浮标式无线远程水声数据采集系统设计

浮标 水声 数据

第11期杨桂艳等:浮标式无线远程水声数据采集系统设计　　　 149

浮标式无线远程水声数据采集系统设计

杨桂艳,黄　炜

(电子科技大学通信与信息工程学院,四川成都610054)

摘　要:在讨论水下远程数据采集特点的基础上,给出了一种采用小型浮标式外形结构、214GHz无线传输方式的远程水声数据采集处理系统的设计与实现。经海上实验验证,与同类水下采集处理系统相比,其具有小型化、无线传送距离远、高传输带宽、信号动态范围大、可无线移动和通信质量好的优点。关键词:水声数据采集;远程无线宽带传输;嵌入式系统

中图法分类号:TP27412;TP20611　　　文献标识码:A　　　文章编号:100123695(2005)20149202

DesignofWirelessRemoteUnderY2Wei

(Collegeof&UniversityofElectronicScience&TechnologyofChina,ChengduSichuan610054,China)

Abstract:ononthefeatureofunderwateracousticdataacquisition,thispaperpresentsasolutionforthewire2lessremoteunderwateracousticdataacquisitionsystembasedonsmallbuoy1Experimentontheseashows,comparedwithothersimilarsystems,itfeaturesonminiaturization,verylongtransmissiondistance,highsignalbandwidth,largedynamicrange,mobileabilityandveryhighqualityofcommunication1

Keywords:UnderwaterAcousticDataAcquisition;RemoteWirelessBroadBandTransmission;EmbeddedSystem

　　随着通信、雷达、声纳等技术的发展,地面、空中信息的探测与采集技术达到了很高水平,但水下环境中的远程信息采集因信道复杂、信号衰减大等不利因素,实现起来具有相当的难度。很多国家正在投入大量科研经费研制开发水下信号的采集系统,形成了IT、测控领域的热点。由于水下环境中与光、电等信号相比,只有声波信号能较好地传输,因此在水中的唯一通信方式是水声技术,而在实际应用中有价值的往往是中、高频段的水声信号。如何远程无失真地采集到原始水声信号的较高频率成分是水下远程数据采集的一个瓶颈问题。

(1)传输带宽宽,可达11Mbps;

(2)结构紧凑的浮标,连同供电模块总体积如足球大小;(3)可随时动态获取GPS定位信息;

(4)最高100kHz水声信号的10km传输。

2　数据采集系统设计原理

数据采集系统(DataAcquisitionSystem,DAS)是模拟量与数字量之间的转换接口,典型的数据采集系统设计如图1所示。前置通道主要是对模拟信号进行必要的处理,如放大、滤波等,以满足ADC的要求;采样频率发生器由高稳定性的晶振产生一个高频时钟脉冲,然后通过分频作为ADC的采样频率;I/O口译码电路用来实现用户通过计算机接口对该数据采集系统进行编程、控制;时序控制、读写控制及地址发生等模块主要是用来使数据采集能有条不紊地进行

。

1　水下远程数据采集特点

水下数据采集因为其特殊的水下环境,与一般的陆地和空中数据采集相比,具有其特殊性。由于水下能够传输的只有声波信号[1],而声波信号在水中的传输率极低,同时,声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干扰等因素,使得用水声设备直接进行远程数据传输变得困难[2]。而且采用这种方式采集到的往往只是水声信号中的几十赫兹的低频成分,其实际应用中有价值的较高频率成分信号在水下会迅速衰减,使远程采集到的原始信号有较大的失真。本文给出了一种由水听器探测,经压缩、加密等相关处理后利用空中无线通信的方式传输采集数据的实现方案。该方法只需使用普通的水听器作为前端采集器即可实现水听器附近声源中带宽达100kHz的信号采集,经无线网桥实现10km无失真传输,具有低成本、远距离、无失真、采集原始信号频率成分高的特点。

本采集系统同时还具有以下特点:

3　无线远程水声数据采集处理系统设计

311　系统组成

图2是系统功能框图,主要由前端数据采集及调理、A/D模数变换器、双口RAM、嵌入式PC、无线通信模块、GPS模块几部分组成。前端数据采集及调理包括水听器、前置滤波、可编程放大器(PGA)。为了协调A/D采集与PC/104总线传输的速度,保证数据的可靠传送,采用缓冲存储器的设计,用双口RAM实现。单片机控制A/D采集和双口RAM的读写,并根

收稿日期:2004208216;修返日期:2004211204