本发明涉及海洋噪声信号测量装置，特别是涉及基于波浪滑翔器的海洋噪声信号测量装置。
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。
海洋中的环境噪声源很多，不同频段、不同海域环境噪声源有很大的差异。一般来说，20hz-1khz频段，远处行船是引起噪声的主要原因；500hz-20khz频段，噪声主要来源是测量点附近的海面风关噪声；而100khz以上，主要是海水分子运动产生的热噪声。这些噪声源的所在频段往往有部分重叠，并不是严格地分段，例如在几百赫到1khz的低频段，航船与海面风关噪声是该频段的主要噪声源。此外，还包括一些间歇声源和局部噪声源，例如生物噪声、雨噪声、冰下噪声及冰雹噪声等，它们的频谱一般是宽带的。几十赫兹以下的低频噪声则是由地震湍流等引起的。
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同步测量。
然而，许多传统手段主要以海洋环境噪声测量为主，现在使用的水听器阵列一般不具备风、浪、海流和降雨的同步测量功能，未能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。
现有水声调查常用的水声信号采集阵列系统由水听器阵列和采集记录终端设备组成，以海洋环境噪声等水声信号的采集为主。采集记录终端设备通过电缆为水听器供电，同时完成水听器接收的水声模拟信号的数字化采集与记录存储。具体工作模式为：采集记录终端设备置于船甲板或浮标(潜标)舱体内，水听器阵列置于水体中，两者通过电缆连接，阵列中的水听器将采集到的水声模拟信号由电缆传输到终端采集设备，实现水声信号的数字化采集和记录存储。
而且，现有的水听器阵列在使用过程中也存在一些问题和不足，主要包括：水听器阵列在船上使用时，需要船只配合，人力物力成本较高，而且船舶的噪声对噪声测量有一定的影响；水听器阵列在浮标上使用时，不能控制水听器阵列的位置，在测量期间，水听器阵列会随海流漂浮，远离布放位置，影响噪声测量结果。
近年来，海洋移动观测平台得到广泛应用，出现了许多新技术和新产品。基于波浪能推动的自主航行观测平台(以下简称波浪滑翔器)从2005年诞生至今，得到迅猛发展。波浪滑翔器是一款新型海洋环境监测平台，它利用波浪起伏直接转换为前向推进，采用太阳能为系统能源，通过搭载各种类型科学传感器，完成长时间全球海洋巡航调查作业。波浪滑翔器为人类观察和了解世界海洋开辟了崭新的途径，实现了大尺度、长时序的海洋调查，与传统的调查方式相比节约了大量人力、物力和财力，而且可实现对恶劣环境和敏感区域的调查。
波浪滑翔器发展趋势朝着实用化、综合技术体系化方向发展，且功能日益完善。基于波浪滑翔器的测量方式，具有成本低、布放回收方便、定点欧拉观测与拉格朗日随流观测相结合、原位观测、实时传输等优点。这些优势非常适合海洋环境噪声观测和研究。利用波浪滑翔器开展海洋环境噪声和环境信息的同步测量，可为深入研究海洋环境噪声的形成机理和声强度起伏规律提供一种可靠的观测手段。
技术实现要素：
针对现有海洋环境噪声测量存在的问题，本发明推出新型结构的海洋环境噪声测量装置，利用波浪滑翔器作为测量平台，搭载海洋环境参数和噪声测量装置，实现定点测量和走航测量；在测量海洋环境噪声的同时，可同步测量风速、风向、波高、波向、降雨量、流速、流向等海洋环境参数，并通过ais获取过往船只信息，为分析风、浪、流、降雨和船舶噪声对海洋声信号测量的影响奠定基础，有利于深入研究海洋环境噪声的形成机理和声强度起伏规律，进而为提高水声通信稳定性以及水声探测设备的检测和识别能力提供可靠依据。
本发明涉及的基于波浪滑翔器的海洋环境噪声测量装置，包括波浪滑翔器和采集控制系统，采集控制系统设置在波浪滑翔器上。
所述波浪滑翔器由舟型浮体、水下滑行装置组成，舟型浮体和水下滑行装置通过脐带缆连接。舟型浮体分为前舱、中舱和后舱，前舱、中舱和后舱分别独立密封，前舱、中舱和后舱的连线通过水密接插件连接。
所述采集控制系统包括嵌入式控制器、导航装置、定位装置、卫星通信装置、调向装置、存储卡、同步接口、测量传感器、电源管理电路、太阳能发电系统、zigbee模块。嵌入式控制器通过串行接口与导航装置、定位装置、卫星通信装置和zigbee模块连接，通过输入/输出接口(i/o口)与电源管理电路连接，并通过电源管理装置实现电源管理，可控制导航装置、定位装置、卫星通信装置、调向装置、存储卡和测量传感器的上掉电，实现节能控制。
所述导航装置采用电子罗盘，获取波浪滑翔器当前的方位。
所述定位装置采用gps定位装置，获取波浪滑翔器当前的位置信息。铱星天线和gps天线安装在前舱的上表面。
所述卫星通信装置使用卫星终端，采集控制系统具备卫星通信和无线通信两种通信方式，无线通信方式采用zigbee模块实现数据通信。由于卫星通信的频度受限且功耗较大，在波浪滑翔器布放前通过无线通信方式设置航行轨迹和工作参数，在波浪滑翔器回收后回放测量数据，波浪滑翔器在航行过程中，使用卫星通信传输数据；
所述调向装置使用舵机，舵机安装在波浪滑翔器水下滑行装置的尾部。通过调整舵机角度，调整波浪滑翔器的运行方向。
所述存储卡用来存储设置信息、航行过程中状态信息和测量数据。
所述太阳能发电系统由两组太阳能发电装置组成，前舱表面和后舱表面各安装一组太阳能发电装置，为系统供电，太阳能发电装置由太阳能电池板、大动力聚合物锂能电池和控制器组成，大动力聚合物锂能电池为平板状，安装在太阳能电池板下面，可以节省舱内空间。
所述测量传感器包括气象传感器、波浪传感器、雨量计、adcp、ais和ntd阵。
其中：adcp(acousticdopplercurrentprofilers)为声学多普勒流速剖面仪；ais(automaticidentificationsystem)为船舶自动识别系统，可识别过往船只的信息；ntd为具备温度压力测量功能的单通道海洋声信号测量仪。
zigbee模块为无线通信模块，既有与嵌入式控制器通过串行接口连接的zigbee模块，又有分别与波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器连接结合的zigbee模块，嵌入式控制器采用基于zigbee的无线通信网络完成与波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器的数据通信，其中，与嵌入式控制器通过串行接口连接的zigbee模块的zigbee天线安装在中舱的上表面，zigbee天线的位置高一些，通信距离较远，方便与岸基监控系统实现远距离通信，其余与波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器连接结合的zigbee模块的天线均为内置。
zigbee天线、雨量计、气象传感器和ais安装在波浪滑翔器舟型浮体中舱的上表面。
adcp安装在波浪滑翔器舟型浮体后舱的下表面。
ntd阵固定在从波浪滑翔器舟型浮体后部引出的电缆上，电缆从舟型浮体后部加装的支撑杆内部穿出。电缆末端安装铅鱼，使电缆保持垂直状态。在噪声测量同步性要求非常高的场合，使用同步接口，使测量装置的ntd阵同时开始测量。
所述嵌入式控制器与气象传感器、波浪传感器、雨量计、adcp、ais之间采用基于zigbee模块的无线通信网络交换数据，嵌入式控制器按照设定的工作方式，定时采集并存储测量装置的传感器数据，并可通过卫星通信装置将传感器测量的特征数据发送到岸基监控系统。
所述嵌入式控制器从岸基监控系统获得波浪滑翔器要去的位置，设计基于电子罗盘和gps的组合导航系统，采用视向跟踪或路径跟踪算法实现平台的导航。嵌入式控制器定时从定位装置获得波浪滑翔器位置，通过计算获得到达目标点的距离和航向，从导航装置获得波浪滑翔器方位，当有航向偏差时，通过调向装置调向，调整观测平台运行方向。在定点工作方式时，采用虚拟锚泊方式工作，波浪滑翔器围绕设定点运行；在走航方式测量时，采用路径跟踪方式工作，波浪滑翔器沿着设定路线运行。
由于ntd采样速率较高，每秒可达到50k的采样速率，如果采用24位的ad，1秒钟采集的数据将有150k，数据量较大，所以ntd采用自容工作方式，每次布放前设定好工作方式，ntd即按照设定的工作方式工作。在同步性要求较高的场合，ntd阵将等待同步信号，收到嵌入式控制器通过同步接口发出的同步信号后，开始同步采集；在不需要同步信号时，ntd根据内部时钟定时启动，按照设定的工作方式开始测量。由于ntd采集的声信号非常微小，为避免ntd之间相互干扰，ntd采用自身携带的电池供电，在特殊情况下也可由海洋环境噪声测量装置的太阳能发电系统供电。ntd阵中ntd的安装位置和数量可根据需要进行调整。
随着波浪滑翔器技术的不断成熟，应用越来越广泛，根据任务使命搭载的传感器种类会不断增加，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，研究基于zigbee的无线通信网络的传感器采集系统和控制节点通信协议。根据总体配置要求，选择小型、低功耗、高精度传感器，研制低功耗数据采集系统，研究适合平台运动模式的数据采集方法，以适应复杂海洋环境数据观测要求。
按照面向对象的模块化设计思想，采用主从体系结构，研制基于zigbee的无线通信网络的分布式平台采集系统，实现对传感器的数据采集。根据波浪滑翔器系统的技术特点，为了降低系统复杂度，使设计、调试和维护等操作简单化，本系统的设计坚持模块化的原则，保持各个模块功能的独立性，确保在有模块加入或退出时系统运行稳定。
本发明涉及的基于波浪滑翔器的海洋环境噪声测量装置通过卫星通信和基于zigbee的无线通信方式与岸基监控系统联系和交换数据。
每次开始测量任务前，岸基监控系统首先要设定海洋环境噪声测量装置的工作参数，主要包括工作方式(定点测量或走航测量)、航行轨迹(需要经过坐标点的经纬度)、传感器的测量方式(测量间隔和每次测量的时间)、开始测量时间、结束测量时间等。同时，岸基监控系统也要设置ntd阵的工作参数，主要包括开始测量时间、结束测量时间、测量间隔和每次测量的时间。
海洋环境噪声测量装置的工作方式包括定点测量工作方式和走航测量工作方式。定点测量工作方式是海洋环境噪声测量装置围绕设定点航行，在绕行的同时按照设定的工作方式完成测量工作。走航测量工作方式是海洋环境噪声测量装置在设定的航线航行，在航行的同时按照设定的工作方式完成测量工作。
海洋环境噪声测量装置在定点测量工作方式时，海洋环境噪声测量装置可由船只布放到测量位置，或自动航行到指定的测量位置，然后围绕测量位置航行。在到达开始测量时间后，按照设定的工作方式开始测量工作，气象传感器、波浪传感器、雨量计、adcp、ais和ntd阵按照设定的工作方式同步测量，到达结束测量时间后，结束本次测量任务。
海洋环境噪声测量装置在走航测量工作方式时，海洋环境噪声测量装置在设定的航线上航行，同时按照设定的工作方式进行测量工作，气象传感器、波浪传感器、雨量计、adcp、ais和ntd阵按照设定的工作方式同步测量，海洋环境噪声测量装置完成设定的航线后，结束本次测量任务。
海洋环境噪声测量装置回收后，由岸基监控系统回放气象传感器、波浪传感器、雨量计、adcp、ais和ntd阵的测量数据，然后将测量数据提交有关部门做进一步分析处理。
附图说明
图1为本发明涉及的海洋环境噪声测量装置基本结构示意图；
图2为本发明优选实施例的电路框图。
图中标记说明：
1、嵌入式控制器2、铱星终端+gps
3、电子罗盘4、zigbee模块
5、存储卡6、舵机
7、同步接口8、ntd阵
9、波浪传感器+zigbee模块10、雨量计+zigbee模块
11、ais+zigbee模块12、adcp+zigbee模块
13、气象传感器+zigbee模块14、电源管理电路
15、太阳能发电系统16、铱星天线和gps天线
17、岸基监控系统18、zigbee天线
19、ais20、太阳能电池板
21、舟型浮体22、前舱
23、中舱24、后舱
25、脐带缆26、adcp
27、水下滑行装置28、支撑杆
29、电缆30、铅鱼
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1为本发明的基本结构示意图。如图1所示，本发明涉及的基于波浪滑翔器的海洋环境噪声测量装置，包括波浪滑翔器和采集控制系统，采集控制系统设置在波浪滑翔器上。
所述波浪滑翔器由舟型浮体、水下滑行装置组成，舟型浮体和水下滑行装置通过脐带缆连接。舟型浮体分为前舱、中舱和后舱，前舱、中舱和后舱分别独立密封，前舱、中舱和后舱的连线通过水密接插件连接。
所述采集控制系统包括嵌入式控制器、导航装置、定位装置、卫星通信装置、调向装置、存储卡、同步接口、测量传感器、电源管理电路、太阳能发电系统、zigbee模块。嵌入式控制器通过串行接口与导航装置、定位装置、卫星通信装置和zigbee模块连接，通过输入/输出接口(i/o口)与电源管理电路连接，上述波浪滑翔器由舟型浮体、水下滑行装置组成，舟型浮体和水下滑行装置通过脐带缆连接，舟型浮体分为前舱、中舱和后舱，前舱、中舱和后舱分别独立密封，前舱、中舱和后舱的连线通过水密接插件连接。
岸基监控系统通过卫星通信和基于zigbee的无线通信方式与海洋环境噪声测量装置交互数据。由于卫星通信的频度受限且功耗较大，在波浪滑翔器布放前通过基于zigbee的无线通信方式设置航行轨迹和工作参数，在波浪滑翔器回收后，通过基于zigbee的无线通信方式回放测量数据；波浪滑翔器在航行过程中，使用卫星通信传输数据，海洋环境噪声测量装置通过卫星通信方式传回传感器测量的特征数据和运行状态信息，岸基监控系统也可通过卫星通信方式远程更改运行航迹或工作参数。
太阳能发电系统由两组太阳能发电装置组成，前舱表面和后舱表面各安装一组太阳能发电装置，为系统供电，太阳能发电装置由太阳能电池板、大动力聚合物锂能电池和控制器组成，大动力聚合物锂能电池为平板状，安装在太阳能电池板下面，可以节省舱内空间。
铱星天线和gps天线安装在波浪滑翔器舟型浮体前舱的上表面。
zigbee模块为无线通信模块，既有与嵌入式控制器通过串行接口连接的zigbee模块，又有分别与波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器连接结合的zigbee模块，嵌入式控制器采用基于zigbee的无线通信网络完成与波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器的数据通信，其中，与嵌入式控制器通过串行接口连接的zigbee模块的zigbee天线安装在中舱的上表面，zigbee天线的位置高一些，通信距离较远，方便与岸基监控系统实现远距离通信，其余与波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器连接结合的zigbee模块的天线均为内置。
zigbee天线、雨量计、气象传感器和ais安装在波浪滑翔器舟型浮体中舱的上表面。
adcp安装在波浪滑翔器舟型浮体后舱的下表面。
ntd阵固定在从波浪滑翔器舟型浮体后部引出的电缆上，电缆从舟型浮体后部加装的支撑杆内部穿出。电缆末端安装铅鱼，使电缆保持垂直状态。
舵机安装在波浪滑翔器水下滑行装置的尾部。
图2为本发明优选实施例的电路框图，如图2所示，海洋环境噪声测量装置电路连接单元包括嵌入式控制器、铱星终端+gps、电子罗盘、zigbee模块、存储卡、舵机、同步接口、ntd阵、波浪传感器+zigbee模块、雨量计+zigbee模块、ais+zigbee模块、adcp+zigbee模块、气象传感器+zigbee模块、电源管理电路和太阳能发电系统。
嵌入式控制器采用arm芯片lpc1768作为嵌入式控制器。lpc1768是nxp公司推出的基于armcortex-m3内核的微控制器lpc17xx系列中的一员。lpc17xx系列cortex-m3微处理器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。lpc1700系列微控制器的操作频率可达100mhz。armcortex-m3cpu具有3级流水线和哈佛结构。lpc17xx系列微控制器的外设组件包含高达512kb的flash存储器、64kb的数据存储器、以太网mac、usb主机/从机/otg接口、8通道dma控制器、4个uart、2条can通道、2个ssp控制器、spi接口、3个i2c接口、2输入和2输出的iis接口、8通道的12位adc、10位dac、电机控制pwm、正交编码器接口、4个通用定时器、6输出的通用pwm、带有独立电池供电的超低功耗rtc和多大70个的通用io管脚。
lpc1768作为嵌入式控制器不用外扩程序存储器、数据存储器和io接口，单一芯片即可满足系统要求，无需外围电路，有效提高可靠性，降低功耗。
铱星终端+gps集成为1个模块，与嵌入式控制器的串口1连接，海洋环境噪声测量装置通过铱星终端完成与岸基监控系统的数据通信，海洋环境噪声测量装置通过gps获取当前位置信息。
嵌入式控制器的串口2与电子罗盘连接，完成数据采集，并获得当前方位信息。
嵌入式控制器的串口3与zigbee模块连接，完成波浪传感器、雨量计、ais、adcp和气象传感器的数据采集工作；还可完成海洋环境噪声测量与岸基数据通信功能，实现海洋环境噪声测量的参数设置和观测数据卸载等功能。
存储卡采用microsdxctmuhs-1存储卡，存储容量256gb(字节)，读取速度95mb/秒，写入速度90mb/秒。
嵌入式控制器与存储卡通过ssp接口连接，实现数据快速读取。存储卡用来存储设置信息、航行过程中状态信息和测量数据。
嵌入式控制器与舵机通过io管脚连接，嵌入式控制器通过调整舵机角度，调整波浪滑翔器的运行方向。
太阳能发电系统通过电源管理电路为海洋环境噪声测量供电；嵌入式控制器与电源管理电路通过io管脚连接，控制铱星终端+gps、电子罗盘、zigbee模块、存储卡、舵机、ntd阵、波浪传感器+zigbee模块、雨量计+zigbee模块、ais+zigbee模块、adcp+zigbee模块、气象传感器+zigbee模块的上掉电，按需上电，降低功耗，其中ntd阵可以通过海洋环境噪声测量装置供电，也可通过自身携带电池供电，根据测量需要选用不同的供电方式。
所述嵌入式控制器通过同步接口，实现ntd阵的同步数据采集。
嵌入式控制器与同步接口通过io管脚连接，在同步性要求较高的场合，作为ntd阵的同步信号，ntd阵收到同步信号后，开始同步测量。
波浪传感器、雨量计、ais、adcp、气象传感器均配置zigbee模块，与嵌入式控制器通过zigbee模块实现数据通信，完成测量传感器数据采集。