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(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引 言

隨著水聲技術的發(fā)展，聲學手段成為海洋聲場監(jiān)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(fā)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(huán)境中自動、長期、連續(xù)收集海洋環(huán)境資料，即使在惡劣環(huán)境，在其他現(xiàn)場監(jiān)測手段都無法實施監(jiān)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(xù)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(fā)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(jiān)測浮標系統(tǒng)的研究刻不容緩。本文設計并實現(xiàn)一種體積小、簡單便攜、功耗低、成本低的多模式水聲監(jiān)測浮標，高效監(jiān)測、分析、研究水下背景噪聲場，并根據(jù)海洋水聲場監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wěn)定性和高效性。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

本文設計的水聲浮標測量系統(tǒng)主要具有3個功能。

1）多節(jié)點多通道

水聲浮標測量系統(tǒng)包括多個浮標，在信號采集過程中，每個浮標是一個采集節(jié)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(jù)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(fā)方式，可根據(jù)情況應用于不同實驗中。本系統(tǒng)設置多種觸發(fā)方式：

① 通道觸發(fā)。設置其中一路信號為觸發(fā)通道，當觸發(fā)通道的電平達到預先設定的觸發(fā)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(fā)。即軟件觸發(fā)，按下按鈕時各通道開始同步采集數(shù)據(jù)，這種采集方式多用于被動聲吶。

③ GPS觸發(fā)。由于多個浮標之間距離較遠，通過線路連接無法實現(xiàn)精確同步，本系統(tǒng)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(tǒng)在岸基和各個浮標之間建立無線網(wǎng)絡方便數(shù)據(jù)傳輸，不再需要回收浮標獲取數(shù)據(jù)，可以在最短的時間內(nèi)分析數(shù)據(jù)，調(diào)整測量方案，并且可以及時清理浮標的存儲空間，避免內(nèi)存溢出。

1.2 系統(tǒng)構成及工作原理

水聲浮標測量系統(tǒng)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(xiàn)多節(jié)點、多通道數(shù)據(jù)同步采集、實時分析以及遠程傳輸。

圖1 水聲浮標測量系統(tǒng)Fig.1 System structure

水聲浮標測量系統(tǒng)結構組成如圖2所示，主要由浮標子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的模塊設計如圖3所示，水聽器采集的數(shù)據(jù)通過阻抗轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊后被存儲在控制器中，GPS模塊為系統(tǒng)提供準確的時間和地理位置，系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)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(tǒng)，實現(xiàn)采集記錄數(shù)據(jù)、接收GPS信號、數(shù)據(jù)存儲等功能，遠程控制程序運行于用戶PC，用戶通過無線網(wǎng)絡向下位機發(fā)送指令、設置參數(shù)等，相反浮標子系統(tǒng)向用戶傳輸系統(tǒng)工作的實時狀態(tài)，傳輸實時數(shù)據(jù)。

圖2 水聲浮標測量系統(tǒng)系統(tǒng)構成Fig.2 Diagram of underwater acoustic buoy monitoring system

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

圖4 系統(tǒng)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(tǒng)的主要技術參數(shù)如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

浮標電子艙由控制器、阻抗轉(zhuǎn)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(nèi)的控制器用于數(shù)據(jù)從下位機到上位機長時間數(shù)據(jù)匯總，進行數(shù)據(jù)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(diào)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(wǎng)橋連接在控制器的網(wǎng)口端用于和上位機通信。

表1 水聲浮標測量系統(tǒng)主要性能參數(shù)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(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)控制軟件基于Labview[14]圖形開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(tǒng)配置、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)下載，并通過界面實時顯示測量數(shù)據(jù)。下位機程序分為實時控制程序和FPGA數(shù)據(jù)采集程序。FPGA程序驅(qū)動阻抗模塊、數(shù)據(jù)采集板卡和GPS板卡分別實現(xiàn)傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡之間的阻抗匹配、數(shù)據(jù)采集記錄和時間對標。實時控制程序模塊完成系統(tǒng)自檢、通訊對標、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)設置包括網(wǎng)絡連接、工作模式設置、采集設置、FFT設置、數(shù)據(jù)下載以及GPS信息。

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

4 系統(tǒng)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(fā)生器發(fā)生的信號通過功率放大進行放大，再通過發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化為聲波發(fā)射，使用頻率為1 kHz的發(fā)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(wǎng)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(fā)射換能器發(fā)射表2所示參數(shù)的信號，采樣率、采集方式、采集時間長度等參數(shù)設置如表3所示。

表2 發(fā)射信號參數(shù)Tab.2 Parameters of emission signals

表3 信號采集參數(shù)設置Tab.3 Signal recording parameters

4.3 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

實驗數(shù)據(jù)如圖10所示，可以辨別聲波第1次到達水聽器、聲波經(jīng)過水面反射和聲波經(jīng)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(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理流程Fig.11 Data processing procedure

根據(jù)各個浮標直達波的到達角度可以得到聲源的深度，根據(jù)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(tǒng)性能、工作方式、工作原理、數(shù)據(jù)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(tǒng)，并以實驗表明測量系統(tǒng)的可行性，相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄儀，該測量系統(tǒng)具有小巧便攜、遠程實時傳輸數(shù)據(jù)、易于開發(fā)新功能等優(yōu)點，但由于還未廣泛參與實驗，部分細節(jié)將在實際實驗中不斷改善改進，使得該系統(tǒng)可以被普遍地使用。

圖12 浮標波束形成Fig.12 Beamforming