多站点水声信号光纤传输处理技术∗

（中国电子科技集团公司第三十四研究所 桂林 541004）

1 引言

大力进行海洋开发是国家重大决策，蛟龙号载人潜水器成功下潜七千多米，同时还建设了大量的海上作业平台进行海洋开发。在海洋开发中，铺设的很多的海底管道、海缆，安装各种设备，为保卫海洋，防止渔船作业和敌对势力的破坏，全方位的感知环境[1]，需要监测的大量的海上海下目标。水下监测系统测量系统越来越重要。水声信号的采集、传输、处理作为“水下监测、测量系统”重要组成部分，发挥了至关重要的作用，可靠、实时等特点也是系统最迫切需求的。由于光纤具有重量轻、工作频带宽、传输损耗小、安全性高、可靠性高的优点，在海洋水声信号多路探测、远距离信号传输中比电缆传输更有极大的优势，基于海底光缆传输的多站点水声信号采集、传输、处理系统，充分利用了光纤传输的优势，可以安全、可靠地实现多站点的水声信号采集、传输等功能，并且组网的拓扑结构也较简单[2]。

2 系统设计分析

在水下目标测量、水下安防监控应用中，需要对目标数量、运动轨迹、速度、深度等参数进行精确测量。由于水下环境的非常复杂，相比雷达的空中工作环境，水下环境中有高山、有河谷、有各种生物等，这些物体都会反射声波，使得水上传播的声音存在大量的多径反射，很难确定具体的声源位置，就像人在深山中一样。现在雷达可以同时跟踪成千上万目标，而水下声纳处理系统能同时跟踪的目标数量非常有限，目标参数精确测量非常复杂、困难，象普通雷达一样的单个探测装置很难完成这样的工作，因此，水下网络系统基本上只能由多个水下站点、多个探测传感器协同工作完成。测量系统通过对这些传感器数据进行多方面、多层次的融合处理、分析，才能有效可靠地对水下目标的探测、跟踪、识别等。多站点水声信号光纤传输处理系统需要传输的信号类型、信号数量较多，对系统的传输带宽要求比较高[3]。

光纤传输系统方案的组成如图1所示。

图1 光纤传输系统框图

图中多站点水声信号光纤传输处理系统的各个水下站点通过水下光缆与水上信号处理中心进行双向通信，同一个水下站点的各个水听器采集到的水声模拟信号通过电缆传输到该站点信号处理传输设备，经过处理后经光纤传到水上信号处理中心接收。多个水下节点与水上信号处理中心信号的光纤传输拓扑结构常用环型级联的拓扑结构[4]或者星型直连的拓扑结构[5]两种方式。如图2所示。

图2 光纤传输拓扑结构

在环型级联方式中，由于站点采用级联方式，各站点的水声探测信号是采用接续的方式进行传输的，每个站点的信号先传输到相邻的站点中进行解复用，然后再与本地信号进行复用成串行信号，然后继续传输到下一个站点，最后才传输到水上信号处理中心。在光纤传输带宽允许的前提下，水下采集传输设备可以在不增加光纤数量的前提下不断扩展，充分利用了光纤大容量这一特性。而在星型直连方式中，每个站点和水上信号处理中心都采用单独的一组光纤连接，其传输容量较大，每个水下站点可以接入大量的数据设备，接入大量的探测终端，但是由于使用光纤数量多，在水下站点数量不多时传输系统较简单，随着水下站点增加和传输距离增多时，其链路成本和施工成本急剧增加，水下站点的功耗比环形配置时的功耗小，系统的供电设计简单[6]。

水上信号处理中心接收所有水下站点的光信号，从这些光信号中恢复出电信号，最后通过网络或数据总线接口的形式传输给后端信号处理设备。信号处理单元收到水上信号处理中心接传输过来的数据信号，解出其中的数据信号进行数据运算和分析，实现水下目标的探测、识别和跟踪[7]。

3 水声信号的采集及传输

水下站点的主要功能为完成水下水声信号的采集、多路信号复用，然后再传输到水上信号处理中心进行分析。水下站点信号处理及传输原理框图如图3所示。

图3 水下站点信号处理及传输原理框图

水声信号是一种声音信号，有用的信号频率范围通常为20Hz～20kHz，个别项目需求频率范围达几十kHz。压电陶瓷传感器探测水中传来的水声压强信号，并把压强信号转换成电信号输出，输出幅度很小输出阻抗很大，不适合直接输入给A/D电路进行采样，需要在A/D采样前先进行滤波、放大，把mV级的信号幅度放大到A/D满量程输入的0.5倍。低通滤波采用Chebyshev电路，级数为9阶，带内波动为0.25db，低通滤波通带比要求的最高信号频率大1.1倍，带外衰减在最高信号频率的1.5倍处≥40db以上，这样低通滤波器有利于减少采样电路的采样噪声提高信号信噪比，减少信号采样混叠的影响减少信号的失真度。增益调整电路为数控DGA，由水上信号处理中心控制，根据压电陶瓷传感器探测到的信号幅度大小进行调节，提高信噪比。A/D转换器选择16bit连续同步采样芯片，采用同步采样方式工作，保证采样后水声信号相位一致[8]。多路水声信号A/D转换后与水下姿态传感器串口信号同时输入到可编程芯片进行电复用，然后经电/光转换电路转换成1550nm光信号，再通过波分复用器光复用后由单芯光纤传输到水上信号处理中心。水上信号处理中心传下来的光信号波长为1310nm，通过光缆传输到水下站点，由波分复用器解复用后输出1310nm光信号，再经光/电转换电路转换恢复出电信号，由可编程芯片进行电解复用，恢复出控制信号输出。输出控制信号有水下姿态传感器设备控制信号、增益控制信号、同步采样信号等[9]。

4 水上数字信号处理

水上信号处理中心设备包括水上收发处理设备、信号处理设备及实时监控显示终端设备等[10]，其组成功能框图见图4。

图4 水上信号处理中心信号处理框图

4.1 水上收发处理设备

水上收发处理设备主要是实现水上信号下发和水下上传信号接收的功能。下发光信号中包含了系统时钟信号、各种控制信号等，这些信号先通过水上收发设备的电复用光复用模块复用后由光缆传输给每个水下站点。上传光信号包括了水声信号的A/D数据、姿态传感数据等，水上收发处理设备从上传的光信号中先恢复出同步时钟信号、水声信号A/D数据信号、姿态传感数据，然后输入到可编程芯片进行信号延迟调整，将输入的多路A/D数字信号按照系统要求的时延需要进行时延控制，使延迟后的各站点A/D数据对齐，然后一方面输出给D/A转换芯片进行数模转换，恢复出模拟水声信号，经滤波放大后输出给实时波形显示终端、频率分析终端进行实现信号分析；另一方面，水声信号A/D数据信号经重新封装、组帧成以太网信号，通过网络接口输出给计算机等处理设备，同时还通过数据接口电路输出给数据信号处理设备等。

4.2 信号处理设备

信号处理设备主要是为系统提供同步信号，对水下站点进行远程控制及监控；对水下站点上传的信号进行分析、运算，测量水下目标的各种参数。

同步信号由水上信号处理设备产生，通过光缆向水下所有站点进行分发，各站点根据同步信号对水声信号进行同步采样，保证传输的水声信号相同时刻相位一致；同时水上设备又从上传信号中恢复时钟，保证信号处理同步。

4.3 A/D数字信号的重新封装、组帧

为了使水声A/D数字信号便于转发、存储等处理，需要将所有接收到的数字信号按照以太网的格式重新封装、组帧，以太网封装、组帧原理[11]见图5。

图5 水声数据以太网封装框图

图6 水声数据以太网格式

水声A/D数据信号输入到串/并转换模块，按照以太网数据格式（包头+数据）转换成8位并行的高速数据，8位并行数据经以太网MAC控制器流量控制、帧控制后转换为GMII接口数据，最后经PHY输出千兆以太网网络信号。经过重新封装、组帧后的以太网数据格式见图6，后端数字信号处理单元参照该数据格式可以很快地从该以太网数据中恢复出每路A/D数据信号。

5 结语

多站点水声信号传输处理技术使用光纤传输方式，通过电复用光复用技术使用一芯光纤双向传输信号，解决了水下远距离、多路信号传输的困难[12]，节省了光缆成本和光缆布放费用，减少施工困难；系统采用同步时钟方式工作，保证了分布在不同位置的多个水下站点的水声信号同步采集，为水下运动目标的精确测量提供技术保证；在岸上将恢复的水声信号以多种信号形式输出，具有很大的适应性，可以方便连接示波器、频率分析仪、网络交换机、计算机等各种设备，方便用户系统进行实时信号处理、显示、存储、交换分发和传输等。系统已连续多年工作，系统技术性能稳定，全面满足总体的技术要求，具有较大的使用和推广价值。