CN113485180A - 一种自容式多通道瞬态噪声测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自容式多通道瞬态噪声测量系统，组成如下：硬件平台主要由水听器、信号调理单元、控制与数据存储单元、供电单元、USB分配器、锂电池组和密封壳体组成，其中，信号调理单元包括信号调理模块；控制与数据存储单元包括模数转换模块、数字控制模块以及SD卡存储与读取模块。控制软件包括供电单元嵌入式控制软件和控制与数据存储单元嵌入式控制软件。噪声特性分析软件通过对发射噪声系统采集的实测数据进行分析，获取发射瞬态噪声的特性。采用本发明提供的噪声测量系统采集水下瞬态噪声，获取各型高速水下航行体的水下瞬态噪声特性，可为水下声学测量装备频段选择、发射噪声控制、水下安全作战等方面提供重要理论依据和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及海洋技术领域，尤其涉及水声工程和声纳技术，具体为一种自容式多通道瞬态噪声测量系统。
背景技术
水下高速航行体的发射瞬态噪声与潜艇航行、海洋环境及其它目标产生的噪声相比，具有明显的特征，其持续时间极短、频带较宽，具有突发性、随机性，在低频段能量较大，能够在水下远距离传播。其产生机理是在一个密闭空间里发生爆炸瞬间产生的高压气体将水下高速航行体推出，因为爆炸发生在内部密闭腔体内，产生的巨大噪声信号由外壳的震动传出体外，一部分噪声通过高压气体传出，与体外自噪声、流噪声等混叠而成为了发射平台周围复杂的水下瞬态噪声，持续时间从发射时刻起延续几秒。
由于水下发射瞬态噪声信号持续时间非常短，瞬间产生高辐射声能量，布设在测量平台周边上的声学测量装备不可避免受到噪声冲击，就会影响到这些装备测量精度和使用性能。如何降低发射噪声对测量声学装备的影响就变成亟待需要关注和解决的难题。由于低频段的发射噪声能够在水下远距离传播，所以发射噪声也是影响潜艇隐蔽发射的重要因素，进而对武器攻击效果及潜艇生存能力产生重大影响。
一直以来，由于工作环境恶劣、试验成本高、数据采集困难等不利因素，导致各水声科研单位在对水下发射原始瞬态噪声信号采集上一直是缺乏的，对于水下瞬态噪声特性也缺乏足够的认识。虽然研究机构开发了一些噪声数据监测记录设备，但是通用性不高，像专利“一种海洋环境噪声测量系统”，只是用于检测海洋环境噪声，无法针对水下发射瞬态噪声的特点来满足测量水下发射瞬态噪声的需求。因此研制一款成本较低，使用方便灵活的水下瞬态噪声测量系统就具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于上述背景技术存在的不足，本发明提出一种自容式多通道水下瞬态信号测量系统，用来测量水下发射瞬态水声信号。为使测量系统能随时使用，本系统具有体积小、重量轻、功耗低、容量大，配置灵活、使用方便、易于布放、适应动态范围大，测量频带范围宽、成本相对低等特点。系统主要功能有：不需艇电，自带电源，独立工作；多通道记录，记录起始时间可设定；信号采集电路各通道带宽和增益可调等。本发明的噪声测量系统在设定的时间段内能完整存储原始水下瞬态声信号数据，以供后期进一步分析及数据积累之用。
本发明的技术方案：
一种自容式多通道瞬态噪声测量系统，包括硬件平台、控制软件和噪声特性分析软件。所述的硬件平台主要由水听器、信号调理单元、控制与数据存储单元、供电单元、USB分配器、锂电池组和密封壳体组成，其中，信号调理单元包括信号调理模块；控制与数据存储单元包括模数转换模块、数字控制模块以及SD卡存储与读取模块。所述的控制软件包括供电单元嵌入式控制软件和控制与数据存储单元嵌入式控制软件。所述的噪声特性分析软件通过对发射噪声系统采集的实测数据进行分析，获取发射瞬态噪声的特性。
所述信号调理模块前级为低噪声运算放大器，中级为增益控制和滤波电路；信号调理模块将水听器接收到的微弱声压信号进行滤波和放大，输出适合模数转换模块输入范围的信号。
所述模数转换模块将水听器接收到的声压信号转化为数字信号，主要由单端转差分电路、模数转换电路和电平转换电路组成；信号在进入A/D芯片之前通过单端转差分电路进行单端转差分处理，将一个单端输入信号转换为一个差分输出信号，模数转换电路将单端转差分电路输出的差分信号转换为数字信号，并将转换后的结果送到单片机；电平转换电路用于匹配模数转换电路与控制与数据传输单元中主控电路之间的电平，以防止SPI通信时输入输出信号出现电平不匹配的问题。
所述数字控制模块主要功能为控制A/D芯片采集数据并接收，并将接收的数据通过SDIO接口写入SD卡存储与读取模块。
所述SD卡存储与读取模块用于存储和读取模数转换模块采集的噪声信号数据。
所述供电单元为通过串口给主控制器设置初始时间和工作时间段，在工作时间段内主控制器控制电源芯片的使能引脚使电源芯片输出所需电压，为各个模块供电。
所述USB分配器用于将SD卡存储与读取模块里的原始数据从系统中读取出来。
所述锂电池组为系统的电力储备，带保护电路和配套充电器。
所述密封壳体用于保护电路及附件，信号调理单元、控制与数据存储单元、供电单元、USB分配器和锂电池组位于密封壳体内，水听器和上位机通过连接插头与密封壳体中的声信号采集、存储系统进行数据交换。
所述供电单元嵌入式控制软件用于完成通过串口接收上位机的命令并解析命令，在给定的时间段内给噪声测量系统的其余单元进行供电；所述数据存储单元嵌入式控制软件用于完成对水下瞬态信号的实时采集并存储至SD卡存储与读取模块中。
所述的噪声特性分析软件通过对发射噪声系统采集的实测数据进行分析，获取发射瞬态噪声的特性。噪声特性分析软件包括用户主界面、功能选择、数据读取、数据分析、数据可视化、数据分析结果保存等功能，对SD卡存储与读取模块中的实测数据进行分类、分时段处理，得出水下瞬态噪声的特点和规律。
本发明有益效果如下：所述噪声测量水听器用于采集水下瞬态噪声信号，并将信号传递到系统的信号调理模块；对输入信号进行滤波、放大后进入模数转换模块，模数转换模块将水听器接收到的声压信号转化为数字信号，数字控制模块控制A/D芯片采集数据并接收；进而通过SD卡存储与读取模块，将采集到的原始数据通过SDIO接口写入SD卡；使用USB分配器直接将SD卡里的原始数据从系统中读取出来；噪声测量系统利用自带的锂电池组成的电源工作，并为噪声测量电路供电；最后利用噪声特性分析软件对实测噪声数据进行可视化分析和研究。采用本发明的水下瞬态噪声测量系统能够完成对水下瞬态噪声的采集、存储和分析，所述测量系统可根据需求安装在水下测量采集平台上，所述噪声性分析软件可对水下瞬态噪声进行分析研究，提取出噪声声学特征，并以可视化形式展示出来，达到测量系统的采集、存储和研究水下发射瞬态噪声的目的。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别是本发明实施例的密封壳体的内部示意图和结构总体设计图；图中：1连接板；2长连接杆；3短连接杆；4电路支撑板；5电池支撑板A；6电池支撑板B；7罐体；8下盖板；9上盖板。
图2是本发明实施例的自容式瞬态噪声测量系统的功能结构示意图。
图3是本发明实施例的硬件平台结构框图。
图4是本发明实施例的信号调理单元原理框图。
图5是本发明实施例的供电单元原理框图。
图6是本发明实施例的控制软件工作流程图。
图7是本发明实施例的串口中断程序流程图。
图8是本发明实施例的数据缓存程序流程图。
图9是本发明实施例的数据存储程序流程图。
图10是本发明实施例的数据分析软件功能模块图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明的一种自容式瞬态噪声测量系统，用于采集水下瞬态噪声信号，硬件平台对采集到的信号进行放大、转换和存储；嵌入式控制软件实现了实时时钟、命令接收、A/D采集、SPI通信、数据缓存和数据存储等功能；噪声特性分析软件对实测数据的时域、频域、三分之一倍频程进行可视化分析，达到系统测量、分析和研究水下瞬态噪声的目的。
本发明的自容式瞬态噪声测量系统主要的功能流程为：信号调理模块主要是对输入信号进行滤波，放大，输出适合模数转换器输入范围的信号；之后，信号进入模数转换模块，模数转换模块控制A/D芯片对模拟信号进行采集，转换为数字信号后接收，进而通过SD卡存储与读取模块，将采集到的原始数据写入SD卡；使用USB分配器将SD卡里的原始数据从系统中读取出来；利用噪声特性分析软件对实测噪声特性进行提取，供后续分析之用。
水下瞬态噪声测量系统要放在水下几十米深度处，系统实际工作环境较为恶劣，对系统的结构要求较高，必须对噪声测量系统的密封外壳进行优化设计。密封外壳如图1(a)和图1(b)所示，包括连接板1、长连接杆2、短连接杆3、电路支撑板4、电池支撑板A5、电池支撑板B6、罐体7、下盖板8和上盖板9。整体结构设计为上下两层，下方层的底部为电池支撑板B6、顶部为电池支撑板A5，在下方层是放入锂电池组成的电池组，电池组通过电池支撑板A5上的通孔给上方层进行供电；上方层的顶部为连接板1、底部为电池支撑板A5，在上方层由电路支撑板4将上方层分为左右两部分，左右两边的信息交换数据线通过电路支撑板4中间的两个通孔进行连接，在上方层的下部分放置4个控制与数据存储单元和USB分配器，在上方层的上部分放置信号调理单元和供电单元。上下两层的通过长连接杆2和短连接杆3进行支撑。整个支架结构的材质都用硬铝合金。外部由上盖板9、罐体7和下盖板8组成，其中上盖板9中间三个通孔与连接板1上的通孔对齐，这三个通孔是两水听器和数据导出的插头通孔，罐体7与上下盖板9的接触面处，在罐体7上刻画出两道凹痕用于放置O型圈，组装过程中会被盖板与罐体7压缩，产生密封的接口。密封外壳的材质使用316L不锈钢。
本发明的实施例参照图2所示，所述水下瞬态噪声测量系统包括三方面：系统硬件平台、噪声特性分析软件和结果输出。
测量系统的硬件平台主要由水听器、信号调理单元、控制与数据存储单元、供电单元、USB分配器、锂电池组和密封壳体组成，其中，信号调理单元包括信号调理模块；控制与数据存储单元包括模数转换模块、数字控制模块以及SD卡存储与读取模块，其硬件平台结构框图如图3所示。
所述信号调理模块前级为低噪声运算放大器，中级为增益控制和滤波电路，负责完成对模拟信号的前放和放大。信号调理模块将水听器接收到的微弱声压信号进行滤波、放大，输出适合模数转换器输入范围的信号。在水下强冲击所产生的声信号瞬间和强冲击后所产生的声信号经水听器后输出的电信号幅度相差几十甚至上百倍，同时强冲击瞬间的时间很短暂，为完整记录整个水中强冲击过程，故在水听器输出的电信号很微弱时，对电信号进行20dB的放大增益处理；在水听器输出的电信号很强烈时，对电信号进行0dB的放大增益处理，此处增益可根据实际测量情况进行调整。
所述模数转换模块主要由单端转差分电路、模数转换电路、电平转换电路组成。
由于选用的A/D芯片采取差分输入，故声压信号在进入A/D芯片之前对其进行单端转差分处理。选取LTC6363芯片作为单端转差分芯片，它可以将一个单端输入信号转换为一个差分输出信号，也可以进行差分驱动。低失调电压和低输入失调电流使得它不仅适用于ADC驱动器，还可在前面的信号链路中使用，提供滤波、增益，甚至是高达10至1的衰减，把高电压信号转换为适合低电压ADC的电平。
系统中需要信道至信道隔离，采用单通道ADC，以单独地隔离前端电路。每个ADC通道需要自己的信号调理电路和隔离式电源，这个电路被复制到所有通道上。选取LTC2311-16芯片搭建模数转换电路，LTC2311-16灵活的差分输入和宽输入共模范围可简化输入信号调理设计，从而显着地减少所需组件数量，降低系统成本和功耗，减小所需电路板空间。
所述电平转换电路中选取SN74AVC4T245芯片来作为2.5V电平系统与3.3V电平系统之间数据传输的总线收发器，在2.5V电平系统与3.3V电平系统之间最大数据传输速率为200Mbps，可满足主控电路与模数转换之间的SPI通信，SN74AVC4T245这个4位同相总线收发器使用两个独立的可配置电源轨，用于两条数据总线之间的异步通信。方向控制(DIR)输入和输出使能(OE)的逻辑电平激活B端口输出或A端口输出或将两个输出端口置于高阻抗模式。当B端口输出被激活时，设备将数据从A总线传输到B总线，当A端口输出被激活时，设备将数据从B总线传输到A总线。
所述数字控制模块选择STM32L4R9芯片作为主控制器，主要负责SPI通信控制与SDIO数据写入，并不需要进行大量运算。为了减少功耗，同时丰富的系统资源和满足产品后续功能扩展，采用STM32L4R9控制器的最小系统由震荡电路、复位电路和供电电路组成，在调试时使用SWD调试模式。采集数据通过SPI总线与单片机通信，同时数据通过SDIO总线送入Micro SD卡。此外，控制器还扩展了指示灯，可以指示控制器工作状态和工作模式，使系统便于调试。
所述控制器的最小系统中，当噪声测量系统在工作时间段内记录声信号数据时，每记录一个文件的数据将开始写文件时的时间作为文件名；当噪声测量系统不在工作时间段内时，此时控制与数据存储单元没有工作，当再次进入工作时间时，记录数据文件的文件名将与上一个时间段记录数据文件的文件名重复。因此还设计一个纽扣电池对RTC供电，通过RTC的正常工作来保持文件名的不重复与可查看性。
所述噪声测量系统嵌入式控制程序设计中，还包含串口通信功能。串口是MCU的主要外部接口，上位机通过串口对供电单元进行当前时间与时间段的设置。串口只要开启串口时钟，设置相应的I/O口模式，然后配置波特率、数据位长度、奇偶校验等信息即可使用。
存储SD卡的数据时，通过使用外部总线开关进行信号切换。当USB接口插入时代表此时数据已记录完，系统不再工作时间段内，通过一个逻辑非门芯片引脚保持低电平，与SD卡可进行数据传输，进行读卡操作；当USB线未插入时，主控制器控制芯片引脚OE保持高电平，此时总线开关处于高阻状态，SDIO接口与SD卡连接，进行写卡操作。
读取SD卡里的数据时，为了不影响SD的使用寿命，读取SD卡中记录的数据时使用USB分配器读取四个SD卡中的数据。在噪声测量系统中使用的USB分配器要体积小、传输速率高、无需驱动、支持多种操作系统。
所述供电单元主要实现功能是通过串口给主控制器设置初始时间和工作时间段，在工作时间段内主控制器控制电源芯片的使能引脚使电源芯片输出所需电压。供电单元主要功能是将内置电池的供电转换为各个板卡所需要的5V和
±5V电源，同时对于信号调理模块的模拟电源需要考虑低噪声。
所述密封壳体的主要功能是将所有电路及附件保护起来，起防水作用，其中信号调理单元、控制与数据存储单元、USB分配器、供电单元和锂电池组放入水密耐压罐，水听器和上位机通过连接插头与水密耐压罐中的声信号采集、存储系统进行数据交换。
所述噪声测量系统中控制软件主要包括供电单元嵌入式控制软件和控制与数据存储单元嵌入式控制软件。供电单元嵌入式控制软件主要完成通过串口接收上位机的命令并解析命令，在给定的时间段内给噪声测量系统的其余单元进行供电；控制与数据存储单元嵌入式控制软件主要完成对水下瞬态信号的实时采集并存储至SD卡中。
所述噪声特性分析软件包括以用户主界面、功能选择、数据读取、数据分析、数据可视化、数据分析结果保存等功能，对实测数据进行分类、分时段处理，得出水下瞬态噪声的特点和规律。
部分组件的具体参数指标如下：
水听器：工作频带1Hz～470kHz，线性频率范围为1Hz～250kHz、在250KHz时接收灵敏度为-218dB，工作深度达到900m，水听器带20米水密电缆和密封法兰，重量1.6kg。
锂电池组：采用18650电芯按照要求尺寸拼装组成，电压48V容量20AH。
密封壳体：耐水压300米；体积不超过Ф200*240(直径*高)mm。
信号调理模块主要是对信号进行放大处理，包括前置放大器、固定增益放大器两个部分，主要指标如下：电压增益多档可设，有负增益也有正增益；频带1Hz～250KHz以上，可以根据需要分为多个频段；4路独立信号通道；
电源供电，输出信号
为满足不同条件下对放大增益的需求，实现0dB、20dB的放大增益选择。以一个通道为例，信号调理模块的原理框图如图4所示。
供电单元主要功能是将内置电池的供电转换为各个板卡所需要的5V和
5V电源，同时对于信号调理模块的模拟电源需要考虑低噪声，主要指标要求如下：采用48V(36～72V输入)DC-DC模块转为5V和±5VDC电源；
模拟电源通过专用滤波模块滤波处理；板卡及安装孔尺寸和其它板卡一致。在供电单元中主要实现功能是通过串口给主控制器设置初始时间和工作时间段，在工作时间段内主控制器控制电源芯片的使能引脚使电源芯片输出所需电压。供电单元的原理框图如图5所示。
系统嵌入式控制软件功能流程图如图6所示。嵌入式控制软件主要通过单片机内部的RTC、USART、SPI、DMA、RAM、SDIO等资源，通过系统时钟配置、实时时钟配置、通信程序、数据存储程序等使噪声测量系统实现实时时钟、命令接收、A/D采集、SPI通信、数据缓存和数据存储等功能。
串口中断服务程序流程图如图7所示，当接收到从上位机发过来的数据时，对第一个字节进行检验，第一个字节为0xFF且接收数据标志usart_rx_enableflag为0，表示检测到帧头且数据还没有开始接收。将数据接收标志usart_rx_enableflag置1，此时开始数据缓存。将接收到的数据保存在USART_RX_BUF中，同时在接收状态寄存器USART_RX_STA中计数接收到的功能位和有效数据个数；当收到帧尾的第一个字节0x0D时，计数器将不再增加，等待0x0A的到来。如果0x0A没有到来，则认为这次接收失败，同时单片机通过串口给上位机发送error并进行显示，单片机重新开始下一次接收。如果顺利接收到0x0A，则标记接收状态寄存器USART_RX_STA的第十五位，这样完成一次接收，并等待该位与数据接收标志被其它程序清除，从而开始下一次的数据接收；而如果迟迟没有接收到0x0D，那么在接收数据超过USART_REC_LEN的时候，则会丢弃前面接收的数据，重新接收。在串口服务程序中还会将接收到数据帧中的时间位发送给上位机，以便通知用户已接收到所发送的实时时间和时间段。
所述控制与数据存储单元中采用DMA方式传输数据，STM32单片机为DMA设置了最大为64KB的DMA缓冲区。为了防止CPU和DMA同时访问同一片缓冲区造成冲突，需要设置半满中断和全满中断，缓冲区分为前半段和后半段，每半段为32KB。当半满中断到来时，DMA传输数据已经将缓冲区前半段写满，开始写入缓冲区后半段，此时CPU就可以访问缓冲区前半段；全满中断到来时，DMA已经将缓冲区后半段写满，又重新开始写入缓冲区前半段，此时CPU就可以访问缓冲区后半段。如此交替访问就可以避免冲突。由于写卡速度与单次写入字节数的大小有关，单次写入字节数越小，写卡速度越慢。为了尽可能提高写卡速度，需要设置两片大小都为128KB的乒乓RAM，即RAM0和RAM1。当半满中断或全满中断到来时，将DMA缓冲区的前半段或后半段依次搬移到乒乓RAM中，RAM0写满后会将RAM0写满标志位Spi1DATAFlagA置1，RAM1写满后会将RAM1写满标志位Spi1DATAFlagB置1，以通知主程序应当读取哪片RAM。数据缓存示意图如图8所示。
数据存储程序流程图如图9所示，数据存储程序首先将SDIO接口初始化，然后使用f_mount函数在SD卡上注册工作区。噪声测量系统在分析SD卡中的数据时，需要根据时间分析数据，这里就需要用到RTC功能，为了方便管理文件，将RTC信息写入文件名中，由于RTC单独供电使其一直处于工作状态，可以防止文件被覆盖。然后使用f_open函数创建文件，交替访问乒乓RAM，并使用f_write函数将数据写入SD卡中，为了防止重复写入数据，将对应的RAM写满标志位置0。在文件写到一定大小后，使用f_close函数关闭文件。最后继续读取RTC，创建下一个文件，重复上述操作直到噪声测量系统不再工作才停止上述操作。
噪声分析软件功能模块如图10所示，可以实现对实测噪声数据的时域，频域FFT，三分之一倍频程，以及各种噪声特性分析结果谱图，可视化展示出来，并对处理结果进行保存，以便更好的实现对于数据的分析。
Claims (1)
1.一种自容式多通道瞬态噪声测量系统，其特征在于，所述的自容式多通道瞬态噪声测量系统包括硬件平台、控制软件和噪声特性分析软件；所述的硬件平台主要由水听器、信号调理单元、控制与数据存储单元、供电单元、USB分配器、锂电池组和密封壳体组成，其中，信号调理单元包括信号调理模块；控制与数据存储单元包括模数转换模块、数字控制模块以及SD卡存储与读取模块；所述的控制软件包括供电单元嵌入式控制软件和控制与数据存储单元嵌入式控制软件；所述的噪声特性分析软件通过对发射噪声系统采集的实测数据进行分析，获取发射瞬态噪声的特性；
所述信号调理模块前级为低噪声运算放大器，中级为增益控制和滤波电路；信号调理模块将水听器接收到的微弱声压信号进行滤波和放大，输出适合模数转换模块输入范围的信号；
所述模数转换模块将水听器接收到的声压信号转化为数字信号，主要由单端转差分电路、模数转换电路和电平转换电路组成；信号在进入A/D芯片之前通过单端转差分电路进行单端转差分处理，将一个单端输入信号转换为一个差分输出信号，模数转换电路将单端转差分电路输出的差分信号转换为数字信号，并将转换后的结果送到单片机；电平转换电路用于匹配模数转换电路与控制与数据传输单元中主控电路之间的电平，以防止SPI通信时输入输出信号出现电平不匹配的问题；
所述数字控制模块主要功能为控制A/D芯片采集数据并接收，并将接收的数据通过SDIO接口写入SD卡存储与读取模块；
所述SD卡存储与读取模块用于存储和读取模数转换模块采集的噪声信号数据；
所述供电单元为通过串口给主控制器设置初始时间和工作时间段，在工作时间段内主控制器控制电源芯片的使能引脚使电源芯片输出所需电压，为各个模块供电；
所述USB分配器用于将SD卡存储与读取模块里的原始数据从系统中读取出来；
所述锂电池组为系统的电力储备，带保护电路和配套充电器；
所述密封壳体用于保护电路及附件，信号调理单元、控制与数据存储单元、供电单元、USB分配器和锂电池组位于密封壳体内，水听器和上位机通过连接插头与密封壳体中的声信号采集、存储系统进行数据交换；
所述供电单元嵌入式控制软件用于完成通过串口接收上位机的命令并解析命令，在给定的时间段内给噪声测量系统的其余单元进行供电；所述数据存储单元嵌入式控制软件用于完成对水下瞬态信号的实时采集并存储至SD卡存储与读取模块中；
所述的噪声特性分析软件通过对发射噪声系统采集的实测数据进行分析，获取发射瞬态噪声的特性；噪声特性分析软件包括用户主界面、功能选择、数据读取、数据分析、数据可视化、数据分析结果保存等功能，对SD卡存储与读取模块中的实测数据进行分类、分时段处理，得出水下瞬态噪声的特点和规律。
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