海洋资料浮标声学特征采集系统设计

王麟煜，黄海宁，郑恩明，陈新华

海洋资料浮标声学特征采集系统设计

王麟煜1,2，黄海宁1，郑恩明1，陈新华1

(1. 中国科学院声学研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)

为利用我国现有的10 m大型资源浮标，实现对海上侵权船只进行探测和识别，介绍了一种加装在浮标上的声学特征采集系统设计。该系统设计包括声学基阵设计，信号采集处理机设计，目标探测与方位估计算法和声学基阵方位补偿方法等。2014年6月进行了一次湖上试验，试验结果表明：声学特征采集系统的硬件可靠，目标探测、方位估计和方位补偿算法有效。该系统已在我国特定敏感区域开展的维权执法目标探测识别与信息传输技术的信息综合监视中示范应用。

海洋资源浮标；声学特征采集；最小方差无畸变响应；方位补偿

0 引言

针对我国特定海域中国海监定期维权巡航执法中存在的对侵权目标缺乏全天候及时、准确监测技术手段的现状，“海洋维权执法目标探测识别与信息传输技术应用研究”项目利用我国现有的10 m海洋资料大浮标，安装声学特征采集系统和高清晰度图像采集系统，定点获取关键海域舰船信息；同时通过基于浮标卫星和飞机卫星的高速数据实时传输系统；将数据信息传到地面监测中心，结合目标特征数据库，对侵权目标的特征识别和判断，实现远程监测[1-2]。

声学特征采集系统作为项目的一部分，以海洋资料浮标为平台，安装声学基阵和信号采集处理机等，实现对浮标周边海域的船舶声学特征的采集，确定目标方位。由于海洋资料浮标受海洋环境的影响大，浮标在海洋中不停摆动，同时自身噪声大。声学特征采集系统的设计充分考虑上述因素，通过声学基阵设计和方位补偿算法，有效减少了浮标摆动和噪声对声学特征采集系统的影响。

1 系统设计

基于浮标的声学特征采集系统包括声学基阵和信号采集处理机两大部分。系统组成如图1所示。

声学基阵由16个水听器、1个电子罗盘和1个深度传感器等组成。16个水听器均匀布放在一个圆周上，采集舰船的辐射噪声；采集的模拟信号经信号调理模块的放大、滤波后，在信号采集处理机的AD(Analog to Digital)板进行模数转换，经DSP(Digital Signal Processor)板数据处理，确定目标方位，之后经主控板将处理结果传到浮标控制中心。

图1 系统组成图

2 声学基阵设计

声学基阵设计主要考虑三个方面的影响：(1) 安装声学基阵不能对海洋资料浮标的安全使用造成影响，要求声学基阵最大尺寸不得超过10 m，重量不大于总重量的10%；(2) 声学基阵对舰船探测距离不小于8 km；(3) 减小浮标的振动和噪声对声学基阵采集的影响。水面舰船的辐射噪声谱级主要在1 kHz以下，1 kHz以上噪声谱级随着频率升高以6 dB/oct衰减。声学基阵的中心工作频率应在1 kHz以下的低频段。声学基阵设计为16个阵元均匀分布的圆形阵，直径为9 m，声学基阵的工作频率小于373 Hz。声学基阵由8根骨架和8个连接机构依次首尾连接而成正八边形刚性架[3]。每根骨架上安装两个水听器模块。水听器模块包括水听器、减震座和导流罩。声学基阵架的实物图和示意图如图2、3所示。

图2 基阵架实物图

图3 基阵架示意图

声学基阵通过高强度绳索与浮体柔性连接，声学基阵悬挂在浮标正下方，距水面8 m处。声学基阵与浮标间采用悬挂绳索柔性连接并与浮标本体间隔8 m的距离的设计，可有效地减少浮标振动和噪声对声基阵的影响；浮体底部有4个均匀分布在直径为0.6 m的圆周上的悬挂点，用于安装连接绳；声学基阵的连接机构上有8个挂点，用于安装连接绳。中间通过4个导向机构连接，导向机构将上面(浮体到导向装置)4根绳索和下面(导向装置到基阵架)8根绳索连接在一起。导向机构如图4所示。导向机构上面连接四根绳，下面连接8根绳的设计，可以减少缠绕，增加基阵架的稳定性。

图4 导向机构示意图

3 信号采集处理机设计

信号采集处理机由AD板、DSP板、主控板和值班电路板组成，其中AD板将前置放大器送来的模拟信号进行可变增益放大、滤波并进行数字化；主控板进行整体管理，实现多线程任务的调度、数据的存储、转发，以及进行部分信号处理工作；DSP板主要将数字化的信号进行实时高速的处理，并将结果回送到主控板；值班电路主要实现对外部的接口管理，包括深度传感器、电子罗盘上传信号的接口管理和浮标主控系统的通信，同时对整个信号采集处理机的进行功耗管理和温度参数的监视，根据通讯指令对电路板进行开关操作，节省电源。

3.1 AD板电路设计

模拟信号经通路保护器、放大器、可编程增益控制器和AD芯片，将模拟信号转换为数字信号。采用CMOS型通道保护器实现过压保护。放大器实现一级固定倍数的放大；可编程增益控制器实现二级-6、0、6、12、24倍的增益可调放大；用于进行模数转换的AD芯片选择AD公司的ADS1278芯片，能够完成8个通道的同步采样，采样频率为5 kHz，采样精度为24 bits；通过板间连接器获得AD控制信号，将AD转换的数据直接送到主控板的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)。AD板电路框图如图5所示。

图5 AD板电路框图

3.2 DSP板电路设计

DSP板电路设计采用低功耗的TMS320C6747浮点DSP处理器主要完成水声信号处理。TMS320C6747是浮点DSP，具有1800百万条浮点运行指令的处理能力；提供512 Mb的SDRAM和64GByte的NAND FLASH。通过FPGA提供大容量的NAND FLASH芯片阵列完成数据存储工作。DSP板电路框图如图6所示。

3.3 主控板电路设计

主控板电路设计基于OMAP-L137双核低功耗应用处理器和AGL600低功耗可编程器件，能够实现水声信号处理和浮标控制等。板上外设主要有SDRAM，NANDFLASH，RTC。外部接口主要有两个USB接口，一个MMC/SD接口以及外部扩展总线。各个外设和接口的逻辑控制主要由FPGA来实现。主控板电路框图如图7所示。

图6 DSP板电路框图

图7 主控板电路框图

4 目标探测与方位估计

水听器采集到的声信号经信号采集处理机数字化后，需进行波束形成及后置处理，实现对特定区域舰船目标探测及方位估计，其算法流程如图8所示。水听器采集的舰船信号经有限长单元冲击响应滤波器(Finite Impulse Response, FIR)滤波后，进行波束形成和后置处理，确定目标的初始方位，由于声学基阵在水下的姿态不是固定不动的，还需要利用在声学基阵上安装的电子罗盘提供的声学基阵方位信息对目标初始方位进行修正，从而得到目标的真实方位。

4.1 MVDR波束形成

最小方差无畸变响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)的波束形成方法是一种典型的约束最佳波束形成技术[4-5]，它可使来自于非期望波达方向的干扰响应最小，且能够保持观察方向的信号功率不变并起到最佳的信号保护、消除干扰和降低噪声的作用。

图8 信号处理流程图

波束形成是一个多输入、单输出系统，如图9所示。

图9 波束形成示意图

MVDF波束形成采用典型的约束最佳波束形成技术，可表示为

求解式(2)，所得MVDR波束形成的权向量为

由式(3)可知，MVDR波束形成在观察方向上的输出能量为

由式(2)可知，约束可以保护信号，MVDR波束形成的固定权向量在观察方向的响应为常规相干求和，其可使噪声以及不在观察方向上的干扰响应最小，使信号与干扰噪声比增益最大。

4.2 声学基阵方位补偿方法

声学基阵理想情况是基阵处于水平状态，但在海上实际使用时，由于海流和浮标的作用，声学基阵会横摇和纵摆，相对与水平面会产生倾角。通常进行波束形成时，延时时间是按声学基阵处在水平面计算的。如果声学基阵与水平面产生较大倾角，波束形成估算的目标方位会出现偏差。为此需要对声学基阵进行方位补偿，保证声基阵正常工作。

声学基阵方位补偿方法如下：

(1) 声学基阵上安装一个电子罗盘，电子罗盘可以实时给出声学基阵相对于水平基准面偏角的变化。

5 湖试结果分析

2014年6月，在千岛湖上进行了一次湖试。湖试的目的是验证声学基阵的装配性，布放、回收演练；测试系统硬件平台的总体性能，以及验证信号处理算法和声学基阵方位补偿方法的有效性和可靠性。

试验系统框图如图12所示。声学基阵布放到水下15 m，通过四根电缆将信号连接到信号采集处理机。声学基阵上系两根绳子，用来调节声学基阵的横摇和纵摆，距离30 m处(与声学基阵180°方向)布放一个发射换能器，通过信号源和功率放大器来发射模拟的舰船噪声信号。

声学基阵处于水平位置时，声学采集系统探测到目标，方位估计角度为180°方向，与目标实际方位一致。增大换能器与声学基阵之间的距离，当距离达到8 km时，声学采集系统仍可以有效探测到目标，系统满足设计指标要求。调整声学基阵上的绳子，使声学基阵处于不同的横摇角和纵倾角，声学采集系统均能够探测到目标，说明方位补偿方法是有效的。

图12 湖试试验系统框图

图13为横摇44°、纵摆16°目标角度估计对比图。图13中1代表未补偿的方位历程，3代表补偿后的方位历程，2代表未补偿的方位判别结果，4代表补偿后的方位判别结果。补偿后的方位判别结果与目标真方位基本相同。

图13 声学基阵横摇44°，纵摆16°，姿态修正前后检测结果对比

6 结论

湖试试验结果表明，声学采集系统的硬件可靠、探测目标和方位估计算法工作正常，达到了预期要求；声学基阵装配方便，布放和回收方案可行；声学基阵方位补偿方法有效。因此，该套声学采集系统达到设计要求，可进行下一步工作验证。

目前，该声学特征采集系统已在我国特定敏感区域开展的维权执法目标探测识别与信息传输技术的信息综合监视中示范应用。

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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

海洋公益性行业科研专项经费项目(201005001)

王麟煜(1972－), 男, 北京人, 博士, 研究方向为信号与信息处理。

黄海宁,E-mail: wlyhyh@163.com