隨著水聲技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)手段成為海洋聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)和目標(biāo)識(shí)別的主要方式，在海洋斗爭(zhēng)和海洋安全維護(hù)中扮演重要的角色。聲吶探測(cè)分為被動(dòng)探測(cè)和主動(dòng)探測(cè)2種方式，準(zhǔn)確獲知海洋背景噪聲、艦船噪聲和目標(biāo)回波是聲吶正常工作的前提。近年來(lái)，海洋浮標(biāo)日漸受到關(guān)注和重視，不僅對(duì)通用浮標(biāo)的各方面性能進(jìn)行研究，也研發(fā)了很多領(lǐng)域的海洋專用浮標(biāo)。

相比艦/船載水聲測(cè)量設(shè)備，水聲浮標(biāo)遠(yuǎn)離母船自噪聲，可以在無(wú)人值守的海洋環(huán)境中自動(dòng)、長(zhǎng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)手段都無(wú)法實(shí)施監(jiān)測(cè)的時(shí)候，水聲浮標(biāo)依然能夠有效工作，成為主要水聲測(cè)量設(shè)備之一。目前，水聲浮標(biāo)已得到擁有海洋領(lǐng)域國(guó)家的高度重視，將在未來(lái)海洋軍事斗爭(zhēng)和海洋防御中扮演重要角色。
目前已有的水聲浮標(biāo)以被動(dòng)浮標(biāo)為主，體積大、功耗高、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)導(dǎo)致浮標(biāo)布放困難、單次持續(xù)工作時(shí)間較短、造價(jià)高，單一測(cè)量模式也大大限制了水聲浮標(biāo)的應(yīng)用和發(fā)展。為了更加精確地測(cè)量海洋背景噪聲、艦船噪聲和目標(biāo)回波，開(kāi)展水聲浮標(biāo)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)的研究刻不容緩。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種體積小、簡(jiǎn)單便攜、功耗低、成本低的多模式水聲監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，高效監(jiān)測(cè)、分析、研究水下背景噪聲場(chǎng)，并根據(jù)海洋水聲場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋目標(biāo)識(shí)別和探測(cè)，使水聲浮標(biāo)具有更高的便攜性、合理性、穩(wěn)定性和高效性。

一、總體設(shè)計(jì)

⒈系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水聲浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)主要具有3個(gè)功能。

⑴多節(jié)點(diǎn)多通道

水聲浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)包括多個(gè)浮標(biāo)，在信號(hào)采集過(guò)程中，每個(gè)浮標(biāo)是一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)；每個(gè)浮標(biāo)可以采集多路信號(hào)，每路信號(hào)稱為一個(gè)通道。這樣的設(shè)計(jì)是為了在使用的過(guò)程中可以根據(jù)具體需求形成二維陣列，用于主動(dòng)聲吶可以有效地抑制混響，提高信噪比。

⑵多模式

多模式是指具有多種觸發(fā)方式，可根據(jù)情況應(yīng)用于不同實(shí)驗(yàn)中。本系統(tǒng)設(shè)置多種觸發(fā)方式：

①通道觸發(fā)。設(shè)置其中一路信號(hào)為觸發(fā)通道，當(dāng)觸發(fā)通道的電平達(dá)到預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)電平時(shí)，所有浮標(biāo)的通道開(kāi)始同步采集信號(hào)，該同步精度達(dá)到1ms。

②手動(dòng)觸發(fā)。即軟件觸發(fā)，按下按鈕時(shí)各通道開(kāi)始同步采集數(shù)據(jù)，這種采集方式多用于被動(dòng)聲吶。

③GPS觸發(fā)。由于多個(gè)浮標(biāo)之間距離較遠(yuǎn)，通過(guò)線路連接無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確同步，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)GPS進(jìn)行時(shí)間同步，設(shè)定開(kāi)始采集時(shí)刻，到達(dá)該時(shí)刻各個(gè)浮標(biāo)同時(shí)開(kāi)始采集信號(hào)。

⑶無(wú)線通信

本系統(tǒng)在岸基和各個(gè)浮標(biāo)之間建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方便數(shù)據(jù)傳輸，不再需要回收浮標(biāo)獲取數(shù)據(jù)，可以在最短的時(shí)間內(nèi)分析數(shù)據(jù)，調(diào)整測(cè)量方案，并且可以及時(shí)清理浮標(biāo)的存儲(chǔ)空間，避免內(nèi)存溢出。

⒉系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

水聲浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)可擴(kuò)展的浮標(biāo)和控制軟件組成。用戶通過(guò)遠(yuǎn)程控制可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)、多通道數(shù)據(jù)同步采集、實(shí)時(shí)分析以及遠(yuǎn)程傳輸。
水聲浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，主要由浮標(biāo)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(yuǎn)程控制軟件，分別運(yùn)行于浮標(biāo)和用戶PC上；浮標(biāo)子系統(tǒng)由浮標(biāo)體、控制器模塊、信號(hào)采集模塊、GPS模塊、無(wú)線通信模塊、供電模塊和傳感器模塊組成。

浮標(biāo)子系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)，水聽(tīng)器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)阻抗轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊后被存儲(chǔ)在控制器中，GPS模塊為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間和地理位置，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嵌入式控制軟件運(yùn)行于浮標(biāo)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集記錄數(shù)據(jù)、接收GPS 信號(hào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，遠(yuǎn)程控制程序運(yùn)行于用戶PC，用戶通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)發(fā)送指令、設(shè)置參數(shù)等，相反浮標(biāo)子系統(tǒng)向用戶傳輸系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)狀態(tài)，傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

浮標(biāo)電子艙由控制器、阻抗轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)采集模塊、GPS 模塊、水聽(tīng)器和蓄電池組成為電子艙集成固定后的實(shí)物圖，電子艙內(nèi)的控制器用于數(shù)據(jù)從下位機(jī)到上位機(jī)長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)匯總，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分析和存儲(chǔ)。阻抗匹配模塊、信號(hào)采集模塊和GPS 模塊安裝在控制器中，如圖6所示。信號(hào)采集模塊輸入端連接水聽(tīng)器接收電信號(hào)，輸出端連接至阻抗匹配板卡的輸入端進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，GPS板卡連接GPS天線接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(jī)通信。

浮標(biāo)實(shí)體，標(biāo)體材料為不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性，標(biāo)體設(shè)計(jì)為220mm×350mm的圓柱殼，壁厚10mm，上蓋板可拆卸，并固定有GPS天線、Wifi天線和源開(kāi)關(guān)，底板連接4個(gè)水聽(tīng)器。為了增高重心位置，降低浮標(biāo)橫向搖擺固有頻率，在浮底部安裝浮標(biāo)腿。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件基于Labview圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的在線采集和分析。包括上位機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件和下位機(jī)嵌入式軟件，如圖7所示。上位機(jī)控制程序通過(guò)TCP/IP 技術(shù)完成系統(tǒng)配置、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)下載，并通過(guò)界面實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。下位機(jī)程序分為實(shí)時(shí)控制程序和FPGA數(shù)據(jù)采集程序。FPGA程序驅(qū)動(dòng)阻抗模塊、數(shù)據(jù)采集板卡和GPS板卡分別實(shí)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(shí)間對(duì)標(biāo)。實(shí)時(shí)控制程序模塊完成系統(tǒng)自檢、通訊對(duì)標(biāo)、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)控制程序界面，界面由系統(tǒng)設(shè)置、浮標(biāo)位置分布圖、實(shí)時(shí)波形圖、頻譜和指示燈等部分組成，其中系統(tǒng)設(shè)置包括網(wǎng)絡(luò)連接、工作模式設(shè)置、采集設(shè)置、FFT 設(shè)置、數(shù)據(jù)下載以及GPS信息。

四、系統(tǒng)測(cè)試

⒈實(shí)驗(yàn)儀器布放

水下目標(biāo)被動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)是通過(guò)在不同的位置布置水聽(tīng)器，將各個(gè)位置接收到的水下聲信號(hào)做波束形成信號(hào)處理，從而確定聲源位置。一般用二維水聽(tīng)器陣列確定聲源的三維位置，在此實(shí)驗(yàn)中每個(gè)浮標(biāo)連接4個(gè)水聽(tīng)器組成1個(gè)垂直水聽(tīng)器陣，垂直水聽(tīng)器陣確定聲源的深度；布放多個(gè)浮標(biāo)，各個(gè)浮標(biāo)相同深度的水聽(tīng)器組成水平水聽(tīng)器陣，水平水聽(tīng)器陣確定聲源在水平方向具體位置。


水下目標(biāo)被動(dòng)定位的實(shí)驗(yàn)儀器布放，信號(hào)發(fā)生器發(fā)生的信號(hào)通過(guò)功率放大進(jìn)行放大，再通過(guò)發(fā)射換能器轉(zhuǎn)化為聲波發(fā)射，使用頻率為1kHz的發(fā)射換能器，布放深度為水下8m，每個(gè)浮標(biāo)的布放位置和多基地目標(biāo)回波測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的位置相同，每個(gè)浮標(biāo)底部安裝4個(gè)水聽(tīng)器，4個(gè)水聽(tīng)器共線，和水面距離分別為7m，7.5m，8m和8.5 m。4個(gè)浮標(biāo)和岸基的服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。

⒉實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)量

用頻率為1kHz的發(fā)射換能器發(fā)射表2所示參數(shù)的信號(hào)，采樣率、采集方式、采集時(shí)間長(zhǎng)度等參數(shù)

⒊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以辨別聲波第1次到達(dá)水聽(tīng)器、聲波經(jīng)過(guò)水面反射和聲波經(jīng)過(guò)水底反射的波形。其中4號(hào)、3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)水聽(tīng)器分別位于距離水面7m，7.5 m，8m以及8.5m的位置，各個(gè)水聽(tīng)器的波到達(dá)時(shí)間稍有不同。根據(jù)波束形成的理論，將第2、第3 和第4水聽(tīng)器分別按相應(yīng)的時(shí)延對(duì)齊，對(duì)齊后的4個(gè)水聽(tīng)器信號(hào)相加，計(jì)算每個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的能量輸出。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理具體流程。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)處理過(guò)程，得到各個(gè)浮標(biāo)的角度-距離譜?？梢郧宄乜吹街边_(dá)波、水面反射波以及水底反射波達(dá)到水聽(tīng)器時(shí)走過(guò)的路程長(zhǎng)度。

根據(jù)各個(gè)浮標(biāo)直達(dá)波的到達(dá)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(dá)角度和聲波傳播路程可以計(jì)算得到聲源和各個(gè)浮標(biāo)的水平投影距離，從而得到聲源的大概位置，計(jì)算所得的位置和聲源所處的位置基本吻合。


五、結(jié)語(yǔ)
本文從系統(tǒng)性能、工作方式、工作原理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式等方面介紹了基于CRIO平臺(tái)的水中目標(biāo)聲特性測(cè)量系統(tǒng)，并以實(shí)驗(yàn)表明測(cè)量系統(tǒng)的可行性，相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄儀，該測(cè)量系統(tǒng)具有小巧便攜、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、易于開(kāi)發(fā)新功能等優(yōu)點(diǎn)，但由于還未廣泛參與實(shí)驗(yàn)，部分細(xì)節(jié)將在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不斷改善改進(jìn)，使得該系統(tǒng)可以被普遍地使用。