CN1027990C - 潜标式水下噪声测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种海洋水声工程领域水下噪声测量装置。它是一个同时兼有自控和遥控功能的可回收潜标系统，包括水下记录和水面处理两部分。水下部分由潜标体、释放装置和锚定沉块组成，可在水深300米内长期值守工作，随时可按预编程序或水面遥控声指令实时地记录1赫至100千赫范围内的水下噪声，具有测距、导航、自动记录和故障报警功能，它随时可通过水面声指令释放回收、然后由水面系统分析处理。

Description

本发明属于一种海洋水声工程领域水下噪声测量装置，它采用可回收潜标系统测量各种海况下的海洋环境噪声和各种工况下的舰船，潜艇、鱼雷等目标水下辐射噪声。

传统的水下噪声测量方法，一是采用工作船或水面浮标悬挂或拖带方式，二是采用岸站方式（布列霍夫斯基，《海洋声学》）。前一方法中，测量水听器直接从工作船上吊入水中（周传真，《水下声系统测量装置》），或者通过减震装置拖带在船后（《中华人民共和国国家军用标准-海洋环境噪声测量》），信号通过电缆传送到工作船上进行记录和分析，也有的利用水面浮标代替工作船，测量水听器悬挂在水面浮标下面，信号通过电缆传送到水面浮标上，再通过无线电波发送到工作船或岸边实验站上进行记录和分析（专利GB2220483）上述这些方法的优点是设备比较简单，操作较易，测量直观，成本较低，适于各类海区，特别是深海区的应用。但是，这些方法，在很多情况下，很难将需要测量的噪声与各种干扰区别开。这些干扰包括工作船的机械噪声，水流流过船体或浮标体的环流噪声，海面波浪式浮体摇动引起的电缆抖动和水听器移动所产生的干扰等等，往往带来很大的测量误差，在高海况下更是无法测量。用岸站方式，测量水听器锚定在海底，信号通过海底电缆传送到岸上的测量站上进行记录分析，如大西洋水下实验与鉴定中心的水下噪声测量系统（R.J.乌立克，《水声原理》），这种方法可有效地克服上述缺点，但其工程庞大复杂，缺乏机动性，只能用于个别的近海环境和专门的试验场区。

本发明的目的在于彻底克服水下噪声测量中电 缆传输带来的弊端，提出一种由水下测量记录系统和水面信号处理系统组成的水下噪声测量系统，它采用可遥控回收的小型水下潜标，通过预编程或水声遥控方式实时记录水下噪声信号，回收后在实验室进行回放分析处理。

本发明的水下测量记录系统包括水下锚定系统和水面遥控指令器。水下锚定系统由图1所示的潜标体、释放装置（4）和锚定沉块（5）组成。潜标体为一个防腐耐压的水密桶（1），是本潜标系统的主体。为能在水下长期工作和便于投放回收，要求它有良好的水密与耐腐蚀性能，重量轻、体积小，最宜采用钛合金材料制作。桶内安装全部测量记录装置，桶体的直径由记录装置的大小决定，而高度由净浮力考虑决定，要求加载后（包括桶内装置和释放装置）在水下的净浮力在30至50公斤左右。

水密桶（1）具有水密桶盖，桶盖上装有可拆卸测量水听器和遥控/应答换能器（3）。测量水听器由两个独立的无方向性标准水听器（6）、（7）组成，球状水听器（6）测量频率范围从1赫至100千赫，适用于测量目标噪声和高海况下环境噪声，柱状水听器（7）测量频率范围从1赫至30千赫，而灵敏度比（6）高20dB至30dB，适用于测量低海况下的环境噪声。两个水听器组合在一起，通过一个金属杆（9）伸离桶盖40至50厘米，以避免桶体散射影响。测量信号经前放（8）和水密插头（10）输入桶内记录系统。遥控、应答换能器（3）用于接收水面遥控声指令，同时用于发送应答和导航声信号。

测量记录装置由前置处理单元（11）、数据记录仪（12）、同步测距装置（13）、遥控接收与应答装置（15）、控制器（14）和电池（16）组成。

水下测量记录操作全部由控制器（14）控制。它是个全CMOS电路的微处理机系统，能靠本身电池在水下连续工作三个月以上，在此期间，它按预编程序或水面遥控声指令控制测量记录操作。控制器（14）带有数字键盘和液晶显示器。在系统投放前，用户通过数字代码设置水下作业程序，每次可设置100个不同的作用，每个作业可选择不同的工作方式，水听器、开始时间和结束时间。有两种工作方式，一是立即记录方式，二是自动记录方式。自动记录方式是根据信噪比的大小来决定记录与否，水下工作如图3所示可处在三种不同的工作状态;值守状态、自动记录状态和立即记录状态。在值守状态（17），只有控制器（14）和遥控接收与应答装置（15）工作，等待水面遥控指令和判断下一次作业时间是否到达，当接收“遥控测量”指令（18）后转入自动记录状态（19），进入该状态后它先测量环境噪声级，然后计算平均信噪比，待信噪比超过6dB后自动启动记录，当信噪比降低到6dB以下后，停止记录。当接收“遥控记录”指令（20）后转入立即记录状态（21），在没有遥控指令时，控制器判断预置的作业时间是否到达（22），到达后判断预置的工作方式是否“立即记录”（23），若是，则转入立即记录状态（24）;若否，则转入自动记录状态（25）。不论在哪个状态，控制器都时刻在判断有没有“遥控关机”指令。一旦接收“遥控关机”指令，系统立即回到值守状态（17），在（24）、（25）状态到达作业结束时间亦回到值守状态（17）。

前置处理单元（11）对两个水听器（6）、（7）的信号进行选择，然后进行放大，被测噪声为准平稳随机过程，平均功率变化较慢，瞬时振幅呈高斯分布，为保证必需的记录动态和记录信噪比，采用自动变挡式的二进制数控增益放大器，用1-4秒的信号平均功率控制放大量，每级变化6dB，共16级，每秒调整一次，使输出有效值总保持在6dB范围内，放大后的信号分别通过低通滤波器和高通滤波器分为低频段和高频段两路信号给记录仪（12）记录，为完整记录被测噪声的波形，记录仪峰值量稳定在信号最大有效值的一倍至二倍左右。

记录仪（12）为多通道数据记录仪，使用盒式录象磁带作记录，记录频带从直流至100千赫。每次记录用三个低道，低频段信号用调频（FM）方式进行记录，高频段信号用直接（DR）方式进行记录，同时用一个调频通道用数写形式记录各种参数，包括记录号、作业号、记录时间、增益码和目标距离，采用磁道自动转换技术，当记录到达磁带端点时自动转换到下三个磁道作反向走带记录，使一盒磁带可来回使用多次。

遥控接收与应答装置（15）用于与水面工作船上的遥控指令器相联系，它可以接收和识别指令器发射的3个指定编码声指令，当控制器执行指定 的遥控指令后，控制器通过它向水面发送一组应答声信号，每个应答声信号为单频填充的声脉冲。当出现记录故障或磁带全部用完时，通过应答声信号向水面报警。当系统处于自动记录状态时，以同步测距的同步周期不断发射应答声信号，用作目标舰的导航信号。

同步测距装置（13）备有高精度的同步钟，预先与被测目标上的同步钟同步，测量目标噪声时，利用同步测距方法测量目标距离，距离值与噪声信号同时记录在磁带上。为保证同步测距长时间的精度，同步钟采用温控晶振制作，其精度优于5×10^-9，在9天内测距误差最大10米左右，可满足各种目标噪声测量的要求，如果测量在投放后一两天内进行，同步钟精度可以低些，可用普通晶振制作后节约电源。

电池（16）提供水密桶（1）内的全部电路的电源供应，由银锌电池组和高效碱性干电池组组成。记录仪与同步钟由银锌电池组供电，以保证必需的电流和功率，其余电路工作电流小，由于电池供给电，以降低成本。

释放装置（4）由两个并行工作的声应答释放器组成，其中任一个接收到水面遥控释放指令都能使水下系统与锚定沉块脱钩，释放装置最好采用两个不同类型的释放器组成，这样可以适应更复杂的情况，提高释放的可靠性。潜标体具有足够的净浮力，脱钩后能连同释放装置一起浮上水面。在释放回收过程中，释放器不断发出应答声信号，便于水面工作船跟踪寻找。沉块（5）为消耗性部件，释放回收时即丢弃，可采用普通的水混块，200至300公斤左右即可。

水面信号处理系统为一个由微型计算机控制的自动信号分析系统，如图4所示。计算机通过GPIB接口控制各个仪器，自动实现信号的回放与处理，进行各种谱分析，线谱提取和声源级计算。

本潜标系统可通过一般舰船投放于任意海区，潜标体可通过锚定沉块的缆绳长度定深在潜标体耐压允许的任意水深处。由于它可以远离工作船和水面，有效地避免了工作船噪声，水面波浪和电缆抖动的干扰，与岸站系统相比，其成本低廉，又具有很好的机动性、隐蔽性和适应性。它可以在任选海区测量各种水面舰船、潜艇、鱼雷等目标的水下辐射噪声，也可以利用它在港口航道上隐蔽地监测过往敌、我舰船的噪声，利用它可对任意海区的环境噪声作长期的周期性观测，不会受海面风景等恶劣气候的影响。

图1是本发明的水下锚定系统结构示意图。其中：（1）是水密桶，内装全部测量记录装置及其电源。桶盖上（3）是遥控/应答换能器，（6）～（10）是本发明的测量水听器装置，其中（6）是适用于目标噪声测量的球状水听器，（7）是适用于低海况环境噪声测量的高灵敏度柱状水听器，（8）是前放室，（9）是伸长杆，（10）是水密插头。（4）是释放装置，（5）是沉块。（2）是水密桶与释放装置之间的连结缆绳，为减小缆绳摩擦振动带来干扰噪声，采用尼龙缆绳，长5米左右。沉块（5）与释放装置（4）之间用尼龙绳或钢丝绳连结，其长度依海区深度和工作深度而定。

图2是本发明的水下测量记录装置框图。（6）、（7）是两个测量水听器，（11）是前置处理单元，（12）是记录仪;（13）是同步测距装置，它利用水听器（7）作同步声接收器;（14）是微处理机控制器，它控制其它各部分的工作，同时提供参数信息，由记录仪记录;（15）是遥控接收与应答装置，由遥控/应答换能器（3）作遥控指令接收器和应答声发射器。

图3是本发明的水下测量记录装置工作流程图。开始时它处于值守状态（17），它先判断是否接收到“遥控测量”指令（18）。若是，转入自动记录状态（19）;若否，再判断是否接收到“遥控记录”指令到达预编程作用时间（22）。若否，则返回值守状态（17）;若是，判断预置的工作方式是否为“立即记录”方式。若是，则转入立即记录状态（24）;若否，则转入自动记录状态（25）。（19）和（21）是通过“遥控关机”指令结束并返回值守状态（17），而（24）、（25）通过“遥控关机”指令或预置的作业终止时间返回到值守状态（17）。

图4是本发明的水面信号处理系统框图。其中，（26）是数据记录仪用于回放水下记录，当水下记录用的记录仪（12）相同，只是它还带有GPIB接口，可以由外接计算机控制。（27）是带通滤波器，用于直接进行倍频程或1/3倍频程谱分析。（28）是高分辨频谱分析仪。（29）是十六位微型计算机，内含GPIB接口板（32），高速A/D变换板（33）和RS-232C接口板（34）。 （30）是打印机，（31）是绘图仪，计算机（29）通过GPIB总线控制各仪器，记录仪（26）回放的噪声测量信号可以直接送滤波器（27）或频谱仪（28），得到初步谱结果，再通过GPIB总线送计算机进一步处理，也可以直接通过高速A/D变换板（33）由计算机分析。回放的参数信息则经RS-232C接口（34）送计算机处理。最后结果由打印机（30）和绘图仪（31）给出。

本发明的一个具体实施例在于：潜标体采用纯钛水密桶，外径60厘米，高（连盖）1米，壁厚0.5厘米，内加加强筋，耐压37.5大气压以上，可工作在300米内水深处。桶体净重约80公斤，加载后（包括桶内设备和释放装置）在空气中约230公斤，在水下有50公斤左右的净浮力，测量水听器（2）由一个PZT-5材料的多级分段径向极化圆环式柱状水听器作环境噪声测量水听器（7），由一个PZT-5材料的球形水听器作目标噪声水听器（6）。前者灵敏度大于-180dB（参考级1伏/微帕，下同），频率响应10Hz

100KHz范围，后者灵敏度大于-205dB，频率响应在10Hz

100KHz范围，两者组合在一起以满足测量零级海况环境噪声至近场目标噪声的要求，用一根纯钛金属杆（9）连接伸离桶体50厘米。

桶内测量记录装置中，前置处理单元（11）通过电子开关选择水听器信号，数控增益放大器总放大量由0dB至90dB。根据信号平均功率大小，由四位二进制码控制，分16级，每级变化6dB，每秒调整一次。输出信号分为1KHz以下的低频段和1KHz以上的高频段。记录仪（12）由日本TEACXR-510C14通道数据记录仪改装而成，低频段信号由记录仪的2，5，8，11通道用FM方式记录，高频段信号由1，4，7，10通道用DR方式记录，3，6，9，12通道用FM方式记录由控制器（14）送来的数字形式的参数信息，使用普通盒式录相磁带，每盒磁带可来回使用四次，每次用3个磁道，记录带速可根据测量频带要求选择。同步测距装置（13）采用国产温控晶振，频率5MHz，精度5×10^-9，同步测距信号由水听器（7）接收，工作频率和周期可通过开关选择，遥控接收与应答装置（15）可以识别由水面遥控指令器发射的三种8位二进制编码声指令，应答信号为单频填充的声脉冲，遥控/应答换能器（3）为圆形压电换能器，伸离桶盖20厘米。控制器（14）采用8位CMOS微处理机CDP1802作CPU，用1MHz工作频率，4.5伏工作电压带12键数字键盘和6字液晶显示器。采用程序全部存在6K字节的CMOS EPOM中。电池（16）由两组45VA的银锌蓄电池和三组干电池组组成，银锌电池一组给记录仪供电，一组给温控晶振同步钟供电，三组干电池分别作值守电源、测量电路电源和应答发射电源。水下值守工作时间可达三个月以上，有效记录时间最长5小时，温控时间最长9天，可预置温控关闭时间。

释放装置（4）由一个国产电腐蚀熔断式声应答释放器和一个法国Oceano机械式声应答释放器并联组成。释放装置与水密桶之间用尼龙缆绳绳结。沿块（5）使用200公斤左右的水泥块，锚定缆绳采用普通尼龙绳。

水面信号处理系统由IBM-PC/XT微型计算机（29）、XR-510C数据记录仪（26），B&K1617带通滤波器（27）、B&K2033高分辨频谱仪（26），SR-6602六笔绘图仪（31）和M2024打印机（30）组成，计算机内带有通用的RS-232C接口板（34）和GPIB接口板（33）以及最高采样率为200KHz的8位A/D变换板（33）。系统软件配有通用的GPIB管理程序、数字信号处理基本子程序库和基本应用程序，包括谱分析、线谱提取和声源级计算等专用程序，结果以军标格式用打印机和绘图仪给出。

本实施例可应用于任意浅海区域，潜标体最大工作深度300米，测量频率范围10Hz至100KHz，测量声级范围80dB至200dB，总声级误差不大于3dB，可满足国家军标对海洋自然噪声和水面舰艇、潜艇、鱼雷等水下辐射噪声测量的要求。

Claims (9)

1、一种由水下测量记录系统和水上信号处理系统组成的潜标式水下噪声测量系统，其特征在于水下测量记录系统是由水面遥控指令器和由潜标体、释放装置(4)和沉块(5)所组成的水下锚定系统所组成；而水上信号处理系统是由带通用仪器接口的数据记录器(26)、带通滤波器(27)、高分辨率频谱分析仪(28)、16位微计算机(29)、通用仪器接口板(32)、模/数转换板(33)、串行通讯接口板(34)、打印机(30)和绘图仪(31)所组成，其中所说的潜标体是由一个内装设测量仪器的水密桶(1)，在水密桶盖外安置的水听器以及遥控/应答换能器(3)所组成，潜标体通过尼龙绳(2)将水密桶(1)、释放装置(4)和沉块(5)连接起来并放置在水下的测量深度按予编的程序或声遥控方式实时记录水下噪声。

2、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的释放装置（4）是由两个并行工作的声应答释放器组成，随时可通过水面发送任一个释放器的释放指令使水下系统与沉块脱钩浮上水面。

3、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的水密桶最好采用钛合金材料制作，加载后在水下具有30-50公斤的净浮力，释放后靠自身浮力连同释放装置浮上水面。

4、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的水下记录装置，包含有球状水听器（6）、柱状水听器（7）、前置处理单元（11）、记录仪（12）、同步测距装置（13）、微处理机控制器（14）和遥控接收与应答装置（15）。

5、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的测量水听器由两个不同用途的球状水听器（6）和柱状水听器（7）组成，通过一个金属杆（9）和水密插头（10）固定在水密桶（1）的桶盖上，与桶体距离40至50厘米，水听器（6）适用于测量目标噪声，水听器（7）适用于测量海洋环境噪声。

6、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的前置处理单元（11）采用自动变挡式的二进制数控增益放大器，用1至4秒的信号平均功率控制放大量，每秒调整一次，每级变化6dB，共16级，放大后信号分高、低两个频段进行模拟记录。

7、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的记录仪（12）采用多通道数据记录仪，用盒式录象磁带进行记录，每次记录使用三个磁道，利用磁道自动转换技术，使一盒磁带来回使用多次。

8、按照权利要求1所说的系统，其特征在于所说的水下记录可以按信噪比的变化对目标噪声实现自动记录。

9、按照权利要求5所说的系统，其特征在于所说的同步测距装置在测量目标距离时，是利用与测距同步的声应答信号作目标导航信号。

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