波浪滑翔器智能海洋環境噪聲觀測系統

孫秀軍，張海嵩，桑宏強，周 瑩，于佩元

(1.中國海洋大學海洋技術學院，山東青島 266100；2.天津工業大學機械工程學院，天津 300387；3.中國海洋大學高等研究院，山東青島 266100)

0 引 言

聲音在海水中的傳播具有衰減小、距離遠等特點，因此可利用水聲對海洋環境進行觀測。而水聲觀測需要水聲數據作為支撐，一般通過在水下布放聲學傳感器獲取水聲數據。由于水下復雜多變的環境，單純依靠水下聲學傳感器系統難以滿足工作需求。因此常見的海洋環境噪聲系統一般需要搭配海洋移動觀測平臺來使用，如科考船以及水下無人機器人等。由于科考船運營費用較高，需要大量的人力物力，因此越來越多的聲學觀測系統選擇搭載在無人移動觀測平臺上運行。通過搭載在無人移動觀測平臺上，海洋環境噪聲觀測系統能以更長續航、更加安全靈活的方式開展環境噪聲觀測工作。

當前常見的海洋無人移動觀測平臺有浮標(Buoys)、水下滑翔機(Underwater Glider)和波浪滑翔器(Wave Glider)等[1-3]。這幾種平臺都可搭載水聲采集系統，進行海洋環境噪聲的觀測測量。其中，搭載聲載荷的浮標平臺可進行多剖面的移動觀測，在剖面浮標上浮至水面時還可利用衛星通信模塊與遠程岸基通信，具有長時間、多剖面的聲學觀測能力，但剖面浮標的上浮和下潛階段依賴于油泵電機工作，對聲學觀測會帶來一定的干擾[4]。聲學滑翔機通過改變自身浮力實現上浮下潛，利用兩側水翼獲得水動力，通過改變重心實現滑翔運動，具有大尺度的海洋移動觀測能力，當搭載上聲載荷后，也需要考慮上浮下潛階段電機運作對于聲測量的干擾[5]。波浪滑翔器[1]作為一種新型的無人海氣界面觀測平臺，具有可控性高、續航時間長以及航程大等優點。由于波浪滑翔器平臺航行動力來源于波浪，平臺自身運動對聲學測量的干擾較小，并可利用太陽能為聲載荷持續供電，使得平臺十分適合用于長時間、大范圍的水聲測量工作。因此通過設計一款基于波浪滑翔器的智能海洋環境噪聲觀測系統，有助于獲取高質量的海洋環境噪聲數據。

在水聲采集系統設計上，為了長時間采集水聲數據，大量學者進行了相關研究。Marios等[6]設計了被動聲學監聽器，可搭載在ARGO浮標以及其他無人移動觀測平臺上進行實時的水聲數據記錄。Wang等[7]研制了一種由多個數字信號處理器構成的主從結構的多通道水聲采集系統，可實現數周的水聲數據連續采集。徐靈基等[8]設計了一種低噪聲、寬帶、高動態范圍的水聲接收機，可實現實時的模擬放大電路自動增益控制。趙寶平等[9]研制了以水下滑翔機為平臺，集主控、采集和存儲于一體的噪聲測量軟硬件系統。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，評估了波浪滑翔器平臺的本體噪聲特性，驗證了其搭載聲學負載的可行性。

本文設計了一款波浪滑翔器智能海洋環境噪聲觀測系統，包含低功耗水聲采集系統，并針對拖曳運行存在隱患的情況，基于平臺與水聲采集系統提出了一種配套的水聲數據冗余存儲方案，系統除常規的水聲采集存儲功能外，還可通過衛星通信實現數據回傳以及遠程控制功能，進一步提升系統的智能水平以及實用性。其中，低功耗水聲采集系統基于意法半導體產品STM32進行開發，能夠以低功耗進行單通道水聲數據的水下自容式存儲以及實時回傳，確保海洋環境噪聲測量工作的順利進行。海洋環境噪聲觀測系統通過搭載在名為黑珍珠的波浪滑翔器[11]上，進行了近海試驗。試驗結果表明：系統穩定可靠，功耗較低，能保障數據安全。

1 系統設計

1.1 系統概述

本文所設計的波浪滑翔器智能海洋環境噪聲觀測系統如圖1所示。系統結構包含以下部分：位于水下的聲學采集電子艙和單通道水聽器；位于水面船上的信號處理模塊、波浪滑翔器主控模塊以及衛星通信模塊。當平臺運動時，牽引機拖曳水下電子艙與單通道水聽器向前運動。為了減小平臺自噪聲以及平臺運動對于聲學采集的干擾，在電子艙前加裝重浮力鏈進行減振。

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

系統總體電氣工作流程如圖2所示，通過一套完整的冗余存儲系統完成聲學數據的采集存儲。水下電子艙中的水聲采集系統將單通道水聽器探頭所采集到的模擬聲學信號進行模數轉換后，存儲到電子艙內的存儲卡中或者利用網絡通信將信號回傳至水面船上的主控模塊；主控模塊進行直接存儲或實時處理后將處理結果發送至衛星通信模塊；衛星通信模塊進行數據回傳。其中，主控模塊具有平臺控制、傳感器數據記錄以及衛星通信中繼等功能，可將海洋環境噪聲譜等信息利用衛星通信回傳至波浪滑翔器岸基系統[12]。除數據回傳外，通過衛星通信可下發指令至波浪滑翔器主控系統，進行平臺導航避障控制或轉發采集指令至水下電子艙水聲采集系統，開啟或關閉水聲采集系統，設置水聲采集系統的工作模式等，通過遠程控制調整使波浪滑翔器水聲采集系統能夠較好地適應各類海洋環境噪聲采樣場景。

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

1.2 低功耗水聲采集系統設計

由于水聲采集系統主要由波浪滑翔器平臺進行供電，在平臺電能有限的情況下，設計一款功耗較低的系統有助于延長平臺的續航時間，運行范圍更廣、時間跨度更長的海洋環境噪聲觀測。進行低功耗設計時，應綜合考慮平臺航行以及水聲采集系統的功耗，設定合適可行的設計目標。以“黑珍珠”波浪滑翔器典型配置為例，平臺儲能為640 Wh，平臺自身導航通信平均功耗約為1.8 W，在陰天無光且無其他電負載的條件下，可連續工作15 d；為使平臺能夠在陰天無光天氣下進行連續10 d的海洋環境噪聲測量工作，則系統總功耗約為2.6 W，相當于聲學采集系統的連續工作功耗需小于800 mW。

基于此目標本文進行了水聲采集系統的設計研制工作。水聲采集系統主體位于水面以下，包含單通道水聽器以及由水下電子艙體保護的水下采集電路，本文主要對水下采集電路進行了設計。水下采集電路分為兩部分：(1) 前端模擬與數字混合信號電路，進行聲學信號模數轉換；(2) 后端存儲通信電路，進行原始聲學數據存儲傳輸。電路總體設計圍繞低功耗、低自噪聲以及長期續航這三個目標進行設計，包括采用合理的芯片選型，PCB布局以及阻抗匹配等技術以達成設計指標。水下采集電路構成如圖3所示。

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

1.2.1 前端模數轉換電路設計

由于本系統所采用的單通道水聽器靈敏度級為-206 dBreV·μPa-1，自帶增益為36 dB的前放電路，因此模數轉換電路主要包含了前置RC濾波電路、全差分運放電路以及模數轉換器三部分，核心器件為單通道全差分運放ADA4945以及四通道模數轉換器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，具有低直流失調電壓、低直流失調電壓漂移和出色的動態性能，適合應用于各種數據采集與信號處理應用。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，適合驅動高分辨率、高性能的模數轉換器。對于ADA4945，利用由4個電阻組成的簡單外部反饋網絡即可實現差分增益配置，而其內部共模反饋環路能有效抑制偶數階諧波失真。

ADS131A04是一款低功耗高精度，可進行四通道同步采樣、精度為24 bit的Delta-sigma模數轉換器，集成了低漂移內部參考電壓以及內部負電荷泵以獲取較高的有效分辨率。在8 kHz采樣率時，ADS131A04單通道的功耗僅為7 mW，在只采用單通道進行采集時可通過程序控制以及閑置通道接地對采樣通道數進行配置以進一步降低功耗以及通道串擾，實現性能上的優化。

1.2.2 后端存儲通信電路設計

后端存儲通信電路的設計基于的是意法半導體產品STM32F407ZGT6。這款MCU內核為cortex-M4，最高主頻可達168 MHz，支持SPI、SDIO以及ETH接口。

STM32F407ZGT6提供了一個媒體訪問控制器，可通過工業標準的獨立介質接口或縮小的獨立介質接口實現以太網通信。STM32F407需要通過一個外部物理接口設備來連接到物理總線。

硬件上，本設計采用LAN8720作為外部物理接口設備實現以太網通信。LAN8720是一款低功耗的10BASE-T/100BASE-TX物理層收發器，符合IEEE 802.3標準，支持通過一個標準的獨立介質接口與以太網通信。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協議來實現下位機與上位機的網絡通信。

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

STM32F407ZGT6有一個SD/SDIO/MMC主機接口，允許以高達48 MHz的速度傳輸數據。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文件系統實現聲學數據流的存儲。

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、模數轉換器的精度為24 bit的數據采集為例，1 s的數據量為192 kB，則單張512 GB內存卡理論上可以連續存儲至少30 d的聲學數據。并且由于采用了冗余存儲方案，通過拓展信號處理模塊的存儲空間，能進一步延長聲學采集續航時長。

1.2.3 軟件設計

水下采集電路主程序工作流程如圖6所示。系統上電后，主控芯片開始運行程序，首先進行以太網的初始化，開啟以太網通信，獲取上位機發送的采集配置指令，如ADC的采樣頻率、采樣模式指令等。此指令可通過岸基端進行遠程配置，也可設置預設參數，提高海洋環境噪聲測量工作的靈活性。在利用配置指令對ADC進行初始化后開啟采集，采集過程中通過周期性地監聽由上位機下發的傳輸指令，判斷進入存儲模式或數據回傳模式。當監聽到上位機發送的回傳指令時，進入數據回傳模式，選擇連續、周期或定時采集傳輸三種指令中的任一種采集模式，然后將原始聲學數據按照協議打包成幀，利用雙緩沖機制將數據通過以太網回傳至上位機。當上位機存滿或不再接收數據時，發送不再回傳指令，此時進入存儲模式，根據上位機配置信息初始化SD卡，選擇連續、周期或定時采集存儲，并將初始化信息回傳上位機；SD卡初始化成功后，將聲學數據通過雙緩沖機制存入SD卡。最后，定期開啟以太網回傳水下采集系統狀態以及部分聲學數據。

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 系統低功耗設計分析

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行設計，以達到系統低功耗的設計目標。首先是降低功能電路功耗：前端模擬混合信號電路采用低功耗、高性能的單通道全差分運放ADA4945以及四通道模數轉換器ADS131A04組成模擬混合信號通路，在進行單通道模數信號轉換時，典型功耗低于100 mW；后端存儲通信電路主控芯片采用STM32F407ZGT6，與常規的數字信號處理芯片TMS320C6748相比，典型功耗更低[4]；外設以太網芯片采用LAN8720，在百兆以太網全雙工通信時功耗不高于159 mW，與常見的低功耗以太網芯片相比，也有較好的性能。四款以太網芯片的功耗對比如表1所示。

表1 四款低功耗以太網芯片功耗對比Table 1 Comparison of power consumption of four lowpower Ethernet chips

在電源管理部分，由于系統功耗較低，在相同電壓條件下的電流較小，因此通過選用小電流負載條件下具有較高電源效率的DCDC電源芯片TPS560200作為系統的主要降壓芯片。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系，因此采取模擬信號通路小電阻、數字電路大電阻等方案，在系統功耗和系統自噪聲之間進行平衡。

1.3 冗余存儲方案設計

由于我國近海水下環境復雜，存在不平坦的礁石以及水下的漁網等，對水下拖曳式的設備造成了極大的威脅。如果僅采用常規聲學采集系統水下電子艙自容存儲數據的方式，當遭遇險情、拖曳繩纜斷裂時，水下采集設備以及數據都無法得到及時搶救，從而導致海洋環境噪聲測量活動失敗。針對這一情況，為了確保數據的成功回收以及系統長期穩定續航，提高系統的智能化水平，基于波浪滑翔器平臺提出了一種適配于平臺與低功耗水聲采集系統的冗余式數據存儲方案，如圖7所示。

圖7 聲學數據傳輸流程Fig.7 Flow chart of acoustic data transmission

方案中聲學數據的最終去向分為三個：水下電子艙中的SD卡、水面船上的主控模塊的SD以及云服務器端。當開啟聲學數據采集時，水下電子艙優先將聲學數據傳輸至水面船主控模塊上的SD卡進行存儲，并利用主控模塊多核多線程的特點，定期對數據進行傅里葉變換、譜級轉換后得到海洋環境噪聲譜，利用衛星傳輸至岸基服務端。在主控模塊SD卡存滿后，數據的流向轉變至水下聲學采集電路板上的大容量SD卡，并定時開啟網絡傳輸回傳至水面船主控模塊，在得到海洋環境噪聲譜后回傳至服務器端。除此之外，根據測量現場情況，可利用岸基遠程設置數據流向，使系統通過靈活可選擇的水下自容存儲、水面船主存儲以及云端服務器存儲三重冗余存儲模式充分保障數據回收的安全可靠。

表2對三種數據存儲方式的效果進行了評估。水下電子艙存儲的優點是獲取了完備的原始數據，并且由于是自容式存儲，功耗較低；缺點是水下電子艙位于水下，有丟失數據的風險，因此數據安全性較低。波浪滑翔器水面船存儲的優勢在于原始數據回傳到了水面船上，成功回收的可能性較高；不足之處是通過以太網才能進行長距離高速率的傳輸，功耗相較于水下電子艙存儲較高。云端服務器存儲的優勢在于數據存儲到了云端服務器上，通過下載數據可以直接在電腦上對數據進行遠程預覽分析；缺點是衛星通信通過以太網獲取數據，開啟衛星通信與以太網的功耗高，并且受限于衛星通信速率，回傳的數據不完整，且通信費用較高等。因此綜合數據安全、數據完整性以及功耗費用等因素，水面船存儲具有較高的數據安全性并能獲取完備的數據，功耗和費用也較低。因此，在海洋環境噪聲測量中優先考慮水面船存儲。

表2 三類數據存儲方式對比Table 2 Comparison of three types of data transmission methods

1.4 系統實物與集成

前端模擬與數字混合信號電路、存儲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。水聲采集系統與安裝于水面船的信號處理模塊實物如圖8所示。水聲采集系統安裝在水密耐壓的水下電子艙內，并通過電子艙兩端的水密接插件與水聽器、波浪滑翔器平臺建立電氣連接。

圖8 水聲采集系統及信號處理模塊電路實物圖Fig.8 The photos of hydroacoustic acquisition system and signal processing module circuit

2 試驗驗證

2.1 室內測試

為了驗證低功耗聲學采集電路的可行性，在室內搭載水聽器進行了測試。首先輸入單頻正弦波信號，測試聲學采集電路的動態特性。測試中利用信號發生源輸出峰峰值為2 V，偏置為0，頻率為3 200 Hz的正弦波信號。將此信號作為聲學采集電路的輸入信號，采樣頻率為64 kHz，測試結果如圖9所示。由圖9可以看出，采集得到的正弦信號無明顯的尖峰以及雜刺，幅度也與輸入信號相符。

圖9 頻率為3 200 Hz單頻信號輸入測試結果Fig.9 Test result of the 3 200 Hz single-frequency signal

其次進行采集系統的自噪聲測試，根據現有試驗條件對聲學采集系統以及當前市面上的自容式水聽器產品進行了室內的靜水水池測試比對試驗。試驗結果如圖10所示，其中，自容式產品的自噪聲譜在真空無振動條件下測得。由圖10可知，在測試頻段內系統自噪聲均低于0級海況，可以真實地反映海洋環境噪聲。從測試結果看，本文所設計的聲學采集系統與自容式水聽器測得的噪聲譜基本一致，說明聲學采集系統能在一定程度上能真實地恢復海洋環境噪聲。

圖10 聲學采集系統水池噪聲測試結果Fig.10 Pool-test result of the acoustic acquisition system

2.2 整機評估

水聲采集系統實測功耗如表3所示。自容式存儲模式和以太網回傳兩種模式的實測功耗都低于800 mW，滿足預期的低功耗設計指標。

表3 在自容式存儲和以太網回傳模式下的系統功耗Table 3 System power consumptions in two different modes

結合冗余存儲方案，對海洋環境噪聲測量系統進行整體評估，結果如表4所示。波浪滑翔器海洋環境噪聲測量系統的典型總功耗不高于2 565 mW，在陰天條件下可連續采集至少10 d。并且通過下發衛星指令，可設置定時采集或周期性采集，從而進一步延長測量時長。在晴天條件下，由于波浪滑翔器可利用太陽能進行平臺充能，因此限制海洋環境噪聲測量時長的因素主要在于存儲介質的容量，可通過集成大容量的存儲模組延長系統續航時間。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，可定期開啟衛星通信實時回傳海洋環境噪聲譜，實現云端服務器存儲。

表4 波浪滑翔器海洋環境噪聲測量系統續航評估Table 4 Endurance evaluation of the wave glider marine ambient noise measurement system

表5對“黑珍珠”波浪滑翔器平臺常用的3種衛星通信方式進行了聲學數據衛星回傳有效性評估。常用的衛星通信方式有北斗短報文、天通通信以及銥星9523模塊通信。由于北斗短報文的通信速率較低，因此不適合用于大規模數據量的回傳，需要在對數據進行多級處理后，回傳信息量較小的聲信號特征；天通衛星通信速率較高，理論通信速率達到9 600 bit·s-1，考慮到實際因素以及單片機中進行傅里葉變化時輸出點數一般為2N(N為自然數)的特點，因此將實際傳輸速率上限設定為8 192 bit·s-1，相當于1 s可傳輸1 024 Bytes，以64 kHz采樣率為例，如果以32 bit浮點數格式來傳輸海洋環境噪聲頻譜時，可傳輸256個頻點的頻譜分貝值，此時頻率分辨率為250 Hz；如果以8位無符號整形數形式進行傳輸，即以分貝的整數形式進行表示，對回傳的譜級信息進行壓縮，此時可回傳1 024個頻點的頻譜分貝值，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，在回傳數據量不變的前提下，進一步提升回傳頻譜的頻率分辨率；同理，如果利用銥星衛星通信傳輸上述點數的信息，至少需要4 s才能完成傳輸，實時性有所下降。

表5 3種衛星回傳聲學數據方法評估Table 5 Evaluation of three satellite echo acoustic data methods

考慮到海況以及一定海域內的帶寬有限等情況，實際情況中很可能達不到理論傳輸速率，傳輸穩定性也受到一定影響。因此在實際應用中，需要采取降低單次信息回傳的點數、增加校驗碼或者單幀分包發送等數據傳辦理方法，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)都屬于大數據量通信，功耗較高。以天通通信為例，通信開啟時的典型功耗約為6 W，持續運行將對平臺產生較大的供電負擔，為了保證平臺的長期運行，只能選擇在特定時段開啟通信，或者選擇降低通信頻次來減輕平臺負擔。

衛星通信還可用于岸基對系統進行遠程操控，提高系統的智能化水平。如檢測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續航時間等。利用波浪滑翔器平臺點位可控的特點，可遠程控制平臺對目標點位進行長期錨泊走航實現定點觀測，或者設置直線走航采集較大范圍的海洋環境噪聲，在遭遇臺風等極端險情時，可臨時變更觀測點位，提高系統存活率。結合上述分析，表6對整機性能指標進行了總結。

表6 波浪滑翔器智能海洋環境噪聲測量系統性能指標Table 6 Performance indices of the wave glider intelligent marine environment noise measurement system performance index

2.3 青島近海海上測試

在2021年12月青島近海進行了海上測試，以64 kHz的采樣率測得了海洋環境噪聲數據。海試中的聲學數據存儲在水面船上的信號處理模塊之中，降低由水下采集模塊丟失所可能帶來的數據風險。圖11和圖12分別是在實際海試時所測到的海洋環境噪聲原始時域波形以及海洋環境噪聲功率譜。

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

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

3 結 論

本文基于波浪滑翔器設計了一款具有低功耗、冗余存儲、數據安全和遠程控制等優點的智能海洋環境噪聲觀測系統。在進行水下自容式存儲時，水聲采集系統平均功耗不高于405 mW，整機總功耗為2 205 mW，在陰天無太陽可充能條件下，可連續工作12 d；進行網絡通信回傳聲學數據時，水聲采集系統平均功耗不高于765 mW，整機總功耗為2 565 mW，陰天條件下可連續工作10 d；晴天條件下，采集續航時長將由本地存儲介質決定；本地存儲介質存滿后可通過衛星回傳一定點數的海洋環境噪聲譜繼續進行測量工作；冗余存儲系統具有存儲方便的優點，可保障海洋環境噪聲觀測活動順利進行。室內測試以及海上測試結果表明，波浪滑翔器智能海洋環境噪聲觀測系統的本底噪低于0級海況，能夠真實地反映海洋環境噪聲，海試中實測數據也與文獻所測得的海洋環境噪聲基本相符，說明系統具有一定的實用性，能夠滿足海洋環境噪聲觀測需求，具有較好的應用前景。