CN105157822B - 一种由系留气球搭载的噪声采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用系留气球作为搭载平台的空中噪声采集系统。该系统可采集距地面约200米低空范围内任意点的噪声。该系统由四个部分组成：系留气球组、噪声采集装置、全站仪空间定位系统和地面供电与信号采集系统。空中噪声采集装置通过三根轻质系留缆绳与地面三个固定点相连，采用系留气球组为其提供升力，并通过全站仪对空中测点进行精确定位。根据空中测点的高度选择采用有线通讯或无线通信方式将采集数据回传。系留缆绳上缠绕有可通电导线，为噪声采集装置提供电源及有线通讯传输功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种噪声采集装置，具体涉及到一种采用系留气球作为搭载平台的空中噪声采集系统。
背景技术
城市道路系统的发展和交通车辆的剧增，逐步增大的城市噪声对人们的生活造成了极大的干扰，严重影响了城市居民的生活质量，同时引起了诸多社会问题，因此城市噪声越来越引起人们的重视。
城市交通噪声来源呈现出多样且复杂的特点。除常见的机动车噪声外，近年来我国逐步增多的轨道交通也成为一个重要的城市交通噪声源头。由于轨道交通车辆经过特定轨道桥梁时会同时产生较大的轮轨噪声和结构振动噪声，其噪声声级高且传播远，对线路周边生活居民影响极大。
与平原地区不同，噪声在山区环境中的传播特性较复杂。声波在大气环境中的发散传播将受到地形条件的影响，声波遇障碍物的反射可能引起声波的增强。由于山体的漫反射，声波在绕射时就形成了多途径的传播。因此，山区环境中噪声的传播具有显著的空间特点，对山区环境中的噪声级别需要在空间尺度上进行测量。
针对平原环境的噪声级别测量方案不适用于山区环境。因交通线路的特点，平原地区的道路线路较平直，无论地面道路还是高架桥梁，噪声的传播在线路方向具有一定的相似性，因此只需选取线路某点进行二维断面上的噪声声级采集，一般采用搭设支架方式采集线路周边一定高度范围内的噪声。而山区环境中噪声的三维空间分布较复杂，由于地面起伏不平，空中测点到地面的距离很可能超过100米，因此无法采用搭设支架的方式进行噪声采集。
发明内容
本发明目的在于突破现有噪声测试方法在城市环境中应用的限制，提出一种由系留气球搭载的噪声采集系统。有线噪声采集装置和无线噪声采集装置两种方案。
本发明中涉及计算量表1：
表1：涉及计算量清单表
其一：
一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组、有线噪声采集装置、全站仪空间定位系统、地面供电与信号采集系统。
所述系留气球组由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点，使气球组顶部在同一个水平面，从而尽可能降低各个方向的迎风面积，且保证气球提供升力的可靠性，以减轻个别气球因漏气对整个系统造成的影响。
所述有线噪声采集装置包括信标灯、声音采集仪器、万向棱镜、轻质支架和缆绳。轻质支架的顶部与万向棱镜的主轴底部固定连接，万向棱镜的主轴顶部与固定支架连接，声音采集仪器固定于支架的下部，上部固定放置信标灯。信标灯的顶部连接缆绳的下端，缆绳的上端连接系留气球组的系留绳结点。
声音采集仪器的电源线与电力供应导线相连，声音采集仪器的信号输出端与系留缆绳的数据传输线连接，声音采集仪器将采集到的声音信号转变为电信号，通过数据传输线传导至信号采集系统。信标灯是为了在夜间作业时容易被肉眼识别，有助于周边空中安全，且便于全站仪定位时的目标搜寻。由于在风的作用下气球可能会产生不确定的竖向浮动，为了避免这种上下浮动引起系绳松弛并导致过大的采集装置空间位置变化，整个噪声采集装置通过缆绳连接搭载在系留气球组下方，从而保持系留气球组升力的稳定性并实现缓冲作用。同时为了不影响真实噪声的采集，将整个噪声采集装置搭载在气球下方一定距离处，一般取系留气球组围成圆盘的直径。
为了固定噪声采集装置的位置，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接，其中I系留缆绳嵌入电力供应线，电力供应导线与地面系统的供电装置连接，给搭载在系留气球组上的设备提供电能。II系留缆绳嵌入数据传输线，与地面系统的便携式电脑连接，作为信号采集系统和噪声采集装置之间的数据传输通道，从而实现高空噪声采集与信号传输的功能。所述信标灯的电源线与声音采集仪器的电源线通过导线连接，再通过导线连接至I系留缆绳中的电力供应线。所述声音采集仪器的数据输出端通过导线与II系留缆绳的数据传输线连接。
所述全站仪空间定位系统包括全站仪、普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III。I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜I。II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的长度为L2，在II固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜II。III系留缆绳的末端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为L3，在III固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜III。
噪声采集过程中必须将声音采集仪器放置在指定的空间位置，仅由三根系留缆绳无法准确控制，因此需要全站仪进行协助指导定位。全站仪对万向棱镜以及普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。第一步，根据声音采集仪器所要达到的设计空间坐标和由现场实际情况确定出来的三个地面固定点坐标，计算出三根系留缆绳的理论长度，以此来进行初步定位。第二步，使用全站仪测量噪声采集装置上的万向棱镜的空间坐标，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行微调，从而达到准确定位的目的。
由于无法在系留缆绳表面用数字标记刻度，因此系留缆绳的表面采用多种颜色组合标记来指示其长度。颜色标记通过用不同的颜色组合来代表不同的数字，以此来标识系留绳索上的刻度值。这里采用肉眼比较容易识别的7种颜色(黑、白、红、蓝、黄、绿、紫)进行组合，一共有种组合方式。每个刻度标记间距为10cm，最大可标记504m的系绳长度。
所述地面供电与信号采集系统包括蓄电池和便携式电脑，蓄电池连接系留缆绳内置的轻质导线，直流电能通过导线传输至噪声采集装置。便携式电脑连接系留缆绳内置的数据线，接收并记录由噪声采集装置发送的信号。
当测点高度小于50m时，采用有线噪声采集装置。
系留气球搭载的噪声采集系统搭建包括以下步骤：
1)布置测点；应用声学理论建立噪声测试区域的噪声预测模型，预测该区域的声场分布情况，同时利用噪声预测模型和现场实际情况进行噪声测点布置。综合考虑数据线对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，依据测点高度采用有线数据传输系统或是无线数据传输系统。
2)计算所需气球数量，首先计算系留气球组的总浮力F总，系留气球组的总浮力F总是系留气球组搭载噪声采集装置的总质量M加上释放气球过程中地面操作人员的总拉力f拉，即F总＝M+f拉；其次根据单个气球的额定充其量m计算出一个气球的额定浮力F＝(P空-P氦)×m，其中P空为空气密度，P氦为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N，气球总浮力F总乘以安全系数再除以单个气球额定浮力F，即为
考虑到风对声音采集仪器和系留气球的影响，该采集装置只适合在风速小于5m/s的情况下进行使用。当风速为5m/s,气球迎风面积为3m2(估算得出)，由公式(C-风阻力系数，取0.5；ρ-空气密度；V-风速；A-迎风面积)计算出风对气球的水平推力为4.84N,当系留缆绳与地面夹角为60°时，则缆绳的最小牵引力为f拉＝F/cos60°＝9.68N，所以f拉一般取10N左右。根据风的正态分布曲线，取95％的保证率，同时考虑气球的漏气等情况，安全系数取1.3。
3)现场安装，利用粘性材料将按照步骤2准备的气球组合，同时使气球组顶部在同一个水平面；将系留气球组、缆绳、信标灯、声音采集仪器、万向棱镜和轻质支架依次固定连接，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接。
4)获取地面固定点的空间坐标：首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固定点I、II和III。然后在I、II和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底座上安装普通棱镜I，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II，在III固定点处的系留底座上安装普通棱镜III。最后使用全站仪进行测量，获取I固定点空间坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点空间坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点空间坐标(X3,Y3,Z3)。
5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为(X0,Y0,Z0)，I地面固定点的坐标为(X1,Y1,Z1)，II地面固定点的坐标为(X2,Y2,Z2)，III地面固定点的坐标为(X3,Y3,Z3)，则I固定点所要放出的缆绳长度：
II固定点所要放出的缆绳长度：
III固定点所要放出的缆绳长度：
6)将噪声采集装置升至目标测点，首先，根据三根系留缆绳的理论长度和I、II和III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使噪声采集装置初步达到目标测点附近；然后，在使用全站仪对噪声采集装置上的万向棱镜进行定位，得到噪声采集装置的初始位置坐标；最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使噪声采集装置准确达到目标测点。
7)进行噪声采集与数据存储；在地面的便携式电脑启动噪声信号采集系统，通过噪声采集软件进行数据采集及存储。
进一步由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：全站仪对万向棱镜以及普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。
其二：
一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组、无线噪声采集装置、全站仪空间定位系统、信号采集系统。
所述系留气球组由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点，使气球组顶部在同一个水平面，从而尽可能降低各个方向的迎风面积，且保证气球提供升力的可靠性，以减轻个别气球因漏气对整个系统造成的影响。
所述无线噪声采集装置包括信标灯、声音采集仪器、万向棱镜、轻质支架、电池、无线信号模块和缆绳。轻质支架的顶部与万向棱镜的主轴底部固定连接，万向棱镜的主轴顶部与固定支架连接，声音采集仪器、电池和无线信号模块固定于支架的下部，上部固定放置信标灯，信标灯的顶部与缆绳一端连接，缆绳的另一端连接系留气球组的系留绳结点。
所述声音采集仪器的电源端通过导线与电池连接，声音采集仪器的信号输出端通过导线与无线信号模块的数据输入端连接，声音采集仪器将采集到的声音信号转变为电信号，通过无线通信方式传输至信号采集系统。所述信标灯的电源端通过导线与电池连接。所述无线通讯模块的电源端通过导线与电池连接。信标灯是为了在夜间作业时容易被肉眼识别，有助于周边空中安全，且便于全站仪定位时的目标搜寻。由于在风的作用下气球可能会产生不确定的竖向浮动，为了避免这种上下浮动引起系绳松弛并导致过大的采集装置空间位置变化，整个噪声采集装置通过缆绳连接搭载在系留气球组下方，从而保持系留气球组升力的稳定性并实现缓冲作用。同时为了不影响真实噪声的采集，将整个噪声采集装置搭载在气球下方一定距离处，一般取系留气球组围成圆盘的直径。
为了固定噪声采集装置的位置，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接，其中I系留缆绳嵌入电力供应线，电力供应导线与地面系统的供电装置连接，给搭载在系留气球组上的设备提供电能。II系留缆绳嵌入数据传输线，与地面系统的便携式电脑连接，作为信号采集系统和噪声采集装置之间的数据传输通道，从而实现高空噪声采集与信号传输的功能。所述信标灯的电源线与声音采集仪器的电源线通过导线连接，再通过导线连接至I系留缆绳中的电力供应线。所述声音采集仪器的数据输出端通过导线与II系留缆绳的数据传输线连接。
所述全站仪空间定位系统包括全站仪、普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III。I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜I。II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的长度为L2，在II固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜II。III系留缆绳的末端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为L3，在III固定点放置有系留底座，支架上固定放置普通棱镜III。
噪声采集过程中必须将声音采集仪器放置在指定的空间位置，仅由三根系留缆绳无法准确控制，因此需要全站仪进行协助指导定位。全站仪对万向棱镜以及普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。第一步，根据声音采集仪器所要达到的设计空间坐标和由现场实际情况确定出来的三个地面固定点坐标，计算出三根系留缆绳的理论长度，以此来进行初步定位。第二步，使用全站仪测量噪声采集装置上的万向棱镜的空间坐标，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行微调，从而达到准确定位的目的。
由于无法在系留缆绳表面用数字标记刻度，因此系留缆绳的表面采用多种颜色组合标记来指示其长度。颜色标记通过用不同的颜色组合来代表不同的数字，以此来标识系留绳索上的刻度值。这里采用肉眼比较容易识别的7种颜色(黑、白、红、蓝、黄、绿、紫)进行组合，一共有种组合方式。每个刻度标记间距为10cm，最大可标记504m的系绳长度。
所述信号采集系统包括便携式电脑和无线信号接收器。无线信号接收器通过ZigBee、WiFi等无线通信协议与无线通讯模块进行数据传输。便携式电脑与无线信号接收器之间通过数据线进行数据传输，便携式电脑接收并记录由噪声采集装置发送的信号。便携式电脑通过数据线与全站仪的数据端口连接，读取全站仪的测量数据。
进行噪声采集与数据存储。在地面的便携式电脑启动噪声信号采集系统，通过噪声采集软件进行数据采集及存储。
当测点高度在50m-200m范围内时，金属数据传输线和供电导线的重量较大，且较长数据线将引起噪声信号在传输过程中较大衰减，空中噪声采集需采用无线噪声采集装置。通过Zigbee、WiFi等无线通信协议将噪声信号传输至地面采集系统，进行数据传输和记录。
系留气球搭载的噪声采集系统搭建包括以下步骤：
1)制定采集方案。根据测点布置，综合考虑数据线对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，同时考虑到超高建筑物、输电线、天气等的影响，当测点高度在50m-200m范围内时，采用无线噪声采集装置。
2)计算所需气球数量，首先计算系留气球组的总浮力F总，系留气球组的总浮力F总是系留气球组搭载噪声采集装置的总质量M加上释放气球过程中地面操作人员的总拉力f拉，即F总＝M+f拉；其次根据单个气球的额定充其量m计算出一个气球的额定浮力F＝(P空-P氦)×m，其中P空为空气密度，P氦为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N，气球总浮力F总乘以安全系数再除以单个气球额定浮力F，即为
考虑到风对声音采集仪器和系留气球的影响，该采集装置只适合在风速小于5m/s的情况下进行使用。当风速为5m/s,气球迎风面积为3m2(估算得出)，由公式(C-风阻力系数，取0.5；ρ-空气密度；V-风速；A-迎风面积)计算出风对气球的水平推力为4.84N,当系留缆绳与地面夹角为60°时，则缆绳的最小牵引力为f拉＝F/cos60°＝9.68N，所以f拉一般取10N左右。根据风的正态分布曲线，取95％的保证率，同时考虑气球的漏气等情况，安全系数取1.3。
3)现场安装，利用粘性材料将按照步骤2准备的气球组合，同时使气球组顶部在同一个水平面。将系留气球组、缆绳、信标灯、声音采集仪器、万向棱镜、轻质支架、电池和无线信号模块依次固定连接，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接。
4)获取地面固定点的空间坐标：首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固定点I、II和III。然后在I、II和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底座上安装普通棱镜I，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II，在III固定点处的系留底座上安装普通棱镜III。最后使用全站仪进行测量，获取I固定点空间坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点空间坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点空间坐标(X3,Y3,Z3)。
5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为(X0,Y0,Z0)，I地面固定点的坐标为(X1,Y1,Z1)，II地面固定点的坐标为(X2,Y2,Z2)，III地面固定点的坐标为(X3,Y3,Z3)，则I固定点所要放出的缆绳长度：
II固定点所要放出的缆绳长度：
III固定点所要放出的缆绳长度：
6)将无线噪声采集装置升至目标测点。首先，根据三根系留缆绳的理论长度和I、II和III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使噪声采集装置初步达到目标测点附近。然后，在使用全站仪对噪声采集装置上的万向棱镜进行定位，得到噪声采集装置的初始位置坐标。最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使噪声采集装置准确达到目标测点。
7)进行噪声采集与数据存储；在地面的便携式电脑启动噪声信号采集系统，通过噪声采集软件进行数据采集及存储。
进一步由系留气球搭载的无线噪声采集系统，其特征在于：全站仪对万向棱镜以及普通棱镜I、普通棱镜II和普通棱镜III进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。
本发明采用以上技术方案后，主要具有如下的有益效果：
系留气球组利用缆绳将升空的气球及其携带的设备系留、悬停在空中某设定位置处，可以实现在山区环境中的噪声采集在空间尺度上进行测量。
系留气球囊体内充以密度比空气小的氦气，可以根据工作要求提供足够的浮力。系留气球留空时间长，提供了一种连续工作的手段，可以作为一种稳定的飞行装置。
系留气球组系统具有覆盖面积大、投资少、效率高、操作维护方便等优点。
该采集系统避免了搭支架采集等高空作业，工作人员在地面就可以完成，更加安全可靠。
附图说明
图1系留气球组搭载型空气噪声采集系统(有线噪声采集装置)；
图2系留气球组搭载型空气噪声采集系统(无线噪声采集装置)；
图3系留气球组典型排布形式；
图4噪声采集装置；
图5系留缆绳长度颜色标尺；
图6系留底座的结构图。
图中：1为系留气球组，2为噪声采集装置，2-5为缆绳，2-6为无线信号模块，3为全站仪空间定位系统，3-1为全站仪，3-2为普通棱镜I，3-3为普通棱镜II，3-4为普通棱镜III，4为地面供电与信号采集系统，4-1为便携式电脑，4-2为蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组1、有线噪声采集装置2、全站仪空间定位系统3、地面供电与信号采集系统4。
所述系留气球组1由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点，按照图3使气球组顶部在同一个水平面，从而尽可能降低各个方向的迎风面积，且保证气球提供升力的可靠性，以减轻个别气球因漏气对整个系统造成的影响。
所述有线噪声采集装置2包括信标灯2-1、声音采集仪器2-2、万向棱镜2-3、轻质支架2-4和缆绳2-5。轻质支架2-4的顶部与万向棱镜2-3的主轴底部固定连接，万向棱镜2-3的主轴顶部与固定支架连接，声音采集仪器2-2固定于支架的下部，上部固定放置信标灯2-1。信标灯2-1的顶部连接缆绳2-5的下端，缆绳2-5的上端连接系留气球组的系留绳结点。
声音采集仪器2-2的电源线与电力供应导线相连，声音采集仪器2-2的信号输出端与系留缆绳的数据传输线连接，声音采集仪器2-2将采集到的声音信号转变为电信号，通过数据传输线传导至地面供电与信号采集系统4。信标灯2-1是为了在夜间作业时容易被肉眼识别，有助于周边空中安全，且便于全站仪3-1定位时的目标搜寻。由于在风的作用下气球可能会产生不确定的竖向浮动，为了避免这种上下浮动引起系绳松弛并导致过大的采集装置空间位置变化，整个噪声采集装置2通过缆绳2-5连接搭载在系留气球组1下方，从而保持系留气球组升力的稳定性并实现缓冲作用。同时为了不影响真实噪声的采集，将整套噪声采集装置2搭载在气球组1下方一定距离处，一般距离等于系留气球组围成圆盘的直径。
为了固定噪声采集装置2的位置，轻质支架2-4的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接，其中I系留缆绳嵌入电力供应线，电力供应导线与地面供电与信号采集系统4的蓄电池4-1连接，给搭载在系留气球组1上的设备提供电能。II系留缆绳嵌入数据传输线，与地面供电与信号采集系统4的便携式电脑4-1连接，作为信号采集系统和噪声采集装置2之间的数据传输通道，从而实现高空噪声采集与信号传输的功能。所述信标灯2-1的电源线与声音采集仪器2-2的电源线通过导线连接，再通过导线连接至I系留缆绳中的电力供应线。所述声音采集仪器2-2的数据输出端通过导线与II系留缆绳的数据传输线连接。
所述全站仪空间定位系统3包括全站仪3-1、普通棱镜I 3-2、普通棱镜II 3-3和普通棱镜III 3-4。I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜I 3-2。II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的长度为L2，在II固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜II 3-3。III系留缆绳的末端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为III 3-4。
噪声采集过程中必须将声音采集仪器2-2放置在指定的空间位置，仅由三根系留缆绳无法准确控制，因此需要全站仪3-1进行协助指导定位。全站仪3-1对万向棱镜2-3以及普通棱镜I 3-2、普通棱镜II 3-3和普通棱镜III 3-4进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。第一步，根据声音采集仪器2-2所要达到的设计空间坐标和由现场实际情况确定出来的三个地面固定点坐标，计算出三根系留缆绳的理论长度，以此来进行初步定位。第二步，使用全站仪3-1测量噪声采集装置2上的万向棱镜2-3的空间坐标，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行微调，从而达到准确定位的目的。
由于无法在系留缆绳表面用数字标记刻度，因此系留缆绳的表面采用多种颜色组合标记来指示其长度。颜色标记通过用不同的颜色组合来代表不同的数字，以此来标识系留绳索上的刻度值。这里采用肉眼比较容易识别的7种颜色(黑、白、红、蓝、黄、绿、紫)进行组合，一共有种组合方式。每个刻度标记间距为10cm，最大可标记504m的系绳长度。
所述地面供电与信号采集系统4包括便携式电脑4-1和蓄电池4-2，蓄电池4-2连接系留缆绳内置的轻质导线，直流电能通过导线传输至噪声采集装置2。便携式电脑4-1连接系留缆绳内置的数据线，接收并记录由噪声采集装置2发送的信号。
当测点高度不超过50m时，采用本方案。
进一步一种由系留气球搭载的噪声采集系统搭建包括以下步骤：
1)制定采集方案。根据测点布置，综合考虑数据线对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，同时考虑到超高建筑物、输电线、天气等的影响，当测点高度小于50m时采用有线数据传输系统。
2)计算所需气球数量，首先计算系留气球组的总浮力F总，系留气球组的总浮力F总是系留气球组搭载噪声采集装置的总质量M加上释放气球过程中地面操作人员的总拉力f拉＝10N，即F总＝M+f拉；其次根据单个气球的额定充其量m计算出一个气球的额定浮力F＝(P空-P氦)×m，其中P空为空气密度，P氦为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N，气球总浮力F总乘以安全系数再除以单个气球额定浮力F，即为
3)现场安装，利用粘性材料将按照步骤2准备的气球组合，同时使气球组顶部在同一个水平面；将系留气球组1、缆绳2-5、信标灯2-1、声音采集仪器2-2、万向棱镜2-3和轻质支架2-4依次固定连接，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接；
4)获取地面固定点的空间坐标：首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固定点I、II和III。然后在I、II和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底座上安装普通棱镜I，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II，在III固定点处的系留底座上安装普通棱镜III。最后使用全站仪进行测量，获取I固定点空间坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点空间坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点空间坐标(X3,Y3,Z3)。
5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为(X0,Y0,Z0)，I地面固定点的坐标为(X1,Y1,Z1)，II地面固定点的坐标为(X2,Y2,Z2)，III地面固定点的坐标为(X3,Y3,Z3)，则I固定点所要放出的缆绳长度：
II固定点所要放出的缆绳长度：
III固定点所要放出的缆绳长度：
6)将有线噪声采集装置2升至目标测点，首先，根据三根系留缆绳的理论长度和I、II和III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使噪声采集装置2初步达到目标测点附近；然后，在使用全站仪3-1对噪声采集装置2上的万向棱镜2-3进行定位，得到噪声采集装置2的初始位置坐标；最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使噪声采集装置2准确达到目标测点。
7)进行噪声采集与数据存储；在地面的便携式电脑4-1启动噪声信号采集系统，通过Run SMP，Multi-Instrument等噪声采集软件进行数据采集及存储。
实施例2：
一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组1、无线噪声采集装置2、全站仪空间定位系统3和地面供电与信号采集系统4。
所述系留气球组1由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点，使气球组顶部在同一个水平面，从而尽可能降低各个方向的迎风面积，且保证气球提供升力的可靠性，以减轻个别气球因漏气对整个系统造成的影响。
所述无线噪声采集装置2包括信标灯2-1、声音采集仪器2-2、万向棱镜2-3、轻质支架2-4、电池2-5、无线信号模块2-6和缆绳2-7。轻质支架2-4的顶部与万向棱镜2-3的主轴底部固定连接，万向棱镜2-3的主轴顶部与固定支架连接，声音采集仪器2-2、电池2-5和无线信号模块2-6固定于支架的下部，上部固定放置信标灯2-1，信标灯2-1的顶部与缆绳2-7一端连接，缆绳2-7的另一端连接系留气球组1的系留绳结点。
所述声音采集仪器2-2的电源端通过导线与电池2-5连接，声音采集仪器2-2将采集到的声音信号转换为电信号，声音采集仪器2-2的信号输出端通过导线与无线信号模块2-6的数据输入端连接。所述信标灯2-1的电源端通过导线与电池2-5连接。所述无线通讯模块2-6的电源端通过导线与电池2-5连接。信标灯2-1是为了在夜间作业时容易被肉眼识别，有助于周边空中安全，且便于全站仪3-1定位时的目标搜寻。由于在风的作用下气球可能会产生不确定的竖向浮动，为了避免这种上下浮动引起系绳松弛并导致过大的采集装置空间位置变化，整个无线噪声采集装置2通过缆绳2-5连接搭载在系留气球组1下方，从而保持系留气球组升力的稳定性并实现缓冲作用。同时为了不影响真实噪声的采集，将整套噪声采集装置2搭载在气球组1下方一定距离处，一般距离等于系留气球组围成圆盘的直径。
为了固定噪声采集装置2的位置，轻质支架2-4的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接，其中I系留缆绳嵌入电力供应线，电力供应导线与地面供电与信号采集系统4的蓄电池4-1连接，给搭载在系留气球组1上的设备提供电能。II系留缆绳嵌入数据传输线，与地面供电与信号采集系统4的便携式电脑4-1连接，作为信号采集系统和噪声采集装置2之间的数据传输通道，从而实现高空噪声采集与信号传输的功能。所述信标灯2-1的电源线与声音采集仪器2-2的电源线通过导线连接，再通过导线连接至I系留缆绳中的电力供应线。所述声音采集仪器2-2的数据输出端通过导线与II系留缆绳的数据传输线连接。
所述全站仪空间定位系统3包括全站仪3-1、普通棱镜I 3-2、普通棱镜II 3-3和普通棱镜III 3-4。I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜I 3-2。II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的长度为L2，在II固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜II 3-3。III系留缆绳的末端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为III 3-4。
噪声采集过程中必须将声音采集仪器2-2放置在指定的空间位置，仅由三根系留缆绳无法准确控制，因此需要全站仪3-1进行协助指导定位。全站仪3-1对万向棱镜2-3以及普通棱镜I 3-2、普通棱镜II 3-3和普通棱镜III 3-4进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。第一步，根据声音采集仪器2-2所要达到的设计空间坐标和由现场实际情况确定出来的三个地面固定点坐标，计算出三根系留缆绳的理论长度，以此来进行初步定位。第二步，使用全站仪3-1测量噪声采集装置2上的万向棱镜2-3的空间坐标，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行微调，从而达到准确定位的目的。
由于无法在系留缆绳表面用数字标记刻度，因此系留缆绳的表面采用多种颜色组合标记来指示其长度。颜色标记通过用不同的颜色组合来代表不同的数字，以此来标识系留绳索上的刻度值。这里采用肉眼比较容易识别的7种颜色(黑、白、红、蓝、黄、绿、紫)进行组合，一共有种组合方式。每个刻度标记间距为10cm，最大可标记504m的系绳长度。
所述信号采集系统4包括便携式电脑4-1和无线信号接收器4-2。无线信号接收器4-2通过ZigBee、WiFi等无线通信协议与无线通讯模块2-6进行数据传输。便携式电脑4-1与无线信号接收器4-2之间通过数据线进行数据传输，便携式电脑4-1接收并记录由噪声采集装置2发送的信号。便携式电脑4-1通过数据线与全站仪3-1的数据端口连接，读取全站仪3-1的测量数据。
进行噪声采集与数据存储。在地面的便携式电脑4-1启动噪声信号采集系统2，通过噪声采集软件进行数据采集及存储。
当测点高度超过50m时，采用本方案。
进一步一种由系留气球搭载的噪声采集系统搭建包括以下步骤：
1)制定采集方案。根据测点布置，综合考虑数据线对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，同时考虑到超高建筑物、输电线、天气等的影响，当测点高度大于50m时采用无线数据传输系统。
2)计算所需气球数量，首先计算系留气球组的总浮力F总，系留气球组的总浮力F总是系留气球组搭载噪声采集装置的总质量M加上释放气球过程中地面操作人员的总拉力f拉＝10N，即F总＝M+f拉；其次根据单个气球的额定充其量m计算出一个气球的额定浮力F＝(P空-P氦)×m，其中P空为空气密度，P氦为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N，气球总浮力F总乘以安全系数再除以单个气球额定浮力F，即为
3)现场安装，利用粘性材料将按照步骤2准备的气球组合，同时使气球组顶部在同一个水平面；将系留气球组1、缆绳2-5、信标灯2-1、声音采集仪器2-2、万向棱镜2-3和轻质支架2-4依次固定连接，轻质支架的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接；
4)获取地面固定点的空间坐标：首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固定点I、II和III。然后在I、II和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底座上安装普通棱镜I，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II，在III固定点处的系留底座上安装普通棱镜III。最后使用全站仪进行测量，获取I固定点空间坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点空间坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点空间坐标(X3,Y3,Z3)。
5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为(X0,Y0,Z0)，I地面固定点的坐标为(X1,Y1,Z1)，II地面固定点的坐标为(X2,Y2,Z2)，III地面固定点的坐标为(X3,Y3,Z3)，则I固定点所要放出的缆绳长度：
II固定点所要放出的缆绳长度：
III固定点所要放出的缆绳长度：
6)将有线噪声采集装置2升至目标测点，首先，根据三根系留缆绳的理论长度和I、II和III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使噪声采集装置2初步达到目标测点附近；然后，在使用全站仪3-1对噪声采集装置2上的万向棱镜2-3进行定位，得到噪声采集装置2的初始位置坐标；最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使噪声采集装置2准确达到目标测点。
7)进行噪声采集与数据存储；在地面的便携式电脑4-1启动噪声信号采集系统，通过Run SMP，Multi-Instrument等噪声采集软件进行数据采集及存储。
Claims (4)
1.一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组(1)、有线噪声采集装置(2)、全站仪空间定位系统(3)和地面供电与信号采集系统(4)；
所述系留气球组(1)由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点；
所述有线噪声采集装置(2)包括信标灯(2-1)、声音采集仪器(2-2)、万向棱镜(2-3)、轻质支架(2-4)和缆绳(2-5)；轻质支架(2-4)的顶部与万向棱镜(2-3)的主轴底部固定连接，万向棱镜(2-3)的主轴顶部与固定支架连接，声音采集仪器(2-2)固定于支架的下部，上部固定放置信标灯(2-1)，信标灯(2-1)的顶部与缆绳(2-5)一端连接，缆绳(2-5)的另一端连接系留气球组(1)的系留绳结点；
轻质支架(2-4)的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接，其中I系留缆绳嵌入电力供应线，II系留缆绳嵌入数据传输线；所述信标灯(2-1)的电源线与声音采集仪器(2-2)的电源线通过导线连接，再通过导线连接至I系留缆绳中的电力供应线；所述声音采集仪器(2-2)的数据输出端通过导线与II系留缆绳的数据传输线连接；
所述全站仪空间定位系统(3)包括全站仪(3-1)、普通棱镜I(3-2)、普通棱镜II(3-3)和普通棱镜III(3-4)；I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜I(3-2)；II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的长度为L2，在II固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜II(3-3)；III系留缆绳的末端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为L3，在III固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜III(3-4)；
所述地面供电与信号采集系统(4)包括便携式电脑(4-1)和蓄电池(4-2)；蓄电池(4-2)连接系留缆绳内置的轻质导线，直流电能通过导线传输至噪声采集装置；便携式电脑(4-1)连接系留缆绳内置的数据线，接收并记录由噪声采集装置发送的信号；便携式电脑(4-1)与全站仪(3-1)通过数据线连接，读取全站仪(3-1)的测量数据；
进行噪声采集与数据存储；在地面的便携式电脑(4-1)启动噪声信号采集系统(2)，通过噪声采集软件进行数据采集及存储；
所述噪声采集系统通过以下步骤完成搭建：
1)制定采集方案；根据测点布置，综合考虑数据线对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，同时考虑到超高建筑物、输电线、天气的影响，当测点高度小于50m时采用有线数据传输系统；
2)计算所需气球数量：首先计算系留气球组(1)的总浮力F总，总浮力F总是系留气球组(1)搭载有线噪声采集装置(2)的总重量G1和三根系留绳索的总重量G2加上释放气球后系留缆绳的牵引力f拉，即为F总＝G1+G2+f拉；其次根据单个气球的额定充气量m计算出一个气球的额定浮力F＝(P空-P氦)×m，其中P空为空气密度，P氦为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N，气球总浮力F总乘以安全系数再除以单个气球额定浮力F，即为
3)现场安装；利用粘性材料将按照步骤2)准备的气球组合，同时使气球组顶部在同一个水平面；将系留气球组(1)、缆绳(2-5)、信标灯(2-1)、声音采集仪器(2-2)、万向棱镜(2-3)和轻质支架(2-4)依次固定并连接，轻质支架(2-4)的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接；
4)获取地面固定点的空间坐标；首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固定点I、II和III；然后在I、II和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底座上安装普通棱镜I(3-2)，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II(3-3)，在III固定点处的系留底座上安装普通棱镜III(3-4)；最后使用全站仪(3-1)进行测量，获取I固定点空间坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点空间坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点空间坐标(X3,Y3,Z3)；
5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为(X0,Y0,Z0)，I地面固定点的坐标为(X1,Y1,Z1)，II地面固定点的坐标为(X2,Y2,Z2)，III地面固定点的坐标为(X3,Y3,Z3)，则I固定点所要放出的缆绳长度为
II固定点所要放出的缆绳长度为
III固定点所要放出的缆绳长度为
6)将有线噪声采集装置(2)升至目标测点；首先，根据三根系留缆绳的理论长度和I、II和III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使有线噪声采集装置(2)初步达到目标测点附近；然后，在使用全站仪(3-1)对有线噪声采集装置(2)上的万向棱镜(2-3)进行定位，得到有线噪声采集装置(2)的初始位置坐标；最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使有线噪声采集装置(2)准确达到目标测点。
2.根据权利要求1所述的一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：
全站仪(3-1)对万向棱镜(2-3)以及普通棱镜I(3-2)、普通棱镜II(3-3)和普通棱镜III(3-4)进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。
3.一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：包括系留气球组(1)、无线噪声采集装置、全站仪空间定位系统(3)和信号采集系统(4)；
所述系留气球组(1)由N个相同的系留气球构成，气球组的系留绳系成一个结点；
所述无线噪声采集装置包括信标灯(2-1)、声音采集仪器(2-2)、万向棱镜(2-3)、轻质支架(2-4)、电池(2-5)、无线信号模块(2-6)和缆绳(2-7)；轻质支架(2-4)的顶部与万向棱镜(2-3)的主轴底部固定连接，万向棱镜(2-3)的主轴顶部与固定支架连接，声音采集仪器(2-2)、电池(2-5)和无线信号模块(2-6)固定于支架的下部，上部固定放置信标灯(2-1)，信标灯(2-1)的顶部与缆绳(2-7)一端连接，缆绳(2-7)的另一端连接系留气球组(1)的系留绳结点；
所述声音采集仪器(2-2)的电源端通过导线与电池(2-5)连接，声音采集仪器(2-2)的信号输出端通过导线与无线信号模块(2-6)的数据输入端连接；所述信标灯(2-1)的电源端通过导线与电池(2-5)连接；所述无线通讯模块(2-6)的电源端通过导线与电池(2-5)连接；轻质支架(2-4)的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接；
所述全站仪空间定位系统(3)包括全站仪(3-1)、普通棱镜I(3-2)、普通棱镜II(3-3)和普通棱镜III(3-4)；I系留缆绳的末端与地面I固定点连接，I系留缆绳的长度为L1，在I固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜I(3-2)；II系留缆绳的末端与地面II固定点连接，II系留缆绳的长度为L2，在II固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜II(3-3)；III系留缆绳的末端与地面III固定点连接，III系留缆绳的长度为L3，在III固定点放置有系留底座，底座上固定放置普通棱镜III(3-4)；
所述信号采集系统(4)包括便携式电脑(4-1)和无线信号接收器(4-2)；无线信号接收器(4-2)通过无线通信协议与无线通讯模块(2-6)进行数据传输；所述无线通信协议是ZigBee或WiFi；便携式电脑(4-1)与无线信号接收器(4-2)之间通过数据线进行数据传输，便携式电脑(4-1)接收并记录由噪声采集装置发送的信号；便携式电脑(4-1)通过数据线与全站仪(3-1)的数据端口连接，读取全站仪(3-1)的测量数据；
进行噪声采集与数据存储；在地面的便携式电脑(4-1)启动噪声信号采集系统(2)，通过噪声采集软件进行数据采集及存储；
所述噪声采集系统通过以下步骤完成搭建：
1)制定采集方案；根据测点布置，综合考虑数据线对噪声信号的衰减、数据线的重量以及无线传输设备的重量，同时考虑到超高建筑物、输电线、天气的影响，当测点高度在50m-200m范围内时，采用无线噪声采集装置；
2)计算所需气球数量；首先计算系留气球组(1)的总浮力F总，总浮力F总是系留气球组(1)搭载无线噪声采集装置的总重量G1和三根系留绳索的总重量G2加上释放气球后系留缆绳的牵引力f拉，即为F总＝G1+G2+f拉；其次根据单个气球的额定充气量m计算出一个气球的额定浮力F＝(P空-P氦)×m，其中P空为空气密度，P氦为气球内所充氦气的密度；最后计算气球数量N：气球总浮力F总乘以安全系数再除以单个气球额定浮力F，即为
3)现场安装；利用粘性材料将按照步骤2)准备的气球组合，同时使气球组顶部在同一个水平面；将系留气球组(1)、缆绳(2-7)、信标灯(2-1)、声音采集仪器(2-2)、万向棱镜(2-3)、轻质支架(2-4)、电池(2-5)和无线信号模块(2-6)依次固定连接，轻质支架(2-4)的三脚分别与I、II和III系留缆绳连接；
4)获取地面固定点的空间坐标：首先根据目标测点和现场情况选定三个地面固定点I、II和III；然后在I、II和III固定点处分别摆放系留底座，在I固定点处的系留底座上安装普通棱镜I(3-2)，在II固定点处的系留底座上安装普通棱镜II(3-3)，在III固定点处的系留底座上安装普通棱镜III(3-4)；最后使用全站仪(3-1)进行测量，获取I固定点空间坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点空间坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点空间坐标(X3,Y3,Z3)；
5)计算三根系留缆绳的理论长度；根据目标测点和I、II和III固定点的空间坐标计算出三根系留缆绳的理论长度，目标测点的空间位置坐标为(X0,Y0,Z0)，I地面固定点的坐标为(X1,Y1,Z1)，II地面固定点的坐标为(X2,Y2,Z2)，III地面固定点的坐标为(X3,Y3,Z3)，则
I固定点所要放出的缆绳长度为
II固定点所要放出的缆绳长度为
III固定点所要放出的缆绳长度为
6)将无线噪声采集装置升至目标测点；首先，根据三根系留缆绳的理论长度和I、II和III地面固定点位置将系留气球组升入空中，使噪声采集装置初步达到目标测点附近；然后，在使用全站仪(3-1)对噪声采集装置上的万向棱镜(2-3)进行定位，得到噪声采集装置的初始位置坐标；最后，根据它与目标点的坐标偏差，再通过三根缆绳进行人工微调，从而使噪声采集装置准确达到目标测点。
4.根据权利要求3所述的一种由系留气球搭载的噪声采集系统，其特征在于：
全站仪(3-1)对万向棱镜(2-3)以及普通棱镜I(3-2)、普通棱镜II(3-3)和普通棱镜III(3-4)进行测量，分别获得目标坐标(X0,Y0,Z0)以及I固定点坐标(X1,Y1,Z1)、II固定点坐标(X2,Y2,Z2)和III固定点坐标(X3,Y3,Z3)。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 低空系留气球通信系统设计;卢芳春 等;《电子设计工程》;20150220;第23卷(第4期);第137-139页 * |
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