理技术也因此得到了迅速的发展，尤其是数字信号处理技术的不断发展，一些新技术也应用在水声信号处理系统中，包括空间分集
、
码分多址
、
扩频技术
、
水下多载波调制技术
、
多输入多输出技术
、
水下通信网络技术等
。
上述新技术的实现，均需具有较高处理能力的水声信号处理系统承载实现，同时在满足水声信号处理系统高性能的基础上，还需适应当前水声工程中声呐不断提升的智能化
、
小型化等具体要求
。
综合分析，现有水声信号处理系统多属于专用型结构，存在如下不足：
[0010]a)、
多属于专用定制型水声信号处理系统，只能用于水声通信
、
水声定位等单一或部分功能，通用性不高；
[0011]b)、
多偏重数字信号处理，缺少包含模拟
、
数字等全流程处理过程，缺少水声信号接收与发射的闭环式水声信号处理方案；
[0012]c)、
在极为有限的水声频带内，受安装尺寸限制，无法实现小型
/
微型水下声呐的全双工并行式水声信号连续实时处理功能；
[0013]d)、
多采用单功能组部件进行级联成系统进行处理，集成度不够
、
功耗较高，无法满足电池供电类小型
/
微型声呐的多功能
、
低功耗实际需求；
[0014]e)、
不具备同步自锁后的长时高精度自保持功能，无法满足高精度水声测量所需的同步式水声信号处理需求
。
[0015]综上所述，当前水声工程上常用水声信号处理实现方法，主要是针对专用定制化声呐系统需求设计，为满足当前声呐及使用场所要求设计实施，不具备良好的通用性和可移植性
。
尤其是在当前声呐不断智能化
、
小型化发展趋势下，需要开展具备多种功能，更小尺寸和更低功耗的高度集成式水声信号处理方法和承载运行系统平台，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全双工的水声信号实时处理系统，它装在信标上，信标包括：接收水听器
(1)、
发射换能器
(13)、
通讯接口
(10)、
深度传感器
(11)、
入水检测器
(12)、
姿态传感器
(25)、
无线天线
(18)
和水密舱
(27)
，接收水听器
(1)、
通讯接口
(10)、
深度传感器
(11)、
入水检测器
(12)、
姿态传感器
(25)
和无线天线
(18)
分别固定在水密舱
(27)
的一端，发射换能器
(13)
固定在水密舱
(27)
的另一端，全双工的水声信号实时处理系统
(26)
装在水密舱
(27)
内，全双工的水声信号实时处理系统
(26)
包括：前放器
(2)、
三级放大滤波器
(3)、
单端转差分器
(5)、AD
采样器
(7)、
隔离器
(9)、FPGA(8)、
第一
DSP(6)、
三级独立隔离器
(4)、
无线程控放大器
(20)、
无线模块
(22)、
无线控制器
(24)、
第二
DSP(23)、
信号产生器
(21)
和隔离功放器
(19),
通讯接口
(10)、
深度传感器
(11)、
入水检测器
(12)
和姿态传感器
(25)
分别与
FPGA(8)
双向连接，其特征在于：接收水听器
(1)、
前放器
(2)、
三级放大滤波器
(3)、
单端转差分器
(5)、AD
采样器
(7)
和隔离器
(9)
依次串联后，与
FPGA(8)
的输入端相连，
FPGA(8)
的输出端
、
第一
DSP(6)
和三级独立隔离器
(4)
依次串联后，与三级放大滤波器
(3)
的输入端相连，第一
DSP(6)
与
FPGA(8)
之间为双向连接；无线天线
(18)、
无线程控放大器
(20)、
无线模块
(22)、
无线控制器
(24)
和
FPGA(8)
依次双向相连，无线控制器
(24)
与无线程控放大器
(20)
相连；
FPGA(8)
的输出端
、
第二
DSP(23)、
信号产生器
(21)、
隔离功放器
(19)
和发射换能器
(13)
的输入端依次串联在一起，姿态传感器
(25)
的输出端与第二
DSP(23)
的输入端相连，第二
DSP(23)
的输出端与隔离功放器
(19)
的输入端相连，第二
DSP(23)
与
FPGA(8)
之间为双向连接
。2.
如权利要求1所述的全双工的水声信号实时处理系统，其特征在于：所述信标还包括：卫星天线
(14)
，所述全双工的水声信号实时处理系统
(26)
还包括：卫星程控放大器
(15)、
卫星模块
(16)
和同步控制器
(17)
，卫星天线
(14)
固定在水密舱
(27)
的一端，卫星天线
(14)、
卫星程控放大器
(15)、
卫星模块
(16)、
同步控制器
(17)
和
FPGA(8)
依次双向相连，同步控制器
(17)
与卫星程控放大器
(15)
相连
。3.
用权利要求2所述的全双工的水声信号实时处理系统对信标信号处理的方法，其中：它包括：
(
一
)、
接收水听器
(1)
信号的处理接收水听器
(1)
将接收到的单端水声...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆国，王水利，颜家雄，余建平，刘庆，单江，连莉，黄峻晨，
申请(专利权)人：昆明船舶设备研究试验中心中国船舶集团有限公司七五，
类型：发明
国别省市：