阅读说明：本技术 一种海洋环境噪声测量系统 (Marine environment noise measurement system ) 是由 王茂法 于 2020-06-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种海洋环境噪声测量系统,用于水下观测平台检测海洋环境噪声,包括噪声测量水听器、测量采集功能板、数据分析软件,所述噪声测量水听器通过穿舱缆与所述测量采集功能板相连,所述采集功能板与水下观测平台外部相连,所述噪声测量水听器、测量采集功能板安装水下观测平台上且相互间电性相连,所述数据分析软件获取测量采集功能板采集的信息对海洋环境噪声数据进行分析。采用本发明提供的海洋环境噪声测量系统采集海洋环境噪声,更好的为完善海洋环境噪声的模型、建设海洋环境噪声数据库、深入研究海洋环境噪声提供服务。(The invention discloses a marine environment noise measurement system, which is used for detecting marine environment noise by an underwater observation platform and comprises a noise measurement hydrophone, a measurement acquisition function board and data analysis software, wherein the noise measurement hydrophone is connected with the measurement acquisition function board through a cabin-penetrating cable, the acquisition function board is connected with the outside of the underwater observation platform, the noise measurement hydrophone and the measurement acquisition function board are arranged on the underwater observation platform and are electrically connected with each other, and the data analysis software acquires information acquired by the measurement acquisition function board to analyze marine environment noise data. The marine environmental noise measurement system provided by the invention is used for collecting marine environmental noise, and better provides services for perfecting a model of the marine environmental noise, building a marine environmental noise database and deeply researching the marine environmental noise.)

一种海洋环境噪声测量系统

技术领域

本公开涉及海洋技术领域，尤其涉及水声工程和声纳技术，具体为一种海洋环境噪声测量系统。

背景技术

在海洋环境中，海面风浪、海洋生物活动、海上航运等和水下航行器活动等自然与人为活动引起的声波，在其传播过程中与海面、海底、水体等发生相互作用形成了一个复杂的海洋环境噪声背景场。通过采集海洋环境噪声数据，可以得到其声源级、频谱特征和LOFAR谱图。海洋环境噪声中蕴藏了丰富的水中和水面甚至海底的特性信息，无论是潮汐、海洋湍流等引起的噪声，海洋生物活动引起的噪声，地壳运动及海底火山活动引起的噪声，降水引起的噪声还是由人类的海洋活动引起的噪声，都能会在海洋环境噪声背景场中留下痕迹。

研究海洋环境噪声，不仅能对海洋科学研究有一个深入的了解，更好的开发利用海洋资源；更能够了解人为活动对海洋的影响，保护海洋生态环境；还能够保证海洋航行安全，维护国家海洋主权。因此，开展海洋环境噪声的研究工作非常重要，包括但不限于：构建海洋环境噪声的模型，建立海洋声学数据库，研究人为噪声对海洋生物行为的影响等。

对海洋环境噪声进行采集、存储与分析的工作是开展上述工作的前提。近年来，世界各国加强了对发展海洋环境噪声采集装置的研究和开发工作，我国在这方面的研究仍处于起步阶段。因此，如何实现准确、高效、长时间的采集和存储海洋环境噪声，并能够对数据进行分析研究，是本领域技术人员等待解决的问题。

发明内容

鉴于背景技术存在的不足，本发明涉及一种海洋环境噪声测量系统，根据上述问题，提供了一种海洋环境噪声测量系统，所述测量系统能够长时间、大范围的采集海洋环境噪声，并对采集到的信号进行放大、滤波、转换和存储；能够分析海洋环境噪声数据，计算声源级,对数据的时域、频域、三分之一倍频程和LOFAR谱图进行可视化分析，达到系统的采集、存储和研究海洋环境噪声的目的。

本发明涉及一种海洋环境噪声测量系统，用于水下观测平台检测海洋环境噪声，其特征在于：包括噪声测量水听器、测量采集功能板、数据分析软件，所述噪声测量水听器通过穿舱缆与所述测量采集功能板相连，所述测量采集功能板与水下观测平台外部相连，所述噪声测量水听器、测量采集功能板安装水下观测平台上且相互间电性相连，所述数据分析软件获取测量采集功能板采集的信息对海洋环境噪声数据进行分析。

通过采用上述方案，所述海洋环境噪声测量系统用于采集海洋环境噪声信号，将海洋环境噪声从声信号转换为电信号，对所述海洋环境噪声信号进行初步处理并存储到SD卡中，并能够对海洋噪声数据进行处理分析，可视化显示结果。

作为优选，所述噪声测量水听器采用压电圆管式水听器且设置有四路，每路噪声测量水听器可选择配置，所述噪声测量水听器将海洋环境噪声信号转换为模拟信号形式发送给所述测量采集功能板。

通过采用上述方案，所述噪声测量水听器，用于采集范围内的海洋环境噪声信号，并转换为模拟信号形式，将模拟信号发送给所述测量采集功能板；所述噪声测量水听器，可安装在测量采集平台外部，通过穿舱缆与所述测量采集功能板连接。所述测量采集功能板与所述噪声测量水听器通过穿舱缆相连，为所述噪声测量水听器提供工作电源并接收所述噪声测量水听器发送的噪声信号，对噪声信号初步处理后进行本地存储；所述测量采集功能板可与外部设备进行通信、接收指令和发送数据。

作为优选，所述测量采集功能板包括程控增益放大模块、低通滤波模块、模数转换模块、MCU模块、存储模块、RTC模块、供电模块和RS232串口模块，模块与模块间电性相连。

作为优选，所述程控增益放大模块接收所述噪声测量水听器发送的模拟信号形式的海洋环境噪声信号，对信号进行增益放大，并将信号传递给所述低通滤波模块，所述程控增益放大模块的信号处理方法中增益放大倍数可以调节，支持单电源3V、5V和±5V三种供电方式。

作为优选，所述低通滤波模块接收所述程控增益放大模块传来的模拟信号形式的海洋环境噪声信号，滤除高于1/2采样频率的高频成份，并将信号传递给所述模数转换模块。

作为优选，所述模数转换模块接收所述低通滤波模块传来的模拟信号形式的海洋环境噪声信号，使得信号从模拟信号转换为数字信号，并将信号传递到所述MCU模块，所述模数转换模块采用24bit四通道同步采样，采用SPI接口与所述MCU模块连接。

作为优选，所述数据分析软件包括以用户主界面、功能选择、显示控制、工作模式切换、数据读取、数据分析、数据可视化、界面截图保存、数据可视化，所述数据分析软件采用多线程设计结构，由一个主线程：数据分析处理，两个次线程组成：数据拼接处理、数据显示处理。

作为优选，所述测量采集功能板被配置为自带RTC模块(实时时钟芯片)，提供精确的实时时间；当断开外部电源后，使用备用电源为RTC模块供电。

作为优选，所述数据分析软件包括以用户主界面、功能选择、显示控制、工作模式切换、数据读取、数据分析、数据可视化、界面截图保存、数据可视化，所述数据分析软件采用多线程设计结构，由一个主线程：数据分析处理，两个次线程组成：数据拼接处理、数据显示处理。

作为优选，所述数据分析软件采用降采样处理策略，提高可视化显示的流畅性以及数据的无失真性，所述数据分析软件做了防止系统崩溃的机制，不当的输入参数，以及不当的操作行为，都会出现相应的提示或警告。

作为优选，所述数据分析软件包括两种模式：多机通信和本地单机处理，通过不同的模式进行读取声源级，实现对数据的的时域、频域、三分之一倍频程和LOFAR谱图的可视化分析，并且能实现对于显示的暂停、继续、积分时间和各个通道灵敏度的参数控制的处理。

本公开的发明有益效果如下：所述噪声测量水听器用于采集海洋环境噪声信号，并将信号传递到测量采集功能板；测量采集功能板利用外部提供的电源工作，并为噪声测量水听器供电；对所述噪声测量水听器传来的信号进行放大增益、低通滤波、模数转换后存储到SD卡中；能够接收上位机发送的指令信号，进行初始化操作，并可通过RS232接口将数据传递给上位机；数据分析软件能够对存储的环境噪声数据进行可视化分析和研究。采用本公开的实施例提供的海洋环境噪声测量系统能够完成对海洋环境噪声数据的采集、存储和分析，所述测量系统可安装在水下测量采集平台上，可以更好的为开展海洋环境噪声的采集工作提供帮助；所述数据分析软件可对海洋噪声数据进行分析研究，并以可视化形式展示出来，达到系统的采集、存储和研究海洋环境噪声的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是根据示例性实施例的海洋环境噪声测量系统的结构示意图。

图2是根据示例性实施例的水听器结构尺寸示意图。

图3是根据示例性实施例的测量采集功能板的模块组成示意图。

图4是根据示例性实施例的程控增益模块功能示意图。

图5是根据示例性实施例的低通滤波模块功能示意图。

图6是根据示例性实施例的SD卡存储工作流程示意图。

图7是根据示例性实施例的RTC模块功能示意图。

图8是根据示例性实施例的供电模块功能示意图。

图9是根据示例性实施例的数据分析软件功能模块图。

图10是根据示例性实施例的数据分析软件数据处理流程图。

附图标记，1、噪声测量水听器；11、黑色橡胶部分；12、金属部分；2、测量采集功能板；21、程控增益放大模块；22、低通滤波模块；23、模数转换模块；24、MCU模块；25、存储模块；26、RTC模块；27、供电模块；28、RS232串口模块；3、数据分析软件。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作作为优选解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。本公开实施例所提供的技术方案涉及到海洋环境噪声测量系统。本公开的实施例的目的是提供一种海洋环境噪声测量系统，所述噪声测量水听器1测量能够采集海洋环境噪声，测量采集功能板2对采集到的信号进行放大、滤波、转换和存储；数据分析软件3能够分析水听器数据，获得声源级,对数据的时域、频域、三分之一倍频程和LOFAR谱图进行可视化分析，达到系统测量、分析和研究海洋环境噪声的目的。

为使本公开的实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本公开的实施例作进一步详细的说明。

本发明的实施例参照图1所示，所述海洋环境噪声测量系统包括：噪声测量水听器1(1～4路可选择配置)、一块测量采集功能板2和一款数据分析软件3。

所述噪声测量水听器1均与测量采集功能板2相连，用于采集所在位置的海洋环境噪声数据，并将噪声信号转换为电信号，将信号发送给所述测量采集功能板2。

所述测量采集功能板2与所述噪声测量水听器1通过同轴电缆连接，用于为所述噪声测量水听器1提供工作电源，并接收所述噪声测量水听器1发送的电信号，经过增益放大、低通滤波和模数转换，提取信号中的海洋环境噪声数据，进行本地存储。

所述噪声测量水听器1采用压电圆管式水听器作为海洋环境噪声采集系统。所述压电圆管式水听器具有灵敏度响应平坦、性能稳定和结构简单的特点。

参照图2所示，所述噪声测量水听器1总长为91mm，黑色橡胶部分11长52.5mm，直径22.6mm，下端金属部分12长38.5mm，直径16.6mm，总重量为100g(±5g)。其中黑色橡胶部分11为换能器核心部件，安装时不能遮挡和受力。

所述噪声测量水听器1的底面预留接口与同轴电缆对接，同轴电缆线直径8.6mm。每个水听器接口为4根线：2根信号线，1根28V电源线和1根地线。

所述噪声测量水听器1具有如下技术指标，灵敏度-196dB，自噪声由于0级海况，一级前放50倍，可在水下1500m深度以上工作。

所述噪声测量水听器1的作用是感知海洋环境噪声信号，进行声电转换，变成模拟信号，传送给所述测量采集功能板2。

作为优选，所述噪声测量水听器1的安装位置分别测量采集平台外部，并在噪声测量水听器1外部增加流线型导流罩，较少水动力噪声影响，保证噪声测量效果。

参照图3所示，所述测量采集功能板2所具有的性能指标：采用直流24V供电，功耗小于1瓦；附带RTC电路提供实时时间；噪声采集频带优于10Hz-25kHz；采用4路24bit AD同步采集通道，采样率75ksps；采用程控增益放大，步进6dB；可选择存储4路中的任意几路数据；采用RS232串口命令控制收发。

所述测量采集功能板2包括程控增益放大模块21、低通滤波模块22、模数转换模块23、MCU模块24、存储模块25、RTC模块26、供电模块27和RS232串口模块28。

所述程控增益放大模块21，用于接收所述噪声测量水听器1发送的环境噪声信号，对信号进行增益放大，并将信号传递给所述低通滤波模块22；

所述程控增益模块是一款两通道3bit数字增益控制器，占用很少的PC板空间，支持单电源3V、5V和±5V三种供电方式；两通道分别用作差分信号的正负两路信号，采用单电源5V的供电方式，输入端2.5V偏置电压可由外部5V电源分压提供。

参照图4所示，所述程控增益芯片包括两个轨对轨输出的匹配反相放大器，即使工作在单位增益，轨对轨对输入信号仍然起作用。通常运算放大器的输出电位只能在大于负电源某一数值到小于正电源某一数值这一区间内进行变化。但轨对轨放大器的输出电位最小可以达到负电源的值，最大可以达到正电源的值，这样就增加了放大器的动态范围。

程控增益芯片的两个通道的匹配增益都可以通过3位数字输入管脚(G0、G1、G2)进行编程控制，分别有(0、1、2、4、8、16、32、64)8档负增益可调。

参照图5所示，所述低通滤波模块22接收所述程控增益放大模块21传来的海洋环境噪声信号，滤除高于1/2采样频率的高频成份，并将信号传递给所述模数转换模块23。所述模数转换模块23采用ADS1274芯片，可进行24bit的4通道同步采样，接收所述低通滤波模块22传来的海洋环境噪声信号，将所述信号从模拟信号转换为数字信号，采样率为75ksps，并将海洋环境噪声信号传递到所述MCU模块24；所述模数转换模块23与所述MCU模块24之间采用SPI接口连接。

参照图6、图7所示，所述MCU模块24接收所述模数转换模块23传来的海洋环境噪声信号并按照协议存储到存储模块25中的SD卡中；所述MCU模块24接收并执行上位机传来的指令，与上位机进行信息交互；所述MCU模块24与所述RTC模块26连接，可以对所述程控增益放大模块21进行控制；

所述存储模块25接收所述MCU模块24传来的海洋环境噪声信号，存储到SD卡中；所述存储电路由两张容量为512GB的SD卡组成，通过开关连接到MCU的总线上，可实现两张SD卡分时操作。

所述RTC模块26采用PCF2129AT，该芯片内置±3ppm高精度振荡源。RTC通过I2C接口连接到MCU。所述RTC模块26备用电源采用微型可充电电池。

参照图8所示，所述供电模块27，连接外部供电电压为24V的电路，通过供电模块27中的DCDC、LDO芯片转换出所需要的电压，其中5V电源主要用于模数转换模块23中芯片的模拟电源，1.8V主要用于模数转换模块23芯片的数字电源，2.5V主要用于模数转换模块23芯片的参考电源，3.3V电源分别用于MCU模块24和模数转换模块23的芯片IO电源以及RTC模块26芯片、RS232串口转换芯片等。

所述RS232串口模块采用MAX3221，是一款低功耗TTL转RS232电平转换芯片。数据分析软件3可以进行多机通信，以及本地单机处理两种工作模式，实现对于数据的可视化分析，将数据的时域，频域FFT，三分之一倍频程，以及lofar谱图，可视化展示出来，并且实现对于显示的暂停、继续、积分时间、各个通道灵敏度的参数控制处理，以便更好的实现对于数据的分析。

参照图9、图10所示，软件模块包含如下：用户界面，功能选择，显示控制，实时还是离线处理选择，数据读取，数据分析，数据保存，界面截图保存，数据可视化等多个模块。各个模块之间紧密联系，例如根据实时还是离线处理模式的选取，决定后续对于数据的处理方式；根据显示波形的选择，进行不同的处理展示不同的波形。系统采用多线程设计结构，由一个主线程，两个次线程组成。使用线程可以把占用内存时间长的操作独立处理运行，避免了单一线程出现卡顿，以及处理能力不足的问题。

数据显示方面考虑到显示的效率以及数据不失真，在经过计算测试，最后定下了一套降采样处理策略，实现了绘图的流畅性以及数据显示的无失真性。

为了降低整个系统的耦合性，将数据分析处理，数据拼接处理，以及数据显示处理分开为三个线程独立运行。其中数据拼接处理部分有两个用途，在实时模式下，对于UDP发送过来的数据进行拼接成完整数据，发送到主线程显示处理；在离线模式时候，接收由数据处理线程处理好的数据，进行拼接完成，再发到主线程显示。系统本身考虑到不当的输入参数，以及不当的操作行为，在相应的不当操作，都会出现相应的提示或警告，不会由于不安全参数，导致系统崩溃。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。