王科明 韋俊霞

（第七一五研究所，杭州，310023）

海洋環(huán)境噪聲也被稱(chēng)為自然噪聲，是除去海洋中單個(gè)可辨別的噪聲源后剩下的噪聲背景，是水聲信道中的一種干擾背景場(chǎng)，它的存在降低了聲吶設(shè)備的檢測(cè)能力[1]。浮標(biāo)是獲取海洋環(huán)境噪聲信息的重要技術(shù)裝備，同時(shí)在浮標(biāo)平臺(tái)上能夠攜帶或搭載多種傳感器模塊和水下探測(cè)設(shè)備，長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)、多深度地測(cè)量各個(gè)參數(shù)，因此，浮標(biāo)在海洋科考的多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。目前，國(guó)內(nèi)外浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)在各自測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄儀模塊中，人們想要獲取這些資料，需讀取回收后浮標(biāo)平臺(tái)上各個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)，因此該系統(tǒng)最大的缺陷是各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)不同步。分別讀取傳感器的各個(gè)存儲(chǔ)模塊，在水下工作過(guò)程中無(wú)法回傳特征參數(shù)，給海洋科考造成了比較大的困難和不便。針對(duì)該種情況，本文設(shè)計(jì)了同步采集傳輸噪聲測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)，固定海域長(zhǎng)時(shí)間采集海洋環(huán)境噪聲、溫度和深度信息，并實(shí)時(shí)傳輸。該設(shè)備采用四路水聽(tīng)器采集海洋環(huán)境噪聲信息，兩元溫深傳感器采集海面以下不同深度的溫度信息，采集的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)于浮標(biāo)電子艙中，并提取海洋環(huán)境的特征參數(shù)通過(guò)北斗通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳至船基顯控單元。

1 背景噪聲功率譜估計(jì)

在噪聲的研究中，除了概率密度函數(shù)、數(shù)學(xué)期望和方差等參數(shù)外，噪聲的相關(guān)函數(shù)或者功率譜，也是表征噪聲統(tǒng)計(jì)特性的重要統(tǒng)計(jì)量。由隨機(jī)過(guò)程理論可知，噪聲自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)互為傅里葉變換。隨機(jī)量p(t)的自相關(guān)函數(shù)被定義為[3]：

相應(yīng)地，功率譜密度函數(shù)就是

式中，p(t)為環(huán)境噪聲時(shí)域信號(hào)，R(τ)為噪聲自相關(guān)函數(shù)，S(ω)為功率譜密度。

功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它定義為單位頻帶內(nèi)的信號(hào)功率，表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域內(nèi)的分布狀況。

2 噪聲測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了研究淺海海域中低頻海洋環(huán)境噪聲，我們?cè)O(shè)計(jì)了海洋噪聲測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)，在測(cè)量海洋噪聲的同時(shí)，同步采集海域中各個(gè)水深狀態(tài)下的海水溫度，記錄各個(gè)測(cè)量噪聲水聽(tīng)器的水深信息。海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)、海水溫度數(shù)據(jù)以及垂直陣段水深數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在浮標(biāo)電子艙中的存儲(chǔ)模塊中，并且垂直陣段中均勻分布的四個(gè)水聽(tīng)器的特征參數(shù)通過(guò)北斗通信系統(tǒng)傳回岸基顯控單元，方便試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)了解布放在預(yù)定海域中的浮標(biāo)工作情況和當(dāng)前海域中的環(huán)境變化情況。為了避免垂直陣在測(cè)量海洋環(huán)境噪聲時(shí)海面波浪沖擊浮標(biāo)體引起垂直陣中低頻信號(hào)幅度過(guò)大而輸出信號(hào)限幅，在浮標(biāo)體和垂直陣之間加裝減隔振段，減少海面的外界干擾對(duì)水下設(shè)備的干擾。噪聲測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)由船基顯控單元、浮標(biāo)和垂直陣組成，見(jiàn)圖1所示。

圖1 漂浮布放浮標(biāo)系統(tǒng)海上工作示意圖

船基顯控單元包括北斗通信模塊固定站和浮標(biāo)顯示與控制終端，浮標(biāo)中包括北斗通信模塊移動(dòng)站、電源管理模塊、橋接模塊、原子鐘模塊和存儲(chǔ)模塊，垂直陣包括水聽(tīng)器及前放模塊、水聽(tīng)器數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、溫深傳感器和數(shù)據(jù)采集傳輸模塊。見(jiàn)圖2所示。

圖2 噪聲測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)框圖

2.1 水下垂直陣設(shè)計(jì)

垂直陣內(nèi)由四路接收水聽(tīng)器、兩路溫度傳感器、兩路深度傳感器以及采集傳輸模塊組成。水聽(tīng)器接收到的海洋環(huán)境噪聲通過(guò)低噪聲前置放大電路進(jìn)行放大，以差分信號(hào)的形式傳遞給水聽(tīng)器采集傳輸節(jié)點(diǎn)。傳輸節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自電子艙的采集同步時(shí)鐘信號(hào)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)以24位精度40 kHz的采樣率對(duì)四路水聽(tīng)器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。垂直陣中所有的采集傳輸節(jié)點(diǎn)均采用相同的同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，陣內(nèi)部的 32路水聽(tīng)器信號(hào)都是同步采集并實(shí)時(shí)傳輸給電子艙進(jìn)行存儲(chǔ)。水下垂直陣中水聽(tīng)器信號(hào)同步采集傳輸通道結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

四路水聽(tīng)器數(shù)據(jù)在垂直陣中進(jìn)行過(guò)低噪聲前置放大和數(shù)字化處理，數(shù)字信號(hào)傳輸避免了長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中被外界信號(hào)干擾，并且使用低功耗數(shù)字信號(hào)中繼模塊，理論上可以將水聽(tīng)器信號(hào)傳輸無(wú)限遠(yuǎn)，實(shí)際工作中受到供電原因和實(shí)際需求等因素的影響，最末端水聽(tīng)器遠(yuǎn)離浮標(biāo)電子艙距離不小于300 m。

圖3 水聽(tīng)器信號(hào)采集傳輸結(jié)構(gòu)框圖

2.2 浮標(biāo)電子艙設(shè)計(jì)

浮標(biāo)電子艙內(nèi)部框圖見(jiàn)圖 4，主要包括電池組和電子功能模塊兩部分。電池組采用一號(hào)干電池通過(guò)串并聯(lián)組合成輸出電壓36 V的電池組，提供噪聲測(cè)量浮標(biāo)連續(xù)工作不小于120 h的電量。電池組給兩套電源模塊供電：常開(kāi)電源和程控電源。常開(kāi)電源模塊輸出提供系統(tǒng)值班控制電路和原子鐘模塊供電；程控電源采用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)的電源管理，降低整機(jī)功耗，提高系統(tǒng)整體對(duì)電池組電量的合理利用，延長(zhǎng)系統(tǒng)的整機(jī)工作時(shí)間。值班控制電路在浮標(biāo)系統(tǒng)整個(gè)工作周期都處于工作狀態(tài)，原子鐘模塊在浮標(biāo)系統(tǒng)下水前將與GPS系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)時(shí)，一旦模塊內(nèi)部的自守時(shí)時(shí)間和GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)完畢，模塊將依靠?jī)?nèi)部的原子鐘補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行自守時(shí)，時(shí)間的保持能力小于1 ms（24 h連續(xù)測(cè)試，常溫條件）。自守時(shí)時(shí)鐘相關(guān)內(nèi)容參考文獻(xiàn)[4]。

圖4 浮標(biāo)電子艙內(nèi)部框圖

3 海試數(shù)據(jù)分析

2016年底，在南海某海域?qū)Ω?biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了背景噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉測(cè)量船上的所有發(fā)動(dòng)機(jī)，降低測(cè)量船本身對(duì)海洋環(huán)境背景噪聲的影響，時(shí)間30 min。完成試驗(yàn)后，對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行回收，并通過(guò)專(zhuān)用調(diào)試電纜將浮標(biāo)電子艙中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。按照試驗(yàn)階段記錄的時(shí)間點(diǎn)，將采集的背景噪聲原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取垂直陣中間陣段，水聽(tīng)器序號(hào)為：13～16。四個(gè)水聽(tīng)器在海面以下水深100~150 m均勻分布，時(shí)間上選取浮標(biāo)測(cè)量海洋環(huán)境背景噪聲時(shí)段的數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜計(jì)算處理，其功率譜圖如圖5所示。在幾個(gè)特征點(diǎn)（500 Hz，1 kHz，2 kHz，4 kHz，8 kHz），譜級(jí)數(shù)據(jù)與參考文獻(xiàn)[5]中海面風(fēng)速3.0 m/s、海面以下61 m處的海洋背景噪聲級(jí)進(jìn)行比對(duì)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表 1，基本與歷史數(shù)據(jù)相吻合。

圖5 垂直陣中間陣段四路海洋環(huán)境背景噪聲信號(hào)功率譜圖

表1 垂直陣測(cè)得環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)與歷史文件數(shù)據(jù)對(duì)比

低頻段(低于200 Hz)海洋環(huán)境背景噪聲功率譜相差較大，并且隨著水聽(tīng)器深度變淺，噪聲譜級(jí)增加，結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中的海況條件，冬季風(fēng)時(shí)期南海冷涌強(qiáng)烈，浮標(biāo)標(biāo)體與垂直陣段之間減振效果有限，低頻噪聲對(duì)海域表層的影響會(huì)更加明顯，四路水聽(tīng)器接收噪聲譜級(jí)靠近標(biāo)體的水聽(tīng)器譜級(jí)較高，遠(yuǎn)離標(biāo)體的譜級(jí)較低。在海洋背景噪聲測(cè)量過(guò)程中，海面波浪對(duì)標(biāo)體的沖擊，對(duì)垂直陣低頻影響較大，需要對(duì)連接處進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)減隔振的隔振效果。

水下垂直陣中2路溫度傳感器和2路深度傳感器數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示，海水溫度隨水深增加而變低，數(shù)據(jù)采集正常。垂直陣在布放過(guò)程中，同時(shí)使用光纖拋棄式測(cè)溫探頭對(duì)布放海域進(jìn)行溫深數(shù)據(jù)的測(cè)量，連續(xù)測(cè)量4次數(shù)據(jù)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)得結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明垂直陣測(cè)得的溫深數(shù)據(jù)與隨船XBT設(shè)備測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

表2 數(shù)據(jù)比對(duì)

圖6 垂直陣中四路溫度傳感器、兩路深度傳感器數(shù)據(jù)

圖7 試驗(yàn)船隨船XBT測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)海洋環(huán)境噪聲測(cè)量浮標(biāo)系統(tǒng)的總體框架進(jìn)行介紹和原理分析，重點(diǎn)介紹了浮標(biāo)系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)，并使用該套浮標(biāo)系統(tǒng)在南海海域進(jìn)行了海上驗(yàn)證試驗(yàn)。采用浮標(biāo)的布放方式，垂直陣中水聽(tīng)器信號(hào)同步采樣傳輸技術(shù)保證了噪聲信號(hào)無(wú)失真地長(zhǎng)距離傳輸；浮標(biāo)電子艙中采用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)有效降低系統(tǒng)整機(jī)功耗，全功能系統(tǒng)工作功耗低于29 W，延長(zhǎng)了系統(tǒng)在海上的工作時(shí)間；垂直陣中的數(shù)據(jù)傳輸至浮標(biāo)電子艙集中存儲(chǔ)，方便使用過(guò)程中數(shù)據(jù)的收集和后處理。整套浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)在海上布放過(guò)程中還存在不足：浮標(biāo)標(biāo)體與垂直陣之間需改進(jìn)減隔振的設(shè)計(jì)，降低海面浮標(biāo)對(duì)水下水聽(tīng)器的影響；布放回收過(guò)程復(fù)雜。后期仍然需要在海上試驗(yàn)過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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