【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋探测装置领域，具体的涉及一种支持同步级联的水听器阵列系统与运行方法。
技术介绍
1、水听器阵列是用于海洋探测、监听微弱声场信号的水声装备，阵列的探测能力与阵元数量和阵列孔径密切相关，阵元数量越多、阵列长度即阵孔径越大，探测能力就越强。
2、由于受到模拟信号长距离传输衰减、连接器芯数以及护套内部空间等因素限制，在实际应用中水听器阵列系统通常采用分段级联的形式以实现超大规模的阵列，具体如图1所示。整个阵列包括电子舱、数字包和水听器子段。电子舱负责系统供电、整体工作控制、同步采样时钟输出以及采样数据的汇聚存储。每个水听器子段内由若干个压电水听器按一定间距排布，水听器信号的采集和上传由对应的数字包完成。数字包之间通过以太网实现级联通讯以完成数据实时上传至电子舱，同时所有数字包共享一个时钟总线，以实现全阵列信号同步采集。
3、然而，通常adc的采样时钟都在几百khz到几mhz量级，高速时钟信号的远距离传输会导致以下几个方面的问题：
4、第一、远距离传输容易导致时钟边沿抖动，从而影响adc的精度；
5、第二、时钟信号远距离传输容易受干扰，时钟脉冲的错误会导致，数字包之间的同步误差，这种类型的误差会随着时间的推移逐步积累，无法消除；
6、第三、数据包需要对时钟信号进行中继以实现自上而下的传输，一旦中间的数据包出故障，后续的数据包将无法收到时钟信号。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种支持同步级联的
2、本专利技术的具体技术方案如下：
3、一种支持同步级联的水听器阵列系统，所述系统包括电子舱、数字包和水听器子段；电子舱和数字包通过水密电缆连接，数字包和水听器子段通过连接器连接，每个水听器子段对应一个数字包，所述系统由n个水听器子段和数字包组成；电子舱负责系统供电、整体工作控制、基准秒脉冲输出以及采样数据的汇聚存储；每个水听器子段内部水听器按一定间距排布，水听器信号汇总到对应的数字包，由数字包完成采集和上传；数字包之间通过以太网实现级联通讯以完成数据实时上传至电子舱，同时所有数字包共享一低速485总线，通过获取基准秒脉冲实现全阵列信号同步采集，数字包之间通过连接器和水听器子段内的信号线连接。
4、进一步，所述数字包的内部采样时钟同步电路包含压控振荡器、数字电位器、偏差标定计数器、脉冲总数计数器、偏差映射表以及输出控制单元；数字电位器由输出控制单元通过spi或者twi总线控制，数字电位器输出模拟电压值给压控震荡器，压控震荡器根据不同的电压值输出不同频率的采样时钟；输出控制单元是任意微处理器，偏差标定计数器和脉冲总数计数器都是同步计数器，通过微处理器内部的计数器实现，用于记录两个pps之间的压控振荡器的实际输出时钟脉冲数与预期值nexp之间的脉冲数偏差；偏差映射表是微处理微器内部的一块内存单元，记录在数字电位器的不同档位下压控振荡器实际输出脉冲数与期望值的每秒的脉冲数偏差；输出控制单元结合偏差映射表和脉冲总数计数器完成对数字电位器的档位选择控制。
5、进一步，压控振荡器的中心频率与预期值nexp相同，并能够通过控制输入电压进行±10ppm的微调；
6、本专利技术还提供所述系统的运行方法，具体步骤如下：
7、第一步、先将数字包与对应的水听器子段连接形成子阵列，然后将多个子阵列级联后再与电子舱连接，形成完整的水听器阵列系统，电子舱通过485总线向所有数字包广播基准秒脉冲信号；
8、第二步、数字包本地压控振荡器的标称频率即期望频率为nexp，偏差标定计数器用于记录两个pps之间的时钟脉冲数与预期值nexp之间的脉冲数偏差；启动阶段通过依次改变数字电位器的档位，调整压控振荡器的供电电压，记录不同档位下压控振荡器输出脉冲的实际脉冲数偏差，建立档位与实际输出之间的偏差映射表；同时在后续的操作过程中，根据最新的脉冲偏差值对偏差映射表进行实时更新；
9、第三步、数字包采样从s0时刻开始，为了实现脉冲数精确统计，s0时刻与pps的边沿对齐，脉冲总数计数器用于记录从s0时刻起的压控振荡器输出脉冲总数；偏差映射表记录在数字电位器的不同档位下压控振荡器实际输出脉冲数与期望值的每秒的脉冲偏差；当第m个pps到达时，脉冲总数计数器值为cm，而压控振荡器的预期值应为m×nexp，两者的脉冲数总偏差为(cm-m×nexp)；
10、第四步、压控振荡器频率调整的周期为t秒，即每过t秒调整数字电位器的档位改变频率输出，t秒压控振荡器期望输出的每秒脉冲数应为nexp+(m×nexp-cm)/t，期望接下去的t秒内，压控振荡器应主动产生(m×nexp-cm)个脉冲数偏差，对前面m秒的脉冲数总偏差进行补偿；
11、第五步、输出控制单元通过查找偏差映射表，选择最接近(m×nexp-cm)/t每秒的脉冲数偏差的档位，将数字电位器置为该档，工作t秒以后再进行下一轮调整。
12、本专利技术与现有技术相比的有益效果：本专利技术采样时钟本地化，抖动变小，adc性能大幅提高；pps同步机制具备失锁自恢复功能，对抗干扰能力大幅加强，同步可靠性更高；所有数据包共享一对总线，单个数字包的工作异常不会对其他节点产生影响，同时每个节点省去了时钟中继模块，时钟传输的功耗得到显著降低。采用低速485总线可靠传输距离大幅增加，意味着可以支持更大孔径的阵列。
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1.一种支持同步级联的水听器阵列系统，其特征在于，所述系统包括电子舱、数字包和水听器子段；电子舱和数字包通过水密电缆连接，数字包和水听器子段通过连接器连接，每个水听器子段对应一个数字包，所述系统由N个水听器子段和N个数字包组成；电子舱负责系统供电、整体工作控制、基准秒脉冲输出以及采样数据的汇聚存储；每个水听器子段内部水听器按一定间距排布，水听器信号汇总到对应的数字包，由数字包完成信号采集和上传；数字包之间通过以太网实现级联通讯以完成数据实时上传至电子舱，同时所有数字包共享一低速485总线，通过获取基准秒脉冲实现全水听器阵列信号同步采集，数字包之间通过连接器和水听器子段内的信号线连接。
2.根据权利要求1所述的一种支持同步级联的水听器阵列系统，其特征在于，数字包的内部采样时钟同步电路包含压控振荡器、数字电位器、偏差标定计数器、脉冲总数计数器、偏差映射表和输出控制单元；数字电位器由输出控制单元通过SPI或者TWI总线控制，数字电位器输出模拟电压值给压控震荡器，压控震荡器根据不同的电压值输出不同频率的采样时钟；输出控制单元是任意微处理器，偏差标定计数器和脉冲总数计数器都是同
3.根据权利要求2所述的一种支持同步级联的水听器阵列系统，其特征在于，压控振荡器的中心频率与预期值Nexp相同，并能够通过控制输入电压进行±10ppm的微调。
4.权利要求1-3任何一项所述支持同步级联的水听器阵列系统的运行方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种支持同步级联的水听器阵列系统，其特征在于，所述系统包括电子舱、数字包和水听器子段；电子舱和数字包通过水密电缆连接，数字包和水听器子段通过连接器连接，每个水听器子段对应一个数字包，所述系统由n个水听器子段和n个数字包组成；电子舱负责系统供电、整体工作控制、基准秒脉冲输出以及采样数据的汇聚存储；每个水听器子段内部水听器按一定间距排布，水听器信号汇总到对应的数字包，由数字包完成信号采集和上传；数字包之间通过以太网实现级联通讯以完成数据实时上传至电子舱，同时所有数字包共享一低速485总线，通过获取基准秒脉冲实现全水听器阵列信号同步采集，数字包之间通过连接器和水听器子段内的信号线连接。
2.根据权利要求1所述的一种支持同步级联的水听器阵列系统，其特征在于，数字包的内部采样时钟同步电路包含压控振荡器、数字电位器、偏差标定计数器、脉冲总数计数器、偏差映射表和输出控制单元；数字电位器由输出控制单元通过spi或者twi总...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨志国，颜曦，陆欢佳，王李华，童成涛，葛海晨，
申请(专利权)人：杭州启海系统科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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