摘 ?要：針對傳統(tǒng)的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件可靠性不足，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性較差，通信距離較短等問題，給出了一種基于光纖鏈路的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)由水上、水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊相配合，通過兩路光纖通道建立全雙工通信。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)聲納設(shè)備的水上水下通信功能，為聲納設(shè)備的水下遠(yuǎn)程通信提供了可靠穩(wěn)定的傳輸路徑，促進(jìn)了聲納設(shè)備的發(fā)展，提高了聲納設(shè)備的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸;光纖;聲納

中圖分類號：TB56 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

聲納系統(tǒng)主要用于港口、沿岸重要設(shè)施、重要艦船的水下防護(hù)，對蛙人、蛙人運(yùn)載器、UUV、小型潛艇等水下入侵目標(biāo)進(jìn)行自動探測、跟蹤及報警。同時其在沿海核電站、水上移動核電站、鉆井平臺、無人巡航艇等領(lǐng)域也都有切實(shí)的應(yīng)用需求。聲納系統(tǒng)應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)大，推動著聲納技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，因此水下水上兩種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性成為聲納設(shè)備性能優(yōu)良與否的決定性因素。

在傳統(tǒng)的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，硬件可靠性不足，同時傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致通信距離較短，不能滿足長期穩(wěn)定應(yīng)用需求，因而針對聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的改進(jìn)和升級是一個仍需深入研究的課題。作者從實(shí)際需要出發(fā)，研制了一種基于光纖鏈路的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，從而保證聲納系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

1 ?數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整體設(shè)計方案

聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊和水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊，兩模塊之間采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成多路陣列數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，控制信息的發(fā)送及水下單元工作狀態(tài)參數(shù)的回傳。聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將聲納數(shù)據(jù)和多路串口通信信息融合壓縮為低數(shù)據(jù)率的信息流，為聲納設(shè)備的水下遠(yuǎn)程通信建立數(shù)據(jù)傳輸路徑。水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是將陣元原始數(shù)據(jù)、部件自檢狀態(tài)和系統(tǒng)控制信息進(jìn)行打包傳輸;水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)接收128路陣列數(shù)據(jù)、完成陣列數(shù)據(jù)的格式變換，以便于進(jìn)行波束形成處理，同時接收水下回傳的狀態(tài)、指令通信數(shù)據(jù)。聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

為達(dá)到提高傳輸距離的目的，聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用多模光纖進(jìn)行通信，光纖通信電路首先將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再利用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路中進(jìn)行傳輸。同時為保證水下、水上部分內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性，系統(tǒng)將各數(shù)據(jù)流統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為RS422格式數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，同時可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，滿足數(shù)據(jù)傳輸量大的要求。

2 ?水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

2.1 ?水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊工作流程

2.1.1 ?數(shù)據(jù)傳輸

水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊將陣列數(shù)據(jù)發(fā)送給水上單元，同時接受水上單元的系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)：

（1）陣列數(shù)據(jù)傳輸。水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊按照時序邏輯，在一個數(shù)據(jù)讀取周期內(nèi)，將128列陣元數(shù)據(jù)按照定義進(jìn)行緩存，以先進(jìn)先出的方式傳輸至異步傳輸電路，將并口數(shù)據(jù)變換為串行數(shù)據(jù)，再由光纖發(fā)送器傳輸至水上單元。

（2）系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)傳輸。水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送的指令信號，經(jīng)光纖接收器接收，再由異步傳輸電路發(fā)送至RS422電路，水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊再以RS422格式將其發(fā)往其他模塊。

2.1.2 ?生成自檢信號

當(dāng)系統(tǒng)工作在在線信號自檢模式時，接口模塊發(fā)送80 kHz信號源的使能信號80KHZEN給傳輸模塊，自檢電路上搭載的80 kHz信號源將產(chǎn)生兩路互為反相（180度）的80 kHz方波信號，發(fā)送給信號調(diào)理模塊用于信號通路自檢測試。

水下單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如表示羅經(jīng)、傾角、漏水檢測、電源故障等的數(shù)據(jù)，經(jīng)由異步傳輸電路進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，再由光纖發(fā)送模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由海纜將數(shù)據(jù)傳輸至水上單元。水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊工作流程圖如圖2所示。

2.2 ?水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計

2.2.1 ?光纖通信發(fā)送器

光纖通信發(fā)送器的功能是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，利用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)率為：

128通道×（72 k/s）×9 bit=82.944 Mbits/s

對水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊按照100 Mbits/s進(jìn)行設(shè)計，選用最高速率可達(dá)125 Mbit/s的收發(fā)器件，所形成鏈路的典型功率裕度為20.9 dB。發(fā)射器由長波高速LED和集成電路組成，采用正電源供電（VCC=4.5 V至5.5 V）。發(fā)送器屬于敏感或高速電子器件，為保證光纖數(shù)據(jù)鏈路獲得最佳性能，在模塊硬件電路設(shè)計時，使用電源濾波模塊進(jìn)行濾波處理，避免引入電噪聲。并對輸入阻抗進(jìn)行匹配設(shè)計，最大限度地減少反射帶來的傳輸損耗，以保證模塊的傳輸性能。

2.2.2 ?光纖通信接收器

光纖通信接收器配有PIN光電探測器，電源輸入配置范圍為VCC=4.5 V至5.5 V。光纖通信接收器外殼采用導(dǎo)電塑料材質(zhì)并與設(shè)備地連通，可極大地降低數(shù)據(jù)鏈路對EMI和RFI輻射場的敏感性，從而保證極佳的傳輸性能。

2.2.3 ?系統(tǒng)控制電路

數(shù)據(jù)傳輸模塊同時生成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)讀取的時間控制信號與陣列選擇信號，這些信號分為A、B兩組，分別對應(yīng)奇數(shù)號陣列和偶數(shù)號陣列。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)送/接收控制信號、發(fā)送完成信號生成AD模塊所需的時統(tǒng)和控制信號。系統(tǒng)控制電路根據(jù)自檢指令生成自檢信號，用于自檢電路的控制。

3 ?水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

3.1 ?數(shù)據(jù)接收

由光纖建立全雙工通信連接，該模塊中的光纖接收器完成光電轉(zhuǎn)換，將水下單元發(fā)送的串行通信數(shù)據(jù)解碼分發(fā)，數(shù)據(jù)為9比特/字節(jié)。其中，1比特為串行通信數(shù)據(jù)，包含了儲能電壓、水下單元姿態(tài)、漏水報警等信息，另外8比特為陣列數(shù)據(jù)。

3.2 ?通信狀態(tài)監(jiān)測

水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊通過通信狀態(tài)監(jiān)測電路對光纖的通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，通信狀態(tài)監(jiān)測電路使用指示燈表示通信連接、通信速率的狀態(tài)，當(dāng)通信中斷時產(chǎn)成“Link Err*”信號發(fā)送給控制器模塊。

3.3 ?數(shù)據(jù)分發(fā)

由異步傳輸電路將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為9比特并行數(shù)據(jù)，其中D0至D7位為陣列數(shù)據(jù)，分發(fā)給陣列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化電路中的乘法累加器進(jìn)行降采樣處理;D8位分發(fā)給RS422電路，再以RS422格式傳輸至水上單元的控制器模塊。

3.4 ?數(shù)據(jù)發(fā)送

RS422電路將發(fā)射接收參數(shù)、模式選擇等信息，通過異步傳輸電路轉(zhuǎn)變?yōu)? bit的串行數(shù)據(jù)（其中1位有效），由光纖發(fā)送器傳送到水下單元的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

3.5 ?陣列數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化

通過乘法累加器將72 kHz采樣數(shù)據(jù)降為36 kHz采樣數(shù)據(jù)，生成同相分量與正交分量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)再經(jīng)過6點(diǎn)的時間平均與低通濾波后，送入FIFO內(nèi)存，最后以128點(diǎn)同相分量結(jié)合128點(diǎn)正交分量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)往水上單元中的波束形成模塊。

綜合上述方案，水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊功能框圖如圖3所示。

4 ?實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 ?產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計是基于AT&T Microelectronics公司的ODL125系列光纖通信收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的，通過2路光纖通道建立全雙工通信。該光纖通信收發(fā)器符合FDDI標(biāo)準(zhǔn)，具有小尺寸、高可靠性和低功耗等特性，同時能夠有效地抑制由EMI/RFI輻射場、串?dāng)_和接地回路造成的干擾。

根據(jù)光纖通信收發(fā)器，系統(tǒng)光纖最終選擇為ST接口的多模光纖（光纖50/125）。

在設(shè)計聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件電路時，為了降低電路的對外輻以及提高其抗干擾能力，采用了設(shè)計仿真與實(shí)測相結(jié)合的方式，多次驗(yàn)證了硬件電路的可靠性。聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件電路實(shí)物圖如圖4所示。

4.2 ?實(shí)測情況

4.2.1 ?光功率測量

使用光功率計對水上、水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行測量，對模塊的性能、光纖傳輸質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證。為滿足長距離傳輸?shù)脑O(shè)計要求，在測量光功率時，通過5 km的多模光纖將各模塊與光功率計進(jìn)行連接。通過測量，水上、水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊功率在-23 dBm～-25 dBm之間，完全滿足聲納系統(tǒng)的要求。

4.2.2 ?通信速率測量

為滿足聲納數(shù)據(jù)傳輸量大以及傳輸速率高的傳輸要求，需對水上、水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行傳輸速率的測量。聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸速率測試情況如圖5所示。

通過對傳輸速率的測試，測試軟件界面顯示數(shù)據(jù)接收速率為125 Mbps，滿足100 Mbps的使用要求。

5 ?結(jié) ?論

經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)演練和技術(shù)改進(jìn)，基于光纖鏈路的聲納數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)克服了當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)量大或者通信距離較遠(yuǎn)時整個聲納系統(tǒng)穩(wěn)定性不足的缺陷，整體系統(tǒng)設(shè)計簡單易實(shí)現(xiàn)，通過在水下單元數(shù)據(jù)傳輸模塊和水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊中均設(shè)置光纖通信電路，同時擁有兩對光纖通信發(fā)送器以及接收器實(shí)現(xiàn)水下單元與水上單元的雙工數(shù)據(jù)通信，以此提高數(shù)據(jù)通信傳輸效率，另外水下單元和水上單元數(shù)據(jù)傳輸模塊都設(shè)置了RS422電路，能夠有效提高傳輸速率，并提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，并且還分別設(shè)置了自檢電路和通信狀態(tài)監(jiān)測電路，能夠分別實(shí)現(xiàn)水下單元和水上單元電路的自檢以及通信狀態(tài)的檢測，從而提高工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] WAITE A D.實(shí)用聲納工程 [M].王德石，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 田坦，劉國枝，孫大軍.聲吶技術(shù) [M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.

[3] 蔣立軍，楊娟，許楓.蛙人探測聲納技術(shù)研究進(jìn)展 [J].科學(xué)通報，2009，54（3）：269-272.

[4] 于秀蘭，范馨月.通信原理：第3版 [M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5] 趙文虎，王志功，吳微，等.基于光纖通信可編程復(fù)接集成電路研究 [J].電子學(xué)報，2003（8）：1197-1200.

[6] 邊曉峰.淺談光纖光纜和通信電纜的技術(shù)特點(diǎn) [J].科技創(chuàng)業(yè)家，2011（5）：4.

[7] 郭從良.現(xiàn)代信號數(shù)據(jù)獲取與信息處理系統(tǒng) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

作者簡介：丁云飛（2000.09—），男，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。