一种变电站噪声综合云图测试装置的制作方法

本发明属于变电站噪声测试技术领域，特别涉及一种变电站噪声综合云图测试装置。

背景技术：

变电站内部噪声的准确分离和测量，是进行变电站环境噪声控制和防治的关键。但是变电站噪声的测量受到外界环境因素的影响，这其中有背景噪声和天气的影响。在实际测量时，除了有被测声源所产生的噪声外，还会有其他噪声的存在，如变电站周围的人流、车流等生活工作背景的噪声影响，以及狗叫、摩托车声等瞬态噪声，这些噪声之和称为背景噪声，背景噪声会影响到测量的准确性。通常测量某机器的噪声，当机器未开时测量背景噪声，开动机器时测量总噪声，然后进行修正得出机器的噪声。而投运的变电站不能随便因为测量其环境噪声而停止运行，因此利用单一声级计测量的噪声，是变电站自身噪声和其它环境噪声的叠加。利用单一的声级计，难以区分出变电站内部噪声的来源、分布、大小、频谱特征等参量，不利于变电站设备噪声的责任区分，给变电站环境噪声的治理带来不便。

现有的体积阵测试装置只能测量单个测点的图像，一般是利用体积阵式噪声测试装置测量某个测点的声像分布图，然后将获得的声场分布图输入软件进行模拟仿真，获得变电站的噪声模拟综合云图，通过软件模拟的综合云图精确度较差，受限于测点的数量和分布情况，不能精确的反应变电站内噪声声源的分布情况，不能满足变电站的噪声整改和环境测评的需要，亟需一种能够直接测量变电站噪声综合云图的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变电站噪声综合云图测试装置，以解决上述存在的技术问题。本发明的测试装置通过便历整个变电站的待测区域，能够完成整个变电站的噪声定位，通过将各个测点的噪声测试图像拼接，能够获得整体变电站的噪声综合云图。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种变电站噪声综合云图测试装置，包括：可移动底座、固定盘、浮动盘、俯仰调节装置、控制箱和若干阵列臂；可移动底座上设置有第一驱动装置，第一驱动装置能够驱动可移动底座运动；固定盘通过俯仰调节装置安装在可移动底座上，俯仰调节装置包括第二驱动装置，第二驱动装置能够驱动俯仰调节装置调节测试装置竖直方向的测角；固定盘上设置有轨道，轨道上安装有浮动盘，浮动盘能够在轨道上移动，轨道的轴线、固定盘的轴线与浮动盘的轴线重合，固定盘上设置有第三驱动装置，第三驱动装置能够驱动浮动盘沿轨道运动；固定盘上设置有摄像头；每个阵列臂均铰接在固定盘上，每个阵列臂均通过一个连接杆与浮动盘连接，连接杆的两端分别与阵列臂和浮动盘铰接，浮动盘沿轨道运动能够牵引阵列臂完成伞式开合；每个阵列臂上均设置有若干声传感器；控制箱内设置有数据采集处理装置和控制处理器；摄像头及每个声传感器的信号输出端均连接数据采集处理装置的信号接收端；控制处理器的信号输出端分别与第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置的信号接收端相连接。

进一步的，可移动底座为履带式或者轮毂式。

进一步的，阵列臂组成伞形阵列、矩形阵列或者螺旋形阵列。

进一步的，俯仰调节装置包括第二驱动装置和旋转臂；第二驱动装置为俯仰调节电机，俯仰调节电机固定安装在可移动底座上，俯仰调节电机的输出轴通过传动装置与旋转臂相连接，固定盘固定安装在旋转臂上；俯仰调节电机的信号接收端和输出端分别与控制处理器的信号输出端和接收端相连接。

进一步的，轨道为螺杆，第三驱动装置为螺杆驱动电机；螺杆可转动的设置在固定盘上，螺杆通过传动装置与螺杆驱动电机的输出轴相连接，浮动盘安装在螺杆上，螺杆转动能够带动浮动盘沿螺杆的轴线移动，螺杆的轴线、固定盘的轴线与浮动盘的轴线重合；浮动盘沿轨道运动能够牵引阵列臂完成伞式开合；螺杆驱动电机的信号接收端和输出端分别与控制处理器的信号输出端和接收端相连接。

进一步的，固定盘上固定设置有光轴，光轴上固定设置有摄像头安装座，浮动盘可滑动的设置在光轴上，浮动盘处于摄像头安装座与固定盘之间。

进一步的，摄像头安装座包括安装腔和保护板，摄像头安装在安装腔内，保护板用于封盖安装腔保护摄像头。

进一步的，阵列臂的数量为7-10个，每个阵列臂上设置的声传感器的数量为9-12个。

进一步的，阵列臂为碳纤维管，声传感器设置在碳纤维管内，声传感器为内嵌式微机械传感器。

进一步的，还包括模数转换装置；声传感器的信号输出端通过模拟信号线与模数转换装置的模拟信号接收端相连接，模数转换装置的数字信号输出端通过数字信号线与数据采集装置的数字信号接收端相连接，模拟信号线和数字信号线均设置于阵列臂内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的变电站噪声综合云图测试装置，通过可移动底座能够带动整个测试装置在变电站的测试区移动，测试装置遍历整个变电站的测试区，就可以获取整个测量区域的噪声声像分布图，通过数据采集处理装置将全部的声像分布图拼接能够获得整个变电站的噪声综合云图，通过噪声综合云图能够准确直观的获取噪声声源的位置。本发明通过俯仰调节装置能够调整阵列臂的竖直方向的测量角度，便于阵列臂对准处于高位的待测目标物，也可根据路面平整程度的差异对竖直方向测角进行调整，保证观测角一致，便于后期的图像拼接，能够提高测量结果的准确性，通过可移动底座移动可调整阵列臂的水平方向的测量角度；观测角的调节通过控制处理器控制第一驱动装置和第二驱动装置实现，调节效率较高，调节精度较高。本发明通过控制处理器控制第三驱动装置驱动浮动盘沿轨道运动，可完成阵列臂的收拢与张开，收拢时便于整个测试装置在变电站各个测点之间移动，张开时能够通过摄像头和声传感器获取测点的声像分布图，测试效率高，测试精度高，具有较高的可靠性；其中，摄像头能够采集噪声的图像信息，声传感器能够采集噪声的声像信息，二者配合能够较准确的获取测点的声像分布图，可较准确的找出噪声声源位置，可为变电站的噪声治理和环境评测提供数据支持。本发明的阵列臂尺寸不变，通过移动底座可实现整个测试装置的移动，可实现阵列的滑移，通过相位补偿、空间位置的补偿可以合成一个虚拟的大尺寸阵列，从而可实现低频噪声的精确测试。

进一步的，履带式可移动底座能够增强特殊地形的通过性，适用范围较广；变电站地形较平坦也可选用轮式载具完成测量。

进一步的，伞形阵列不使用时能够像伞一样收起，便于运输。

进一步的，俯仰调节电机能够双向转动，通过俯仰调节电机驱动旋转臂转动，进而能够带动固定盘转动，可实现阵列臂竖直方向测量角度的调节，无需通过垫高使支撑架倾斜的方式进行测角调节，可延长测试装置的使用寿命，降低测试成本；通过测角调节能以预设观测角度连续拍摄各个测点声图像，各个测点的观测角度控制一致，便于后期图像拼接。通过控制处理器控制电机进行调节，具有较高的测角调节效率，可提高变电站噪声云图的测试效率。

进一步的，在固定盘上设置有螺杆轨道，螺杆轨道上安装有可移动的浮动盘，阵列臂铰接在固定盘和浮动盘上，浮动盘沿螺杆轴线远离固定盘运动能够使阵列臂收缩，不必拆下阵列臂即可实现测试装置在测点之间的运输，操作便捷，测试效率高；浮动盘沿螺杆轴线靠近固定盘运动能够阵列臂张开，通过摄像头和声传感器采集噪声数据能够较准确的获得噪声云图，为变电站的噪声治理和环境评测提供数据支持；根据波束形成技术，能够抑制背景噪声的干扰，获取噪声云图，能够获取具体每个声源的发声大小，噪声定位精度约1cm，满足变电站内高精度噪声定位需要；现有的声级计等测量设备受制于变电站内安全距离要求，无法安全的开展测量，本发明可以距离声源较远进行测量，距离声源10米可满足750千伏、1000千伏甚至更高带电部位的测量要求。螺杆驱动电机能够正转和反转，通过改变电机的转向能够控制浮动盘沿螺杆运动的方向，进而实现阵列臂的收拢和张开，通过控制处理器控制螺杆驱动电机实现阵列臂的收缩张开，操作便捷，效率较高。

进一步的，光轴起支撑摄像头安装座和浮动盘的作用，加强测试装置运动的稳定性；摄像头用于采集噪声的位置图像信息等，加入收拢装置会挡住摄像头，影响摄像头的数据采集，本发明的浮动盘处于摄像头安装座与固定盘之间，可保证摄像头处于前端，避免浮动盘和收拢装置遮挡摄像头，确保摄像头能正常采集图像数据。

进一步的，噪声云图为声像和图像的叠加，摄像头采集图像的角度十分关键，目前的体积阵大多采用螺栓或粘接的方式连接在固定盘上，为拆装结构，每次使用都要安装摄像头，因安装误差的存在，使用前还需对摄像头进行校准，校准操作复杂，耗时长，且摄像头的角度极易发生改变，导致测试的数据失准，通过采用安装腔和保护板，能够对摄像头设定的角度进行保护，摄像头第一次安装校准后，保存校准数据，每次使用时，摄像头不用拆下，也不需再次校准，使用方便，测试的数据较为准确。

进一步的，阵列臂的数量为7-10个，每个阵列臂上设置的声传感器的数量为9-12个能够获得较好的测试效果。

进一步的，现有阵列臂上的声传感器采用外置拔插型传感器，每次使用均需拔插一次，经常反复拔插影响传感器寿命，使用和拆装时因颠簸经常掉落损坏，声学传感器属于易损件，导致测试成本高，本发明采用将声传感器设置在碳纤维管内，碳纤维管为传感器提供保护，且每次使用完成后无需拆下声传感器，通过收缩阵列臂保存即可，便于操作，也提高了测试效率。内嵌式微机械传感器的尺寸小，能够嵌入传感器臂中，便于安装。

进一步的，变电站内的电磁干扰较强，声传感器采集到的为模拟信号，通过模拟信号线进行传输，数据传输的可靠性较差，本发明将声传感器采集的模拟信号转化为数字信号进行传输，可增强数据传输的可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种变电站噪声综合云图测试装置的整体结构示意图；

图2是图1的爆炸图；

图3是图1中用于收拢的机构的局部放大结构示意图；

图4是本发明的一种数据采集处理传输装置的连接结构示意框图；

图5是本发明的一种数据采集处理传输装置的主控板的结构示意框图；

图6是本发明的一种数据采集处理传输装置的传感器板的结构示意框图；

图7是图6中传感器板的数据传输示意框图；

图8是本发明的一种数据采集处理传输装置中主控板与传感器板的数据传输示意框图；

图9是合成孔径测量方法的示意图；

图1至图3中，1可移动底座；2立柱；3旋转臂；4俯仰调节电机；5u型支架；6控制箱；7固定臂；8螺杆驱动电机；9固定盘；10光轴支座；11转接头；12阵列臂；13保护板；14摄像头安装座；15螺杆固定座；16螺纹套；17光轴；18直线轴承；19浮动盘；20连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参考图1至图3，本发明的一种变电站噪声综合云图测试装置，包括：可移动底座1、固定盘9、浮动盘19、俯仰调节装置、控制箱6、模数转换装置和若干阵列臂12。

可移动底座1上设置有第一驱动装置，第一驱动装置能够驱动可移动底座1运动；可移动底座1为履带式或者轮毂式。履带式可移动底座1能够增强特殊地形的通过性；对于仅需变电站内部的测量，因变电站地形一般较平坦，轮式可移动底座1也可完成测量。

俯仰调节装置的结构一种为双拉杆机构；另一种包括第二驱动装置和旋转臂3；第二驱动装置为俯仰调节电机4，俯仰调节电机4固定安装在u型支架5上，u型支架5通过立柱2固定安装在可移动底座1上，俯仰调节电机4的输出轴通过传动装置与旋转臂3相连接或者旋转臂3直接固定安装在输出轴上，固定盘9通过固定臂7固定安装在旋转臂3上；俯仰调节电机4的信号接收端和输出端分别与控制处理器的信号输出端和接收端相连接。现在的测试装置没有测角调节功能，较难对准目标物；遇到需要调整角度的测点时，通常采用人工垫高支撑架的方式，这种方式效率较低、测试数据不够准确且容易损坏测试设备。本发明的旋转臂3将俯仰调节电机4的转矩传递至固定臂7，俯仰调节电机4对旋转臂3及其以上部位设备进行俯仰调节，u型支架5固定俯仰调节电机4与旋转臂3，与立柱2固定连接，立柱2用于支撑整个测试阵列，让测试阵列具有一定的高度。俯仰调节电机4能够双向转动，通过俯仰调节电机4驱动旋转臂3转动，进而能够带动固定盘9转动，可实现阵列臂12竖直方向测量角度的调节，无需通过垫高使支撑架倾斜的方式进行测角调节，可延长测试装置的使用寿命，降低测试成本；通过测角调节能以预设观测角度连续拍摄各个测点声图像，各个测点的观测角度控制一致，便于后期图像拼接。通过控制处理器控制电机进行调节，具有较高的测角调节效率，可提高变电站噪声云图的测试效率。而现有的体积阵式测试装置通过三脚架支撑，每次拍摄角度不一致，图像拼接困难且存在失真，而且现有三脚架人工搬运测试完整个变电站工作量极大，不便于实现。

固定盘9上设置有轨道，轨道上安装有浮动盘19，浮动盘19能够在轨道上移动，轨道的轴线、固定盘9的轴线与浮动盘19的轴线重合，固定盘9上设置有第三驱动装置，第三驱动装置能够驱动浮动盘19沿轨道运动。具体为：轨道为螺杆，第三驱动装置为螺杆驱动电机8；螺杆可转动的设置在固定盘9上，螺杆通过直线轴承18与螺杆驱动电机8的输出轴相连接，浮动盘19安装在螺杆上，螺杆转动能够带动浮动盘19沿螺杆的轴线移动，螺杆的轴线、固定盘9的轴线与浮动盘19的轴线重合；浮动盘19沿轨道运动能够牵引阵列臂12完成伞式开合；螺杆驱动电机8的信号接收端和输出端分别与控制处理器的信号输出端和接收端相连接。螺杆驱动电机8将转矩转化，驱动螺杆转动，实现浮动盘19沿螺杆前后移动。在固定盘9上设置有螺杆轨道，螺杆轨道上安装有可移动的浮动盘19，阵列臂12铰接在固定盘9和浮动盘19上，浮动盘19沿螺杆轴线远离固定盘9运动能够使阵列臂12收缩，不必拆下阵列臂12即可实现测试装置在测点之间的运输，操作便捷，测试效率高；浮动盘19沿螺杆轴线靠近固定盘9运动能够阵列臂12张开，通过摄像头和声传感器采集噪声数据能够较准确的获得噪声云图，为变电站的噪声治理和环境评测提供数据支持；根据波束形成技术，能够抑制背景噪声的干扰，获取噪声云图，能够获取具体每个声源的发声大小，噪声定位精度约1cm，满足变电站内高精度噪声定位需要；现有的声级计等测量设备受制于变电站内安全距离要求，无法安全的开展测量，本发明可以距离声源较远进行测量，距离声源10米可满足750千伏、1000千伏甚至更高带电部位的测量要求。螺杆驱动电机8能够正转和反转，通过改变电机的转向能够控制浮动盘19沿螺杆运动的方向，进而实现阵列臂12的收拢和张开，通过控制处理器控制螺杆驱动电机8实现阵列臂12的收缩张开，操作便捷，效率较高。

固定盘9上固定设置有光轴17，光轴17上固定设置有摄像头安装座14，浮动盘19可滑动的设置在光轴17上，浮动盘19处于摄像头安装座14与固定盘9之间；具体为：光轴17的一端通过光轴支座10固定安装在固定盘9上，光轴17的另一端穿过浮动盘19上的光轴通孔，光轴17通出光轴通孔的一端通过螺杆固定座15和螺纹套16固定安装有摄像头安装座14。摄像头安装座14包括安装腔和保护板13，摄像头安装在安装腔内，保护板13用于封盖安装腔保护摄像头。摄像头安装座14用于安装固定摄像头。光轴17起支撑摄像头安装座14和浮动盘19的作用，加强测试装置运动的稳定性；摄像头用于采集噪声的位置图像信息等，加入收拢装置会挡住摄像头，影响摄像头的数据采集，本发明的浮动盘19处于摄像头安装座14与固定盘9之间，可保证摄像头处于前端，避免浮动盘19和收拢装置遮挡摄像头，确保摄像头能正常采集图像数据。噪声云图为声像和图像的叠加，摄像头采集图像的角度十分关键，目前的体积阵大多采用螺栓或粘接的方式连接在固定盘9上，为拆装结构，每次使用都要安装摄像头，因安装误差的存在，使用前还需对摄像头进行校准，校准操作复杂，耗时长，且摄像头的角度极易发生改变，导致测试的数据失准，通过采用安装腔和保护板13，能够对摄像头设定的角度进行保护，摄像头第一次安装校准后，保存校准数据，每次使用时，摄像头不用拆下，也不需再次校准，使用方便，测试的数据较为准确。

每个阵列臂12均铰接在固定盘9上，每个阵列臂12均通过一个连接杆20与浮动盘19连接，连接杆20的两端分别与阵列臂12和浮动盘19铰接，浮动盘19沿轨道运动能够牵引阵列臂12完成伞式开合；转接头11连接阵列臂12和固定盘9，连接杆20连接转接头11和浮动盘19，根据浮动盘19的前后移动牵引阵列臂12和转接头11进行伞式开合，完成阵列臂12的张开与收拢。收拢时便于整个测试装置在变电站各个测点之间移动，张开时能够通过摄像头和声传感器获取测点的声像分布图，测试效率高，测试精度高，具有较高的可靠性。另外，阵列臂12铰接在固定盘9和浮动盘19上，浮动盘19沿轨道远离固定盘9运动能够使阵列臂12收缩，不必拆下阵列臂12即可实现测试装置的运输，操作便捷，测试效率高；浮动盘19沿轨道靠近固定盘9运动能够阵列臂12张开，通过摄像头和声传感器采集噪声数据能够较准确的获得噪声云图，可较准确的找出噪声声源位置，为变电站的噪声治理和环境评测提供数据支持。本发明的测试装置在测试的移动过程中，可将阵列臂12收缩，无需频繁拆装，可减少设备元件的损坏，可降低测试成本。

阵列臂12的数量为7-10个，每个阵列臂12上设置的声传感器的数量为9-12个，阵列臂12组成伞形阵列、矩形阵列或者螺旋形阵列，阵列臂12为碳纤维管，声传感器设置在碳纤维管内，声传感器为内嵌式微机械传感器。阵列臂12选用碳纤维管可作为传感器外壳，具有一定的电磁干扰屏蔽效果，管内安装声传感器，可提高声传感器的抗干扰能力。伞形阵列不使用时能够像伞一样收起，便于运输。经过测算，阵列臂12的数量为7-10个，每个阵列臂12上设置的声传感器的数量为9-12个能够获得较好的测试效果。现有阵列臂12上的声传感器采用外置拔插型传感器，每次使用均需拔插一次，经常反复拔插影响传感器寿命，使用和拆装时因颠簸经常掉落损坏，声学传感器属于易损件，导致测试成本高，本发明采用将声传感器设置在碳纤维管内，碳纤维管为传感器提供保护，且每次使用完成后无需拆下声传感器，通过收缩阵列臂12保存即可，便于操作，也提高了测试效率。内嵌式微机械传感器的尺寸小，能够嵌入传感器臂中，便于安装。

控制箱6内设置有数据采集处理装置和控制处理器；摄像头及每个声传感器的信号输出端均连接数据采集处理装置的信号接收端；控制处理器的信号输出端分别与第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置的信号接收端相连接。通过控制箱6能够接收采集到的噪声数据并完成拼接获取噪声综合云图，通过控制箱6能够控制控制俯仰调节电机4和螺杆驱动电机8的运行状态，实现测试装置的竖直方向的测角调节和阵列臂12的收缩张开，便于操作，便于测试装置整体的运输和携带。声传感器的信号输出端通过模拟信号线与模数转换装置的模拟信号接收端相连接，模数转换装置的数字信号输出端通过数字信号线与数据采集装置的数字信号接收端相连接，模拟信号线和数字信号线均设置于阵列臂12内，模数转换装置靠近声传感器布置。变电站内的电磁干扰较强，声传感器采集到的为模拟信号，通过模拟信号线进行传输，数据传输的可靠性较差，本发明将声传感器采集的模拟信号转化为数字信号进行传输，可增强数据传输的可靠性。

现有的体积阵测试装置为拆装连接，原阵列为了便于运输，拆成多个零部件分别打包，到使用现场后再全部组装使用，涉及零部件三百余个，容易丢失，导致测试成本较高；人工组装耗时长组装需2小时；耗人工多，需4人配合完成整体组装工作；另外，其很难确保每次测量都是同一观测角度，图像拼接时得到的云图不完整，不能精确反应变电站内的噪声声源情况。本发明的测试装置有自行驶机构，可人工或程序控制，能够自动完成整个变电站的噪声定位工作，所拍摄照片角度一致，通过图像拼接技术，可将各个拍摄点的噪声测试图像拼接成为一个整体变电站的噪声云图；本发明的测试装置全部机械装置固定式连接，使用和回收仅需将整套系统按需拆成几个部件，可避免丢失，将阵列臂12收拢即可运输，无需拆卸，使用和回收仅需10分钟，仅需1个人控制即可完成工作，较大程度的降低了工作量，提高了测试效率，降低了测试成本。现有的体积阵测试装置阵列臂12固定在固定盘9上，固定盘9固定在支架上，不能够自动调节测角和移动，采用人工调整和搬运的方式，工作量巨大且测角难以精确保持一致，不能够实现通过阵列滑移合成虚拟大尺寸矩阵；本发明的测试装置通过测角调节装置可较精确的调节测量角度，可使测角保持一致，便于后期的图像和声像的叠加处理，能够提高声像分布图的精确度，通过可移动底座1带动测试装置移动能够选取任意多个测点，大大降低了工作量，通过相位补偿、空间位置的补偿合成一个虚拟的大尺寸阵列，可实现变电站内低频噪声的精确测量。其中，底盘运动可控，因此可较高精度的控制行进距离，例如每前进75.5cm一个测点，人工搬运无法精确控制前进距离，且工作量较大；可保证阵列朝向方位不变，多个测点使用相同测量角度进行测量，人工搬运往往会使得阵列发生偏转，影响测试结果。现有的体积阵式测量装置的低频噪声定位精度不足，目前还没有一种足够大且允许进入变电站的低频噪声高精度测试装置。

本发明的工作原理分析：相位补偿及空间位置补偿合成虚拟阵列的过程需精确的位置信息，现有的体积阵式测试装置大多采用三脚架来支撑体积阵，人工搬运移动位置，移动困难且测角难以调节，无法保证合成的准确性，按照200hz声速的声波长1.7米计算，搬运时位置每偏离0.1米，将导致相位误差增加5％；目前波束形成算法相位误差应控制在2％以内。由于变电站主要噪声是连续且稳定的，所以可以利用声源辐射信号的相关性，通过一定的相位和空间位置的补偿，将基阵沿固定方向移动多个位置后叠加合成虚拟的大孔径阵列，来获得等同于大孔径阵列的噪声源定位效果。具体为：(1)选定接收阵列所要定点测量的位置，在其正向附近固定一个与阵中心位置同高的传声器作为参考阵元，并用参考接收点连续采样噪声场的信号；(2)让阵列沿噪声源发射面平行方向移动，使阵列的空间采样信息最大化。每移动到一个位置，都要停下来对噪声源区域信号采集若干秒。并记录每次移动的长度d，将每个位置的阵列看作是虚拟阵列的一个子阵列，移动n次后扩展而成的虚拟阵列可看作是水平跨度为d+d×n的大孔径阵列，其中d是阵列的投影直径；(3)当所有移动位置处的信号采集完之后，将采集到的信号通过某一中心频率为fh的窄带滤波器，利用hilbert变换获得信号的复数形式，计算第一个子阵列和其他子阵列的参考相位差之后，对所有子阵列的接收信号进行合成，得到的声源定位结果即为扩展后虚拟阵列的声定位结果。

参考图4和图5，本发明的变电站噪声云图测试装置采用的数据采集处理传输装置，包括：传感器板、现场可编程逻辑阵列fpga、电源及上位机；电源与主控板通过dc-0005接头连接，电源为主控板提供供电电源，fpga与上位机相连接。传感器板设置在阵列臂上。

fpga包括数据解码模块、数据同步模块、数据处理模块、先入先出存储器fifo模块和通信模块，数据解码模块通过外部接口与传感器板相连接，数据解码模块接收的数据依次经过数据同步模块、数据处理模块、fifo模块和通信模块传递给上位机。通过设置数据同步模块，能够进一步确保数据的同步性，能够降低因数据同步性差导致的计算结果偏差。

通信模块通过千兆以太网模块或usb模块实现，通讯速度不小于100兆比特每秒。usb模块由usb驱动电路构成，dma模块的数据接收端与fifo模块的数据输出端连接，dma模块的数据输出端与usb驱动电路连接，采集的数据经usb驱动电路输出到usb从设备。考虑到传输控制位等信息，通信速度至少达到100m，才能保证数据链路不会堵塞。

千兆以太网模块由arm或fpga实现。千兆以太网模块包括arm模块、mac模块和以太网口；arm模块包括dma模块与tcp/ip协议栈，dma模块的数据接收端与fifo模块的数据输出端连接，dma模块的数据输出端与tcp/ip协议栈的数据接收端相连接，tcp/ip协议栈的数据输出端与mac模块的数据接收端连接，mac模块的数据输出端通过以太网口与上位机相连接。数据进入fpgak7控制器中进行阵列数据的解码、数据源同步、协议组帧，并存入高速fifo，并以中断的形式通知arma9控制器。arma9控制器使用dma从fpgak7中读取组帧数据，并通过tcp/ip协议栈输出。数据经过千兆以太网phy芯片处理后通过千兆以太网口送往上位机进行数据处理和算法解析。

参考图6至图8，传感器板包括：电源转换模块、时钟缓冲模块、时钟同步模块、信号同步模块、信号调理模块、信号增强模块和若干传感器；电源转换模块的电源输入端与电源连接，电源转换模块的电源输出端与每个传感器的电源接收端连接；时钟缓冲模块的信号接收端与时钟信号连接，时钟缓冲模块的信号输出端与时钟同步模块的信号接收端相连接，时钟同步模块的信号输出端与每个传感器的时钟信号接收端连接；每个传感器采集的信号依次经过信号同步模块、信号调理模块和信号增强模块输入fpga。具体为：外部接口的时钟经过缓冲、和多路同步后送给传感器，然后对传感器响应的数据进行信号调理、同步、信号增强等，并经过外部接口送给采集板。电源转换模块将外部提供的5v电源转换为内部麦克风即传感器和电路所需的电源。电源转换模块设置在传感器板，就近连接于传感器附近，传输距离近，可降低电源受到的变电站电磁干扰。所有传感器共用一个时钟信号，可保证多个传感器严格同步采集，保证了数据采集的准确可靠。使用数字式传感器或模拟传感器就近进行ad转换(通过数字式传感器-调理电路或模拟式传感器-ad模块-调理电路实现)，传输线传输数字信号，可避免模拟信号在变电站中受到电磁干扰，进一步提升采集到的数据在传输过程中的可靠性。通过设置时钟缓冲模块能够使时钟信号更加稳定，可使采样数据更稳定，最终能在一定程度上减少测量误差。

本发明的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，在前端进行数字模拟变换，通过数字传输线传输至数据处理中心，数据处理中心中由可编程逻辑阵列进行数据处理，由arm进行协调控制，并经以太网传输至后端，或通过内置、外置存储器进行本地保存。本发明的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置专门针对于噪声云图测试装置设计，其无传统数采仪的冗余功能，数据采集传输的可靠性高；可降低成本，本发明装置的成本相较于目前使用数采仪的成本能够降低30％左右；系统开机速度快，数采效率较高，传统数采仪使用的是windows操作系统，功能冗余，系统启动慢，开机至能够开始测试需要近3分钟左右，本发明的装置从开机至能够开始测试只需要30秒左右，可提高数据采集传输的效率。

一种变电站噪声云图测试装置的控制箱，控制箱内设置有主控板，fpga设置在主控板上。主控板倾斜设置在控制箱内，主控板上设置有防水结构；所述防水结构包括排水孔和排气孔。数据采集处理传输装置的电路板进行防腐蚀处理。本发明的控制箱内设置有数据采集处理传输装置，数据采集处理传输装置体积小重量轻，能够实现手持式便携采集。

避免积水结构：主控板的外型恰当地倾斜，尽量减少孔、槽等，在可能积水和留存湿气的空间开设排水和排气孔，并避免凹凸不平的表面等。使积水能够快速排除，防止积水处的侵蚀。湿度较大的气候环境下，控制箱尽量避免采用点焊、铆接、螺纹紧固等结构形式，优先选用钣金结构或整体浇铸机箱的结构形式，以避免形成缝隙腐蚀，同时在能形成缝隙腐蚀处加以密封处理或加密封衬垫。同一种结构中，如使用了不同类型的金属，则应在其中一种金属上镀涂上允许与第二种金属相接触的金属镀层，或两种金属材料均镀上同一种金属镀层，或在两种金属之间涂绝缘保护层或放置衬垫，此时应兼顾设备的电磁兼容性要求。在有可能产生应力腐蚀裂开的情况下，应注意避免引起应力集中的结构形式，并采取适当的工艺措施消除内应力。最容易发生腐蚀和最大腐蚀部位加厚构件尺寸，通常称为“腐蚀裕度”，一般取预期寿命所需量的两倍。对于易受腐蚀损坏而必须经常维护和更换的零件，应从结构上保证易于维修、更换。添加化学覆盖层。用电化学或化学的方法使结构件表面生产某种化合物而形成覆盖层，以达到抗环境因素影响的目的。在电路板表面进行防腐蚀处理，喷涂特殊的三防漆，保证酸性与盐雾不能直接接触到电路板。

一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输方法，包括以下步骤：

a、传感器板的传感器采集的信号经过模数转换、数据编码后同步传递给fpga；

b、数据进入fpga后依次进行数据解码、数据源同步和协议组帧后，存入fifo模块，并通知通信模块；

c、通信模块从fpga中读取组帧数据，并传递给上位机。

其中，步骤a中，外部接口的时钟信号经过缓冲和多路同步后送给各个传感器，传感器采集的数据依次进行信号调理、同步和信号增强后传递给fpga；

电源转换模块将外部提供的电源转换为内部传感器和电路所需的电源。

步骤b中，以中断的形式通知通信模块。

步骤c中，通过以太网或usb传递给上位机。

通信模块可由千兆以太网模块或高速usb模块实现，要求其通讯速度不小于100兆比特每秒，通信模块接到fpga发送来的中断后接受数据并将数据发送至上位机。通信模块同时可以接收上位机发送来的控制数据，控制数据包括传感器采样率设置，以及电机控制数据，该数据经由通信模块传输至fpga，fpga控制传感器以上位机下达的采样率进行采样或控制电机按照上位机要求的转速和方向进行工作。

现有的采集传输方法中，大多将传感器采集到的模拟数据直接由同轴电缆发送给数采主机，模拟信号数据线长2米左右，变电站内电磁环境复杂，信号易受干扰，会影响测量结果的精确性和可靠性；本发明的传输方法中传输的是数字信号，数字信号抗干扰能力强。目前的采集传输方法中，传感器数据进入数采，数采内有上位机，上位机就是一台pc机，可想而知数采很大很重，不方便携带。本发明的fpga模块很小，使用方便，开机快速，通过千兆以太网传输给上位机，上位机不受限制，可以千兆无线以太网传输给笔记本电脑(笔记本作为上位机)，使用更加便捷，可知本发明的数采传输方法使用更加灵活。

合成孔径算法如图9所示，假设阵列有m个阵元，且移动之后各阵列相互之间不存在阵元重叠的现象。以位置1处基阵的几何中心为坐标原点建立空间直角坐标系，若目标噪声源区域有ms个同频率的点声源，则声源信号可表示成以下形式：

其中，a是声源信号的幅值，rik是第ik个点声源的坐标矢量，ω是信号角频率，k是波数。

那么，整个虚拟大孔径阵列的第n个子阵列的第m个阵元接收到的信号为

上式中，rn,m是第n个子阵列第m个阵元的坐标矢量，θn是第n个子阵列的初始参考相位，且1≤n≤ns，1≤m≤m。

因为参考阵元的位置固定，所以不同时刻接收的信号仅取决于其初始相位的变化，故可以利用与子阵列同步采样的参考阵元所接收的信号，来计算各个子阵之间的初始参考相位差δθn1,n2

δθn1,n2＝θn1-θn2＝arg[e(sn1/sn2)](3)

其中，θn1、θn2分别是第n1和第n2个子阵的初始参考相位，sn1、sn2分别是第n1和第n2个子阵同步于参考阵元的采样信号，arg[·]表示求其辅角，e[·]表示求其期望。

此时，基于虚拟大孔径基阵时刻下的第n个子阵列第m个阵元接收的信号xn,m(t)可根据以下公式进行转换，表示成经过合成后的大孔径基阵第n个子阵列第m个阵元的输入信号x'n,m(t)：

所有子阵列接收的信号便可以与第一个子阵列的接收信号实现同步，从而将各个位置子阵列的接收信号转化为虚拟大孔径基阵的整体接收信号。若虚拟大孔径基阵第q个麦克风(1≤q≤(ns+1)×m)对应于第n个子阵列第m个阵元，令yq(t)＝x′n,m(t)，则合成孔径处理后的信号协方差矩阵为：

rq1,q2＝e[yq1(t)yq2(t)]，1≤q1,q2≤(ns+1)×m(5)

上式中，yq1(t)、yq2(t)分别为虚拟基阵第q1、q²个麦克风的接收信号。令噪声源所在的扫描平面上任意一点的坐标矢量为rs，则该扫描点处的波束输出ps为：

ps＝w^hrw

其中w为加权向量，且

计算完扫描平面上所有的点之后，即可得到噪声源的能量分布。

本发明的一种变电站噪声综合云图测试方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将测试装置取出并组装，将测试装置通电，打开电源开关等待30秒启动系统；

步骤2，通过控制处理器设定测点数量、测点位置及观测角度；

步骤3，设定可移动底座1的行驶路线和行驶速度，通过可移动底座1将测试装置运送至第一个测点；具体为：控制处理器控制阵列臂12收拢后，通过可移动底座1运送测试装置至预设测点；测试装置到达预设测点后，通过控制处理器控制阵列臂12张开；

步骤4，通过控制处理器控制第一驱动装置驱动可移动底座1调整测试装置的水平方向的测角，通过控制处理器控制第二驱动装置驱动俯仰调节装置调整测试装置的水平方向的测角，使测试装置的测量角度与预设的观测角一致；

步骤5，通过摄像头采集测点处噪声的图像信息，通过声传感器阵列采集测点处噪声的声像信息，将采集的信息传输给数据采集处理控制装置，预设测点未全部测量完毕则跳转至步骤6，预设测点全部测量完毕则跳转至步骤7；

步骤6，通过可移动底座1将测试装置运送至下一预设测点；观测角需要调整则跳转至步骤4，观测角不需要调整则跳转至步骤5；

步骤7，通过数据采集处理装置将所有测点采集的声图像进行图像拼接，获得整个变电站的噪声综合云图。

步骤7中图像拼接具体步骤包括：

(1)图像预处理，对采集的原始声图像进行直方图匹配、平滑滤波和增强变换；

(2)图像配准，将步骤(1)预处理后的全部声图像进行时间和空间配准，获得相应的转换数学模型关系；

(3)图像拼接，根据步骤(2)获得的转换数学模型关系将步骤(1)预处理后的全部声图像进行拼接合成，获得整个变电站的噪声综合云图。