专利名称：一种网络化水声定位节点系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水声信号处理领域，特别涉及一种网络化水声定位节点系统及方法。
背景技术：
水下声学定位技术随着声纳的发明开始出现，逐渐形成了基于基线的水下定位方法，匹配场被动定位方法，水下GPS定位方法以及基于矢量水听器的目标检测与定位方法 坐寸ο基于基线的水下定位方法包括超短基线定位系统(USBL/SSBL)、短基线定位系统(SBL)和长基线定位系统(LBL)。基于基线的水下定位方法都是相对定位系统，并且多为对合作目标的定位，不同的声学定位系统定位精度不同。长基线定位系统的定位精度较高，但是不易铺设。匹配场被动定位方法所采用的数学模型精确，可以充分利用声场的各种信息，可以得到较远的作用距离和较高的精度，特别是在浅海中有很大的应用价值。但是，该方法计算量大，而且对外界条件的变化十分敏感，对环境参数的测量有很高的要求。水下GPS定位系统将GPS系统和水下声学系统集成在一起，完成卫星定位与水声测量功能，并提供无线电通讯链路，实现整个系统的协同工作。但是，该系统需要浮标天线作为接收GPS信号的装置，不易于隐蔽，而且浮标设计技术难度较高，存在风险。水声接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，或标量水听器和矢量水听器。在声场测量中，传统的方法采用的是标量换能器(声压换能器)，只能测量声场中的标量参数。矢量换能器不仅可以测量声压信号，还可测量声场中的矢量参数，即x，y，z方向的振速信号。矢量传感器获得了更多声场信息，丰富了一系列基于矢量信号的探测与定位算法。基于单矢量传感器的探测算法需要传感器的姿态参数作为辅助信息，即除了矢量传感器信号外，探测节点还需要配备罗经或其它姿态传感器并通过一定的协议采集该传感器信号。因此，做好矢量传感器数据与姿态传感器数据的同步融合是实现单矢量传感器探测算法基本要求。网络化定位技术是由多个基于矢量传感器的节点组成的网络联合探测实现定位的，网络化定位技术集成了矢量传感器探测技术，水声通信技术、网络技术等，具有目标定位准，作用范围大，成本相对低廉等优点，市场前景和应用范围广泛。在单节点探测的基础上实现网络化定位的前提就是做好各节点的数据同步。节点在水下工作时间长，工作环境相对恶劣，给数据的精确同步(精确到us)提出了更高的要求。
发明内容本实用新型的目的在于，为解决上述问题，提出一种基于水听器的网络化水声定位节点系统，包括矢量传感器，用于提供矢量信号；姿态传感器，用于提供姿态信号；保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态；以及电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，并根据处理结果进行定位，其中所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。优选地，本实用新型的节点系统中，所述的电子系统包括可编程逻辑器件(FPGA)，用干与所述的传感器通信并且将收到的数据融合后提供给所述DSP。 优选地，本实用新型的节点系统中，所述的DSP为ADSP-BF548，并移植uClinux嵌入式操作系统。优选地，本实用新型的节点系统中，所述的电子系统还包括以下外设PATA硬盘、SD 卡、100M 以太网、RS485/RS232 接口和 GPIO0优选地，本实用新型的节点系统中，所述的保持装置包括浮球、沉块及收放装置。优选地，本实用新型的节点系统中，所述的姿态传感器是三维同振球形矢量水听器，含有三个正交矢量通道和一个声压通道。优选地，本实用新型的节点系统中所述矢量通道采用集成压电加速度计作为传感器。优选地，本实用新型的节点系统中，所述每个矢量通道采用的加速度计为2个，且采用差分方式输出。优选地，本实用新型的节点系统中，所述声压通道采用8只压电陶瓷球形声压水听器并联，或者所述声压通道采用4只压电陶瓷球形声压水听器并联。本实用新型的优点在于，它设计了节点的电子系统，该电子系统采用先进的低功耗数字信号处理器(DSP)作为控制核心，并开发了嵌入式操作系统，使得整个节点工作更加稳定；本实用新型还设计了网络节点同步方法，使用GPS授时作为节点开始工作的绝对时刻，并用铷原子钟代替普通的晶振作为系统的时钟源，为多节点协同探測算法的实现提供了严格的同步；本实用新型还设计了数据融合机制，采用可编程逻辑器件(FPGA)采集矢量水听器的信号并与姿态传感器数据、时间戳融合后再打包上传到DSP的机制，增强了系统的灵活性，使系统层次明晰，工作便捷。
图I是根据本实用新型的一个实施例的节点系统的整体的示意图；图2是图I的实施例中的电子系统的功能框图；以及图3是根据本实用新型的节点系统的网络化定位示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施方式进行详细的说明。根据本实用新型的一个实施例，本实用新型的基于水听器的网络化水声定位节点系统包括矢量传感器，用于提供矢量信号；姿态传感器，用于提供姿态信号；保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态；以及电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，井根据处理结果进行定位，其中所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。DSP用于处理矢量传感器提供的矢量信号和姿态传感器提供的姿态信号。在ー个优选实施例中，DSP为ADSP-BF548，并移植uClinux嵌入式操作系统。由于BF548具有丰富的外设接口，且uClinux具有出色的稳定性，这两大优势使得本实用新型的节点系统可以实现可靠、稳定、低功耗、便捷地工作。根据此实施例，节点系统主要的外设有PATA硬盘，SD卡，IOOM以太网，RS485/RS232接口，GPIO等。根据此实施例，节点系统包括可编程逻辑器件(FPGA)，用于与所述的传感器通信并且将收到的数据融合后提供给所述DSP。具体地，FPGA通过异步串行接口(UART)协议与罗盘、温度计等传感器通信，采集系统姿态、环境温度等信息；通过SPI协议采集多路信号。然后，按照一定格式将上述数据发送给DSP，DSP收到数据后做相关处理。此实施例 中的电子系统以GPS授时作为开始工作的起始时刻。GPS的标准输出有两个部分时间方位信息和秒脉冲(PPS)。当GPS定位(搜到定位卫星)后，从下一秒开始连续输出周期为Is的脉冲信号，脉冲信号长度为50ms。用FPGA采集时间方位信息直至GPS输出第一个秒脉冲，该时刻为上述时间方位信息的下一秒。以该时刻作为整个系统工作的起始时刻，采用具有2E-12精度的铷原子钟代替普通的晶振计时，并且FPGA给每包数据打上时间戳，这样能够保证系统时间与起始时刻的精确对准。此实施例中，矢量传感器的信号经过前置放大、滤波、二次放大后转换为数字信号，ADC与FPGA的接口协议为SPI协议。姿态传感器与电子系统的电气接口为异步串行接口，FPGA通过RS232协议与姿态传感器通讯，发送控制命令，采集传感器信息。基于单矢量传感器的探测算法需要实时的姿态信息作为辅助参量，为了与矢量传感器数据同步，在FPGA中对数据进行融合，并将融合的数据打上由铷原子钟计时器确定的时间戳。此实施例中，矢量水听器为三维同振球形矢量水听器，包括三个正交矢量通道和一个声压通道。矢量通道采用集成压电加速度计为传感器，优选地，每个方向上均包括两个加速度计，采用差分方式输出；声压通道优选地采用8只或者4只压电陶瓷球形声压水听器并联的形式。整球直径220，平均密度约1.3g/cm3。水听器的矢量通道x、y、z轴的正方向满足右手罗旋法则。保持装置包括浮球、沉块和收放装置，主要用于保证节点在水中的姿态和方位。图I是根据本实用新型的一个实施例的节点系统整体的示意图。从上到下此实施例的节点系统由浮体、仪器舱、声学舱、释放器、沉块组成。沉块的作用是保证节点系统不至于被海流冲走，布放节点系统时记录下节点系统的GPS方位。浮体的作用是使节点系统处于垂直状态，易于发现回收节点系统。仪器舱包括电子系统和电池，是整个节点系统的核心。矢量水听器位于仪器舱下部，通过水密互联缆将信号传输给仪器舱的电子系统。图2是图I中的实施例的节点系统中的电子系统的功能框图。电子系统和电池位于节点系统的仪器舱内。电子系统形状为矩形，尺寸为150mmX (250+20)mm，即长度为250mm,另外有接插件延伸的长度20mm,高度为20mm。开发板重量不大于O. 5kg。电子系统由电池供电。电池电压是6. 4V。电路板有I. 2V，2. 5V，3. 3V，5V四种电压。I. 2V，2. 5V，3. 3V为电源层。3. 3V，5V由开关电源PTH08T260产生；2. 5V由REG104-2. 5线性稳压芯片产生，I. 2V由ADS1117-1. 2线性稳压芯片产生。上述电源芯片均可满足输出电流的要求。电子系统硬件平台的控制核心DSP在此实施例中优选地是ADSP-BF548，向其移植了 uClinux嵌入式操作系统。uClinux是Linux操作系统的一种，由Linux 2. O发展而来。uClinux具有出色的稳定性和良好的移植性，可以灵活地裁剪和配置操作系统内核，因而具有了小型化、性能稳定可靠的优势，广泛用于控制领域，被称为“微控制器领域的Linux系统”。Blackfin处理器是Analog Device和Intel联合出品的高性能、低功耗的DSP,融合了 Analog Devices/Intel的微信号结构MSA，可以实现各种应用的高性能信号处理和高效控制处理能力。另夕卜，Blackfin处理器支持包括uClinux在内的多种操作系统，拥有丰富的嵌入式操作系统资源。BF548等BF54x系列Blackfin处理器工作频率可以为533MHz，其系统性能提升和成本降低主要表现在三个方面ー是带宽，内部总线带宽倍增到532MBPS，适合于日益复杂的系统应用，与内部带宽匹配的外部存储器带宽比先前的单核Blackfin处理器增加两倍；ニ是增加的内置存储器，内部带宽用高达260KB的内置存储器匹配；三是用高级集成外围设备补偿高性能处理，通过满足使外部元件数量最少的需求降低系统成本和开发风险。BF548集成的外设接ロ包括3个同步串行SPI接ロ、4个异步串行UART接ロ、4个可应用于多通道的串行接ロ SP0RT、11个定时器和SD卡控制器，以及以太网物理层PHY、ATAPI控制器、NAND闪存控制器、高速USB OTG、CAN、TWI、MXVR等外设。另外，BF548还支持多达152个通用I/O端ロ。在电子系统中，BF548的内核时钟为400MHz，外设时钟为100MHz。复位电路采用ADM708为主要器件的复位电路。选用PC28F128P33T作为Flash。兼容CFI接ロ规范，容量为16MB。选用MT46V32M16作为DDR，容量为64MB，时钟为外设时钟100MHz，供电电压 为2. 5V。DDR数据总线宽度为16bit，应该设置为等长线。ATA控制器通过控制总线和数据总线与处理器相连，其中控制总线控制和配置命令寄存器等，数据总线传输数据包。SPORT模拟SPI协议，向ADC提供帧同步信号和时钟信号，帧同步高电平有效，有16个时钟周期的长度。每个通道的采样率均为4ks/s。系统预留了 4个UART，三个为RS232协议，另ー个为RS485/422协议，可以连接RS232或其它协议的罗经等传感器。电子系统采集矢量传感器和姿态传感器的信号后，送由FPGA并行处理并将数据进行融合。以往的电路设计方式是把矢量传感器和姿态传感器直接与DSP相连，用DSP来控制、接收、处理全部数据。但是，这样做占用了 DSP大量的外设接口和内部资源，不利于DSP作为节点的控制核心发挥存储、控制、通信等作用。FPGA却没有以上的问题。首先，对于矢量传感器信号，在FPGA里开辟两个大小为4096short(8192Byte)的双ロ RAM，FPGA接收数据时，将其存入其中ー个RAM。当装满这个RAM后，立即开始向另外ー个RAM存入数据并把这个RAM里的数据发送给DSP，反之亦然。因此，FPGA向DSP发送ー个RAM大小的数据的时间应该小于其收满ー个RAM的时间，这样才能保证数据的完整性，不会因为没有发送完毕而造成数据丢失。其次，姿态传感器数据有固定的格式，固定的起始和末尾结束符，所以在FPGA里可以用查询方式检测到传感器上传数据的开始和结束，这种做法既可以正确找到传感器数据的首尾位置，又不会造成数据丢失。值得注意的是，FPGA的并行处理机制使矢量传感器数据与姿态传感器数据准确同步，而且，这种机制把采集矢量传感器信号和采集姿态传感器信号的任务分离开来，作为两个相对独立的部分，互不影响，即在FPGA里设置两个控制变量，分别对应矢量传感器和姿态传感器，需要采集哪种数据就把相应的开关打开即可由DSP控制，不受另一部分的影响。这种设计增强了系统的灵活性，使系统层次明晰，工作便捷。图3是根据本实用新型的节点系统的网络化定位示意图。图3所显示的例中包含3个网络节点，每个网络节点都是基于单矢量换能器的探测节点。每个节点的电子系统都使用铷原子钟作为系统时钟。铷原子钟作为ー种高精度、高可靠性同步时钟产品，将高稳定性铷振荡器与GPS高精度授时、测频及时间同步技术有机的结合在一起，使铷振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星铯原子钟信号上，提高了频率信号的长期稳定性和准确度，能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准，是通信广电等部门替代铯钟的高性价比产品。铷原子钟输出的Ipps信号，是由铷振荡器频率信号分频得到的，并且同步于GPS输出的UTC时间，同时能够克服GPS接收机 秒脉冲信号跳变带来的影响，是真正复现的“UTC时间基准”。原子钟的型号为FE-5680A。时钟输出信号为I路10MHz，阻抗为50 Ω正弦波，输出幅度为12dBm±ldB。准确度不大于2E-12开机48小时以后，GPS锁定状态，24小时平均准确度。GPS�？橄低车墓ぷ魇毙蚴巧系绾螅还苁欠袼阉鞯叫牵诨崃⒓词涑鯪MEA语句，其中的V代表此时数据无效。经过一段时间的搜索，找到足够的三颗定位卫星后，PPS引脚才开始输出PPS秒脉冲。这时的NMEA语句中的V变为A，表示此时的输出信息是有效的。秒脉冲是从GPS定位后的下一秒钟开始连续输出的，脉冲信号长度为50ms。用FPGA采集时间方位信息直至GPS输出第一个秒脉冲,此时为上述时间方位信息的下一秒，以该时刻作为整个网络化节点系统工作的起始时刻，保证了系统时间与起始时刻的精确对准。这样，网络中的各个节点采集的数据做到了准确的同步。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种基于水听器的网络化水声定位节点系统，包括 矢量传感器，用于提供矢量信号； 姿态传感器，用于提供姿态信号； 保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态； 电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，井根据处理结果进行定位， 其特征在于所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。
2.根据权利要求I的节点系统，其特征在于所述的电子系统包括可编程逻辑器件FPGA，用干与所述的传感器通信并且将收到的数据融合后提供给所述DSP。
3.根据权利要求I的节点系统，其特征在于所述的DSP为具有多种外部设备接ロ，适用于系统控制并可以移植操作系统的DSP，并移植uClinux嵌入式操作系统。
4.根据权利要求3的节点系统，其特征在于所述的电子系统还包括以下外设PATA硬盘、SD 卡、IOOM 以太网、RS485/RS232 接口和 GPIO。
5.根据权利要求I的节点系统，其特征在于所述的保持装置包括浮球、沉块及收放装置。
6.根据权利要求I的节点系统，其特征在于所述的姿态传感器是三维同振球形矢量水听器，含有三个正交矢量通道和一个声压通道。
7.根据权利要求6的节点系统，其特征在于所述矢量通道采用集成压电加速度计作为传感器。
8.根据权利要求7的节点系统，其特征在于所述每个矢量通道采用的加速度计为2个，且采用差分方式输出。
9.根据权利要求6的节点系统，其特征在于所述声压通道采用8只压电陶瓷球形声压水听器并联。
10.根据权利要求6的节点系统，其特征在于所述声压通道采用4只压电陶瓷球形声压水听器并联。
专利摘要本实用新型涉及一种基于水听器的网络化水声定位节点系统，包括矢量传感器，用于提供矢量信号；姿态传感器，用于提供姿态信号；保持装置，用于保持所述的节点系统在水中的姿态；以及电子系统，用于接收来自矢量传感器和姿态传感器的矢量信号和姿态信号并对接收到的信号进行相应的处理，并根据处理结果进行定位，其中所述的电子系统包括DSP，所述DSP采用铷原子钟，并且所述电子系统采用GPS授时作为开始工作的起始时刻。
文档编号G01S5/18GK202383285SQ201120461979
公开日2012年8月15日 申请日期2011年11月18日 优先权日2010年12月30日
发明者吴玉泉, 尹力, 支绍龙, 曾雄飞, 李宇, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所
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