仿生矢量水听器水下监测记录装置

　　0 引言

　　在科学技术的不断发展的今天,水下目标的定位与识别在海洋开发中的水下油气管道的布设、水下救险、潜水员定位和航道异物清除等领域都有了重大的应用[1]。本设计介绍了一种水下记录装置,用来采集我单位自行研制的仿生矢量水听器的声音数据,实现对水下特定目标的识别与定位。设计采用Xi-linx的FPGA来做为主控芯片,用TI公司的ADS8365来采集两个水听器的声压与振速信号,并将采集到的数据存储到Flash,在实验完毕后将数据通过USB口读出。该装置可以连续记录48个小时的水听器数据,并在指定的情况下实现数据的实时采集监控。

　　1 仿生矢量水听器水下记录器的组成及工作原理

　　1.1 功能介绍

　　该仿生矢量水听器水下记录器主要用于测量与记录矢量水听器采集到的声压信号与振速信号,并将采集到的信号进行存储,最终将数据传给上位机进行分析与计算。每套记录器有6个同步数据采集通道和42GB的Flash存储容量,可以连续采集48个小时的水声数据,实现水声信号的同步数据采集存储。矢量水听器水下记录器主要由仿生矢量水听器、水下记录装置、接口与电缆和数据处理软件4个部分组成,水下记录装置主要包含控制模块、存储与采集模块和电源模块等。系统的整体框图如图1所示。

　　1.2 硬件的组成

　　1.2.1 仿生矢量水听器结构与功能

　　水听器采用本单位最新研制的纳机电仿生矢量水听器,它是根据鱼类侧线听觉仿生学原理设计。水声传感器的组装原理及过程如图2所示,将透声橡胶帽、蓖麻油、刚硬塑料柱体、压敏电阻、金属导线分别模仿成鱼类侧线器官的感觉顶、感觉顶内部的黏液、可动纤毛、感觉细胞以及神经纤维[2-3].因此,当有水下声信号作用于传感器的透声橡胶帽(感觉顶)时,透声橡胶帽(感觉顶)将会通过蓖麻油(黏液)把相应的声音信号传递给刚硬塑料柱体(可动纤毛),刚硬塑料柱体与其所处的介质质点同振,从而将感受到的声信号传递给压阻敏感单元(感觉细胞) ,使梁产生应力变化[4],植入其上的压敏电阻的电阻值便发生变化.通过金属导线(神经纤维)以及相应的电路信号检测单元,即可以实现水下水平面内声信号的矢量探测[5].该水声传感器不但体积小、质量轻且结构简单,而且具有/80字型的指向特性.该水声传感器的声压灵敏度为-19717dB(0dB=1V/LPa).其示意图如图3所示。

　　1.2.2 水下记录装置结构与组成

　　在本设计中,我们用FPGA进行系统的控制。FPGA选用的是Xilinx公司生产的Spartan-3系列的XC3S400芯片。它有208个可用引脚,最高支持326M的系统时钟,内部集成4个DCM,可进行系统时钟的倍频,它具有56k的分布式RAM和288k的块RAM容量。本设计使用VHDL语言编写AD _Control、Flash _ Control、Write _ Usb、Receive _ Command等模块实现数据的采集传输。