海洋潜标数据采集系统的设计实现与试验测试.pdf

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1、第32卷第4期2013年12月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．32，No．4Dee，2013海洋潜标数据采集系统的设计实现与试验测试王振，刘振江，崔浩，许岩，厉运周(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266001)摘要：为实现海洋潜标系统中矢量水听器能够检测微弱水声信号的功能，建立了具有低噪声、低功耗和高增益等性能特点的数据采集系统，介绍了其中信号调理电路、采集存储电路和上住机软件的设计与实现，并对该数据采集系统进行了通频带、增益、通道一致性和功耗等指标测试以及水池试验测试。测试结果表明：该系统在

2、1¨1000Hz通频带内具有平坦的幅频特性，在通频带外有较快的衰减；系统增益为60dB；4个通道具有较好的幅值、相位一致性；系统总功耗为1．2w，可持续运行10d以上；水池中输出信号具有明显的指向性。关键词：潜标；矢量水听器；数据采集系统；增益；指向性中图分类号：P756．6文献标志码：B文章编号：1003—2029(2013)04-．0006-05随着海洋科学研究、海洋综合利用和国防事业发展的需要，国内对海洋水下环境监测仪器设备的需求日益增加，从而使得潜标数据采集系统在水声研究中得到越来越广泛的应用㈣。海洋潜标系统是系泊于海下并可通过释放装置回收的

3、锚定绷紧型海洋水下环境要素探测系统，要求具有观测时间长、隐蔽、测量不易受海面气象条件影响等特点，主要用于水下温度、海流、噪声等海洋环境要素长期、定点、连续、多测层同步监测。为能在复杂的海洋环境下探测出目标发出的微弱水声信号，需要对信号调理电路进行低噪声处理，因此如何设计并实现采集处理电路系统的低噪声和低功耗成为迫切要解决的关键问题。本文主要针对由矢量传感器组成的潜标系统来设计并实现一套具有信号调理、数据采集、存储等功能的数据采集系统，并实现其工作稳定、功耗低、采样率高、结构精简、噪声低等特性。为验证系统的各项技术指标是否满足设计要求，最后在消声水池进

4、行了指标测试试验。1系统总体介绍潜标系统通过其装备的矢量水听器探测水下目标信号来实现其水下环境监测的功能，然而探测到的信号中常会掺杂各种干扰噪声，会对探测准确性和精度造成影响，因此首先要对信号调理电路进行低噪声设计饵。另外，为使系统可以连续采集，还需要对硬件电路采用低功耗设计。最后要利用上位机软件对潜标的采集工作进行控制，更好地发挥潜标系统的性能。1．1系统设计指标根据设计要求，该潜标数据采集系统主要在10—1000Hz的频率范围内进行工作，其增益为60dB，采用10kHz的采样率，可持续工作24h，满足100m防水要求，并能采集、存储潜标内置罗盘的

5、数据。1．2系统设计结构根据以上针对整个系统的总体设计思路和制定的指标，本文设计的潜标数据采集系统结构如图1所示。图1潜标数据采集系统结构框图在图1中，整个数据采集系统的工作过程为：(1)通过上位机软件来控制主控单元(选用sT公司的STM32F103ZET6单片机)对系统各个模块的参数进行配置；(2)对矢量水听器测得的振速及声压信号先进行放大、收稿日期：2013-09--04基金项目：山东省科学院青年基金资助项目(2013QN032)作者简介：王振(1982一)，男，博士，助理研究员，主要研究方向为机械动力学及振动测试分析。E-mail：wangzh

6、en_82@126．corn第4期王振，等：海洋潜标数据采集系统的设计实现与试验测试7滤波等预处理，然后再由模数转换模块(选用1rI公司的24位四路同步模数转换器件ADSl274)，在主控单元的控制下将模拟信号转换成数字信号并进入控制单元缓存。2系统实现由于潜标系统需要在恶劣的海洋环境下工作，并且测试信号中会混杂海流、反射声等干扰，这就对系统的功耗和信噪比提出了较高的要求，因此本文的数据采集系统就是在低功耗、低噪声的设计思路下对电路进行实现的。信号调理电路主要实现了对前端信号的放大、滤波等预处理工作。采集存储电路主要完成了对调理信号的采集和存储工作，

7、并同时记录罗经的姿态信息。电源电路是整个系统的源动力，主要通过分压和转换处理来对系统各硬件电路供电。开发上位机软件来实现对系统电路的控制。2．1信号调理电路信号调理电路首先采用仪表放大器对信号进行一级差分放大，然后经过带通滤波和二次反相放大后，再进行一次单端转差分的驱动，以满足后面MD转换器对差分信号的需求阍，其结构如图2所示。图2信号调理电路结构框图其中，一级差分放大选用仪表放大器芯片AD8221，其传递函数为G=1+49．4kfl／R，可通过电阻尺来调节第一级增益，并可将传感器输出的双端差分信号转换为单端信号。为去除电源引脚上的纹波引起的电路系统

8、噪声，选用了纹波较小的蓄电池进行供电。针对该电路中出现的高频、低频干扰问题，采用在电源引脚附近分别添加一个0