王麟煜，黃海寧，鄭恩明，陳新華

海洋資料浮標聲學特征采集系統(tǒng)設(shè)計

王麟煜1,2，黃海寧1，鄭恩明1，陳新華1

(1. 中國科學院聲學研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049)

為利用我國現(xiàn)有的10 m大型資源浮標，實現(xiàn)對海上侵權(quán)船只進行探測和識別，介紹了一種加裝在浮標上的聲學特征采集系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)設(shè)計包括聲學基陣設(shè)計，信號采集處理機設(shè)計，目標探測與方位估計算法和聲學基陣方位補償方法等。2014年6月進行了一次湖上試驗，試驗結(jié)果表明：聲學特征采集系統(tǒng)的硬件可靠，目標探測、方位估計和方位補償算法有效。該系統(tǒng)已在我國特定敏感區(qū)域開展的維權(quán)執(zhí)法目標探測識別與信息傳輸技術(shù)的信息綜合監(jiān)視中示范應(yīng)用。

海洋資源浮標；聲學特征采集；最小方差無畸變響應(yīng)；方位補償

0 引言

針對我國特定海域中國海監(jiān)定期維權(quán)巡航執(zhí)法中存在的對侵權(quán)目標缺乏全天候及時、準確監(jiān)測技術(shù)手段的現(xiàn)狀，“海洋維權(quán)執(zhí)法目標探測識別與信息傳輸技術(shù)應(yīng)用研究”項目利用我國現(xiàn)有的10 m海洋資料大浮標，安裝聲學特征采集系統(tǒng)和高清晰度圖像采集系統(tǒng)，定點獲取關(guān)鍵海域艦船信息；同時通過基于浮標衛(wèi)星和飛機衛(wèi)星的高速數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)；將數(shù)據(jù)信息傳到地面監(jiān)測中心，結(jié)合目標特征數(shù)據(jù)庫，對侵權(quán)目標的特征識別和判斷，實現(xiàn)遠程監(jiān)測[1-2]。

聲學特征采集系統(tǒng)作為項目的一部分，以海洋資料浮標為平臺，安裝聲學基陣和信號采集處理機等，實現(xiàn)對浮標周邊海域的船舶聲學特征的采集，確定目標方位。由于海洋資料浮標受海洋環(huán)境的影響大，浮標在海洋中不停擺動，同時自身噪聲大。聲學特征采集系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮上述因素，通過聲學基陣設(shè)計和方位補償算法，有效減少了浮標擺動和噪聲對聲學特征采集系統(tǒng)的影響。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于浮標的聲學特征采集系統(tǒng)包括聲學基陣和信號采集處理機兩大部分。系統(tǒng)組成如圖1所示。

聲學基陣由16個水聽器、1個電子羅盤和1個深度傳感器等組成。16個水聽器均勻布放在一個圓周上，采集艦船的輻射噪聲；采集的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理模塊的放大、濾波后，在信號采集處理機的AD(Analog to Digital)板進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)DSP(Digital Signal Processor)板數(shù)據(jù)處理，確定目標方位，之后經(jīng)主控板將處理結(jié)果傳到浮標控制中心。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2 聲學基陣設(shè)計

聲學基陣設(shè)計主要考慮三個方面的影響：(1) 安裝聲學基陣不能對海洋資料浮標的安全使用造成影響，要求聲學基陣最大尺寸不得超過10 m，重量不大于總重量的10%；(2) 聲學基陣對艦船探測距離不小于8 km；(3) 減小浮標的振動和噪聲對聲學基陣采集的影響。水面艦船的輻射噪聲譜級主要在1 kHz以下，1 kHz以上噪聲譜級隨著頻率升高以6 dB/oct衰減。聲學基陣的中心工作頻率應(yīng)在1 kHz以下的低頻段。聲學基陣設(shè)計為16個陣元均勻分布的圓形陣，直徑為9 m，聲學基陣的工作頻率小于373 Hz。聲學基陣由8根骨架和8個連接機構(gòu)依次首尾連接而成正八邊形剛性架[3]。每根骨架上安裝兩個水聽器模塊。水聽器模塊包括水聽器、減震座和導(dǎo)流罩。聲學基陣架的實物圖和示意圖如圖2、3所示。

圖2 基陣架實物圖

圖3 基陣架示意圖

聲學基陣通過高強度繩索與浮體柔性連接，聲學基陣懸掛在浮標正下方，距水面8 m處。聲學基陣與浮標間采用懸掛繩索柔性連接并與浮標本體間隔8 m的距離的設(shè)計，可有效地減少浮標振動和噪聲對聲基陣的影響；浮體底部有4個均勻分布在直徑為0.6 m的圓周上的懸掛點，用于安裝連接繩；聲學基陣的連接機構(gòu)上有8個掛點，用于安裝連接繩。中間通過4個導(dǎo)向機構(gòu)連接，導(dǎo)向機構(gòu)將上面(浮體到導(dǎo)向裝置)4根繩索和下面(導(dǎo)向裝置到基陣架)8根繩索連接在一起。導(dǎo)向機構(gòu)如圖4所示。導(dǎo)向機構(gòu)上面連接四根繩，下面連接8根繩的設(shè)計，可以減少纏繞，增加基陣架的穩(wěn)定性。

圖4 導(dǎo)向機構(gòu)示意圖

3 信號采集處理機設(shè)計

信號采集處理機由AD板、DSP板、主控板和值班電路板組成，其中AD板將前置放大器送來的模擬信號進行可變增益放大、濾波并進行數(shù)字化；主控板進行整體管理，實現(xiàn)多線程任務(wù)的調(diào)度、數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，以及進行部分信號處理工作；DSP板主要將數(shù)字化的信號進行實時高速的處理，并將結(jié)果回送到主控板；值班電路主要實現(xiàn)對外部的接口管理，包括深度傳感器、電子羅盤上傳信號的接口管理和浮標主控系統(tǒng)的通信，同時對整個信號采集處理機的進行功耗管理和溫度參數(shù)的監(jiān)視，根據(jù)通訊指令對電路板進行開關(guān)操作，節(jié)省電源。

3.1 AD板電路設(shè)計

模擬信號經(jīng)通路保護器、放大器、可編程增益控制器和AD芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。采用CMOS型通道保護器實現(xiàn)過壓保護。放大器實現(xiàn)一級固定倍數(shù)的放大；可編程增益控制器實現(xiàn)二級-6、0、6、12、24倍的增益可調(diào)放大；用于進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的AD芯片選擇AD公司的ADS1278芯片，能夠完成8個通道的同步采樣，采樣頻率為5 kHz，采樣精度為24 bits；通過板間連接器獲得AD控制信號，將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接送到主控板的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)。AD板電路框圖如圖5所示。

圖5 AD板電路框圖

3.2 DSP板電路設(shè)計

DSP板電路設(shè)計采用低功耗的TMS320C6747浮點DSP處理器主要完成水聲信號處理。TMS320C6747是浮點DSP，具有1800百萬條浮點運行指令的處理能力；提供512 Mb的SDRAM和64GByte的NAND FLASH。通過FPGA提供大容量的NAND FLASH芯片陣列完成數(shù)據(jù)存儲工作。DSP板電路框圖如圖6所示。

3.3 主控板電路設(shè)計

主控板電路設(shè)計基于OMAP-L137雙核低功耗應(yīng)用處理器和AGL600低功耗可編程器件，能夠?qū)崿F(xiàn)水聲信號處理和浮標控制等。板上外設(shè)主要有SDRAM，NANDFLASH，RTC。外部接口主要有兩個USB接口，一個MMC/SD接口以及外部擴展總線。各個外設(shè)和接口的邏輯控制主要由FPGA來實現(xiàn)。主控板電路框圖如圖7所示。

圖6 DSP板電路框圖

圖7 主控板電路框圖

4 目標探測與方位估計

水聽器采集到的聲信號經(jīng)信號采集處理機數(shù)字化后，需進行波束形成及后置處理，實現(xiàn)對特定區(qū)域艦船目標探測及方位估計，其算法流程如圖8所示。水聽器采集的艦船信號經(jīng)有限長單元沖擊響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response, FIR)濾波后，進行波束形成和后置處理，確定目標的初始方位，由于聲學基陣在水下的姿態(tài)不是固定不動的，還需要利用在聲學基陣上安裝的電子羅盤提供的聲學基陣方位信息對目標初始方位進行修正，從而得到目標的真實方位。

4.1 MVDR波束形成

最小方差無畸變響應(yīng)(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)的波束形成方法是一種典型的約束最佳波束形成技術(shù)[4-5]，它可使來自于非期望波達方向的干擾響應(yīng)最小，且能夠保持觀察方向的信號功率不變并起到最佳的信號保護、消除干擾和降低噪聲的作用。

圖8 信號處理流程圖

波束形成是一個多輸入、單輸出系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 波束形成示意圖

MVDF波束形成采用典型的約束最佳波束形成技術(shù)，可表示為

求解式(2)，所得MVDR波束形成的權(quán)向量為

由式(3)可知，MVDR波束形成在觀察方向上的輸出能量為

由式(2)可知，約束可以保護信號，MVDR波束形成的固定權(quán)向量在觀察方向的響應(yīng)為常規(guī)相干求和，其可使噪聲以及不在觀察方向上的干擾響應(yīng)最小，使信號與干擾噪聲比增益最大。

4.2 聲學基陣方位補償方法

聲學基陣理想情況是基陣處于水平狀態(tài)，但在海上實際使用時，由于海流和浮標的作用，聲學基陣會橫搖和縱擺，相對與水平面會產(chǎn)生傾角。通常進行波束形成時，延時時間是按聲學基陣處在水平面計算的。如果聲學基陣與水平面產(chǎn)生較大傾角，波束形成估算的目標方位會出現(xiàn)偏差。為此需要對聲學基陣進行方位補償，保證聲基陣正常工作。

聲學基陣方位補償方法如下：

(1) 聲學基陣上安裝一個電子羅盤，電子羅盤可以實時給出聲學基陣相對于水平基準面偏角的變化。

5 湖試結(jié)果分析

2014年6月，在千島湖上進行了一次湖試。湖試的目的是驗證聲學基陣的裝配性，布放、回收演練；測試系統(tǒng)硬件平臺的總體性能，以及驗證信號處理算法和聲學基陣方位補償方法的有效性和可靠性。

試驗系統(tǒng)框圖如圖12所示。聲學基陣布放到水下15 m，通過四根電纜將信號連接到信號采集處理機。聲學基陣上系兩根繩子，用來調(diào)節(jié)聲學基陣的橫搖和縱擺，距離30 m處(與聲學基陣180°方向)布放一個發(fā)射換能器，通過信號源和功率放大器來發(fā)射模擬的艦船噪聲信號。

聲學基陣處于水平位置時，聲學采集系統(tǒng)探測到目標，方位估計角度為180°方向，與目標實際方位一致。增大換能器與聲學基陣之間的距離，當距離達到8 km時，聲學采集系統(tǒng)仍可以有效探測到目標，系統(tǒng)滿足設(shè)計指標要求。調(diào)整聲學基陣上的繩子，使聲學基陣處于不同的橫搖角和縱傾角，聲學采集系統(tǒng)均能夠探測到目標，說明方位補償方法是有效的。

圖12 湖試試驗系統(tǒng)框圖

圖13為橫搖44°、縱擺16°目標角度估計對比圖。圖13中1代表未補償?shù)姆轿粴v程，3代表補償后的方位歷程，2代表未補償?shù)姆轿慌袆e結(jié)果，4代表補償后的方位判別結(jié)果。補償后的方位判別結(jié)果與目標真方位基本相同。

圖13 聲學基陣橫搖44°，縱擺16°，姿態(tài)修正前后檢測結(jié)果對比

6 結(jié)論

湖試試驗結(jié)果表明，聲學采集系統(tǒng)的硬件可靠、探測目標和方位估計算法工作正常，達到了預(yù)期要求；聲學基陣裝配方便，布放和回收方案可行；聲學基陣方位補償方法有效。因此，該套聲學采集系統(tǒng)達到設(shè)計要求，可進行下一步工作驗證。

目前，該聲學特征采集系統(tǒng)已在我國特定敏感區(qū)域開展的維權(quán)執(zhí)法目標探測識別與信息傳輸技術(shù)的信息綜合監(jiān)視中示范應(yīng)用。

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Design of the acoustic feature acquisition system of ocean data buoy

WANG Lin-yu1,2, HUANG Hai-ning1, ZHENG En-ming1, CHEN Xin-hua1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to use the existing 10 m large buoy of our country to detect and identify the infringing vessels at sea, this paper introduces the design of an acoustic feature acquisition system mounted on the buoy. System design includes acoustic array design, signal acquisition and processing design, target detection and azimuth estimation algorithms and acoustic array azimuth compensation methods. A lake experiment was conducted in June 2014, the experimental results show that the hardware of the acoustic feature acquisition system is reliable, and the target detection, azimuth estimation and azimuth compensation algorithms are effective. The system has been demonstrated and applied in the comprehensive information monitoring of information transmission technology and the detection and identification of right enforcement target in certain sensitive areas of our country.

ocean data buoy; acoustic features acquisition; minimum variance distortionless response (MVDR); azimuth compensation

TB56

A

1000-3630(2019)-05-0508-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.05.005

2018-04-08;

2018-05-21

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201005001)

王麟煜(1972－), 男, 北京人, 博士, 研究方向為信號與信息處理。

黃海寧,E-mail: wlyhyh@163.com