基于光纤链路的声纳数据传输系统设计

摘  要：针对传统的声纳数据传输系统硬件可靠性不足，数据传输的稳定性较差，通信距离较短等问题，给出了一种基于光纤链路的声纳数据传输系统。该传输系统由水上、水下单元数据传输模块相配合，通过两路光纤通道建立全双工通信。该系统能实现声纳设备的水上水下通信功能，为声纳设备的水下远程通信提供了可靠稳定的传输路径，促进了声纳设备的发展，提高了声纳设备的实用性。

关键词：数据传输;光纤;声纳

中图分类号：TB56     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）23-0050-04

Design of Sonar Data Transmission System Based on Optical Fiber Link

DING Yunfei

（School of Electronic & Information Engineering，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing  210044，China）

Abstract：Aiming at the problems of traditional sonar data transmission system，such as low reliability of hardware，poor stability of data transmission，short communication distance and so on，a sonar data transmission system based on optical fiber link is proposed. The transmission system is coordinated by water and underwater unit data transmission modules，and full-duplex communication is established through two-way optical channels. The system can realize the communication function of sonar equipment in water and underwater，providing a reliable and stable transmission path for the underwater remote communication of the sonar，promotes the development of the sonar equipment，and improves the practicality of the sonar equipment.

Keywords：data transmission;optical fiber;sonar

0  引  言

聲纳系统主要用于港口、沿岸重要设施、重要舰船的水下防护，对蛙人、蛙人运载器、UUV、小型潜艇等水下入侵目标进行自动探测、跟踪及报警。同时其在沿海核电站、水上移动核电站、钻井平台、无人巡航艇等领域也都有切实的应用需求。声纳系统应用需求的不断扩大，推动着声纳技术的持续发展，因此水下水上两种数据传输系统的稳定性成为声纳设备性能优良与否的决定性因素。

在传统的声纳数据传输系统中，硬件可靠性不足，同时传输数据的稳定性较差，导致通信距离较短，不能满足长期稳定应用需求，因而针对声纳数据传输系统的改进和升级是一个仍需深入研究的课题。作者从实际需要出发，研制了一种基于光纤链路的声纳数据传输系统，从而保证声纳系统的数据传输质量，提高设备的可靠性和稳定性。

1  数据传输系统整体设计方案

声纳数据传输系统包括水下单元数据传输模块和水上单元数据传输模块，两模块之间采用光纤进行数据传输，完成多路阵列数据的格式转换、数据压缩、数据发送和接收，控制信息的发送及水下单元工作状态参数的回传。声纳数据传输系统将声纳数据和多路串口通信信息融合压缩为低数据率的信息流，为声纳设备的水下远程通信建立数据传输路径。水下单元数据传输模块主要是将阵元原始数据、部件自检状态和系统控制信息进行打包传输;水上单元数据传输模块主要负责接收128路阵列数据、完成阵列数据的格式变换，以便于进行波束形成处理，同时接收水下回传的状态、指令通信数据。声纳数据传输系统功能框图如图1所示。

为达到提高传输距离的目的，声纳数据传输系统采用多模光纤进行通信，光纤通信电路首先将输入的电信号转换为光信号，再利用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路中进行传输。同时为保证水下、水上部分内部数据的传输稳定性，系统将各数据流统一转换为RS422格式数据进行传输，同时可以提高数据的传输速率，满足数据传输量大的要求。

2  水下单元数据传输模块设计

2.1  水下单元数据传输模块工作流程

2.1.1  数据传输

水下单元数据传输模块将阵列数据发送给水上单元，同时接受水上单元的系统控制数据：

（1）阵列数据传输。水下单元数据传输模块按照时序逻辑，在一个数据读取周期内，将128列阵元数据按照定义进行缓存，以先进先出的方式传输至异步传输电路，将并口数据变换为串行数据，再由光纤发送器传输至水上单元。

（2）系统控制数据传输。水上单元数据传输模块发送的指令信号，经光纤接收器接收，再由异步传输电路发送至RS422电路，水下单元数据传输模块再以RS422格式将其发往其他模块。

2.1.2  生成自检信号

当系统工作在在线信号自检模式时，接口模块发送80 kHz信号源的使能信号80KHZEN给传输模块，自检电路上搭载的80 kHz信号源将产生两路互为反相（180度）的80 kHz方波信号，发送给信号调理模块用于信号通路自检测试。

水下单元的状态数据，如表示罗经、倾角、漏水检测、电源故障等的数据，经由异步传输电路进行协议转换，再由光纤发送模块进行光电转换，最后由海缆将数据传输至水上单元。水下单元数据传输模块工作流程图如图2所示。

2.2  水下单元数据传输模块硬件设计

2.2.1  光纤通信发送器

光纤通信发送器的功能是将输入的电信号转换为光信号，利用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。系统实际数据率为：

128通道×（72 k/s）×9 bit=82.944 Mbits/s

对水下单元数据传输模块按照100 Mbits/s进行设计，选用最高速率可达125 Mbit/s的收发器件，所形成链路的典型功率裕度为20.9 dB。发射器由长波高速LED和集成电路组成，采用正电源供电（VCC=4.5 V至5.5 V）。发送器属于敏感或高速电子器件，为保证光纤数据链路获得最佳性能，在模块硬件电路设计时，使用电源滤波模块进行滤波处理，避免引入电噪声。并对输入阻抗进行匹配设计，最大限度地减少反射带来的传输损耗，以保证模块的传输性能。

2.2.2  光纤通信接收器

光纤通信接收器配有PIN光电探测器，电源输入配置范围为VCC=4.5 V至5.5 V。光纤通信接收器外壳采用导电塑料材质并与设备地连通，可极大地降低数据链路对EMI和RFI辐射场的敏感性，从而保证极佳的传输性能。

2.2.3  系统控制电路

数据传输模块同时生成数据采集和数据读取的时间控制信号与阵列选择信号，这些信号分为A、B两组，分别对应奇数号阵列和偶数号阵列。系统根据发送/接收控制信号、发送完成信号生成AD模块所需的时统和控制信号。系统控制电路根据自检指令生成自检信号，用于自检电路的控制。

3  水上单元数据传输模块设计

3.1  数据接收

由光纤建立全双工通信连接，该模块中的光纤接收器完成光电转换，将水下单元发送的串行通信数据解码分发，数据为9比特/字节。其中，1比特为串行通信数据，包含了储能电压、水下单元姿态、漏水报警等信息，另外8比特为阵列数据。

3.2  通信状态监测

水上单元数据传输模块通过通信状态监测电路对光纤的通信状态进行监测，通信状态监测电路使用指示灯表示通信连接、通信速率的状态，当通信中断时产成“Link Err*”信号发送给控制器模块。

3.3  数据分发

由异步传输电路将串行数据转换为9比特并行数据，其中D0至D7位为阵列数据，分发给阵列数据转化电路中的乘法累加器进行降采样处理;D8位分发给RS422电路，再以RS422格式传输至水上单元的控制器模块。

3.4  数据发送

RS422电路将发射接收参数、模式选择等信息，通过异步传输电路转变为9 bit的串行数据（其中1位有效），由光纤发送器传送到水下单元的数据传输模块。

3.5  阵列数据格式转化

通过乘法累加器将72 kHz采样数据降为36 kHz采样数据，生成同相分量與正交分量数据，该数据再经过6点的时间平均与低通滤波后，送入FIFO内存，最后以128点同相分量结合128点正交分量的数据结构发往水上单元中的波束形成模块。

综合上述方案，水上单元数据传输模块功能框图如图3所示。

4  实验与验证

4.1  产品实现

声纳数据传输系统的设计是基于AT&T Microelectronics公司的ODL125系列光纤通信收发器实现的，通过2路光纤通道建立全双工通信。该光纤通信收发器符合FDDI标准，具有小尺寸、高可靠性和低功耗等特性，同时能够有效地抑制由EMI/RFI辐射场、串扰和接地回路造成的干扰。

根据光纤通信收发器，系统光纤最终选择为ST接口的多模光纤（光纤50/125）。

在设计声纳数据传输系统的硬件电路时，为了降低电路的对外辐以及提高其抗干扰能力，采用了设计仿真与实测相结合的方式，多次验证了硬件电路的可靠性。声纳数据传输系统的硬件电路实物图如图4所示。

4.2  实测情况

4.2.1  光功率测量

使用光功率计对水上、水下单元数据传输模块进行测量，对模块的性能、光纤传输质量进行验证。为满足长距离传输的设计要求，在测量光功率时，通过5 km的多模光纤将各模块与光功率计进行连接。通过测量，水上、水下单元数据传输模块功率在-23 dBm～-25 dBm之间，完全满足声纳系统的要求。

4.2.2  通信速率测量

为满足声纳数据传输量大以及传输速率高的传输要求，需对水上、水下单元数据传输模块进行传输速率的测量。声纳数据传输系统传输速率测试情况如图5所示。

通过对传输速率的测试，测试软件界面显示数据接收速率为125 Mbps，满足100 Mbps的使用要求。

5  结  论

经过无数次的实验演练和技术改进，基于光纤链路的声纳数据传输系统克服了当传输数据量大或者通信距离较远时整个声纳系统稳定性不足的缺陷，整体系统设计简单易实现，通过在水下单元数据传输模块和水上单元数据传输模块中均设置光纤通信电路，同时拥有两对光纤通信发送器以及接收器实现水下单元与水上单元的双工数据通信，以此提高数据通信传输效率，另外水下单元和水上单元数据传输模块都设置了RS422电路，能够有效提高传输速率，并提高数据传输的稳定性，并且还分别设置了自检电路和通信状态监测电路，能够分别实现水下单元和水上单元电路的自检以及通信状态的检测，从而提高工作效率。

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作者简介：丁云飞（2000.09—），男，汉族，江苏泰州人，本科在读，研究方向：通信与信息系统。