波浪滑翔器智能海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)

孫秀軍，張海嵩，桑宏強(qiáng)，周 瑩，于佩元

(1.中國海洋大學(xué)海洋技術(shù)學(xué)院，山東青島 266100；2.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；3.中國海洋大學(xué)高等研究院，山東青島 266100)

0 引 言

聲音在海水中的傳播具有衰減小、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此可利用水聲對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)。而水聲觀測(cè)需要水聲數(shù)據(jù)作為支撐，一般通過在水下布放聲學(xué)傳感器獲取水聲數(shù)據(jù)。由于水下復(fù)雜多變的環(huán)境，單純依靠水下聲學(xué)傳感器系統(tǒng)難以滿足工作需求。因此常見的海洋環(huán)境噪聲系統(tǒng)一般需要搭配海洋移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)來使用，如科考船以及水下無人機(jī)器人等。由于科考船運(yùn)營費(fèi)用較高，需要大量的人力物力，因此越來越多的聲學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)選擇搭載在無人移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)上運(yùn)行。通過搭載在無人移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)上，海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)能以更長續(xù)航、更加安全靈活的方式開展環(huán)境噪聲觀測(cè)工作。

當(dāng)前常見的海洋無人移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)有浮標(biāo)(Buoys)、水下滑翔機(jī)(Underwater Glider)和波浪滑翔器(Wave Glider)等[1-3]。這幾種平臺(tái)都可搭載水聲采集系統(tǒng)，進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲的觀測(cè)測(cè)量。其中，搭載聲載荷的浮標(biāo)平臺(tái)可進(jìn)行多剖面的移動(dòng)觀測(cè)，在剖面浮標(biāo)上浮至水面時(shí)還可利用衛(wèi)星通信模塊與遠(yuǎn)程岸基通信，具有長時(shí)間、多剖面的聲學(xué)觀測(cè)能力，但剖面浮標(biāo)的上浮和下潛階段依賴于油泵電機(jī)工作，對(duì)聲學(xué)觀測(cè)會(huì)帶來一定的干擾[4]。聲學(xué)滑翔機(jī)通過改變自身浮力實(shí)現(xiàn)上浮下潛，利用兩側(cè)水翼獲得水動(dòng)力，通過改變重心實(shí)現(xiàn)滑翔運(yùn)動(dòng)，具有大尺度的海洋移動(dòng)觀測(cè)能力，當(dāng)搭載上聲載荷后，也需要考慮上浮下潛階段電機(jī)運(yùn)作對(duì)于聲測(cè)量的干擾[5]。波浪滑翔器[1]作為一種新型的無人海氣界面觀測(cè)平臺(tái)，具有可控性高、續(xù)航時(shí)間長以及航程大等優(yōu)點(diǎn)。由于波浪滑翔器平臺(tái)航行動(dòng)力來源于波浪，平臺(tái)自身運(yùn)動(dòng)對(duì)聲學(xué)測(cè)量的干擾較小，并可利用太陽能為聲載荷持續(xù)供電，使得平臺(tái)十分適合用于長時(shí)間、大范圍的水聲測(cè)量工作。因此通過設(shè)計(jì)一款基于波浪滑翔器的智能海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)，有助于獲取高質(zhì)量的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。

在水聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，為了長時(shí)間采集水聲數(shù)據(jù)，大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Marios等[6]設(shè)計(jì)了被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)聽器，可搭載在ARGO浮標(biāo)以及其他無人移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)的水聲數(shù)據(jù)記錄。Wang等[7]研制了一種由多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的主從結(jié)構(gòu)的多通道水聲采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)周的水聲數(shù)據(jù)連續(xù)采集。徐靈基等[8]設(shè)計(jì)了一種低噪聲、寬帶、高動(dòng)態(tài)范圍的水聲接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的模擬放大電路自動(dòng)增益控制。趙寶平等[9]研制了以水下滑翔機(jī)為平臺(tái)，集主控、采集和存儲(chǔ)于一體的噪聲測(cè)量軟硬件系統(tǒng)。楊志國等[10]利用波浪滑翔器搭載自容式水聽器在青島近海開展了海上試驗(yàn)，評(píng)估了波浪滑翔器平臺(tái)的本體噪聲特性，驗(yàn)證了其搭載聲學(xué)負(fù)載的可行性。

本文設(shè)計(jì)了一款波浪滑翔器智能海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)，包含低功耗水聲采集系統(tǒng)，并針對(duì)拖曳運(yùn)行存在隱患的情況，基于平臺(tái)與水聲采集系統(tǒng)提出了一種配套的水聲數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)方案，系統(tǒng)除常規(guī)的水聲采集存儲(chǔ)功能外，還可通過衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳以及遠(yuǎn)程控制功能，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能水平以及實(shí)用性。其中，低功耗水聲采集系統(tǒng)基于意法半導(dǎo)體產(chǎn)品STM32進(jìn)行開發(fā)，能夠以低功耗進(jìn)行單通道水聲數(shù)據(jù)的水下自容式存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)回傳，確保海洋環(huán)境噪聲測(cè)量工作的順利進(jìn)行。海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)通過搭載在名為黑珍珠的波浪滑翔器[11]上，進(jìn)行了近海試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功耗較低，能保障數(shù)據(jù)安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

本文所設(shè)計(jì)的波浪滑翔器智能海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含以下部分：位于水下的聲學(xué)采集電子艙和單通道水聽器；位于水面船上的信號(hào)處理模塊、波浪滑翔器主控模塊以及衛(wèi)星通信模塊。當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，牽引機(jī)拖曳水下電子艙與單通道水聽器向前運(yùn)動(dòng)。為了減小平臺(tái)自噪聲以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)于聲學(xué)采集的干擾，在電子艙前加裝重浮力鏈進(jìn)行減振。

圖1 波浪滑翔器海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wave glider based marine ambient noise measurement and observation system composition

系統(tǒng)總體電氣工作流程如圖2所示，通過一套完整的冗余存儲(chǔ)系統(tǒng)完成聲學(xué)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)。水下電子艙中的水聲采集系統(tǒng)將單通道水聽器探頭所采集到的模擬聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)到電子艙內(nèi)的存儲(chǔ)卡中或者利用網(wǎng)絡(luò)通信將信號(hào)回傳至水面船上的主控模塊；主控模塊進(jìn)行直接存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)處理后將處理結(jié)果發(fā)送至衛(wèi)星通信模塊；衛(wèi)星通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。其中，主控模塊具有平臺(tái)控制、傳感器數(shù)據(jù)記錄以及衛(wèi)星通信中繼等功能，可將海洋環(huán)境噪聲譜等信息利用衛(wèi)星通信回傳至波浪滑翔器岸基系統(tǒng)[12]。除數(shù)據(jù)回傳外，通過衛(wèi)星通信可下發(fā)指令至波浪滑翔器主控系統(tǒng)，進(jìn)行平臺(tái)導(dǎo)航避障控制或轉(zhuǎn)發(fā)采集指令至水下電子艙水聲采集系統(tǒng)，開啟或關(guān)閉水聲采集系統(tǒng)，設(shè)置水聲采集系統(tǒng)的工作模式等，通過遠(yuǎn)程控制調(diào)整使波浪滑翔器水聲采集系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)各類海洋環(huán)境噪聲采樣場景。

圖2 系統(tǒng)總體電氣工作流程Fig.2 Flow chart of the general electrical work of the system

1.2 低功耗水聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于水聲采集系統(tǒng)主要由波浪滑翔器平臺(tái)進(jìn)行供電，在平臺(tái)電能有限的情況下，設(shè)計(jì)一款功耗較低的系統(tǒng)有助于延長平臺(tái)的續(xù)航時(shí)間，運(yùn)行范圍更廣、時(shí)間跨度更長的海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)。進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮平臺(tái)航行以及水聲采集系統(tǒng)的功耗，設(shè)定合適可行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。以“黑珍珠”波浪滑翔器典型配置為例，平臺(tái)儲(chǔ)能為640 Wh，平臺(tái)自身導(dǎo)航通信平均功耗約為1.8 W，在陰天無光且無其他電負(fù)載的條件下，可連續(xù)工作15 d；為使平臺(tái)能夠在陰天無光天氣下進(jìn)行連續(xù)10 d的海洋環(huán)境噪聲測(cè)量工作，則系統(tǒng)總功耗約為2.6 W，相當(dāng)于聲學(xué)采集系統(tǒng)的連續(xù)工作功耗需小于800 mW。

基于此目標(biāo)本文進(jìn)行了水聲采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制工作。水聲采集系統(tǒng)主體位于水面以下，包含單通道水聽器以及由水下電子艙體保護(hù)的水下采集電路，本文主要對(duì)水下采集電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。水下采集電路分為兩部分：(1) 前端模擬與數(shù)字混合信號(hào)電路，進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換；(2) 后端存儲(chǔ)通信電路，進(jìn)行原始聲學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸。電路總體設(shè)計(jì)圍繞低功耗、低自噪聲以及長期續(xù)航這三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括采用合理的芯片選型，PCB布局以及阻抗匹配等技術(shù)以達(dá)成設(shè)計(jì)指標(biāo)。水下采集電路構(gòu)成如圖3所示。

圖3 水下采集電路構(gòu)成框圖Fig.3 Block diagram of underwater acquisition circuit composition

1.2.1 前端模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)所采用的單通道水聽器靈敏度級(jí)為-206 dBreV·μPa-1，自帶增益為36 dB的前放電路，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要包含了前置RC濾波電路、全差分運(yùn)放電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器三部分，核心器件為單通道全差分運(yùn)放ADA4945以及四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS131A04。

ADA4945是一款低噪聲、低失真以及低功耗的單通道全差分放大器，具有低直流失調(diào)電壓、低直流失調(diào)電壓漂移和出色的動(dòng)態(tài)性能，適合應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理應(yīng)用。該器件具有兩種工作模式，低功耗模式的損耗電流僅為1.4 mA，適合驅(qū)動(dòng)高分辨率、高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。對(duì)于ADA4945，利用由4個(gè)電阻組成的簡單外部反饋網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)差分增益配置，而其內(nèi)部共模反饋環(huán)路能有效抑制偶數(shù)階諧波失真。

ADS131A04是一款低功耗高精度，可進(jìn)行四通道同步采樣、精度為24 bit的Delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，集成了低漂移內(nèi)部參考電壓以及內(nèi)部負(fù)電荷泵以獲取較高的有效分辨率。在8 kHz采樣率時(shí)，ADS131A04單通道的功耗僅為7 mW，在只采用單通道進(jìn)行采集時(shí)可通過程序控制以及閑置通道接地對(duì)采樣通道數(shù)進(jìn)行配置以進(jìn)一步降低功耗以及通道串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)性能上的優(yōu)化。

1.2.2 后端存儲(chǔ)通信電路設(shè)計(jì)

后端存儲(chǔ)通信電路的設(shè)計(jì)基于的是意法半導(dǎo)體產(chǎn)品STM32F407ZGT6。這款MCU內(nèi)核為cortex-M4，最高主頻可達(dá)168 MHz，支持SPI、SDIO以及ETH接口。

STM32F407ZGT6提供了一個(gè)媒體訪問控制器，可通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立介質(zhì)接口或縮小的獨(dú)立介質(zhì)接口實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。STM32F407需要通過一個(gè)外部物理接口設(shè)備來連接到物理總線。

硬件上，本設(shè)計(jì)采用LAN8720作為外部物理接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。LAN8720是一款低功耗的10BASE-T/100BASE-TX物理層收發(fā)器，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立介質(zhì)接口與以太網(wǎng)通信。LAN8720的硬件原理圖如圖4所示。軟件上，通過在STM32F407上移植輕量化的TCP-IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信。

圖4 LAN8720的硬件原理圖Fig.4 Hardware schematic of LAN8720

STM32F407ZGT6有一個(gè)SD/SDIO/MMC主機(jī)接口，允許以高達(dá)48 MHz的速度傳輸數(shù)據(jù)。硬件上，SD卡的硬件原理圖如圖5所示，可在SD卡槽上插入大容量的Micro SD卡。軟件上，通過在STM32上移植FATFS文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)。

圖5 SD卡的硬件原理圖Fig.5 Hardware schematic of SD card

以采樣頻率為64 kHz、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度為24 bit的數(shù)據(jù)采集為例，1 s的數(shù)據(jù)量為192 kB，則單張512 GB內(nèi)存卡理論上可以連續(xù)存儲(chǔ)至少30 d的聲學(xué)數(shù)據(jù)。并且由于采用了冗余存儲(chǔ)方案，通過拓展信號(hào)處理模塊的存儲(chǔ)空間，能進(jìn)一步延長聲學(xué)采集續(xù)航時(shí)長。

1.2.3 軟件設(shè)計(jì)

水下采集電路主程序工作流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后，主控芯片開始運(yùn)行程序，首先進(jìn)行以太網(wǎng)的初始化，開啟以太網(wǎng)通信，獲取上位機(jī)發(fā)送的采集配置指令，如ADC的采樣頻率、采樣模式指令等。此指令可通過岸基端進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，也可設(shè)置預(yù)設(shè)參數(shù)，提高海洋環(huán)境噪聲測(cè)量工作的靈活性。在利用配置指令對(duì)ADC進(jìn)行初始化后開啟采集，采集過程中通過周期性地監(jiān)聽由上位機(jī)下發(fā)的傳輸指令，判斷進(jìn)入存儲(chǔ)模式或數(shù)據(jù)回傳模式。當(dāng)監(jiān)聽到上位機(jī)發(fā)送的回傳指令時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)回傳模式，選擇連續(xù)、周期或定時(shí)采集傳輸三種指令中的任一種采集模式，然后將原始聲學(xué)數(shù)據(jù)按照協(xié)議打包成幀，利用雙緩沖機(jī)制將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)回傳至上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)存滿或不再接收數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送不再回傳指令，此時(shí)進(jìn)入存儲(chǔ)模式，根據(jù)上位機(jī)配置信息初始化SD卡，選擇連續(xù)、周期或定時(shí)采集存儲(chǔ)，并將初始化信息回傳上位機(jī)；SD卡初始化成功后，將聲學(xué)數(shù)據(jù)通過雙緩沖機(jī)制存入SD卡。最后，定期開啟以太網(wǎng)回傳水下采集系統(tǒng)狀態(tài)以及部分聲學(xué)數(shù)據(jù)。

圖6 水下采集電路主程序工作流程Fig.6 Flow chart of the main program of underwater acquisition circuit

1.2.4 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)分析

本文主要從降低功能電路功耗以及提高供電效率兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。首先是降低功能電路功耗：前端模擬混合信號(hào)電路采用低功耗、高性能的單通道全差分運(yùn)放ADA4945以及四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS131A04組成模擬混合信號(hào)通路，在進(jìn)行單通道模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，典型功耗低于100 mW；后端存儲(chǔ)通信電路主控芯片采用STM32F407ZGT6，與常規(guī)的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6748相比，典型功耗更低[4]；外設(shè)以太網(wǎng)芯片采用LAN8720，在百兆以太網(wǎng)全雙工通信時(shí)功耗不高于159 mW，與常見的低功耗以太網(wǎng)芯片相比，也有較好的性能。四款以太網(wǎng)芯片的功耗對(duì)比如表1所示。

表1 四款低功耗以太網(wǎng)芯片功耗對(duì)比Table 1 Comparison of power consumption of four lowpower Ethernet chips

在電源管理部分，由于系統(tǒng)功耗較低，在相同電壓條件下的電流較小，因此通過選用小電流負(fù)載條件下具有較高電源效率的DCDC電源芯片TPS560200作為系統(tǒng)的主要降壓芯片。除此之外，考慮到電阻阻值與功耗成反比、電阻熱噪聲與電阻阻值成正比的關(guān)系，因此采取模擬信號(hào)通路小電阻、數(shù)字電路大電阻等方案，在系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)自噪聲之間進(jìn)行平衡。

1.3 冗余存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)

由于我國近海水下環(huán)境復(fù)雜，存在不平坦的礁石以及水下的漁網(wǎng)等，對(duì)水下拖曳式的設(shè)備造成了極大的威脅。如果僅采用常規(guī)聲學(xué)采集系統(tǒng)水下電子艙自容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，當(dāng)遭遇險(xiǎn)情、拖曳繩纜斷裂時(shí)，水下采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)都無法得到及時(shí)搶救，從而導(dǎo)致海洋環(huán)境噪聲測(cè)量活動(dòng)失敗。針對(duì)這一情況，為了確保數(shù)據(jù)的成功回收以及系統(tǒng)長期穩(wěn)定續(xù)航，提高系統(tǒng)的智能化水平，基于波浪滑翔器平臺(tái)提出了一種適配于平臺(tái)與低功耗水聲采集系統(tǒng)的冗余式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，如圖7所示。

圖7 聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.7 Flow chart of acoustic data transmission

方案中聲學(xué)數(shù)據(jù)的最終去向分為三個(gè)：水下電子艙中的SD卡、水面船上的主控模塊的SD以及云服務(wù)器端。當(dāng)開啟聲學(xué)數(shù)據(jù)采集時(shí)，水下電子艙優(yōu)先將聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸至水面船主控模塊上的SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)，并利用主控模塊多核多線程的特點(diǎn)，定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換、譜級(jí)轉(zhuǎn)換后得到海洋環(huán)境噪聲譜，利用衛(wèi)星傳輸至岸基服務(wù)端。在主控模塊SD卡存滿后，數(shù)據(jù)的流向轉(zhuǎn)變至水下聲學(xué)采集電路板上的大容量SD卡，并定時(shí)開啟網(wǎng)絡(luò)傳輸回傳至水面船主控模塊，在得到海洋環(huán)境噪聲譜后回傳至服務(wù)器端。除此之外，根據(jù)測(cè)量現(xiàn)場情況，可利用岸基遠(yuǎn)程設(shè)置數(shù)據(jù)流向，使系統(tǒng)通過靈活可選擇的水下自容存儲(chǔ)、水面船主存儲(chǔ)以及云端服務(wù)器存儲(chǔ)三重冗余存儲(chǔ)模式充分保障數(shù)據(jù)回收的安全可靠。

表2對(duì)三種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的效果進(jìn)行了評(píng)估。水下電子艙存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是獲取了完備的原始數(shù)據(jù)，并且由于是自容式存儲(chǔ)，功耗較低；缺點(diǎn)是水下電子艙位于水下，有丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，因此數(shù)據(jù)安全性較低。波浪滑翔器水面船存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)在于原始數(shù)據(jù)回傳到了水面船上，成功回收的可能性較高；不足之處是通過以太網(wǎng)才能進(jìn)行長距離高速率的傳輸，功耗相較于水下電子艙存儲(chǔ)較高。云端服務(wù)器存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到了云端服務(wù)器上，通過下載數(shù)據(jù)可以直接在電腦上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)覽分析；缺點(diǎn)是衛(wèi)星通信通過以太網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，開啟衛(wèi)星通信與以太網(wǎng)的功耗高，并且受限于衛(wèi)星通信速率，回傳的數(shù)據(jù)不完整，且通信費(fèi)用較高等。因此綜合數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)完整性以及功耗費(fèi)用等因素，水面船存儲(chǔ)具有較高的數(shù)據(jù)安全性并能獲取完備的數(shù)據(jù)，功耗和費(fèi)用也較低。因此，在海洋環(huán)境噪聲測(cè)量中優(yōu)先考慮水面船存儲(chǔ)。

表2 三類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式對(duì)比Table 2 Comparison of three types of data transmission methods

1.4 系統(tǒng)實(shí)物與集成

前端模擬與數(shù)字混合信號(hào)電路、存儲(chǔ)通信電路兩部分電路分立制板，通過接插件連接固定組成水下采集系統(tǒng)。水聲采集系統(tǒng)與安裝于水面船的信號(hào)處理模塊實(shí)物如圖8所示。水聲采集系統(tǒng)安裝在水密耐壓的水下電子艙內(nèi)，并通過電子艙兩端的水密接插件與水聽器、波浪滑翔器平臺(tái)建立電氣連接。

圖8 水聲采集系統(tǒng)及信號(hào)處理模塊電路實(shí)物圖Fig.8 The photos of hydroacoustic acquisition system and signal processing module circuit

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 室內(nèi)測(cè)試

為了驗(yàn)證低功耗聲學(xué)采集電路的可行性，在室內(nèi)搭載水聽器進(jìn)行了測(cè)試。首先輸入單頻正弦波信號(hào)，測(cè)試聲學(xué)采集電路的動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試中利用信號(hào)發(fā)生源輸出峰峰值為2 V，偏置為0，頻率為3 200 Hz的正弦波信號(hào)。將此信號(hào)作為聲學(xué)采集電路的輸入信號(hào)，采樣頻率為64 kHz，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，采集得到的正弦信號(hào)無明顯的尖峰以及雜刺，幅度也與輸入信號(hào)相符。

圖9 頻率為3 200 Hz單頻信號(hào)輸入測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test result of the 3 200 Hz single-frequency signal

其次進(jìn)行采集系統(tǒng)的自噪聲測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)條件對(duì)聲學(xué)采集系統(tǒng)以及當(dāng)前市面上的自容式水聽器產(chǎn)品進(jìn)行了室內(nèi)的靜水水池測(cè)試比對(duì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，其中，自容式產(chǎn)品的自噪聲譜在真空無振動(dòng)條件下測(cè)得。由圖10可知，在測(cè)試頻段內(nèi)系統(tǒng)自噪聲均低于0級(jí)海況，可以真實(shí)地反映海洋環(huán)境噪聲。從測(cè)試結(jié)果看，本文所設(shè)計(jì)的聲學(xué)采集系統(tǒng)與自容式水聽器測(cè)得的噪聲譜基本一致，說明聲學(xué)采集系統(tǒng)能在一定程度上能真實(shí)地恢復(fù)海洋環(huán)境噪聲。

圖10 聲學(xué)采集系統(tǒng)水池噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.10 Pool-test result of the acoustic acquisition system

2.2 整機(jī)評(píng)估

水聲采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)功耗如表3所示。自容式存儲(chǔ)模式和以太網(wǎng)回傳兩種模式的實(shí)測(cè)功耗都低于800 mW，滿足預(yù)期的低功耗設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表3 在自容式存儲(chǔ)和以太網(wǎng)回傳模式下的系統(tǒng)功耗Table 3 System power consumptions in two different modes

結(jié)合冗余存儲(chǔ)方案，對(duì)海洋環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行整體評(píng)估，結(jié)果如表4所示。波浪滑翔器海洋環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)的典型總功耗不高于2 565 mW，在陰天條件下可連續(xù)采集至少10 d。并且通過下發(fā)衛(wèi)星指令，可設(shè)置定時(shí)采集或周期性采集，從而進(jìn)一步延長測(cè)量時(shí)長。在晴天條件下，由于波浪滑翔器可利用太陽能進(jìn)行平臺(tái)充能，因此限制海洋環(huán)境噪聲測(cè)量時(shí)長的因素主要在于存儲(chǔ)介質(zhì)的容量，可通過集成大容量的存儲(chǔ)模組延長系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間。另外在波浪滑翔器水面船以及水下電子艙都存滿的情況下，可定期開啟衛(wèi)星通信實(shí)時(shí)回傳海洋環(huán)境噪聲譜，實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器存儲(chǔ)。

表4 波浪滑翔器海洋環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)續(xù)航評(píng)估Table 4 Endurance evaluation of the wave glider marine ambient noise measurement system

表5對(duì)“黑珍珠”波浪滑翔器平臺(tái)常用的3種衛(wèi)星通信方式進(jìn)行了聲學(xué)數(shù)據(jù)衛(wèi)星回傳有效性評(píng)估。常用的衛(wèi)星通信方式有北斗短報(bào)文、天通通信以及銥星9523模塊通信。由于北斗短報(bào)文的通信速率較低，因此不適合用于大規(guī)模數(shù)據(jù)量的回傳，需要在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)處理后，回傳信息量較小的聲信號(hào)特征；天通衛(wèi)星通信速率較高，理論通信速率達(dá)到9 600 bit·s-1，考慮到實(shí)際因素以及單片機(jī)中進(jìn)行傅里葉變化時(shí)輸出點(diǎn)數(shù)一般為2N(N為自然數(shù))的特點(diǎn)，因此將實(shí)際傳輸速率上限設(shè)定為8 192 bit·s-1，相當(dāng)于1 s可傳輸1 024 Bytes，以64 kHz采樣率為例，如果以32 bit浮點(diǎn)數(shù)格式來傳輸海洋環(huán)境噪聲頻譜時(shí)，可傳輸256個(gè)頻點(diǎn)的頻譜分貝值，此時(shí)頻率分辨率為250 Hz；如果以8位無符號(hào)整形數(shù)形式進(jìn)行傳輸，即以分貝的整數(shù)形式進(jìn)行表示，對(duì)回傳的譜級(jí)信息進(jìn)行壓縮，此時(shí)可回傳1 024個(gè)頻點(diǎn)的頻譜分貝值，頻率分辨率為62.5 Hz，分辨率有了較大的提高。在對(duì)頻率分辨率有更高要求的場合，還可只回傳單邊譜，在回傳數(shù)據(jù)量不變的前提下，進(jìn)一步提升回傳頻譜的頻率分辨率；同理，如果利用銥星衛(wèi)星通信傳輸上述點(diǎn)數(shù)的信息，至少需要4 s才能完成傳輸，實(shí)時(shí)性有所下降。

表5 3種衛(wèi)星回傳聲學(xué)數(shù)據(jù)方法評(píng)估Table 5 Evaluation of three satellite echo acoustic data methods

考慮到海況以及一定海域內(nèi)的帶寬有限等情況，實(shí)際情況中很可能達(dá)不到理論傳輸速率，傳輸穩(wěn)定性也受到一定影響。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取降低單次信息回傳的點(diǎn)數(shù)、增加校驗(yàn)碼或者單幀分包發(fā)送等數(shù)據(jù)傳辦理方法，以確保單次回傳信息的完整性。

除此之外，由于天通通信以及銥星通信(9523模塊)都屬于大數(shù)據(jù)量通信，功耗較高。以天通通信為例，通信開啟時(shí)的典型功耗約為6 W，持續(xù)運(yùn)行將對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生較大的供電負(fù)擔(dān)，為了保證平臺(tái)的長期運(yùn)行，只能選擇在特定時(shí)段開啟通信，或者選擇降低通信頻次來減輕平臺(tái)負(fù)擔(dān)。

衛(wèi)星通信還可用于岸基對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，提高系統(tǒng)的智能化水平。如檢測(cè)到異常后降低采樣頻率從而提高頻率分辨率、更改采樣模式從而延長系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間等。利用波浪滑翔器平臺(tái)點(diǎn)位可控的特點(diǎn)，可遠(yuǎn)程控制平臺(tái)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行長期錨泊走航實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)觀測(cè)，或者設(shè)置直線走航采集較大范圍的海洋環(huán)境噪聲，在遭遇臺(tái)風(fēng)等極端險(xiǎn)情時(shí)，可臨時(shí)變更觀測(cè)點(diǎn)位，提高系統(tǒng)存活率。結(jié)合上述分析，表6對(duì)整機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)。

表6 波浪滑翔器智能海洋環(huán)境噪聲測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo)Table 6 Performance indices of the wave glider intelligent marine environment noise measurement system performance index

2.3 青島近海海上測(cè)試

在2021年12月青島近海進(jìn)行了海上測(cè)試，以64 kHz的采樣率測(cè)得了海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。海試中的聲學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在水面船上的信號(hào)處理模塊之中，降低由水下采集模塊丟失所可能帶來的數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)。圖11和圖12分別是在實(shí)際海試時(shí)所測(cè)到的海洋環(huán)境噪聲原始時(shí)域波形以及海洋環(huán)境噪聲功率譜。

圖11 青島近海海洋環(huán)境噪聲原始時(shí)域波形Fig.11 Original time domain waveform of marine ambient noise in Qingdao offshore area

圖12 青島近海海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)Fig.12 Power spectrum of marine ambient noise in Qingdao offshore area

3 結(jié) 論

本文基于波浪滑翔器設(shè)計(jì)了一款具有低功耗、冗余存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全和遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)的智能海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)。在進(jìn)行水下自容式存儲(chǔ)時(shí)，水聲采集系統(tǒng)平均功耗不高于405 mW，整機(jī)總功耗為2 205 mW，在陰天無太陽可充能條件下，可連續(xù)工作12 d；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信回傳聲學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，水聲采集系統(tǒng)平均功耗不高于765 mW，整機(jī)總功耗為2 565 mW，陰天條件下可連續(xù)工作10 d；晴天條件下，采集續(xù)航時(shí)長將由本地存儲(chǔ)介質(zhì)決定；本地存儲(chǔ)介質(zhì)存滿后可通過衛(wèi)星回傳一定點(diǎn)數(shù)的海洋環(huán)境噪聲譜繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量工作；冗余存儲(chǔ)系統(tǒng)具有存儲(chǔ)方便的優(yōu)點(diǎn)，可保障海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)活動(dòng)順利進(jìn)行。室內(nèi)測(cè)試以及海上測(cè)試結(jié)果表明，波浪滑翔器智能海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)系統(tǒng)的本底噪低于0級(jí)海況，能夠真實(shí)地反映海洋環(huán)境噪聲，海試中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也與文獻(xiàn)所測(cè)得的海洋環(huán)境噪聲基本相符，說明系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性，能夠滿足海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)需求，具有較好的應(yīng)用前景。