低功耗、大存储量海洋环境噪声监测系统的研究

    1 引言

    由于声波是目前在水介质中进行探测和通讯的唯一有效手段，所以获取和掌握水下噪声的特点和规律对水下进行有效探测和通讯至关重要。同时这些噪声也包含丰富的信息，比如风关噪声就携带了海面的风速信息。海洋噪声包含环境噪声、目标噪声、自有噪声和辐射噪声等，其中环境噪声相对于其他噪声属于较复杂的领域。环境噪声有很多未知参数，其噪声源包括水动力噪声、冰下噪声、生物噪声和航船动力装置噪声等[1]。

    海洋环境噪声是海洋中的驻留声场，一方面是各种水声设备和鱼雷等水中兵器的干扰背景，影响这些设备的使用性能；另一方面又包含丰富的海洋信息，可以反演出海面的风速、海底底质、水温、渔业资源、航运量、降雨量和火山运动等情况，对发展海洋事业，有效合理开发海洋资源有很重要的意义[2-4]。

    常规海洋环境噪声测量的方法是用磁带到现场记录噪声数据，然后带到实验室分析。此方法有无法采集小信号、数据存储量有限和操作麻烦等缺点[5]。本文设计了一套海洋环境噪声监测系统，电路的工作电流 100 mA、静态电流 20mA、休眠电流 1 mA。在使用 7 组 15 AH 标称电压 7.2 V 锂电池时，可以保证仪器工作 100 d 以上。存储容量达到 64GB。

    2 系统组成

    海洋环境噪声监测系统是将海洋噪声信号进行转换、处理、存储和后处理。系统包括以下三个主要部分：

   （1）水听器：它的作用是将噪声信号转换为电信号。系统采用宽带全向标准水听器。工作频率范围：20Hz～20kHz，灵敏度（含前放）：大于-160dB（参考 1V/μ Pa）。

   （2）信号处理：它包括对电信号进行放大滤波、A/D 转换和实时数据存储。

   （3）后处理：它包括系统设置、数据回放及数据处理软件。由于系统数据量巨大，设计采用 USB2.0 接口。

    系统的总体结构框图如图 1 所示。

    2.1 信号放大滤波

    声音在海域传播时容易受到海面与海床边界的影响而产生很多变数，所以海洋环境噪声随时间和地点的变化而不同。水听器出来的模拟电信号属于微弱信号，需要进行放大滤波。根据海洋环境噪声和水听器的特性[6-7]，设计了自动增益放大电路。

    由于海洋环境噪声信号随监测时间、地点的变化而变化，为了保证信号放大后不失真，在每次采样时，需要设置不同的放大倍数进行预采，然后通过采样幅度判断放大倍数是否合适，这里的采样幅度表示选择该放大倍数时达到的最大幅值。放大倍数设置过大，得到的采样信号容易溢出；放大倍数过小，得到的采用信号达不到满量程，降低了采样精度。幅值选择由条件和经验确定。电路根据信号增益的大小共设置1～64 个放大档位，根据水听器输入电信号的大小，通过预采来确定最佳的放大档位，保证输入信号不失真，并提高 A/D转换的数据精度。