一种船舶水下辐射噪声信号采集分析系统

本发明属于但不限于船舶水下辐射噪声测试，尤其涉及一种船舶水下辐射噪声信号采集分析系统及终端。

背景技术：

1、船舶水下辐射噪声测试分析是其研制、验收和维修保障所需的关键技术，其中船舶单台机械设备或多台机械设备并开工况下的水下辐射噪声测试分析旨在分离各机械噪声源对船舶航行辐射噪声的贡献量，定量评价船舶各项减振降噪措施的实际效果，是声学试验中最为基础的试验环节。

2、考虑到船舶单机或多机并开等工况下的水下辐射噪声较低，为了满足测试信噪比要求，现有测试系统采用单水听器近距离测量，但由于声源的指向性，各水听器测量结果的离散度较大，不能准确测得单机或多机并开等工况下的水下辐射噪声级。因此，现有的测试分析系统不能满足船舶单机或多机并开等工况下水下辐射噪声测试分析需求。

3、随着光纤水听器技术的发展进步，其大规模成阵、远距离传输等优势极大丰富了船舶水下辐射噪声信号采集分析技术途径。针对目前船舶水下辐射噪声测试分析中存在的问题，拟构建光纤水听器面阵信号采集分析系统，准确获取船舶舱段区域水下辐射噪声信号，从而降低近场测量带来的声源指向性误差，在此基础上借助近场声全息方法进行信号处理分析，从而实现船舶壳体区域声源定位识别，得到主要声源的准确位置和贡献量，为科学地制定振动噪声控制方案提供指导。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种船舶水下辐射噪声信号采集分析系统及终端。

2、本发明是这样实现的，一种船舶水下辐射噪声信号采集分析系统，该系统包括：

3、光纤水听器面阵分系统，主要包括光纤水听器面阵系统、铠装束管传输光缆系统；所述光纤水听器面阵系统用于完成水下目标声学信号的传感探测，所述铠装束管传输光缆系统用于将光纤水听器探测信号传输到岸站光电处理系统中；

4、信息采集处理分系统，基于光纤水听器面阵分系统，并改进安装使用方式，提高性能及易用性；

5、水上阵列布放平台，用于承载光纤水听器阵列，阵列在布放前全部放置在布放平台的储缆槽中，布放展开后可形成一个面阵。

6、进一步，所述光纤水听器面阵分系统由28条相同结构的16基元的光纤水听器线阵组成，每条线阵中基元间距为0.5米，两条线阵之间的间距为0.5米；

7、所述光纤水听器阵列采用pu管填充高稳定性硅油方式进行组阵，组阵后探头间距为0.5m；两个探头之间放置一个延时线组件与一个器件组件；各组件之间填充低密度过渡海绵用于保护光纤束管；水听器探头、延时线组件及器件组件等固定在两根根凯夫拉绳上；用于传输光纤信号的光纤束管以一定余长固定在骨架上，保证光纤的可靠性及传输信号质量；

8、阵列长度8.113m，共安装53个骨架，其中包括16个水听器探头，17个器件骨架，14个延迟线，4个超长延迟线及2个浮力柱；

9、阵列光路设计，根据模块化设计原则，28×16基元光纤水听器面阵采用1波分×16时分×28空分结构；

10、光源系统输出的光信号通过分光器组件将一路光信号均分成28路光信号由28路光纤传输到光纤传输缆中，每路光信号传输到一个16基元的光学模块中；每个光学模块将包含声信号的光信号通过1路光纤传回到光纤传输缆中，并最终传输到光电信号处理系统中进行解调处理，获取水声场信号；

11、阵列系统每条子阵段设定为16基元，且用一路光纤控制，因此设计构思采取耦合器分路的形式将两组8基元分开；

12、每个16基元光路模块包含两组8基元光路模块，两组8基元由二对耦合器分开，且两组8基元中间加入4个超长延迟线，保持两组8基元在时延上不产生重叠。

13、进一步，所述光纤水听器阵列设计与实现，具体包括：

14、光纤水听器阵列是噪声测量系统中的核心水声传感探测单元，主要用于进行水声信号的接收，为水声目标探测提供数据来源；光纤水听器面阵中共包括28条阵列，额外制备3条备用阵，为了在测量过程中某条水听器阵列有基元失效的情况下快速替换阵列，共计31条光纤水听器阵列；

15、光纤水听器阵列主要由传输细缆及探测阵段组成，具体如下：

16、1）探测段参数设计

17、根据系统技术要求，探测段基元间距为0.5m等间距阵列结构，由16个光纤水听器组成；

18、2）阵列光路设计

19、根据模块化和低噪声设计原则，16基元光纤水听器阵列采用1空分×16时分结构；

20、光源系统输出的单波长光信号经分光器组件将一路光信号均分成28路光信号，由28路光纤传输到光纤传输缆中，每路光信号传输到一个16基元的光学模块中；每个光学模块将包含有声信号的光信号通过1路光纤传回到光纤传输缆中，并最终传输到光电信号处理系统中进行解调处理，获取水声场信号；

21、每条16基元光纤水听器阵列中光器件主要包含：光纤水听器16个，耦合器28个，延时线18个；

22、3）阵列结构设计

23、①采用pu管填充方式进行组阵，pu管耐水、耐油、透声性良好，综合考虑阵列使用的方便性与减少光路噪声，pu管直径为38mm，壁厚3mm，通过调整填充剂填充量使探测阵比重为1.025g/cm3；

24、②阵列内部填充高稳定性填充剂，密度为0.97g/cm3，该填充剂性能稳定，对阵列内器件、胶体等无任何不良影响；

25、③光纤水听器探头之间放置一个延时线组件与一个器件组件；器件组件主要用于放置耦合器等光器件，其外骨架用高轻度材料制成，耐压深度可达到200m，耐测压3kn/100mm；

26、④光纤水听器探头与组件之间填充低密度过渡海绵用于保护光纤细缆；光纤细缆采用黑色聚氨酯外护套，内填充油膏；光纤类型用弯曲不敏感光纤，光纤损耗＜0.5db/km；25mm（400圈）损耗＜0.1db；光纤细缆以一定余长固定在骨架上，保证光纤的可靠性及传输信号质量；

27、⑤水听器探头、延时线组件及器件组件固定在两根强力绳上，强力绳外径4mm，内芯采用高强度凯夫拉以特殊方式编织而成，单根强力绳可以提供最大10kn拉力；

28、⑥拉力绳与水听器骨架、延时线骨架及器件骨架按照工艺要求使用适当的胶水与拉力绳固定；

29、4）光纤水听器设计

30、①光纤水听器组成

31、光纤水听器主要由干涉仪、增敏结构件及保护外骨架组成组成；其中干涉仪是外购frm后自加工生产的器件；由frm转化成水听器需经历两次自加工，镜检及性能测试超过十次，自加工完成的半成品均经筛选试验，保证后工序使用的器件可靠性高，进而保证水听器的性能稳定，质量可靠；

32、②水听器特性设计

33、应用于线列阵的光纤水听器结构设计主要包括提高声压灵敏度结构设计、降低加速度灵敏度设计和抑制流噪声的小直径结构设计；

34、为了提高光纤水听器声压灵敏度，水听器为推挽式芯轴型结构，在声场作用下，外臂光纤缩短，内臂光纤则被拉长，这样使得水听器感受声压信息增大了一倍，从而使声压灵敏度增加一倍，并且芯轴型光纤水听器中的空气腔可以进一步提高声压灵敏度；

35、③技术指标

36、声压灵敏度：≥-145db（ref：1rad/μpa）；

37、动态范围：≥110db@1khz；

38、频率范围：5hz~1khz；

39、5）耦合器

40、耦合器在阵列中主要作用是分光束、合光束，从而把16个光纤水听器连接成一组16时分的16基元阵列，光输入、输出通过两根光纤完成；

41、6）延时线

42、延时线在阵列中主要作用是对光纤水听器间的传输时延进行控制，以达到设计的时分采样时序要求，形成固定参数的16时分光路；

43、7）成阵材料

44、把16个光纤水听器及耦合器、延时线等组成一条16基元的阵列，还需各种材料，主要包括：拉力绳（凯夫拉绳）、填充剂、外护套组件、胶水等；

45、8）传输细缆

46、传输细缆主要用于把每条16基元阵列的信号与主干光电复合传输缆通过接驳盒连接；光纤传输细缆是阵列信号传输的的主要原材料，外护套为黑色聚氨酯，内填充油膏；

47、根据阵列及接驳盒在阵列上的布置情况，各位置上的光纤水听器阵列接入的传输细缆长度有所差别，远离接驳盒的阵列端头细缆长2.6m，靠近接驳盒的阵列端头细缆长1.2m，以避免细缆的过度冗余。

48、进一步，所述主干光电复合传输缆，具体包括：

49、主要用来传输光纤水听器面阵的光电信号；

50、光电复合缆采用层绞式结构，中心填充线外绞制光纤束管、电源线，形成缆芯，内护层外绞制凯夫拉丝层，外护套选用聚氨酯材料；

51、光电复合缆有密度、柔软性和延伸率等多方面要求，加强材料选用凯夫拉丝，可满足不小于3t的断裂强度；

52、光电复合缆缆芯采用层绞式结构，并控制合理的光纤余长，包括：束管内光纤余长及绞合余长，可提高光缆的机械性能和光学性能，减小光纤应变。

53、进一步，所述铠装束管传输光缆系统，具体包括：

54、（1）总光缆与各分支光缆

55、干端与湿端部分通过一根ф19mm的84芯光电复合缆相连，然后再通过3个接续盒分别传输到各个分支端；接续盒1作为总的分支点，与分支光缆在此熔接；3个接续盒之间用ф12mm的18芯光电复合缆连接，其中接续盒1与接续盒2之间用2根ф12mm的18芯光电复合缆相连，接续盒1和接续盒3之间用1根ф12mm的18芯光电复合缆相连；

56、（2）接续盒系统

57、考虑到整个接续盒放在水下深度大约50米的地方，所以静耐水压以及整体的密封性在设计的时候按照≥1мра标准进行，并且用来穿缆的各个孔位部分也要进行防水密封处理；

58、（3）铠装束管传输光缆分系统中与阵连接的传输细缆采用ф8.0mm的2芯光缆，缆阵之间采用溶接后连接头拼接处理，接头采用不锈钢材质防海水腐蚀，内部加装填料胶垫密封；

59、细缆另一端处理成lc插拔式连接头在接续盒内插拔式连接。

60、进一步，所述信息采集处理分系统主要由光电信号解调分系统、光源光调制放大分系统、显控存储分系统等部分组成；光电信号解调分系统完成阵列光信号的采集与解调；光源光调制放大分系统产生的光信号通过声光调制器转化为光脉冲，光脉冲经过放大后再输出到光纤水听器声聚焦面阵用于水声探测；显控存储分系统实现干端与湿端光信号的整合，监控数据的汇总以及数据的存储；

61、信号采集处理系统各分系统采用模块化设计，保证系统能够在要求的温度、湿度范围正常工作，满足系统对颠震、振动、霉菌等要求。

62、进一步，所述光电信号解调分系统包含4个光电信号采集模块，1个同步控制模块、1个数据交换模块、1个电源模块和1个光电信号处理机箱组成；

63、光电信号处理机箱中安装电源与背板，光电信号采集模块、同步控制模块及数据交换模块安装在信号处理机箱中并通过背板传输数据；光电信号处理机箱采用液冷方式散热；

64、所述光电信号解调分系统设计实现，具体包括：

65、1）光电信号采集解调模块

66、光电信号采集解调模块采用高性能fpga芯片实现128路光纤水听器探测阵的采集与解调处理；448基元光纤水听器信号的采集与解调仅需要4个采集模块即可实现；8个空分的光信号输入到1个采集模块后，每路光信号通过光电前放模块转化为电信号，通过8路ad模块，每1路ad进行16时分采集，将电信号转化为数字信号，数字信号在fpga芯片中进行集中解调处理，解调完毕后输出128路水声信号；光电前放模块具有光功率自动增益调节功能，满足不同光功率信号的采集与解调要求；

67、2）数据交换模块

68、数据交换模块采用带有soc的fpga实现多路高速接口以及千兆以太网接口，高速接口用来接收来自光电信号采集解调模块的数据，千兆以太网接口用来将数据传输到发送出去；

69、3）同步控制模块

70、同步控制模块的硬件部分采用采用带有soc的fpga实现单芯片控制单元。fpga逻辑单元实现采集解调及光源的同步控制，soc实现通信及同步控制参数的存储；

71、4）光电信号处理机箱

72、光电信号处理机箱设计成6u高标准加固型插箱，可安装在标准19英寸机柜中；机箱采用7075铝合金材质制造，机箱两侧安装有重型导轨，每根重型导轨可承重227kg；导轨外侧与机柜安装为一体，方便机箱的维护；

73、光电信号处理机箱采用一体化液冷散热设计，液冷源安装在机箱内部，液冷板直接贴合到信号处理板发热部位，最大效能地将热量传导出去，保证板卡高稳定工作。

74、进一步，所述光源光调制放大分系统根据光纤水听器声聚焦面阵探测需求，光源光调制放大分系统主要包括以下模块：光源模块、声光调制模块、状态自检与监控模块、光源机箱、以及液冷源；

75、1）光源模块

76、系统采用经过大量验证的超窄线宽激光器模块，具有相位噪声低、工作稳定、抗干扰能力强等特点；

77、2）声光调制模块

78、光源光调制放大分系统为了实现脉冲输出，需通过声光调制器进行脉冲斩波，获得一定重复频率一定脉冲宽度的消光比高、上升时间短的平顶脉冲；主要性能要求如下：

79、中心调制频率：200mhz；

80、上升时间：≤20ns；

81、消光比：≥50db；

82、插入损耗：≤5db；

83、3）功率放大模块

84、光纤水听器阵列不仅需要时分还要进行空分；阵列光学系统的损耗大，为了在返回段获得高信噪比的模拟光信号，在光源光调制放大系统输出前尽量提高功率；根据光纤放大器的基本性能和光纤传输的非线性影响，功率放大器的主要性能要求如下：

85、增益带宽：≥30nm；

86、饱和输出功率：≥10dbm；

87、最小信号输入功率：≤0.1dbm；

88、4）状态自检与监控模块

89、为保证光源光调制放大分系统的稳定工作，需对系统状态进行实时监视和控制，包括驱动模块状态监控、放大器状态监控等监控测量模块；

90、5）光源机箱

91、光源机箱主要用于产生高性能高稳定激光；

92、6）液冷机箱

93、为保证光源光调制放大分系统工作状态稳定性，系统采用液冷方式进行散热；液冷机箱泵出恒温的制冷液到光源机箱中，通过机箱中导冷板实现内部热量与制冷液之间的热交换；液冷源的制冷功率为1.5kw，液冷源机箱高度为4u；

94、所述光源机箱采用模块化设计，重点解决减振隔声、智能温控与参数程控要求，具体如下：

95、（1）减振隔声设计

96、光源系统采用弹性悬挂和支撑装置以及专用的多级滤噪系统，可有效地减小外部环境中振动和噪声对激光系统的影响，保证光源系统的高稳定低噪声输出；

97、（2）高精度智能温控

98、智能温控采用全数显温度控制器，可通过程控方式对温控模块进行设定；在激光系统中内置温度传感器，实时监测激光器工作温度并实时反馈温控状态及参数到温度控制器，温度控制器通过控制高效率的半导体制冷片对激光器温度进行冷热双向控制，机箱外部液冷源提供的冷却液将半导体制冷片聚集的热量导出，保证激光器工作在恒定的温度环境中；

99、（3）参数程控

100、光源机箱上集成一款高性能的工控机，并配有网口、串口等常用接口，安装系统参数控制软件；通过控制软件可完成激光器参数、目标温度设定以及光源工作状态的实时监控；

101、所述光源光调制放大分系统功能，具体如下：

102、1）分析结果显示控制：通道频谱、参数的设置及结果的显示；

103、2）数据接入：接收原始水声数据；

104、3）数据管理：实现水声信号、分析结果等数据的存储、回放及导出；

105、4）故障自检及状态监视：对各分系统进行自检并显示其工作状态；

106、9、根据权利要求6所述的船舶水下辐射噪声信号采集分析系统，其特征在

107、所述显控存储分系统设计，具体包括：

108、1）不间断电源

109、为了给信号处理系统提供稳定、不间断的电源，设备配备专用的信号处理机不间断电源；考虑到系统的便携性，不间断电源由一个电源主机与一个电池包组成；正常工作状态，信号处理供电分系统从基地输入220交流电，通过滤波与稳压后输出220v交流电给光源光调制放大分系统、光电信号解调分系统、水声信号处理分系统、显控存储分系统等；当外部供电出现故障时，不间断电源自动输出220v交流电，保证其它分系统可正常保存退出；

110、2）显控存储服务器

111、为提高系统的便携性，该系统采用显控存储一体式服务器；显控服务器中安装上位机显控软件，为了实现多屏显示，服务器中需要安装一块多屏驱动独立显卡；为了保证显示的流畅性，显控服务器需保证显卡显存、内存及cpu的处理性能；为保证大容量数据长时间存储，服务器可配备多块可插拨式硬盘；

112、3）分束机箱

113、根据模块化设计思想，显控存储分系统中提供分束机箱集成管理所有分系统之间连接接口；分束机箱主要集中管理光源光调制放大分系统下行光纤及光纤水听器阵列上行光纤所有熔接点；

114、4）数据存储管理软件

115、光纤水听器拖线阵单个基元的水声信号采样频率为8khz，448基元的总存储速率约为14mb/s，24小时数据总量约为1.2tb，显控存储分系统配备的可替换磁盘阵列存储容量为8tb，可满足6天数据存储需要；

116、要将系统大容量数据完整的记录下来，需要在硬件与软件两个方案进行特殊设计；硬件方面采用高速磁盘阵列提高数据的存储速率以及实现冗余防错处理，在软件方面采用数据缓存以及多线程数据存储设计，具体如下：

117、（1）数据缓存技术

118、相对于cpu而言，i/o操作仍然是响应存储性能的重要瓶颈；数据缓存技术的目的就是为了减少i/o写入的次数，同时提高一次i/o操作的数据量；系统中针对每种类型的数据提供单独的存储文件系统，这样可以减少数据同时写入一个文件时加入同步锁，提高i/o的并发效率；对存储的数据采用双缓存，一个是写入缓存，一个是存储缓存，通过缓存数据交换与多线程，提高数据存储的并发速度；

119、（2）多线程数据存储

120、在要求高速、实时和连续采集存储的情况下，一方面，要求系统不间断的进行数据采集，同时还要进行数据实时的存储，否则将会丢失数据，造成数据不完整；为了解决这个问题，引入多线程存储技术，每种类型的数据存储各自拥有独立的线程，当线程在i/o操作阻塞时，cpu就会挂起当前线程直到当前线程的i/o就绪，其它i/o操作的线程就可以获得调度机会，提高cpu的资源利用率；

121、存储的数据以时间为依据进行关联；通过时间可以检索任意类型存储的数据，也可将任意类型的数据导出成二进制或文本文件；提供数据回放分析功能，可以测试完成后对数据进行精细分析处理。

122、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

123、本发明针对目前船舶水下辐射噪声测试分析中存在的问题，拟构建光纤水听器面阵信号采集分析系统，准确获取船舶舱段区域水下辐射噪声信号，从而降低近场测量带来的声源指向性误差，在此基础上借助近场声全息方法进行信号处理分析，从而实现船舶壳体区域声源定位识别，得到主要声源的准确位置和贡献量，为科学地制定振动噪声控制方案提供指导。