具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供了一种基于深水水下滑翔机的四通道水听器阵列及运行方法，该四通道水听器主要用于深海环境中，能够实现自主运行工作，采集声信号，并将采集的声信号记录在其内部存储装置中，可在完成数据转换或处理后，向上位机(滑翔机处理终端)实时传输原始数据或处理结果，并实现对深海目标的定位、探索和跟踪。

如图1和3所示，该四通道水听器阵列10固定在深水水下滑翔机1上，该四通道水听器阵列10包括：封装结构11、四个深水传感器4和信号处理与控制子系统；

四个深水传感器4等间距封装在封装结构11内，封装结构11的中部向外延伸出水密接头3；水密接头3通过电缆与设置在深水水下滑翔机1的机翼下方的滑翔机电子舱12密封连接，且四通道水听器阵列10与设置在滑翔机电子舱12内的信号处理与控制子系统连接。

具体地，封装结构的两端为圆弧结构的圆柱状结构，且封装结构与深水水下滑翔机1的连接处也采用圆弧结构，其目的是将四通道水听器阵列10与深水水下滑翔机1完全贴合、封装固定，在保证深水水下滑翔机1的水动力特性不变的前提下，有效避免了四通道水听器阵列10与深水水下滑翔机1机体之间产生共鸣腔。

其中，如图2所示，所述信号处理与控制子系统包括：信号采集模块、信号处理模块、控制与状态监控模块、以太网通信模块、外设接口模块、存储模块和电源模块；

信号采集模块、信号处理模块、控制与状态监控模块、以太网通信模块、外设接口模块、存储模块和电源模块；

所述信号采集模块、信号处理模块、控制与状态监控模块、以太网通信模块、外设接口模块、存储模块和电源模块均安装在滑翔机电子舱12内；信号采集模块和水密连接器连接，外设接口模块上设有的多个高速数据接口，分别与信号采集模块、以太网通信模块、信号处理模块和存储模块连接，且外设接口模块通过在其上设有的串行通信接口和控制与状态监控模块连接；控制与状态监控模块与电源模块连接；信号处理模块与存储模块连接；

所述四通道水听器阵列10，用于对深海目标同时采集四次声学信号，并将每次采集的声学信号进行声电转换，获得转换后的电信号，并将转换后的电信号进行放大处理，获得放大后的电信号，进而得到四个放大后的电信号；

其中，如图4所示，所述深水传感器4包括依次顺序设置的第一耐压材料5、第一有源材料6、前放板7、第二有源材料8和第二耐压材料9；

其中，前放板7位于第一有源材料6和第二有源材料8之间。

其中，所述第一耐压材料5、第一有源材料6、第二有源材料8和第二耐压材料9均为中空圆柱结构；

第一耐压材料5和第二耐压材料9优选为薄壁压电陶瓷圆管；其中，该薄壁压电陶瓷圆管内腔采用空气被衬，外部封装聚氨酯橡胶，其接收面主要是外表面及其两端的端部，具有结构简单、性能可靠、灵敏度高的特点。其中，薄壁压电陶瓷圆管优选为PZT-4材料压电陶瓷圆管，其内径为10mm，其外径为12mm；采用两个压电陶瓷圆管串联，提高接收电压灵敏度。

第一有源材料6和第二有源材料8优选为薄壁压电陶瓷圆管；其中，该薄壁压电陶瓷圆管内腔采用空气被衬，外部封装聚氨酯橡胶，其接收面主要是外表面及其两端的端部，具有结构简单、性能可靠、灵敏度高的特点。其中，薄壁压电陶瓷圆管优选为PZT-4材料压电陶瓷圆管，其内径为10mm，其外径为12mm；采用两个压电陶瓷圆管串联，提高接收电压灵敏度。

前放板7优选为前置放大电路板，用于对经过声电转换的电信号进行放大处理，得到放大后的电信号。

采用聚氨酯橡胶将四个等间距设置的深水传感器4封装在封装结构11内。

所述信号采集模块，用于采集四个放大后的电信号，并对每通道放大后的电信号进行滤波和二次放大，获得处理后的电信号，并将其进行模数转换，获得数字信号，进而得到四个数字信号；

具体地，所述信号采集模块包括：采集单元、AD转换器和增益控制与滤波电路；

所述采集单元，用于采集四个放大后的电信号；

所述增益控制与滤波电路，用于对采集的每个放大后的电信号进行滤波和二次放大处理，获得处理后的电信号；

所述AD转换器，用于将每个处理后的电信号进行模数转换，实现信号的量化，获得数字信号。其中，本实施例中，AD转换器的型号为ADS1247，用于完成“模数”转换，使数据量化。

所述外设接口模块，用于接收四个数字信号，并将其发送至信号处理模块；

还用于根据控制与状态监控模块的指令，对接收的四个数字信号进行转发或分发，对深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱进行存储和上传；

还用于将四个数字信号、深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱进行存储；

还用于根据上位机的指令，将深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱整体装订成帧后，发送至上位机；

具体地，所述外设接口模块包括：接收单元、数据交换单元、存储单元和数据传送单元；

所述接收单元，用于接收四个数字信号，并将其发送至信号处理模块；

所述数据交换单元，用于根据控制与状态监控模块的指令，对四个数字信号进行转发或分发，对每个数字信号的能量和频谱进行存储和上传；

所述存储单元，用于将每个数字信号、每个数字信号的能量和频谱进行存储；

所述数据传送单元，用于根据上位机的指令，将每个数字信号的能量和频谱整体装订成针后，发送至上位机。

外设接口模块为低功耗现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)，其具体型号为MAXIIEPM570z，该FPGA提供多个高速数据接口和串行接口。

外设接口模块负责完成对AD转换后的电信号和经过信号处理模块处理后的数字信号的接收、分发、存储和传输，并协调各个模块安全可靠运行，避免数据流发生冲突。在本实施例中，FPGA的型号为10M50SAE144，可接入4个高速数据交换接口，具备很高的数据吞吐能力，提高了数据备份的冗余度；

所述信号处理模块，用于将得到的每个数字信号进行信号处理，获得深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱；

所述信号处理模块包括能量获取单元和频谱获取单元；

所述频谱获取单元，用于将每个数字信号进行数字滤波，对滤波后的数字信号进行动态频谱分析和线谱跟踪，利用时频变换处理算法，获得数字信号的频谱；

所述能量获取单元，用于将每个数字信号进行数字滤波，对滤波后的数字信号进行叠加，获得每个数字信号的能量；

深海目标获取单元，用于根据获得的四个数字信号，获得深海目标的位置信息；

具体地，分别截取四个数字信号的一段合适长度的数字信号，即S1、S2、S3、S4，并采用常规波束形成方法，对S1、S2、S3、S4进行方位估计运算，获取深海目标的可能目标方位；

重复上述过程，获得多个可能目标方位，并进一步通过时间关联和空间交汇的方法，从多个可能目标方位中获得一个确定目标方位，将该确定目标方位作为深海目标的位置信息。

在其他具体实施例中，也可以采用MVDR波束形成方法，对S1、S2、S3、S4进行方位估计运算，获取深海目标的可能目标方位。

所述信号处理模块还包括USB接口、UART串行接口和8位高速数据接口；

所述USB接口，用于将获得的每个数字信号的能量和频谱发送至存储模块进行存储；

所述UART串行接口，用于信号处理模块和控制与状态监控模块之间的通讯；

所述8位高速数据接口，用于信号处理模块与外设接口模块之间的通讯和数据传输。

在其他具体实施例中，所述信号处理模块还包括UART串行扩展接口，用于扩展备用。其中，UART串行接口和UART串行扩展接口均为UART串行接口。

其中，信号处理模块为可采用低功耗数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)，其具体型号为BF707；该DSP将AD转换器产生的数字信号进行信号处理，采用数字滤波和时频变换处理算法，获取数字信号的能量、频谱及通过频谱变化规律绘制的频谱变化函数。

信号处理模块上增设2GB DDR2存储器和32MB FLASH应用程序存储器，用于对信号处理模块进行信号处理的中间结果的缓存。信号处理模块与外设接口模块的通讯和数据传输是通过BF707提供的1个USB2.0接口，2个UART串行接口和1个8位高速数据接口完成。其中，USB2.0接口连接到存储模块，用于读写miniSD卡。2个串行接口中的1个串行接口用于与控制与状态监控模块之间的通讯，而另一个串行接口作为扩展接口保留；8位高速数据接口与FPGA相连，可实时获取AD的转换数据。

所述控制与状态监控模块通过以太网通信模块与上位机进行网络连接，用于根据上位机发送的控制指令，监控各个模块的运行状态，同时与外设接口模块进行数据交换；

所述控制与状态监控模块通过以太网通信模块与上位机进行网络连接，控制与状态监控模块使用的单片机型号可采用MSP430F5438，用于接收上位机发送的控制指令，监测各模块工作状态，同时该模块可控制电源模块的上电、复位及看门狗控制，防止单片机出现异常，保证在异常情况下能够复位重新工作。

其中，在本实施例中，所述控制与状态监控模块为单片机，其具体型号为MSP430F5438，按照给定的工作任务完成对整个水听器的控制、数据传输和电源管理，并协调其它各个模块的安全可靠运行。控制与状态监控模块与外设接口模块通过串行通信接口连接，采用标准RS232串行接口；

所述以太网通信模块利用TCP/IP通信协议，将外设接口模块与上位机进行相互通讯，外设接口模块接收上位机发送的指令，并根据指令将经过信号处理模块处理后的数据或通过信号采集模块采集的数字信号上传至上位机；

所述以太网通信模块利用TCP/IP通信协议，将外设接口模块与上位机进行相互通讯，外设接口模块接收上位机发送的指令，并根据指令将经过信号处理模块处理后的数据或通过信号采集模块采集的数字信号上传至上位机；以太网通信模块分别与外设接口模块和上位机相连接，其通信速率为1000Mbps；在本实施例中，以太网通信模块采用芯片级5口的10/100/1000兆自适应网络交换机实现，其中的4个网口用于连接上位机，另1个网口作为备份或用于连接光纤网络设备实现远距离传输。

信号采集模块、信号处理模块与上位机之间通过以太网TCP/IP协议通讯，将声学信号(即声学原始数据)或经过信号处理模块处理后的处理结果通过外设接口模块和以太网通讯模块传至上位机，并接受上位机发送的控制指令；其中，该处理结果包括数字信号的能量和频谱。

所述存储模块，用于存储信号采集模块采集的每个数字信号或数字信号的能量和频谱。

其中，存储模块为多片高密度(SDXC型或SDHC型)mini-SD卡构成存储阵列，可通过外设接口模块控制，实现多片存储卡之间的无缝切换。在本实施例中，储存模块采用4块容量为512GB的mini-SD卡。

所述电源模块，用于将由深水水下滑翔机接入的电压转换为四通道水听器阵列10所需的输入电压。同时对转换后的输入电压、电流进行实时测量和控制；如果转换后的输入电压、电流超出对应的电压正常范围值、电流正常范围值，则进行断开处理，保护电路。

其中，电源模块增设抗浪涌和抑制电源谐波干扰功能。

图1为基于深水水下滑翔机的四通道水听器的结构示意图；图1中的四通道水听器阵列10安装于深水水下滑翔机1上，四通道水听器阵列10通过水密接头3与设置在滑翔机电子舱12上的水密连接器2通过电缆密封连接，同时四通道水听器阵列10连接设置在滑翔机电子舱12内的各个模块，实现采集数据的数据格式转换、存储、处理和传输。

图2为四通道水听器阵列10通过水密接口10与滑翔机电子舱12内的各个模块相连接的示意图；四通道水听器阵列10将同时采集的四个声学信号分别进行声电转换和放大处理，并将每个放大后的电信号发送至信号采集模块中，进行模数转换，获得数字信号；并根据控制与状态监控模块的控制指令，将转换完成的每个数字信号全部或部分送至信号处理模块；控制与状态监控模块发出指令；和外设接口模块共同完成对其他各个模块的状态监测和数据接收、存储和传送；以及通过上位机授时，控制与状态监控模块根据上位机的授时实现守时、四通道水听器阵列10的状态监控与异常信息的记录，并根据异常信息启动报警；以太网通信模块将外设接口模块接收到的经过信号处理模块处理后的数据或通过信号采集模块采集的数字信号整体装订成帧，向上位机传送，同时该模块也接收上位机传来的各种指令，并将对应的指令发送至控制与状态监控模块；存储模块存储外设接口模块传送的经过信号处理模块处理后的数据或通过信号采集模块采集的数字信号；电源模块为四通道水听器阵列10提供转换后的输入电压，同时具有过压和过流检测功能。

由于四通道水听器阵列10采用了将深水水下滑翔机1与四个深水传感器相互融合的共型设计，不破坏滑翔机水动力特性，具有体积小，实施作业机动灵活、轻巧方便的特点，因此非常适用于短时间、大范围、大尺度声学信号观测和背景场监测等应用场合。

如图5所示，本发明还提供了一种基于深水水下滑翔机的四通道水听器阵列的运行方法，该方法包括：

上位机为深水水下滑翔机平台的四通道智能水听器初始化，并提供工作时间，实现四通道水听器阵列10与深水水下滑翔机1的同步运行，同时四通道水听器阵列10启动，自检并上报检测结果；如果检测结果合格，则四通道水听器阵列10开始工作；

上位机预先设定四通道水听器阵列10中的四个深水传感器4的工作参数；如果未设定四通道水听器阵列10中的四个深水传感器的工作参数或设定四通道水听器阵列10中的四个深水传感器的工作参数超时，四通道水听器阵列10中的四个深水传感器自动选择默认参数，转入自主运行状态，即四个深水传感器4同时采集四个声学信号，并将每个声学信号进行声电转换，获得转换后的电信号，并将转换后的每个电信号进行放大处理，获得放大后的电信号，并将每个放大后的电信号直接存储在存储模块中；其中，四通道水听器阵列10的工作参数包括：四通道水听器阵列10的工作模式、采用率、工作时间、增益和信号处理方式；

默认参数包括：默认的四通道水听器阵列10的工作模式、采用率、工作时间、增益、信号处理方式；

控制与状态监控模块根据设定的工作任务发出指令，电源模块将由深水水下滑翔机接入的电压转换为四通道水听器阵列10所需的输入电压，四通道水听器阵列10开始运行，所述四个深水传感器4同时采集深海目标的声学信号，获得四个声学信号，并将每个声学信号进行声电转换，获得转换后的电信号，并将每个转换后的电信号进行放大处理，获得放大后的电信号；其中，所述工作任务为对设定的工作参数进行解析后的结果；

所述信号采集模块采集每个放大后的电信号，并对每个放大后的电信号进行滤波和二次放大，获得处理后的电信号，再将其进行模数转换，获得数字信号，进而得到四个数字信号；

所述外设接口模块接收四个数字信号，并将四个数字信号发送至信号处理模块；

所述信号处理模块将每个数字信号进行信号处理，获得深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱；

具体地，所述信号处理模块中，分别截取四个数字信号的一段合适长度的数字信号，即S1、S2、S3、S4，并采用常规波束形成方法，对S1、S2、S3、S4进行方位估计运算，获取深海目标的可能目标方位；

重复上述过程，获得多个可能目标方位，并进一步通过时间关联和空间交汇的方法，从多个可能目标方位中获得一个确定目标方位，将该确定目标方位作为深海目标的位置信息。

所述存储模块存储信号采集模块采集的数字信号、信号处理模块处理后得到的深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱，并将其发送至外设接口模块；

外设接口模块通过以太网通讯模块接收上位机发送的指令，并根据上位机发送的指令，将信号采集模块采集的数字信号或信号处理模块处理后的数据上传至上位机；其中，所述信号处理模块处理后的数据包括：深海目标的位置信息，以及每个数字信号的能量和频谱；

工作完成后，待水下滑翔机回收后，将四通道水听器阵列10上传的信号处理模块处理后的数据，通过专用读卡器读入主控计算机进行保存。

所述方法还包括：控制与状态监控模块通过以太网通信模块与上位机进行网络连接，上位机发送运行四通道水听器阵列10的指令至控制与状态监控模块，根据上位机发送的指令，运行四通道水听器阵列10，并监控四通道水听器阵列10中各个模块的运行状态。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。