基于水下滑翔机的海洋环境噪声测量系统

基于水下滑翔机的海洋环境噪声测量系统

刘璐;兰世泉;肖灵;崔杰

【摘 要】Autonomous underwater glider (AUG) is a new type of

submersible vehicles and has a great potential for application to survey the

ambient a noi. In this paper, "Petrel II" glider is chon as the

experimental carrier and deep-water hydrophone and data acquisition

system is designed and developed for it. The deep-water hydrophone has

the characteristic of strong pressure resistance and high nsitivity, which

has been tested with 60 MPa stress, and the data acquisition system has

the characteristic of small size, low power consumption, flexible control

and easy to extend. Successful tests in basin and a a area verify the

feasibility of technical scheme and the stability of system work, and this

platform can be ud for in-depth experimental study of spatial-temporal

characteristics of ambient noi.%水下滑翔机是一种新型的水下潜器,将其用于

海洋环境噪声测量具有很大的应用潜力.选择的平台是"Petrel II"滑翔机,为其设计

和实现了深水水听器和数据采集系统.深水水听器具有耐高静水压和高灵敏度的特

点,并通过了60 MPa的高静水压力试验;数据采集系统具有体积小、功耗低、控制

灵活和易于扩展的特点.搭载声学测量系统的滑翔机顺利通过水池测试和海上试验,

测试结果验证了技术方案的可行性和系统工作的稳定性,可为深入进行海洋环境噪

声时空特性实验研究提供技术支持.

【期刊名称】《应用声学》

【年(卷),期】2017(036)004

【总页数】7页(P370-376)

【关键词】水下滑翔机;Petrel Ⅱ;海洋环境噪声;声学测量系统

【作 者】刘璐;兰世泉;肖灵;崔杰

【作者单位】中国科学院声学研究所 北京 100190;中国科学院大学 北京 100049;

天津大学 天津 300354;中国科学院声学研究所 北京 100190;中国科学院声学研究

所 北京 100190

【正文语种】中 文

【中图分类】O427.9

海洋环境噪声既是海洋中的背景声场，可以反演得到许多海洋环境参数；又是要检

测或测量信号的干扰，限制着声纳系统的工作性能。对海洋环境噪声的获取和分析、

噪声场的建模及海洋环境参数的反演等内容进行研究具有非常重要的意义。海洋环

境噪声时空特性是非常复杂的，在不同时间、不同海况下对不同海域、不同深度的

水下噪声进行测量得到的结果都是有差异的，因此需要对海洋环境噪声进行长时间、

大范围地测量才足以分析其时域、频域和空域等特性[1−2]。

传统的海洋环境噪声观测手段有以下3种：基于测量船的测量方法，基于浮标、

潜标的测量方法，基于岸基声纳的测量方法[3]。要想对海洋环境噪声进行长时间、

大范围的连续观测，这就要求有效地控制探测设备的体积、重量、功耗和自噪声等。

水下滑翔机(Autonomous underwater glider,AUG)是一种新型的水下潜器，依

靠自身浮力驱动，具有观测范围大、功耗低和隐蔽性高等特点。与传统观测手段相

比较，在海洋环境噪声测量的应用中，搭载声学测量系统的水下滑翔机具有明显的

优势[4]。首先，因为独特的驱动方式和缓慢的航行速度，滑翔工作模式下的水下

滑翔机自噪声非常低，对水听器及阵列测量信号的干扰很弱；其次，与传统观测手

段相比，AUG功耗很低，适合长时间大范围不间断的噪声测量；最后，AUG对母

船的依赖小，既可进行水平也可进行垂直剖面测量，机动灵活[5]。水下滑翔机的

概念是在上世纪90年代由美国海洋学家Henry Stommel提出的。1991年诞生

的第一台Slocum滑翔机在美国佛罗里达州进行了深度为20 m的锯齿剖面运动。

对于滑翔机与声学传感器的集成研究，国外起步较早且有了较大的进展。2010年

5月，搭载水听器的Slocum在Lau Basin北部布放，用于监测West Mata的海

下火山，记录了随距离变化的声波的振幅，试验结果表明水下滑翔机用于水声监测

的效果可以与水下自主水声测量系统相媲美。2013年5月，葡萄牙阿尔加维大学

在葡萄牙海岸布放了搭载SR-1水听器的Slocum用于探测水下噪声，结果表明水

下滑翔机可对水下噪声进行时间和空间尺度上的有效探测[6−8]。国内对水下滑翔

机的相关理论研究和技术研发起步于21世纪初期，天津大学、沈阳自动化研究所

和中国海洋大学等都研究出了海试样机并进行了湖试和海试，但对滑翔机与水听器

的集成研究相对还比较少。

本文的声学测量系统选择搭载的是天津大学研制的“Petrel II”滑翔机，滑翔机加强生态文明建设 的

工作示意图如图1所示。Petrel II有两种工作模式：滑翔工作模式和AUV推进工

作模式。将Petrel II用于海洋环境噪声的测量可以提高对目标的远程探测能力，

可为保障我国海洋安全、进行海洋调查提供有效手段[9]。基于水下工作环境对

Petrel II体积、重量、功耗、可移植性等方面的要求，我们设计并实现了深水水听

器和数据采集系统。设计的系统结构简捷、体积小、功耗低、控制灵活，能够满足

水下滑翔机对体积、功耗等方面的要求。

集成了声学测量系统的Petrel II水下滑翔机于2016年1月在国家海洋技术中心

水池进行了测试，系统工作稳定。2016年8月，搭载声学测量系统的Petrel II水

下滑翔机在某海域进行了海洋背景声场的剖面测量，连续稳定工作、无故障，获取

了1000 m深度范围内水下滑翔机正常工作时的海洋噪声实验数据，用于整机工

作性能评估和海洋环境噪声的测量分析，可为深入进行海洋环境噪声时空特性实验

研究提供原始数据支持。

Petrel II是一种混合驱动水下滑翔机(Hybriddriven underwater glider,HUG)，

依靠自身浮力变化或使用螺旋桨推进单元实现驱动，是目前我国自主研发的多型水

下滑翔机中工作深度较深、航程较远、在位工作时间较长的一种滑翔机系统。

Petrel II系统主要性能指标如下：(1)最大工作深度1500 m；(2)最大负载能力5

kg；(3)最大设计航程1500 km；(4)最大滑翔速度1 km；(5)具备CTD传感器、

快速温度传感器、剪切探头等多种传感器的搭载能力；(6)具备GPS或“北斗”定

位能力，配置有无线和卫星通讯终端。Petrel II有滑翔和AUV推进两种工作模式，

本文中的Petrel II搭载CTD传感器及声学测量系统，设定为滑翔工作模式，在设

定航线上实现自动观测有关的海洋环境数据(如温度、盐度、深度、噪声)[10]。图

1的水下滑翔机工作示意图同时给出了进行海洋环境噪声测量任务的Petrel II系统

工作流程：水面准备、滑翔下潜、滑翔上浮及水面等待等4个阶段。在下潜和上

浮的过程中进行海洋环境数据的采集，回到海面时通过天线与卫星进行通信以实现

数据的上传和新指令的接收。

在将水下滑翔机用于海洋环境噪声的测量中，首先要考虑滑翔机本体自噪声的干扰。

系统回油、排油、姿态调整、螺旋桨推进及滑翔机周围流体的流动等均会产生噪声

干扰水听器的测量。在进行声学测量系统的设计时也需要将低噪声作为重要的指标

去衡量，有效控制电磁噪声对水听器测量信号的干扰。通常意义上讲，水下航行器

自噪声主要分为机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三大类[11]。当Petrel II处于

滑翔工作模式时，螺旋桨不工作，可以忽略螺旋桨噪声的干扰。此时Petrel II最

大水平滑翔速度是0.5 m/s，水动力噪声很小。机械噪声是自噪声的主要成分，通

过在消声水池进行噪声分析实验来分析姿态调节单元和浮力调节单元工作对背景噪

声测量的干扰。其中，为了节省安装空间和提高组件利用率，压载重块由电源电池

组来提供。通过调整压载重块在滑翔机轴向和周向的位置来实现滑翔机整体重心在

轴向和周向上的改变，进而完成航行器俯仰和滚转姿态的调整。实验结果如图2

所示，结果表明：姿态调节单元工作时电池滑动产生的噪声非常小，对背景噪声的

干扰可以忽略；而浮力调节单元的泵电机的工作严重影响了背景噪声的测量，其频

率主要分布在500 Hz以上的高频段，在1 kHz达到峰值，最大可达35 dB。滑翔

机本体自噪声的分析对声学测量系统的设计与研制、滑翔机海上实验方案的优化、

以及滑翔机自身减振降噪技术的研究具有重要的指导意义。

在测量海洋环境噪声的任务中，声学测量系统负责解读和转发上位机的命令、控制

传感器、采集和存储数据、上传文件以及与其他模块进行通信等。系统主要包括两

部分：深水水听器和数据采集系统。将高耐静水压、低功耗、低噪声和可扩展性作平滑的反义词

为重要的技术性能参数考虑到深水水听器和数据采集系统的设计中。设计的声学测

量系统体积小、功耗低、控制灵活，能够满足水下滑翔机对体积、功耗等方面的要

求。

深水水听器是声学测量系统的重要部分，它负责采集声信号，并把声信号转化为电

信号，测量结果受到水听器安装位置、安装方式、指向性和通道增益设置等的影响

很大，因此在设计时需要综合考虑各种因素。Petrel II水下滑翔机的最大工作深度

是1500 m，需要设计满足要求的深水水听器。设计的水听器具有高耐静水压和均

匀的阻抗特性，灵敏度不低于−160 dB，能够探测0∼50 kHz频率范围内的声音

信号，具有全指向性。水听器顺利通过了60 MPa的高静水压力试验，能够满足

现如今Petrel II水下滑翔机的深度要求，也有利于滑翔机性能的改进。通过测试，

将水听器安装在滑翔机的尾部，并放置在流线型的导流罩内，可有效防止空化噪声

的产生和降低水流的直接冲击，将水动力噪声控制到最小。通过耐静水压试验和水

池试验，水听器均无漏水现象且工作性能稳定，能够适应水下滑翔机的工作环境，

满足用于海洋环境噪声测量的技术指标的要求。

数据采集系统是声学测量系统的核心部分，负责将水听器及阵列采集和转换的电信

号进行滤波、放大、添加时间标签、存储及上传。其速度、精度、功耗及可扩展性

直接影响整个系统的性能。数据采集系统的系统框图如图3所示，系统使用电池

作为电源且需要长时序、连续工作，因此以性能可靠、低功耗、低噪集成电路布图设计 声为标准设计

电路和选择器件。系统中我们采用了Black fin DSP的BF518F，这是一款超低功

耗且功能强大的微处理器，既有传统DSP的强大运算能力，又具备ARM处理器

的低功耗特性，片上外围模块丰富，并支持包括uCLinux在内的嵌入式操作系统

[12]。AD部分选择了6通道、高精度、16位串行可编程AD73360。采样率、输

入信号增益和通道数都是可编程的，当输入时钟为16.384 MHz时，采样率可分

别设置为64 kHz、32 kHz、16 kHz和8 kHz，增益可在0 dB到38 dB之间选

择。AD73360能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小，系统中

级联了3片AD73360，可以扩展成18通道同时采集。通过串口和网口与上位机

进行通信，以满足水下滑翔机对数据传输速度的要求[13]。

由于水声学研究和水声工程设计试验成本高，耗时长，而传统的数据采集系统大多

与探测系统配套使用，当需要扩充其他观测功能时难以直接进行升级，造成资源的

浪费。根据这一情况，把嵌入式系统应用到水下滑翔机的声学测量系统中。完整的

嵌入式系统包括Bootloader程序、内核、根文件系统、驱动程序模块和应用程序。

Bootloader程序是嵌入式系统的引导加载程序，是处理器上电后运行的第一个程

序。选择的U-Boot功能强大，涵盖了绝大部分处理器构架，提供大量外设驱动，

支持多个文件系统，附带调试、脚本、引导等工具。操作系统选择的是uClinux，

具有出色的稳定性和良好的移植性，可以灵活地裁剪和配置[14]。根文件系统是

Linux系统的核心组成部分，它可以做为Linux系统中文件和数据的存储区域，通

常它还包括系统配置文件和运行应用软件所需要的库。设备驱动程序是操作系统内

核与机器硬件之间的接口，为应用程序屏蔽了硬件的细节。在应用程序看来，硬件

设备只是一个特殊的设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行

操作[15]。把嵌入式系统应用到水下滑翔机的声学测量系统中，在一定程度上提高

了系统的可靠性，使得系统具有很好的扩展性，可以有效地降低开发的成本和减少

资源的浪费。

研究开展以来，研制的深水水听器经过了60 MPa的高静水压力试验，整个声学

测量系统也经过了多次的水池试验，系统工作稳定。搭载声学测量系统的Petrel II

滑翔机于2016年8月在某海域进行了海洋背景声场剖面测量的试验，连续稳定工

作无故障。试验海域水深1100 m左右，分别在8月13日和8月22日布放和回

收了两次。系统布放和配置情况如图4所示，在33个小时内采集了不同深度的

16个连续剖面，最大下潜深度是1040 m，每三分钟以一个bin文件格式存储到

SD卡中，数据量是22.5 MB，获取的总数据量是14.5 GB。滑翔机的工作示意图

如图1所示，结合噪声分析实验的结果对实验方案进行优化：选择工作模式为滑

翔工作模式；尽可能地减小姿态调节单元和浮力调节单元工作的频率。Petrel II在

水下成锯齿状进行滑翔，当露出水面的时候通过尾部的天线与卫星进行通信，接收

新的指令和上传数据。携带的任务传感器—–CTD仪测量了水体的温度、盐度和深

度信息，根据其测量的结果和经验公式得到实验海区的声速剖面如图5所示。本

次海上试验获取了1000 m水深范围内水下滑翔机正常工作时的噪声实验数据。

在海试实验中，8月13日的海况是3级，浪高约4 m，而8月22日的试验中，

海况很平稳。排除深度的差异和减小自噪声的干扰，选取接收深度均为255 m、

均没有过往船只干扰且没有自身电机工作的两天中的数据进行对比分析。由图6

不同海况下海洋环境噪声的原始信号可以看出，海况较差的8月13日的原始信号

幅值明显偏大。对不同海况下的数据进行数据处理得到图7所示不同海况下青春校园 1/3

倍频程声压谱级，可以看出不同海况下的海洋环境噪声谱级有十几dB的差异，这

在一定程度上说明了海洋环境噪声主要成分的风关噪声与海况有较直接的关系，其

主要能量分布在200 Hz∼20 kHz频带内。在整个海试过程中，基于uClinux的声

学测量系统没有出现异常，工作稳定，获取的数据准确、可靠。试验数据真实有效

地反映了海洋环境噪声在不同海况下的信号及频谱差异，试验结果验证了搭载在

Petrel II水下滑翔机上的声学测量系统工作的稳定性。结果还表明，在衡量该海区

噪声水平的时候需要注意海况的影响，也应该进行更长时间和大范围的实际测量，

定量分析不同海况下噪声谱级的差异。

为定量分析水下滑翔机采集的海洋环境噪声在不同频段的1/3倍频程声压谱级随

接收深度的垂直分布，选取8月22日第5个剖面不同深度处的数据进行频谱分析。

该剖面的最大下潜深度是1040 m，被测海域海深是1100 m左右。在运行中，

Petrel II自动记载了滑翔机所处深度处的海水温度、盐度和自身深度数据、电机的

工作状态及相应的噪声数据。海试中的滑翔机设定为滑翔工作模式，最大滑翔速度

是0.5 m/s，有效地降低了螺旋桨噪声和流噪声对水听器测量的干扰。分析数据时

剔除了接近海面和海底的实验数据，并选取姿态调节单元不工作时的数据，有效排

除了浮力系统工作时排油和回油过程及俯仰和横滚电机工作对水听器测量结果的干

扰。选取的测量剖面对应的海况平稳，且附近没有船只。

图8是第5个剖面10 Hz、100 Hz、200 Hz、800 Hz、1600 Hz、3150 Hz不

同中心频率对应的1/3倍频程海洋环境噪声。可以看出，不同频率的海洋环境噪

声谱级随深度变化的趋势接近一致，低频段符合海洋环境噪声分布规律，随着频率

的增高，谱级有所降低。但是，高频段800 Hz却比200 Hz高5 dB左右，可能

与水下滑翔机运行过程中产生的流噪声或是机械噪声干扰有关系，需要对导流罩的

设计及滑翔机的姿态调整方案加以优化。

海洋环境噪声在10 Hz∼20 kHz频段内主要有两种噪声源：风关噪声和远处航船

噪声，航船噪声是几十赫兹至300 Hz频带内的主要噪声源，而风关噪声是几百赫

兹至20 kHz频带内的主要噪声源[16]。如图9所示，对低频10 Hz∼200 Hz频

段的1/3倍频程谱级的噪声结构分布进行分析可知，低频时噪声谱级几乎不随接

收深度发生变化。200 Hz频率处有最大3 dB的噪声谱级的差异，结合图2噪声

分析的结果表明，产生此差异的原因在于滑翔机本体的机械噪声干扰。海洋环境噪

声的时空分布是非常复杂的，具有很大的环境依赖性，文中仅提供了某一海域在某

一时间段的实测数据分析，这是远远不够，需要进行长时间的更多点的实际测量，

以得到积木的拼音 更完整的噪声分布数据。

不同频率下噪声谱级随深度变化的简易手抄报 研究初步表明搭载声学测量系统的Petrel II水

下滑翔机可用于测量海洋环境噪声的时空特性，实验结果表明系统实现了预期功能

和设计指标，也验证了实验数据的有效性、系统设计方案的正确性和基于水下滑翔

机的声学测量系统的稳定性，可为深入进行海洋环境噪声时空特性实验研究提供技

术支持。

耐静水压试验、水池实验和海上试验的数据分析结果验证了搭载声学测量系统的

Petrel II水下滑翔机用于海洋环境噪声测量方案的可行性及声学测量系统的稳定性，

可为进一步深入进行海洋环境噪声时空特性实验研究提供技术支持。接下来将设计

和布放水听器阵列搭载到Petrel II水下滑翔机上，以更深入地对海洋环境噪声进

行测量和研究。

【相关文献】

[1]郭新毅,李凡,铁广朋,等.海洋环境噪声研究发展概述及应用前景[J].物理,2014,43(11):723–

Xinyi,LI Fan,TIE Guangpeng,et ew of ocean ambient noi and

application prospects[J].Physics,2014,43(11):723–731.

[2]KNUDSEN V O,AFFORD R S,EMLING J ater ambient

noi[J]..,1948,7(3):410–429.

[3]魏永星,于金花,常哲,等.海洋环境噪声数据处理及时空特性研究[J].电子设计工

程,2014,22(14):28– Yongxing,YU Jinhua,CHANG Zhe,et processing and

temporal-spatial characteristic analysis of ocean ambient noi

data[J]..,2014,22(14):28–30.

[4]ALVAREZ A,CAFFAZ A,CAITI A,et al.Flaga:A low-cost autonomous underwater vehicle

combining glider and AUV capabilities[J].Ocean Engineering,2009,36(1):24–38.

[5]van UFFELEN L J,NOSAL E M,HOWE B M,et ting uncertainty in subsurface

glider position using transmissions from fixed acoustic tomography

sources[J]..,2013,134(4):3260–3271.

[6]WEBB D C,SIMONETTI P J,JONES C :An underwater glider propelled by

environmental energy[J].IEEE c Eng.,2001,26(4):447–452.青春黑板报

[7]SHERMAN J,DAVIS R E,OWENS W B,et autonomous underwater glider

“spray”[J].IEEE c Eng.,2001,12情人节的告白 6(4):437–446.

[8]ERIKSEN C C,OSSE T J,LIGHT R D,et der:A long-range autonomous underwater

vehicle for oceanographic rearch[J].IEEE c Eng.,2001,26(4):424–436.

[9]武建国.混合驱动水下滑翔器系统设计与性能分析[D].天津:天津大学,2010.

[10]LIU F,WANG Y H,WANG S pment of the hybrid underwater glider Petrel-

II[J].Sea Technology,2014,55(4):51–54.

[11]FERGUSON B G,LO K W,RODGERS J g the underwater acoustic environment

with a single hydrophone onboard an undera glider[C].,2010:1–5.

[12]陈锋.Black fin系列DSP原理与系统设计[M].西安:电子工业出版社,2002.

[13]刘璐,肖灵,刘光辉.基于水下滑翔机的数据采集系统设计[A].2016年全国声学学术会议论文集

[C],2016.

[14]李云栋.基于BF53xDSP处理器的uClinux开发详解[M].西安:电子工业出版社,2011.

[15]支绍龙,吴玉泉,尹力,等.基于uClinux的嵌入式水声信号采集存储系统设计[J].应用声

学,2011,30(5):394– Shaolong,WU Yuquan,YIN Li,et design of underwater

acoustic signal sample and memory system bad on

uClinux[J]..,2011,30(5):394–399.

[16]KUPERMAN W A,FERLA M C.A shallow water experiment to determine the source

spectrum level of windgenerated noi[J]..,1985,77(6):2067–2073.