基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统

1.本发明涉及噪声监测技术领域，更具体的说是涉及一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统。


背景技术：

2.近年来，随着我国民航行业快速发展，民航飞机噪声对机场周边区域的影响不容忽视，为了践行绿色民航、智慧民航发展理念，对民航噪声实施行之有效的治理，急需相关的噪声监测设备。
3.目前进行机场噪声监测的产品主要有：丹麦b&k机场噪声监测系统、法国麦特韦伯01db机场噪声监测系统等等。但是，以上噪声监测系统更新换代缓慢，往往还在采用多年前的传统全方位声学监测方式和技术，已经大大不能满足我国民航行业对单架飞机噪声的监测、治理需求。
4.因此，如何提供一种能够精准捕获单架民航飞机噪声数据的基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统，根据渐近民航飞机飞行数据信息，主动调整旋转抛物面声学天线的测量方向和角度，精准捕获单架飞机的飞行本底噪声，避免传统民航噪声监测系统中环境噪声对测量数据的影响。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统，包括：adsb信号接收模块、电动云台、抛物面声学天线、并行多核采集模块和dsp实时计算模块；所述adsb信号接收模块用于接收渐近飞机的飞行数据，并根据所述飞行数据预判当前飞机是否会进入测量空域，在确认当前飞机进入测量空域后，驱动所述电动云台实时调整所述抛物面声学天线的测量方向；所述抛物面声学天线用于采集当前飞机在测量空域内飞行过程中的特定波长范围内的声音信号；所述并行多核采集模块用于对所述抛物面声学天线所采集的声音信号按波段进行多路收集并融合，得到融合信号；所述dsp实时计算模块用于对所述融合信号进行实时计算，生成时间-声学曲线文件。
7.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述飞行数据至少包括：飞机识别号、经度、维度、高度、时间、航向和航速；所述adsb信号接收模块根据渐近飞机的飞机识别号，确定其航线，并根据航线预判当前飞机是否会进入测量空域。
8.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述adsb信号接收模块用于在确认当前飞机进入测量空域后，根据当前飞机飞行数据中的位置信息和所述抛物面声学天线的测量方向，实时计算所述抛物面声学天线的测量方向与当前飞机之间的方位角，并根据实时测量的方位角驱动所述电动云台实时调节所述抛物面声学天线的测量方向，直至飞机离开测量空域。
9.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述抛物面声学天线包括主反射面和声学馈源；所述声学馈源设置于所述主反射面的焦点处，用于接收和馈送所述焦点收集的声学能量。
10.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述抛物面声学天线的方向系数计算公式为：式中，为面积利用系数；为主反射面的口径面积；为被测声波的波长；为被测声波的波长；为主反射面口径半径，为主反射面焦距，为主反射面孔径角；抛物面声学天线的增益系数的计算公式为：其中，为天线效率；，为增益因子，是一个与孔径角相关的参数，当存在最佳抛物面张角时，增益因子到达最大值。
11.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述主反射面的反射层由声学高反射材料制成。
12.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述并行多核采集模块包括多个测量通道和一个数据处理单元；多个所述测量通道通过并行数据总线与所述数据处理单元连接；多个所述测量通道一一对应采集不同波段的声音信号，并进行不同程度的信号放大，对放大后的声音信号进行模数转换后，得到多个量程下测量的数字声音信号；所述数据处理单元用于对多个量程下测量的数字声音信号进行波形整合，得到融合信号。
13.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统中，所述测量通道包括放大单元和adc单元；所述放大单元用于采用对应的放大系数对采集的对应波段的声音信号进行放大处理，得到放大后的模拟声音信号；所述adc单元用于对放大后的模拟声音信号进行模数转换，得到对应量程下的数字声音信号。
14.进一步的，在上述一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统
中，还包括：无线通信模块和云端服务器；所述dsp实时计算模块通过所述无线通信模块将所述时间-声学曲线文件传输至所述云端服务器。
15.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统，adsb信号接收模块监测到有客机将要到达测量空域边缘时，由飞机的高度、经度、维度和航速、航向等数据计算获得飞机与噪声监测系统之间的方位角和距离。根据方位角信息，驱动全方位电动云台调整抛物面声学天线的接收角度，主动接收渐近民航飞机飞行噪声，由于抛物面声学天线接收声学辐射场的方向性优势，能够从根本上屏蔽天线声学主反射面外侧非民航噪声，同时由于抛物面的会聚效果能够提升声学信号增益，相较于传统噪声监测系统，本发明扩展了噪声监测范围，进行噪声监测设备的网格化布设时，具有更高的性价比，能够准确捕获单架民航飞机在正常运行过程中的本底飞行噪声，具有测量方向性好、响应快、灵敏度高、信号动态范围大等优势，可在线实时监测客机飞行噪声，为机场周边区域民航飞机噪声监测和综合治理提供了有效手段。由于抛物面声学天线对不同波长的声学信号具有不同的增益效果，采用并行多核采集模块，满足不同量级声学信号的动态测量采集需求。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提供的基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统的结构框图；图2为本发明提供的基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统的测量流程图；图3为本发明提供的adsb信号接收模块主动寻音，对单架飞机飞行过程本底噪声的测量示意图；图4为本发明提供的抛物面声学天线的结构示意图；图5为本发明提供的抛物面声学天线的几何关系图；图6为本发明提供的并行多核采集模块的结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.如图1所示，本发明实施例公开了一种基于旋转抛物面声学天线定向收音的民航噪声监测系统，针对下降阶段接近机场的飞机噪声进行探测，包括：adsb信号接收模块、电动云台、抛物面声学天线、并行多核采集模块和dsp实时计算模块；
adsb信号接收模块用于接收渐近飞机的飞行数据，并根据飞行数据预判当前飞机是否会进入测量空域，在确认当前飞机进入测量空域后，驱动电动云台实时调整抛物面声学天线的测量方向；其中，电动云台采用全方位电动云台；抛物面声学天线用于采集当前飞机在测量空域内飞行过程中的特定波长范围内的声音信号；并行多核采集模块用于对抛物面声学天线所采集的声音信号按波段进行多路收集并融合，得到融合信号；dsp实时计算模块用于对融合信号进行实时计算，生成时间-声学曲线文件。
20.由于天线对不同频率的声学信号具有不同的增益，通过并行多核采集模块收集不同频率段的声学信号，由dsp实时计算模块将这些不同频率段的信号拼接起来，整合为随时间变化的，频率范围为20-20000hz的时间-声学数据曲线。
21.在其他实施例中，还包括：无线通信模块和云端服务器；dsp实时计算模块通过无线通信模块将时间-声学曲线文件传输至云端服务器。
22.如图2所示，具体测量过程为：adsb信号接收模块实时接收渐近民航飞机识别号、经度、纬度、高度和时间、航向、航速等飞行数据，根据飞机的飞机识别号，确定其航线，并根据航线预判当前飞机是否会进入测量空域。由于飞机航线是民航局划定的，往哪里飞是有安排的，有识别号一般就确定了当前飞机的航线，进而预判当前飞机是否会进入测量区域。当确认飞机进入测量空域后，计算抛物面声学天线与飞机之间的方位角，驱动全方位电动云台调整抛物面声学天线的测量方向，抛物面声学天线开始进行飞行噪声测量。由于噪声监测位置是已知、固定的，抛物面声学天线的测量方向也是可实时测量的，根据飞机的位置、航向等信息，可以计算出抛物面声学天线与当前飞机之间的方位角和距离。
23.测量获得的声信号通过并行多核采集模块对不同波段的声信号进行收集，融合整理后的声学信号进入dsp实时计算模块，对单架飞机的噪声数据进行测量端计算，生成时间-声学曲线等文件，最终通过网络将相关数据传输到云端服务器供用户进行相关操作，并开启下一次测量循环。
24.在一个具体实施例中，如图3所示，adsb信号接收模块实时接收测量空域及其附近的民航飞机的飞行数据，当有民航飞机接近测量空域时，adsb信号接收模块接收飞机识别号、经度、维度、高度、时间、航向和航速等飞行数据，根据渐近飞机的飞机识别号，确定其航线，并根据航线预判当前飞机是否会进入测量空域。
25.当确认当前飞机进入测量空域后，adsb信号接收模块根据当前飞机飞行数据中的位置信息和所述抛物面声学天线的测量方向，实时计算抛物面声学天线的测量方向与当前飞机之间的方位角，并根据实时测量的方位角驱动电动云台实时调节抛物面声学天线的测量方向，直至飞机离开测量空域，实现实时追踪飞机位置进行跟踪测量。
26.在一个具体实施例中，如图4-5所示，抛物面声学天线包括主反射面和声学馈源；声学馈源设置于主反射面的焦点f0处，用于接收和馈送焦点收集的声学能量；主反射面的开口直径为d0。其中，主反射面的反射层由声学高反射材料制成。
27.抛物面声学天线的方向系数计算公式为：
式中，为面积利用系数；为主反射面的口径面积；为被测声波的波长；为被测声波的波长；为主反射面口径半径，为主反射面焦距，为主反射面孔径角；抛物面声学天线的增益系数的计算公式为：其中，为天线效率；，为增益因子，是一个与孔径角相关的参数，当存在最佳抛物面张角时，增益因子到达最大值。
28.比如，选取典型数值进行分析，当，口径半径取1米时，20-20000 hz声波的波长范围为0.017-17米，其对应的信号增益范围为1.16-1159.95。由此可见，旋转抛物面声学天线对监测频率范围内的声学信号均具有增益效果，具有更好的测量性能，相较于传统的全方位噪声测量方式，可以在更远的距离就对单架飞机开始飞行噪声实时监测。
29.在一个具体实施例中，如图6所示，并行多核采集模块包括多个测量通道和一个数据处理单元；多个测量通道通过并行数据总线与数据处理单元连接；多个测量通道一一对应采集不同波段的声音信号，并进行不同程度的信号放大，对放大后的声音信号进行模数转换后，得到多个量程下测量的数字声音信号；数据处理单元用于对多个量程下测量的数字声音信号进行波形整合，得到融合信号。
30.其中，测量通道包括放大单元和adc单元；放大单元用于采用对应的放大系数对采集的对应波段的声音信号进行放大处理，得到放大后的模拟声音信号；adc单元用于对放大后的模拟声音信号进行模数转换，得到对应量程下的数字声音信号。
31.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
32.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。