海洋資料浮標(biāo)聲學(xué)特征采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王麟煜，黃海寧，鄭恩明，陳新華

海洋資料浮標(biāo)聲學(xué)特征采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王麟煜1,2，黃海寧1，鄭恩明1，陳新華1

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為利用我國(guó)現(xiàn)有的10 m大型資源浮標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上侵權(quán)船只進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，介紹了一種加裝在浮標(biāo)上的聲學(xué)特征采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括聲學(xué)基陣設(shè)計(jì)，信號(hào)采集處理機(jī)設(shè)計(jì)，目標(biāo)探測(cè)與方位估計(jì)算法和聲學(xué)基陣方位補(bǔ)償方法等。2014年6月進(jìn)行了一次湖上試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：聲學(xué)特征采集系統(tǒng)的硬件可靠，目標(biāo)探測(cè)、方位估計(jì)和方位補(bǔ)償算法有效。該系統(tǒng)已在我國(guó)特定敏感區(qū)域開(kāi)展的維權(quán)執(zhí)法目標(biāo)探測(cè)識(shí)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(biāo)；聲學(xué)特征采集；最小方差無(wú)畸變響應(yīng)；方位補(bǔ)償

0 引言

針對(duì)我國(guó)特定海域中國(guó)海監(jiān)定期維權(quán)巡航執(zhí)法中存在的對(duì)侵權(quán)目標(biāo)缺乏全天候及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的現(xiàn)狀，“海洋維權(quán)執(zhí)法目標(biāo)探測(cè)識(shí)別與信息傳輸技術(shù)應(yīng)用研究”項(xiàng)目利用我國(guó)現(xiàn)有的10 m海洋資料大浮標(biāo)，安裝聲學(xué)特征采集系統(tǒng)和高清晰度圖像采集系統(tǒng)，定點(diǎn)獲取關(guān)鍵海域艦船信息；同時(shí)通過(guò)基于浮標(biāo)衛(wèi)星和飛機(jī)衛(wèi)星的高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)；將數(shù)據(jù)信息傳到地面監(jiān)測(cè)中心，結(jié)合目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)侵權(quán)目標(biāo)的特征識(shí)別和判斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[1-2]。

聲學(xué)特征采集系統(tǒng)作為項(xiàng)目的一部分，以海洋資料浮標(biāo)為平臺(tái)，安裝聲學(xué)基陣和信號(hào)采集處理機(jī)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮標(biāo)周邊海域的船舶聲學(xué)特征的采集，確定目標(biāo)方位。由于海洋資料浮標(biāo)受海洋環(huán)境的影響大，浮標(biāo)在海洋中不停擺動(dòng)，同時(shí)自身噪聲大。聲學(xué)特征采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮上述因素，通過(guò)聲學(xué)基陣設(shè)計(jì)和方位補(bǔ)償算法，有效減少了浮標(biāo)擺動(dòng)和噪聲對(duì)聲學(xué)特征采集系統(tǒng)的影響。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于浮標(biāo)的聲學(xué)特征采集系統(tǒng)包括聲學(xué)基陣和信號(hào)采集處理機(jī)兩大部分。系統(tǒng)組成如圖1所示。

聲學(xué)基陣由16個(gè)水聽(tīng)器、1個(gè)電子羅盤(pán)和1個(gè)深度傳感器等組成。16個(gè)水聽(tīng)器均勻布放在一個(gè)圓周上，采集艦船的輻射噪聲；采集的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊的放大、濾波后，在信號(hào)采集處理機(jī)的AD(Analog to Digital)板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)DSP(Digital Signal Processor)板數(shù)據(jù)處理，確定目標(biāo)方位，之后經(jīng)主控板將處理結(jié)果傳到浮標(biāo)控制中心。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2 聲學(xué)基陣設(shè)計(jì)

聲學(xué)基陣設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面的影響：(1) 安裝聲學(xué)基陣不能對(duì)海洋資料浮標(biāo)的安全使用造成影響，要求聲學(xué)基陣最大尺寸不得超過(guò)10 m，重量不大于總重量的10%；(2) 聲學(xué)基陣對(duì)艦船探測(cè)距離不小于8 km；(3) 減小浮標(biāo)的振動(dòng)和噪聲對(duì)聲學(xué)基陣采集的影響。水面艦船的輻射噪聲譜級(jí)主要在1 kHz以下，1 kHz以上噪聲譜級(jí)隨著頻率升高以6 dB/oct衰減。聲學(xué)基陣的中心工作頻率應(yīng)在1 kHz以下的低頻段。聲學(xué)基陣設(shè)計(jì)為16個(gè)陣元均勻分布的圓形陣，直徑為9 m，聲學(xué)基陣的工作頻率小于373 Hz。聲學(xué)基陣由8根骨架和8個(gè)連接機(jī)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(gè)水聽(tīng)器模塊。水聽(tīng)器模塊包括水聽(tīng)器、減震座和導(dǎo)流罩。聲學(xué)基陣架的實(shí)物圖和示意圖如圖2、3所示。

圖2 基陣架實(shí)物圖

圖3 基陣架示意圖

聲學(xué)基陣通過(guò)高強(qiáng)度繩索與浮體柔性連接，聲學(xué)基陣懸掛在浮標(biāo)正下方，距水面8 m處。聲學(xué)基陣與浮標(biāo)間采用懸掛繩索柔性連接并與浮標(biāo)本體間隔8 m的距離的設(shè)計(jì)，可有效地減少浮標(biāo)振動(dòng)和噪聲對(duì)聲基陣的影響；浮體底部有4個(gè)均勻分布在直徑為0.6 m的圓周上的懸掛點(diǎn)，用于安裝連接繩；聲學(xué)基陣的連接機(jī)構(gòu)上有8個(gè)掛點(diǎn)，用于安裝連接繩。中間通過(guò)4個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連接，導(dǎo)向機(jī)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(jī)構(gòu)如圖4所示。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上面連接四根繩，下面連接8根繩的設(shè)計(jì)，可以減少纏繞，增加基陣架的穩(wěn)定性。

圖4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖

3 信號(hào)采集處理機(jī)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集處理機(jī)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(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行可變?cè)鲆娣糯?、濾波并進(jìn)行數(shù)字化；主控板進(jìn)行整體管理，實(shí)現(xiàn)多線程任務(wù)的調(diào)度、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，以及進(jìn)行部分信號(hào)處理工作；DSP板主要將數(shù)字化的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速的處理，并將結(jié)果回送到主控板；值班電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部的接口管理，包括深度傳感器、電子羅盤(pán)上傳信號(hào)的接口管理和浮標(biāo)主控系統(tǒng)的通信，同時(shí)對(duì)整個(gè)信號(hào)采集處理機(jī)的進(jìn)行功耗管理和溫度參數(shù)的監(jiān)視，根據(jù)通訊指令對(duì)電路板進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，節(jié)省電源。

3.1 AD板電路設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)經(jīng)通路保護(hù)器、放大器、可編程增益控制器和AD芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采用CMOS型通道保護(hù)器實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。放大器實(shí)現(xiàn)一級(jí)固定倍數(shù)的放大；可編程增益控制器實(shí)現(xiàn)二級(jí)-6、0、6、12、24倍的增益可調(diào)放大；用于進(jìn)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(gè)通道的同步采樣，采樣頻率為5 kHz，采樣精度為24 bits；通過(guò)板間連接器獲得AD控制信號(hào)，將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)直接送到主控板的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(jì)

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

3.3 主控板電路設(shè)計(jì)

主控板電路設(shè)計(jì)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(hào)處理和浮標(biāo)控制等。板上外設(shè)主要有SDRAM，NANDFLASH，RTC。外部接口主要有兩個(gè)USB接口，一個(gè)MMC/SD接口以及外部擴(kuò)展總線。各個(gè)外設(shè)和接口的邏輯控制主要由FPGA來(lái)實(shí)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(biāo)探測(cè)與方位估計(jì)

水聽(tīng)器采集到的聲信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集處理機(jī)數(shù)字化后，需進(jìn)行波束形成及后置處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域艦船目標(biāo)探測(cè)及方位估計(jì)，其算法流程如圖8所示。水聽(tīng)器采集的艦船信號(hào)經(jīng)有限長(zhǎng)單元沖擊響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response, FIR)濾波后，進(jìn)行波束形成和后置處理，確定目標(biāo)的初始方位，由于聲學(xué)基陣在水下的姿態(tài)不是固定不動(dòng)的，還需要利用在聲學(xué)基陣上安裝的電子羅盤(pán)提供的聲學(xué)基陣方位信息對(duì)目標(biāo)初始方位進(jìn)行修正，從而得到目標(biāo)的真實(shí)方位。

4.1 MVDR波束形成

最小方差無(wú)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(lái)自于非期望波達(dá)方向的干擾響應(yīng)最小，且能夠保持觀察方向的信號(hào)功率不變并起到最佳的信號(hào)保護(hù)、消除干擾和降低噪聲的作用。

圖8 信號(hào)處理流程圖

波束形成是一個(gè)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(hù)信號(hào)，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(hào)與干擾噪聲比增益最大。

4.2 聲學(xué)基陣方位補(bǔ)償方法

聲學(xué)基陣?yán)硐肭闆r是基陣處于水平狀態(tài)，但在海上實(shí)際使用時(shí)，由于海流和浮標(biāo)的作用，聲學(xué)基陣會(huì)橫搖和縱擺，相對(duì)與水平面會(huì)產(chǎn)生傾角。通常進(jìn)行波束形成時(shí)，延時(shí)時(shí)間是按聲學(xué)基陣處在水平面計(jì)算的。如果聲學(xué)基陣與水平面產(chǎn)生較大傾角，波束形成估算的目標(biāo)方位會(huì)出現(xiàn)偏差。為此需要對(duì)聲學(xué)基陣進(jìn)行方位補(bǔ)償，保證聲基陣正常工作。

聲學(xué)基陣方位補(bǔ)償方法如下：

(1) 聲學(xué)基陣上安裝一個(gè)電子羅盤(pán)，電子羅盤(pán)可以實(shí)時(shí)給出聲學(xué)基陣相對(duì)于水平基準(zhǔn)面偏角的變化。

5 湖試結(jié)果分析

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

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

聲學(xué)基陣處于水平位置時(shí)，聲學(xué)采集系統(tǒng)探測(cè)到目標(biāo)，方位估計(jì)角度為180°方向，與目標(biāo)實(shí)際方位一致。增大換能器與聲學(xué)基陣之間的距離，當(dāng)距離達(dá)到8 km時(shí)，聲學(xué)采集系統(tǒng)仍可以有效探測(cè)到目標(biāo)，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。調(diào)整聲學(xué)基陣上的繩子，使聲學(xué)基陣處于不同的橫搖角和縱傾角，聲學(xué)采集系統(tǒng)均能夠探測(cè)到目標(biāo)，說(shuō)明方位補(bǔ)償方法是有效的。

圖12 湖試試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

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

圖13 聲學(xué)基陣橫搖44°，縱擺16°，姿態(tài)修正前后檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

湖試試驗(yàn)結(jié)果表明，聲學(xué)采集系統(tǒng)的硬件可靠、探測(cè)目標(biāo)和方位估計(jì)算法工作正常，達(dá)到了預(yù)期要求；聲學(xué)基陣裝配方便，布放和回收方案可行；聲學(xué)基陣方位補(bǔ)償方法有效。因此，該套聲學(xué)采集系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)行下一步工作驗(yàn)證。

目前，該聲學(xué)特征采集系統(tǒng)已在我國(guó)特定敏感區(qū)域開(kāi)展的維權(quán)執(zhí)法目標(biāo)探測(cè)識(shí)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(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201005001)

王麟煜(1972－), 男, 北京人, 博士, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

黃海寧,E-mail: wlyhyh@163.com