CN111879293B - 一种海上降雨噪声特性原位测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上降雨噪声特性原位测量装置及方法，属于海上噪声技术领域，其特征在于，包括噪声获取部和控制部；获取环境噪声信号的水中模块，包括四台单通道海洋声信号测量仪；获取海面温度、盐度和波高、波向波周期的水面模块；获取海流剖面和水底的温度、盐度、水位信息的水底模块；以及与水中模块、水面模块和水底模块进行数据交互，同时采集视频图像声音信息和雨量信息的平台模块；平台模块与控制部进行数据交互。本申请实现了海洋环境噪声、降雨量、风速、风向、波高、波向、波周期、海流剖面流速流向、海水表层温度、海水表层盐度、海面温度、海面相对湿度、气压、过往船舶情况及现场视频、图像和声音信息的实时原位同步测量。

Description

一种海上降雨噪声特性原位测量装置及方法

技术领域

本发明属于海上噪声技术领域，具体涉及一种海上降雨噪声特性原位测量装置及方法。

背景技术

海洋环境噪声是水声信道中的一种背景干扰场，海洋环境噪声研究无论在民用还是军事上均具有非常重要的意义。一方面，人为或自然产生的噪声作为水声信道的固有背景声场将直接影响各种声纳设备的性能；另一方面，海洋环境噪声中蕴含了大量的水文、地质以及海洋生物信息，通过收集分析海洋环境噪声，可估计与海洋有关的参数，如海面的风速、降雨、海浪、海底反射临界角、海底声速等参数,为进一步研究海洋气象、生态环境以及资源分布提供条件。

海洋环境噪声源包括海浪飞溅形成的噪声、风与海浪表面相互作用产生的噪声、雨滴声、海洋湍流、生物噪声、海水分子热运动所辐射的噪声、远处航船噪声和沿岸工业噪声、地震扰动形成的低频声波、冰层破裂产生的噪声等。

海洋上空的降雨占全球降雨总量的80％以上，海洋上空的降雨是最重要的全球气候影响因子。目前，用于测量海上降雨的两种技术是星载雨水雷达卫星技术和水下声学监测海上降雨的技术。

海上降雨落至自由海面上会在水中辐射高强度、宽频带的声信号，利用水听器测量降雨噪声，通过分析降雨噪声的信号频率和时间特征，获得基于噪声功率谱的海上降雨强度反演算法。

通过实验测量分析不同粒径雨滴的声辐射，从而确定其声辐射的特性；通过模拟降雨器产生不同粒径及其组合的多雨滴，给出了多雨滴的水下噪声统计特性；总结了影响声音辐射的3个主要因素：水滴的粒径分布、水滴的终端速度和水滴的入射角度。在实验室完成对降雨量与雨滴噪声的关系进行量化分析，建立了降雨噪声功率谱与降雨强度的内在联系，实现对降雨量的反演。

海洋环境噪声源多种多样，与环境条件密切相关。海洋环境噪声是这些噪声源的综合效应，各种噪声源发声机理不同导致海洋环境噪声在不同频段具有不同特性。对海洋环境噪声时域、频域和空域特性的调查和深入分析研究离不开对海洋环境噪声以及海洋环境条件的原位同步测量。

二战以后，国内外许多学者开展了很多海上降雨噪声的实际观测及功率谱分析，促进了海上降雨研究，不足的是，降雨噪声功率谱与空中降雨强度的内在规律的研究在定量方面还存在不足，开展降雨噪声功率谱的定量分析需要同步匹配降雨强度与水下噪声，提取了不同降雨强度下的典型的水下噪声功率谱，建立起噪声功率谱曲线类型与降雨强度的联系。但是，传统测量手段主要以海洋环境噪声测量为主，不具备风、浪、海流、船舶噪声和降雨的同步测量功能；目前，噪声研究使用的风速、降雨和波浪资料主要来源于卫星和岸基观测站，数据的时空特性和数据质量无法与现场测量数据相比；现有设备无法实现对海洋环境噪声的全息测量，因而无法定量刻画海洋环境噪声级的起伏规律。自然界降雨的条件类型多样，又受到风、浪等环境因素的影响，在形成降雨过程中雨滴的粒径分布、终端速度分布及入射倾角分布比室内的人工水滴实验复杂得多，需要在测量噪声的同时，同步实时测量海洋环境信息。

海上降雨现象短时瞬态，时空上极不连续、在开阔海域测量降雨量是十分困难的。雨量测量需要一个相对稳定的平台，测量船即使搭载雨量计，也会受到海飞沫、平台稳定性、船舶诱导风等的影响，实际有效的雨量测量数据很少，难以满足研究需要。由国家海洋技术中心建造的海上综合测量平台，于2019年9月12日布放至威海褚岛北部的试验海域，布放地点离岸约10海里，水深约70米，试验场相应初步具备了小型潮流能机组以及海洋装备的试验能力，为实现海洋环境噪声和海洋环境信息同步测量提供了一个解决方案。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种海上降雨噪声特性原位测量装置及方法。

本发明的第一目的是提供一种海上降雨噪声特性原位测量装置，包括：

位于海域的噪声获取部；用于获取海域的环境噪声、测量原位的水文气象参数、现场的视频、图片和声音信息；

与所述噪声获取部进行数据远程交互的控制部；其中：

所述噪声获取部包括：

获取环境噪声信号的水中模块，包括位于海水中的四台单通道海洋声信号测量仪；

获取海面温度、盐度和波高、波向波周期的水面模块；

获取海流剖面和水底的温度、盐度、水位信息的水底模块；

以及与所述水中模块、水面模块和水底模块进行数据交互，同时采集视频图像声音信息和雨量信息的平台模块；所述平台模块与控制部进行数据交互。

优选地，所述平台模块包括嵌入式控制系统、存储卡、降雨触发装置、视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块、自容式雨量计和电源管理模块；所述嵌入式控制系统通过电源管理模块控制视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块和水底模块的上电和掉电。

优选地，所述水底模块包括水下平台、水底采集系统、ADCP和海底CTD；平台模块与水下模块通过电缆进行通信和供电，平台模块按照设定的时序完成ADCP和海底CTD的数据采集。

优选地，所述海底CTD用于测量布放点位的海水温度、盐度、测量试验海区水位数据。

优选地，所述ADCP用于测量布放点位上方的海流剖面流速流向数据。

优选地，所述水面模块包括小浮标、水面采集系统、ZigBee模块A、波浪传感器和表层CTD；平台模块与水面模块利用ZigBee技术通信，平台模块按照设定的时序完成对波浪传感器和表层CTD的数据采集。

优选地，所述平台模块与水中模块通过塑包钢缆连接，四台单通道海洋声信号测量仪(简称NTD)固定在塑包钢缆上，嵌入式控制系统按照设定的工作时序启动测量任务，通过感应耦合模块控制四台NTD的工作时间，并同步启动四台NTD的噪声数据采集。

优选地，所述塑包钢缆一端与平台模块连接，另一端与浮球连接，浮球到海底距离比最低潮位少1米，通过锚A把塑包钢缆中段固定在海底。

本发明的第二目的是提供一种基于上述海上降雨噪声特性原位测量装置的方法，定时工作模式包括如下步骤：

S1、当有降雨时，进入到降雨测量模式；控制部远程设定测量装置工作模式、启动时间和测量时间；

S2、到达定时工作模式启动时间后，进入定时工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，到达结束时间后，停止测量，关闭相应的电源，写入下一次定时工作模式的启动时间，向数据控制中心发送平台状态信息和传感器特征数据，结束本次定时工作模式；在定时工作模式工作过程中，可以响应数据控制中心的命令，当有降雨时，结束本次定时工作模式，进入降雨工作模式；定时工作模式的测量间隔和测量时间由数据中心设置。

本发明的第三目的是提供一种基于上述海上降雨噪声特性原位测量装置的方法，降雨模式包括如下步骤：

当试验现场降雨后，进入降雨工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，降雨结束时间5分钟后，停止测量，关闭相应的电源，向数据控制中心发送平台状态信息、传感器特征数据和本次降雨时间及持续时间，结束本次降雨工作模式。

本发明的第四目的是提供一种基于上述海上降雨噪声特性原位测量装置的方法，降雨数据分析包括如下步骤：

S1、获取现场的视频图像信息；

S2、通过所述频图像信息，分析降雨过程、雨滴的入射角度和海面波浪数据；获取降雨量稳定的准确时间及持续时间，为定量分析降雨对环境噪声的影响提供数据。

本发明具有的优点和积极效果是：

本申请针对海上降雨噪声特性研究存在问题和急需解决的技术瓶颈，依托综合试验平台作为测量平台，在海面、海底和海中放置环境测量传感器和4台自容式噪声测量仪，实现了海洋环境噪声、降雨量、风速、风向、波高、波向、波周期、海流剖面流速流向、海水表层温度、海水表层盐度、海面温度、海面相对湿度、气压、过往船舶情况及现场视频、图像和声音信息的实时原位同步测量，通过分析回放的测量数据，可获取不同海况下的海上降雨噪声特性，分析风、浪、流、海水表层温度盐度和雨滴入射角度对降雨噪声信号的影响，定量研究不同降雨强度下产生的降雨噪声谱级分布规律。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的采集控制系统框图。

图3为本发明优选实施例中定时模式工作流程图。

图4为本发明优选实施例中降雨模式工作流程图。

图中：1、无线通信终端A；2、卫星通信终端A；3、数据控制中心；4、存储卡；5、降雨触发装置；6、视频采集模块A；7、视频采集模块B；8、图像采集模块；9、声音采集模块；10、自容式雨量计；11、嵌入式控制系统；12、电源管理模块；13、卫星通信终端；14、无线通信终端；15、感应耦合模块；16、气象站；17、AIS；18、ZigBee模块；19、水底模块；20、水底采集系统；21、ADCP；22、海底CTD；23、水中模块；24、第一NTD；25、第二NTD；26、第三NTD；27、第四NTD；28、水面模块；29、水面采集系统；30、ZigBee模块A；31、表层CTD；32、波浪传感器；33、ZigBee模块A天线；34、小浮标；35、锚B；36、ZigBee模块B天线；37、采集控制箱；38、无线通信天线；39、综合测量平台；40、承重电缆；41、水下平台；42、AIS天线；43、海面；44、浮球；45、NTD阵；46、塑包钢缆；47、锚A；48、水底。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1和图2，一种海上降雨噪声特性原位测量装置，包括：

位于海域的噪声获取部；用于获取海域的环境噪声、测量原位的水文气象参数、现场的视频、图片和声音信息；

与所述噪声获取部进行数据远程交互的控制部；其中：

所述噪声获取部包括：

获取环境噪声信号的水中模块23，包括位于海水中的四台单通道海洋声信号测量仪；

获取海面43温度、盐度和波高、波向波周期的水面模块28；所述水面模块包括小浮标34、水面采集系统29、ZigBee模块A30、波浪传感器32和表层CTD31；平台模块与水面模块利用ZigBee技术通信，平台模块按照设定的时序完成对波浪传感器和表层CTD的数据采集；ZigBee模块A30上设置一ZigBee模块A天线33；

获取海流剖面和水底48的温度、盐度、水位信息的水底模块19；所述水底模块包括水下平台41、水底采集系统20、ADCP21和海底CTD22；平台模块与水下模块通过电缆进行通信和供电，平台模块按照设定的时序完成ADCP和海底CTD的数据采集；

以及与所述水中模块、水面模块和水底模块进行数据交互，同时采集视频图像声音信息和雨量信息的平台模块；所述平台模块与控制部进行数据交互。

所述平台模块放置在综合试验平台上，水中模块布放在海水中，水面模块布放在海面，水底模块布放在海底。

所述平台模块包括嵌入式控制系统11、存储卡4、降雨触发装置5、视频采集模块A6、视频采集模块B7、图像采集模块8、声音采集模块9、卫星通信终端13、无线通信终端14、感应耦合模块15、气象站16、AIS17、ZigBee模块18、自容式雨量计10和电源管理模块12。ZigBee模块18上设置有ZigBee模块B天线36，嵌入式控制系统、存储卡、无线通信终端、感应耦合模块、AIS、ZigBee模块A和电源管理模块放置在采集控制箱内；降雨触发装置、视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、气象站、自容式雨量计和无线通信终端的无线通信天线38安装在综合测量平台39表面，其中视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块和声音采集模块安装位置在水中模块方向；平台模块的电源由综合测量平台提供，嵌入式控制系统通过电源管理模块控制视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块A和水底模块的上电和掉电。

降雨时，降雨触发装置产生触发信号，触发信号连接到嵌入式控制系统中断输入，嵌入式控制系统产生降雨中断后进入到降雨测量模式。

视频采集模块A可调整摄像机的角度，现场视频图像通过网络实时传到数据控制中心3。

视频采集模块B采用自容方式，采集的现场视频图像信息存储到本地的存储卡中。

现场视频图像信息用于分析降雨过程、雨滴的入射角度和海面波浪情况，主要获取降雨量稳定的准确时间及持续时间，为定量分析降雨对环境噪声的影响提供数据。

图像采集模块由嵌入式控制系统控制照片拍摄，照片拍摄后存储在照相机内。

声音采集模块用于采集海面环境噪声。

气象站选用PB200WX超声波气象站，主要测量参数：真实风速和风向、虚拟风速和风向、大气压、空气温度等；嵌入式控制系统通过串口接收气象站测量数据并自动存储。

AIS(AutomaticIdentificationSystem)为船舶自动识别系统，可识别过往船只的信息；嵌入式控制系统通过串口接收AIS输出数据并自动存储。

自容式雨量计自备电池，试验期间一直工作，降雨数据存储到本地的存储卡中。

所述水中模块包括第一NTD24、第二NTD25、第三NTD26和第四NTD27。第一NTD、第二NTD、第三NTD和第四NTD组成NTD阵45。

平台模块与水中模块通过塑包钢缆46连接，四台NTD按照测量要求固定在塑包钢缆上(位置可根据测量要求灵活安装)，嵌入式控制系统按照设定的工作时序启动测量任务，通过感应耦合模块控制四台NTD的工作时间并同步启动四台NTD的噪声数据采集。塑包钢缆一端与平台模块连接，另一端与浮球44连接，浮球到海底距离比最低潮位少1米，通过锚A47把塑包钢缆中段固定在海底。

NTD为具备温度压力测量功能的单通道海洋声信号测量仪，测量的噪声数据存储在本地的存储卡中，通过内置电池供电。

所述水面模块包括小浮标、采集系统、ZigBee模块A、波浪传感器和表层CTD；水面模块的电源系统由可充电锂电池和太阳能电池板组成。平台模块与水面模块利用ZigBee技术通信，平台模块按照设定的时序完成对波浪传感器和表层CTD的数据采集。小浮标内有波浪传感器，用于测量波浪，故加弹力绳，当只用锚链在海流较大或涨潮落潮时，浮标拉紧，测量数据会出现较大误差；小浮标通过弹力绳+锚链和锚B35固定在海底。

CTD为温盐测量仪，用于测量试验海区海水温度和盐度。

波浪传感器用于测量波高、波向和波周期。

所述水下模块包括水下平台、采集系统、ADCP(Acoustic Doppler CurrentProfilers，声学多普勒海流剖面测量仪)和海底CTD；平台模块与水下模块通过电缆连接，完成与水下模块通信和供电，平台模块按照设定的时序完成ADCP和海底CTD的数据采集。在水下模块中，海底CTD除了测量布放点位的海水温度和盐度，还测量试验海区水位数据，联合回放气压的数据，可以推算出试验海区潮位；ADCP用于测量试验点位上方的海流剖面流速流向数据。

在完成设备安装布放和设置系统工作参数后，进入测量工作模式。嵌入式控制系统有定时模式、降雨模式、编程模式和远程遥控模式四种工作方式，由嵌入式控制系统按照设定的时序启动测量传感器，同步获取海洋环境噪声数据和环境参数数据。

本装置以定时工作模式为主；当有降雨时，进入到降雨测量模式；在编程模式下，数据控制中心可远程设定测量装置工作模式、启动时间和测量时间，测量装置在启动时间到达后启动测量，完成设定的测量时间后停止测量，数据控制中心可远程启动测量装置，按照设定的工作方式开始测量；远程遥控模式优先级最高，降雨模式次之，可以打断其它两种测量模式。

定时模式工作流程如下，到达定时工作模式启动时间后，进入定时工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，到达结束时间后，停止测量，关闭相应的电源，写入下一次定时工作模式的启动时间，向数据控制中心发送平台状态信息和传感器特征数据，结束本次定时工作模式；在定时工作模式工作过程中，可以响应数据控制中心的命令，当有降雨时，结束本次定时工作模式，进入降雨工作模式；定时工作模式的测量间隔和测量时间由数据中心设置，默认为测量间隔为1小时，默认总的测量时间为10分钟，其中，水底模块默认工作时间为1分钟，水中模块默认工作时间为3分钟，视频视频采集模块A、气象站、AIS和水面模块默认工作时间为10分钟，视频采集模块B、图像采集模块和声音采集模块在定时工作模式下不工作。

降雨模式工作流程如下，当试验现场降雨后，进入降雨工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，降雨结束时间5分钟中后，停止测量，关闭相应的电源，向数据控制中心发送平台状态信息、传感器特征数据和本次降雨时间及持续时间，结束本次降雨工作模式；在降雨工作模式工作过程中，可以响应数据控制中心的命令；降雨工作模式过程中，视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、气象站、AIS、水面模块、水中模块均连续工作，水底模块中海底CTD为连续工作，水底模块中ADCP为间隔工作模式，ADCP每2分钟工作一次，每次工作1秒钟。

在编程工作模式中，数据控制中心可设定本装置的启动时间和连续工作时间及本次测量过程中每个传感器的工作时间，这种模式一般在特殊天气过程中启用；在一次观测过程中，根据天气预报设定在没有降雨的天气里，观测装置连续工作24小时，其中，水底模块默认工作时间为1分钟，水中模块默认工作时间为3分钟，视频视频采集模块A、气象站、AIS、声音采集模块、水中模块和水面模块默认为连续工作，水底模块中海底CTD为连续工作，水底模块中ADCP为间隔工作模式，ADCP每30分钟工作一次，每次工作1秒钟，视频采集模块B和图像采集模块在编程工作模式下不工作。

在远程遥控模式中，数据控制中心可远程遥控特定的传感器工作，一般用于检测设备的工作状态或特殊的观测需求。

本装置的测量传感器包括4台NTD、自容式雨量计、气象站、AIS、ADCP、波浪传感器、两台CTD、两套视频采集模块、图像采集模块和声音采集模块。

按照海上降雨噪声特性研究的需要，以“时间一致”的原则，开展环境信息与噪声功率谱的同步测量，对测量传感器的测量数据增加时间标示，每组测量数据都包括当前时间，便于对回放数据进行综合数据分析。

本装置具备卫星通信和无线通信功能两种通信方式，由于卫星通信的数据受限且功耗较大，以无线通信方式为主，卫星通信作为备份通信网络，当无线通信信号质量不好时，采用卫星通信方式。

数据控制中心通过串行接口与无线通信终端A1和卫星通信终端A2连接，并具备网络接口，数据控制中心通过网络接收视频采集模块A传回的视频图像信息，传回的视频图像信息增加时间标示后存储在数据控制中心，用于以后分析数据使用，数据控制中心可以网络远程调整视频采集模块A的拍摄角度。

在完成预定的观测任务、设备回收后，将测量数据回放并分类归档存储，便于数据综合分析处理。

回放数据主要包括定时模式观测数据、降雨模式观测数据、编程模式观测数据和遥控模式观测数据。

定时模式回放数据包括：风速、风向、气压、海面空气温度、过往船只信息、波高、波向、海水表层温度盐度、剖面流速流向、海底温度盐度、试验海区水位、试验海区视频图像和4组不同深度的环境噪声数据。

降雨模式回放数据包括：降雨量、风速、风向、气压、海面空气温度、过往船只信息、波高、波向、海水表层温度盐度、剖面流速流向、海底温度盐度、试验海区水位、组试验海区视频图像和4组不同深度的环境噪声数据。

定时观测数据分析处理过程：

分析AIS数据，剔除受到过往船只影响的噪声测量数据；

对剩余定时观测的海洋环境噪声数据进行频谱分析,计算海洋环境噪声谱级；

分析风速数据和波浪数据，将不同风速和波浪下的噪声数据分类并分析其频谱特性；

分析海水表面温度数据，将不同海水表面温度下的噪声数据分类并分析其频谱特性；

提取大小不同的海流剖面流速数据，分析海水流速对水下噪声数据的影响。

降雨观测数据分析处理过程：

分析AIS和声音采集模块数据，剔除受到过往船只影响和海面有异常声音的噪声测量数据；

对剩余降雨观测的海洋环境噪声数据进行频谱分析,计算海洋环境噪声谱级；

分析降雨量数据，按照降雨量(小雨、中雨、大雨及暴雨)对降雨期间观测的海洋环境噪声数据进行分类；

分析视频数据和图像数据，在按照降雨量分类的噪声数据中选取降雨量稳定的噪声数据；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量风速数据为基础，分析不同风速下噪声数据的频谱特性，要着重分析风雨共同作用下的噪声数据，在此基础上，以同步观测视频和图像数据为基础，分析相同风速下雨滴不同入射角度下噪声数据频谱特性及其对噪声数据的影响；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的波浪为基础，分析波浪对降雨噪声数据的影响及相互作用关系(尤其是大雨和暴雨)，在此基础上，以同步观测视频数据为基础，分析相同波高下雨滴不同入射角度下噪声数据频谱特性及；

以降雨量稳定的噪声数据、同步测量的海水表面温度盐度和空气温度为基础，分析降雨噪声数据与海水表面温度盐度相互作用关系；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的剖面流速流向为基础，分析分析降雨噪声数据与海水表面流速相互作用关系；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的海底CTD测量的水位数据为基础，分析大雨及暴雨对水位数据的影响。

以定时观测数据和降雨观测数据处理结果为基础，得到特定海区在不同海况下的降雨噪声频谱特性及相互作用关系，定量分析降雨噪声起伏与降雨强度之间的关系。

本专利的技术方案主要包括以下几点：

1、确定测量要素

在充分考虑影响海上降雨噪声主要因素的情况下，结合研究过程中出现的问题，确定了测量要素：降雨量、风速、风向、波高、波周期、海流剖面流速流向、海水表层温度、海水表层盐度、海面温度、海面相对湿度、气压及过往船舶情况；增加视频和图片采集存储功能，通过现场视频了解降雨过程和环境信息，包括降雨开始时间、结束时间、稳定时间、雨滴入射角度和海面波浪信息，通过图片信息分析降雨谱并反演降雨量。

2、确定工作方式

结合海上降雨噪声测量的需要和综合测量平台39的特点，确定定时模式、降雨模式、编程模式和远程遥控模式和四种工作模式，获取海洋环境噪声及相关参数从微观到宏观，从短期偶发过程到长期的变化过程。

定时模式：测量装置以定时工作模式为主，测量间隔和测量时间由数据控制中心确定，测量装置默认每隔1小时启动一次测量，每次测量10分钟，然后停止测量。

降雨模式：当有降雨时，进入到降雨测量模式，测量装置启动测量，直至降雨结束后5分钟。

编程模式：数据控制中心可远程设定测量装置启动时间和测量时间，测量装置在启动时间到达后启动测量，完成设定的测量时间后停止测量。

远程遥控模式：数据控制中心可远程启动测量装置，开始测量，直至数据控制中心发生停止测量命令。

3、确定数据采集方式

按照海上降雨噪声特性研究的需要，确定实时同步原位的测量模式，做到测量数据的时空同步。以“时间一致”的原则，开展环境信息与噪声功率谱的同步测量，对测量传感器的测量数据增加时间标示，做到数据同步，提取了不同降雨条件下的噪声功率谱，建立起降雨强度与噪声功率谱曲线类型的联系，为海上降雨噪声功率谱的定量分析奠定基础。

为了方便传感器扩展和更换，基于开放式、面向任务、模块化设计思想，设计分布式平台采集系统，将测量传感器分为水中测量模块(噪声测量模块)、平台测量模块、海面测量模块和水底测量模块几部分，测量装置按照设定的工作方式，同步启动各测量模块同步采集测量数据。

4、确定通信方式

测量装置具备卫星通信和无线通信功能。

无线通信：数据控制中心通过无线通信终端传送控制命令并接受测量装置的状态信息和特征数据，也可用于卸载测量数据。

卫星通信：由于卫星通信的数据受限且功耗较大，所以作为备份通信网络，在无线通信信号不好时，数据控制中心也可通过卫星终端传送控制命令并接受测量装置的状态信息和特征数据。

5、数据处理

通过分析测量数据，选取不同海况下的噪声，对海上试验获取的海洋环境噪声数据进行频谱分析,计算海洋环境噪声谱级和1/3oct频带平均谱级，利用不同噪声源时频特性的不同，初步研究航船、风、降雨等噪声源分类算法，开展海洋环境噪声谱级起伏与对应的海洋环境事件如风速、降雨、海况(波高)等之间的经验关系定量分析研究，尤其是风雨共同作用情况下的分析研究。

本装置针对海上降雨噪声特性研究存在问题和急需解决的技术瓶颈，依托综合试验平台作为测量平台，在海面、海底和海中放置环境测量传感器和4台自容式噪声测量仪，实现了海洋环境噪声、降雨量、风速、风向、波高、波向、波周期、海流剖面流速流向、海水表层温度、海水表层盐度、海面温度、海面相对湿度、气压、过往船舶情况及现场视频、图像和声音信息的实时原位同步测量，通过分析回放的测量数据，可获取不同海况下的海上降雨噪声特性，分析风、浪、流、海水表层温度盐度和雨滴入射角度对降雨噪声信号的影响，定量研究不同降雨强度下产生的降雨噪声谱级分布规律。

所述平台模块包括嵌入式控制系统、存储卡、降雨触发装置、视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块A、自容式雨量计和电源管理模块。嵌入式控制系统、存储卡、无线通信终端、感应耦合模块、AIS、ZigBee模块A和电源管理模块放置在采集控制箱37内；降雨触发装置、视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、气象站、自容式雨量计和无线通信天线安装在综合试验平台表面，其中视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块和声音采集模块安装位置在水中模块方向；平台模块的电源由综合试验平台提供，嵌入式控制系统通过电源管理模块控制视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块A和水底模块的上电和掉电。

在试验现场降雨时，降雨触发装置产生触发信号，触发信号连接到嵌入式控制系统中断输入，嵌入式控制系统产生降雨中断后进入到降雨测量模式，开始测量，直至降雨结束后5分钟。

视频采集模块A采用智能云台摄像机，摄像机可水平360°、垂直-90°到+90°调节，摄像机支持3D数字降噪，画面更加细腻，具备电子防抖功能，支持透雾使图像画面更加通透；支持图像画质调整：亮度、对比度、锐度、饱和度可调节；现场视频图像可通过网络实时传到数据控制中心。

视频采集模块B采用飞利浦的动态全高清行车记录仪，将行车记录仪放置在密封透明罩中；行车记录仪内存为64Gb，录像时长：640分钟(全高清)；行车记录仪上电开始工作，掉电停止工作，每5分钟自动存储一个文件。

图像采集模块采用单反照相机，将单反照相机放置在密封透明罩中；将照相机电源线和快门线引出，照相机上电后，由快门线控制照片拍摄，照片拍摄后存储在照相机内，照相机内存容量128Gb。

声音采集模块采用声信号高速数据采集系统，微控制器LPC7168控制24位AD芯片ADS1271实现声信号采集，采样速率可达50k，采集的AD数据以文件格式存储在SD卡(容量256G字节)中，声音采集模块由嵌入式控制系统控制开始测量和停止测量；声音采集模块用于采集海面环境噪声。

气象站选用PB200WX超声波气象站，主要测量参数：真实风速和风向、虚拟风速和风向、大气压、空气温度等；嵌入式控制系统通过串口接收气象站测量数据并自动存储。

AIS(AutomaticIdentificationSystem)为船舶自动识别系统，可识别过往船只的信息；嵌入式控制系统通过串口接收AIS输出数据并自动存储。

AIS天线42和ZigBee模块天线36放置在采集控制箱上。

自容式雨量计在SL3-1翻斗式雨量传感器加装采集控制系统，自动采集存储试验现场的降雨数据；雨量传感器每0.1mm降水量翻转一次，采集控制系统在记录翻转次数的同时记录当前时间；自容式雨量计采用自容方式，自备电池，试验期间一直工作，连续工作时间不少于200天，存储容量为64Gb。

所述水中模块包括第一NTD、第二NTD、第三NTD和第四NTD。平台模块与水中模块通过塑包钢缆连接，四台NTD按照测量要求固定在塑包钢缆上(位置可根据测量要求灵活安装)，嵌入式控制系统按照设定的工作时序启动测量任务，通过感应耦合模块控制四台NTD的工作时间并同步启动四台NTD的噪声数据采集。塑包钢缆一端与平台模块连接，另一端与浮球连接，浮球到海底距离比最低潮位少1米，通过锚A把塑包钢缆中段固定在海底，4台NTD到浮球的距离分别为1米、3米、5米、11米。

NTD为具备温度压力测量功能的单通道海洋声信号测量仪，测量的噪声数据存储在本地的存储卡中，通过内置电池供电，NTD内置感应耦合模块，用于控制多台NTD同步测量，同时也可通过感应耦合模块介绍嵌入式控制系统命令。

所述水面模块包括小浮标、采集系统、ZigBee模块、波浪传感器和表层CTD；小浮标通过弹力绳+锚链和锚固定在海底，采集系统、ZigBee模块和波浪传感器放置在小浮标密封体内，表层CTD安装在小浮标下部的锚链上；采集系统与ZigBee模块、波浪传感器和表层CTD通过串行接口连接；水面模块的电源系统由可充电锂电池和太阳能电池板组成。平台模块与水面模块利用ZigBee技术通信，平台模块按照设定的时序完成对波浪传感器和表层CTD的数据采集。

CTD为温盐测量仪，用于测量试验海区海水温度和盐度。

波浪传感器用于测量波高、波向和波周期。

ZigBee模块A天线33放置在小浮标顶端，有利于提高通信效果。

所述水下模块包括水下平台、采集系统、ADCP和海底CTD；ADCP安装在水下平台顶部，海底CTD安装在水下平台内部；采集系统安装在密封舱内，安装在水下平台内部；采集系统与ADCP和海底CTD通过串行接口连接；平台模块与水下模块通过电缆连接，完成与水下模块通信和供电，平台模块按照设定的时序完成ADCP和海底CTD的数据采集；为简化水下模块结构，水下模块未采用释放机构上浮，而是通过承重电缆40完成水下模块的布放和回收。在水下模块中，海底CTD除了测量布放点位的海水温度和盐度，还测量试验海区水位数据，联合回放气压数据，可以推算出试验海区潮位。

ADCP为声学多普勒流速剖面仪，用于测量试验海区海流剖面的流速流向。

在完成设备安装布放和设置系统工作参数后，进入测量工作模式。本装置有定时模式、降雨模式、编程模式和远程遥控模式四种工作方式，由嵌入式控制系统按照设定的时序启动测量传感器，同步获取海洋环境噪声数据和环境参数数据。

本装置以定时工作模式为主；当有降雨时，进入到降雨测量模式；在编程模式下，数据控制中心可远程设定测量装置工作模式、启动时间和测量时间，测量装置在启动时间到达后启动测量，完成设定的测量时间后停止测量，数据控制中心可远程启动测量装置，按照设定的工作方式开始测量；远程遥控模式优先级最高，降雨模式次之，可以打断其它两种测量模式。

定时模式工作流程图如图3，到达定时工作模式启动时间后，进入定时工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，到达结束时间后，停止测量，关闭相应的电源，写入下一次定时工作模式的启动时间，向数据控制中心发送平台状态信息和传感器特征数据，结束本次定时工作模式；在定时工作模式工作过程中，可以响应数据控制中心的命令，当有降雨时，结束本次定时工作模式，进入降雨工作模式；定时工作模式的测量间隔和测量时间由数据中心设置，默认为测量间隔为1小时，默认总的测量时间为10分钟，其中，水底模块默认工作时间为1分钟，水中模块默认工作时间为3分钟，视频视频采集模块A、气象站、AIS和水面模块默认工作时间为10分钟，视频采集模块B、图像采集模块和声音采集模块在定时工作模式下不工作。

降雨模式工作流程图如图4，当试验现场降雨后，进入降雨工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，降雨结束时间5分钟中后，停止测量，关闭相应的电源，向数据控制中心发送平台状态信息、传感器特征数据和本次降雨时间及持续时间，结束本次降雨工作模式；在降雨工作模式工作过程中，可以响应数据控制中心的命令；降雨工作模式过程中，视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、气象站、AIS、水面模块、水中模块均连续工作，水底模块中CTD为连续工作，水底模块中ADCP为间隔工作模式，ADCP每2分钟工作一次，每次工作1秒钟。

在编程工作模式中，数据控制中心可设定本装置的启动时间和连续工作时间及本次测量过程中每个传感器的工作时间，这种模式一般在特殊天气过程中启用；在一次观测过程中，根据天气预报设定在没有降雨的天气里，观测装置连续工作24小时，其中，水底模块默认工作时间为1分钟，水中模块默认工作时间为3分钟，视频视频采集模块A、气象站、AIS、声音采集模块、水中模块和水面模块默认为连续工作，水底模块中海底CTD为连续工作，水底模块中ADCP为间隔工作模式，ADCP每30分钟工作一次，每次工作1秒钟，视频采集模块B和图像采集模块在编程工作模式下不工作。

在远程遥控模式中，数据控制中心可远程遥控特定的传感器工作，一般用于检测设备的工作状态或特殊的观测需求。

按照海上降雨噪声特性研究的需要，以“时间一致”的原则，开展环境信息与噪声功率谱的同步测量，对测量传感器的测量数据增加时间标示，每组测量数据内增加当前时间，便于对回放数据进行综合数据分析。

本装置具备卫星通信和无线通信功能两种通信方式，由于卫星通信的数据受限且功耗较大，以无线通信方式为主，卫星通信作为备份通信网络，当无线通信信号质量不好时，采用微型通信方式。

数据控制中心通过串行接口与无线通信终端A和卫星通信终端A连接，并具备网络接口，用于接收视频采集模块A传回的视频图像信息，数据中心可以调整视频采集模块A的拍摄角度，传回的视频图像信息增加时间标示后存储在数据控制中心，用于以后分析数据使用。

在完成预定的观测任务、设备回收后，将测量数据回放并分类归档存储，便于数据综合分析处理。

回放数据主要包括定时模式观测数据、降雨模式观测数据、编程模式观测数据和遥控模式观测数据。

定时模式回放数据包括：风速、风向、气压、海面空气温度、过往船只信息、波高、波向、海水表层温度盐度、剖面流速流向、海底温度盐度、试验海区水位、试验海区视频图像和4组不同深度的环境噪声数据。

降雨模式回放数据包括：降雨量、风速、风向、气压、海面空气温度、过往船只信息、波高、波向、海水表层温度盐度、剖面流速流向、海底温度盐度、试验海区水位、组试验海区视频图像和4组不同深度的环境噪声数据。

定时观测数据分析处理主要包括：

分析AIS数据，剔除受到过往船只影响的噪声测量数据；

对剩余定时观测的海洋环境噪声数据进行频谱分析,计算海洋环境噪声谱级；

分析风速数据和波浪数据，将不同风速和波浪下的噪声数据分类并分析其频谱特性；

分析海水表面温度数据，将不同海水表面温度下的噪声数据分类并分析其频谱特性；

提取大小不同的海流剖面流速数据，分析海水流速对水下噪声数据的影响。

降雨观测数据分析处理主要包括：

分析AIS和声音采集模块数据，剔除受到过往船只影响和水面有异常声音的噪声测量数据；

对剩余降雨观测的海洋环境噪声数据进行频谱分析,计算海洋环境噪声谱级；

分析降雨量数据，按照降雨量(小雨、中雨、大雨及暴雨)对降雨期间观测的海洋环境噪声数据进行分类；

分析视频数据和图像数据，在按照降雨量分类的噪声数据中选取降雨量稳定的噪声数据；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量风速数据为基础，分析不同风速下噪声数据的频谱特性，要着重分析风雨共同作用下的噪声数据，在此基础上，以同步观测视频数据为基础，分析相同风速下雨滴不同入射角度下噪声数据频谱特性及其对噪声数据的影响；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的波浪为基础，分析波浪对降雨噪声数据的影响及相互作用关系(尤其是大雨和暴雨)，在此基础上，以同步观测视频数据为基础，分析相同波高下雨滴不同入射角度下噪声数据频谱特性；

以降雨量稳定的噪声数据、同步测量的海水表面温度盐度和空气温度为基础，分析降雨噪声数据与海水表面温度盐度相互作用关系；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的剖面流速流向为基础，分析分析降雨噪声数据与海水表面流速相互作用关系；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的海底CTD测量的水位数据为基础，分析大雨及暴雨对水位数据的影响；

通过以上数据分析，得到特定海区在不同海况下的降雨噪声频谱特性及相互作用关系，定量分析降雨噪声起伏与降雨强度之间的关系。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种海上降雨噪声特性原位测量装置，其特征在于，包括：

位于海域的噪声获取部；用于获取海域的环境噪声、测量原位的水文气象参数、现场的视频、图片和声音信息；

与所述噪声获取部进行数据远程交互的控制部；其中：

所述噪声获取部包括：

获取环境噪声信号的水中模块，包括位于海水中的四台单通道海洋声信号测量仪；

获取海面温度、盐度和波高、波向波周期的水面模块；

获取海流剖面和水底的温度、盐度、水位信息的水底模块；

以及与所述水中模块、水面模块和水底模块进行数据交互，同时采集视频图像声音信息和雨量信息的平台模块；所述平台模块与控制部进行数据交互；

所述平台模块包括嵌入式控制系统、存储卡、降雨触发装置、视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块、自容式雨量计和电源管理模块；所述嵌入式控制系统通过电源管理模块控制视频采集模块A、视频采集模块B、图像采集模块、声音采集模块、卫星通信终端、无线通信终端、感应耦合模块、气象站、AIS、ZigBee模块和水底模块的上电和掉电；

视频采集模块A调整摄像机的角度，现场视频图像通过网络实时传到数据控制中心；

视频采集模块B采用自容方式，采集的现场视频图像信息存储到本地的存储卡中；

现场视频图像信息用于分析降雨过程、雨滴的入射角度和海面波浪情况，获取降雨量稳定的准确时间及持续时间，为定量分析降雨对环境噪声的影响提供数据；

图像采集模块由嵌入式控制系统控制照片拍摄，照片拍摄后存储在照相机内；声音采集模块用于采集海面环境噪声；

降雨观测数据分析处理过程包括：

分析AIS和声音采集模块数据，剔除受到过往船只影响和海面有异常声音的噪声测量数据；

对剩余降雨观测的海洋环境噪声数据进行频谱分析，计算海洋环境噪声谱级；

分析降雨量数据，按照降雨量对降雨期间观测的海洋环境噪声数据进行分类；

分析视频数据和图像数据，按照降雨量分类的噪声数据中选取降雨量稳定的噪声数据；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量风速数据为基础，分析不同风速下噪声数据的频谱特性，分析风雨共同作用下的噪声数据，在此基础上，以同步观测视频和图像数据为基础，分析相同风速下雨滴不同入射角度下噪声数据频谱特性及其对噪声数据的影响；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的波浪为基础，分析波浪对降雨噪声数据的影响及相互作用关系，在此基础上，以同步观测视频数据为基础，分析相同波高下雨滴不同入射角度下噪声数据频谱特性；

以降雨量稳定的噪声数据、同步测量的海水表面温度盐度和空气温度为基础，分析降雨噪声数据与海水表面温度盐度相互作用关系；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的剖面流速流向为基础，分析降雨噪声数据与海水表面流速相互作用关系；

以降雨量稳定的噪声数据和同步测量的海底CTD测量的水位数据为基础，分析大雨及暴雨对水位数据的影响；

以定时观测数据和降雨观测数据处理结果为基础，得到海区在不同海况下的降雨噪声频谱特性及相互作用关系，定量分析降雨噪声起伏与降雨强度之间的关系；

定时观测数据分析处理过程为：分析AIS数据，剔除受到过往船只影响的噪声测量数据；对剩余定时观测的海洋环境噪声数据进行频谱分析，计算海洋环境噪声谱级；分析风速数据和波浪数据，将不同风速和波浪下的噪声数据分类并分析频谱特性；分析海水表面温度数据，将不同海水表面温度下的噪声数据分类并分析频谱特性；提取大小不同的海流剖面流速数据，分析海水流速对水下噪声数据的影响。

2.根据权利要求1所述的海上降雨噪声特性原位测量装置，其特征在于，所述水底模块包括水下平台、水底采集系统、ADCP和海底CTD；平台模块与水下模块通过电缆进行通信和供电，平台模块按照设定的时序完成ADCP和海底CTD的数据采集。

3.根据权利要求2所述的海上降雨噪声特性原位测量装置，其特征在于，所述ADCP用于测量布放点位上方的海流剖面流速流向数据。

4.根据权利要求1所述的海上降雨噪声特性原位测量装置，其特征在于，所述水面模块包括小浮标、水面采集系统、ZigBee模块A、波浪传感器和表层CTD；平台模块与水面模块利用ZigBee技术通信，平台模块按照设定的时序完成对波浪传感器和表层CTD的数据采集。

5.根据权利要求1所述的海上降雨噪声特性原位测量装置，其特征在于，所述平台模块与水中模块通过塑包钢缆连接，四台单通道海洋声信号测量仪固定在塑包钢缆上，嵌入式控制系统按照设定的工作时序启动测量任务，通过感应耦合模块控制四台单通道海洋声信号测量仪的工作时间，并同步启动四台单通道海洋声信号测量仪的噪声数据采集。

6.根据权利要求5所述的海上降雨噪声特性原位测量装置，其特征在于，所述塑包钢缆一端与平台模块连接，另一端与浮球连接，浮球到海底距离比最低潮位少1米，通过锚A把塑包钢缆中段固定在海底。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述海上降雨噪声特性原位测量装置的方法，其特征在于，定时工作模式包括如下步骤：

S1、当有降雨时，进入到降雨测量模式；控制部远程设定测量装置工作模式、启动时间和测量时间；

S2、到达定时工作模式启动时间后，进入定时工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，到达结束时间后，停止测量，关闭相应的电源，写入下一次定时工作模式的启动时间，向数据控制中心发送平台状态信息和传感器特征数据，结束本次定时工作模式；在定时工作模式工作过程中，响应数据控制中心的命令，当有降雨时，结束本次定时工作模式，进入降雨工作模式；定时工作模式的测量间隔和测量时间由数据中心设置。

8.一种基于权利要求7所述海上降雨噪声特性原位测量装置的方法，其特征在于，降雨模式包括如下步骤：

当试验现场降雨后，进入降雨工作模式，打开相应设备的电源，启动传感器同步测量，按照设定的工作时序开始测量，降雨结束时间5分钟后，停止测量，关闭相应的电源，向数据控制中心发送平台状态信息、传感器特征数据和本次降雨时间及持续时间，结束本次降雨工作模式。

9.一种基于权利要求7所述海上降雨噪声特性原位测量装置的方法，其特征在于，降雨数据分析包括如下步骤：

S1、获取现场的视频图像信息；

S2、通过所述频图像信息，分析降雨过程、雨滴的入射角度和海面波浪数据；获取降雨量稳定的准确时间及持续时间，为定量分析降雨对环境噪声的影响提供数据。

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