便攜型多模式水聲浮標監測系統

郭楊陽，王 博

(1.中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082；2.上海交通大學 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

0 引 言

隨著水聲技術的發展，聲學手段成為海洋聲場監測和目標識別的主要方式，在海洋斗爭和海洋安全維護中扮演重要的角色。聲吶探測分為被動探測和主動探測2種方式，準確獲知海洋背景噪聲、艦船噪聲[1]和目標回波是聲吶正常工作的前提。近年來，海洋浮標[1-5]日漸受到關注和重視，不僅對通用浮標的各方面性能進行研究，也研發了很多領域的海洋專用浮標[5-10]。

相比艦/船載水聲測量設備，水聲浮標[10-12]遠離母船自噪聲，可以在無人值守的海洋環境中自動、長期、連續收集海洋環境資料，即使在惡劣環境，在其他現場監測手段都無法實施監測的時候，水聲浮標依然能夠有效工作，成為主要水聲測量設備之一。目前，水聲浮標已得到擁有海洋領域國家的高度重視，將在未來海洋軍事斗爭和海洋防御中扮演重要角色。

目前已有的水聲浮標以被動浮標為主[5]，體積大、功耗高、價格昂貴等缺點導致浮標布放困難、單次持續工作時間較短、造價高，單一測量模式也大大限制了水聲浮標的應用和發展。為了更加精確地測量海洋背景噪聲、艦船噪聲和目標回波，開展水聲浮標監測浮標系統的研究刻不容緩。本文設計并實現一種體積小、簡單便攜、功耗低、成本低的多模式水聲監測浮標，高效監測、分析、研究水下背景噪聲場，并根據海洋水聲場監測數據進行海洋目標識別和探測，使水聲浮標具有更高的便攜性、合理性、穩定性和高效性。

1 系統總體設計

1.1 系統功能設計

本文設計的水聲浮標測量系統主要具有3個功能。

1）多節點多通道

水聲浮標測量系統包括多個浮標，在信號采集過程中，每個浮標是一個采集節點；每個浮標可以采集多路信號，每路信號稱為一個通道。這樣的設計是為了在使用的過程中可以根據具體需求形成二維陣列，用于主動聲吶可以有效地抑制混響，提高信噪比。

2）多模式

多模式是指具有多種觸發方式，可根據情況應用于不同實驗中。本系統設置多種觸發方式：

① 通道觸發。設置其中一路信號為觸發通道，當觸發通道的電平達到預先設定的觸發電平時，所有浮標的通道開始同步采集信號，該同步精度達到1 ms。

② 手動觸發。即軟件觸發，按下按鈕時各通道開始同步采集數據，這種采集方式多用于被動聲吶。

③ GPS觸發。由于多個浮標之間距離較遠，通過線路連接無法實現精確同步，本系統設計通過GPS進行時間同步，設定開始采集時刻，到達該時刻各個浮標同時開始采集信號。

3）無線通信

本系統在岸基和各個浮標之間建立無線網絡方便數據傳輸，不再需要回收浮標獲取數據，可以在最短的時間內分析數據，調整測量方案，并且可以及時清理浮標的存儲空間，避免內存溢出。

1.2 系統構成及工作原理

水聲浮標測量系統由多個可擴展的浮標和控制軟件組成（見圖1）。用戶通過遠程控制可以實現多節點、多通道數據同步采集、實時分析以及遠程傳輸。

圖1 水聲浮標測量系統Fig.1 System structure

水聲浮標測量系統結構組成如圖2所示，主要由浮標子系統和控制軟件組成。其中軟件包括嵌入式控制軟件和遠程控制軟件，分別運行于浮標和用戶PC上；浮標子系統由浮標體、控制器模塊、信號采集模塊、GPS模塊、無線通信模塊、供電模塊和傳感器模塊組成。

浮標子系統的模塊設計如圖3所示，水聽器采集的數據通過阻抗轉換模塊、信號采集模塊后被存儲在控制器中，GPS模塊為系統提供準確的時間和地理位置，系統通過無線網絡上傳數據文件。系統軟件結構設計如圖4所示，嵌入式控制軟件運行于浮標子系統，實現采集記錄數據、接收GPS信號、數據存儲等功能，遠程控制程序運行于用戶PC，用戶通過無線網絡向下位機發送指令、設置參數等，相反浮標子系統向用戶傳輸系統工作的實時狀態，傳輸實時數據。

圖2 水聲浮標測量系統系統構成Fig.2 Diagram of underwater acoustic buoy monitoring system

圖3 浮標子系統模塊設計Fig.3 The structure of portable underwater acoustic buoy monitoring system

圖4 系統控制軟件結構Fig.4 Schematic diagram of control software

本文設計的水聲浮標測量系統的主要技術參數如表1所示。

2 系統硬件設計

浮標電子艙由控制器、阻抗轉換模塊、信號采集模塊、GPS模塊、水聽器和蓄電池組成，圖5為電子艙集成固定后的實物圖，電子艙內的控制器用于數據從下位機到上位機長時間數據匯總，進行數據的預處理、分析和存儲。阻抗匹配模塊、信號采集模塊和GPS模塊安裝在控制器中，如圖6所示。信號采集模塊輸入端連接水聽器接收電信號，輸出端連接至阻抗匹配板卡的輸入端進行信號調理，GPS板卡連接GPS天線接收標準時間和位置信息，Wifi天線和網橋連接在控制器的網口端用于和上位機通信。

表1 水聲浮標測量系統主要性能參數Tab.1 Technical parameters of portable acoustic buoy monitoring system

圖5 浮標電子艙實物Fig.5 Picture of electronic cabin

圖6 浮標實體Fig.6 Picture of the buoy

浮標實體，標體材料為不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械特性，標體設計為220 mm×350 mm的圓柱殼，壁厚10 mm，上蓋板可拆卸，并固定有GPS天線、Wifi天線和源開關，底板連接4個水聽器。為了增高重心位置，降低浮標橫向搖擺固有頻率[13]，在浮底部安裝浮標腿，

3 系統軟件設計

系統控制軟件基于Labview[14]圖形開發環境，實現對數據的在線采集和分析。包括上位機遠程控制軟件和下位機嵌入式軟件，如圖7所示。上位機控制程序通過TCP/IP技術完成系統配置、參數配置、數據下載，并通過界面實時顯示測量數據。下位機程序分為實時控制程序和FPGA數據采集程序。FPGA程序驅動阻抗模塊、數據采集板卡和GPS板卡分別實現傳感器和數據采集板卡之間的阻抗匹配、數據采集記錄和時間對標。實時控制程序模塊完成系統自檢、通訊對標、數據緩存和數據傳輸。

圖7 軟件結構示意圖Fig.7 Structure of system software

圖8為上位機控制程序界面，界面由系統設置、浮標位置分布圖、實時波形圖、頻譜和指示燈等部分組成，其中系統設置包括網絡連接、工作模式設置、采集設置、FFT設置、數據下載以及GPS信息。

圖8 上位機界面Fig.8 The interface of software

4 系統測試

4.1 實驗儀器布放

水下目標被動定位實驗是通過在不同的位置布置水聽器，將各個位置接收到的水下聲信號做波束形成信號處理，從而確定聲源位置。一般用二維水聽器陣列確定聲源的三維位置，在此實驗中每個浮標連接4個水聽器組成1個垂直水聽器陣，垂直水聽器陣確定聲源的深度；布放多個浮標，各個浮標相同深度的水聽器組成水平水聽器陣，水平水聽器陣確定聲源在水平方向具體位置。

水下目標被動定位的實驗儀器布放如圖9所示，信號發生器發生的信號通過功率放大進行放大，再通過發射換能器轉化為聲波發射，使用頻率為1 kHz的發射換能器，布放深度為水下8 m，每個浮標的布放位置和多基地目標回波測量實驗中的位置相同，每個浮標底部安裝4個水聽器，4個水聽器共線，和水面距離分別為7 m，7.5 m，8 m和8.5 m。4個浮標和岸基的服務器通過無線網絡通信。

圖9 水中目標被動定位實驗儀器布放圖Fig.9 Instrument layout of underwater target positioning

4.2 實驗方案及測量

用頻率為1 kHz的發射換能器發射表2所示參數的信號，采樣率、采集方式、采集時間長度等參數設置如表3所示。

表2 發射信號參數Tab.2 Parameters of emission signals

表3 信號采集參數設置Tab.3 Signal recording parameters

4.3 實驗數據處理及分析

實驗數據如圖10所示，可以辨別聲波第1次到達水聽器、聲波經過水面反射和聲波經過水底反射的波形。其中4號、3號、2號、1號水聽器分別位于距離水面7 m，7.5 m，8 m以及8.5 m的位置，各個水聽器的波到達時間稍有不同。根據波束形成的理論[15]，將第2、第3和第4水聽器分別按相應的時延對齊，對齊后的4個水聽器信號相加，計算每個角度所對應的能量輸出。

實驗數據處理具體流程如圖11所示。通過以上實驗處理過程，得到各個浮標的角度-距離譜如圖12所示。從圖中可以清楚地看到直達波、水面反射波以及水底反射波達到水聽器時走過的路程長度。

圖10 水聽器接收到的信號Fig.10 Hydrophone received signal

圖11 數據處理流程Fig.11 Data processing procedure

根據各個浮標直達波的到達角度可以得到聲源的深度，根據水面反射波和水底反射波的到達角度和聲波傳播路程可以計算得到聲源和各個浮標的水平投影距離，從而得到聲源的大概位置，計算所得的位置和聲源所處的位置基本吻合。

5 結 語

本文從系統性能、工作方式、工作原理、數據儲存方式等方面介紹了基于CRIO平臺的水中目標聲特性測量系統，并以實驗表明測量系統的可行性，相對于傳統的數據記錄儀，該測量系統具有小巧便攜、遠程實時傳輸數據、易于開發新功能等優點，但由于還未廣泛參與實驗，部分細節將在實際實驗中不斷改善改進，使得該系統可以被普遍地使用。

圖12 浮標波束形成Fig.12 Beamforming