机场环境噪声自动检测系统及监测方法

技术领域

本发明属于环境保护噪声监测领域，主要涉及一种机场环境噪声的自动判别和监测技术。

背景技术

随着人们对生活质量、身心健康要求的日益提高，在航空运输、高速铁路的迅猛发展的同时，这些交通运输工具带来的噪声也成为一种无形的杀手，对人们工作、生活的精神状态造成了不同程度的影响，所以国际上已将噪声列为污染环境的公害之一。特别近年来机场的改建、扩建，使得飞机跑道进一步增多，加重了噪声环境的污染以及相应的治理问题。由于噪声影响问题日渐凸显，机场周围群体投诉事件也日益增多，2019年，蒙特利尔特鲁多国际机场收到的噪音投诉超过48000件，曾经发生过大规模游行示威的群体抗议事件，因此如何加强飞机噪声的监测与控制已成为国际性的问题。

目前飞机的噪声监测技术多为人工监测，需要24小时手工监测、判断飞行状况并记录数据，由此带来的问题除了造成体力负担过重外，还会造成数据漏判。同时监测时间长、后期数据处理量大，短时获取的数据难以准确反映机场全时段噪声的排放情况，所以机场环境噪声自动监测已成为当前的难点和焦点问题。

发明内容

本发明的目的是，针对目前机场环境噪声监测中存在的缺陷，而提出的一种飞机噪声自动监测系统，可以实时获取机场噪声数据，方便监控工作的展开。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：机场环境噪声自动检测系统及监测方法，系统包括：声传感器及向量判定模块，噪声特征提取及判别模块，监测记录模块、气象采集单元、存储模块、传输模块、供电单元、主控计算机、声源列阵接收器、雷达信号采集器、太阳能光伏板及蓄电池、以及噪声分析仪等。其组成方案是：声传感器及向量判定模块与物联网相接；噪声特征提取及判别模块接有声源列阵接收器和雷达信号采集器；气象采集单元接有降水检测装置和风向监测装置。其中：声传感器及向量判定模块、噪声特征提取及判别模块，监测记录模块、气象采集单元、存储模块、供电单元并联连接，然后通过总线及传输模块接至主控计算机，构成噪声检测系统，由供电单元给所有设备供电，噪声监测方法如下：

(1)在机场跑道两侧的监测区域内，设有M×N个均匀网格列阵布点的声传感器及向量判定模块，检测声传感器及向量判定模块所在位置处的噪声以及方位，根据反馈的声场信号变化对飞机的起飞或降落状态进行判别，确定监测区域；通过噪声特征提取及判别模块获得N个声传感器及向量判定模块位置处所设定的检测时间段内噪声频谱、强度及声源衰减方位。

(2)根据噪声频谱、强度及声源衰减方位，由监测记录模块获取记录监测区域内噪声源强度、衰减特征、方向、经历时间，然后通过监测记录模块中的雷达信号采集器量化判断飞机机型和飞行状态。

(3)气象采集单元实时获取机场的风速、风向及降水数据，作为机场噪声检测时的气象条件数据。

声传感器及向量判定模块、噪声特征提取及判别模块传出的数据，判别噪声源是否为飞机噪声，将判断结果作为新的信号定向识别，同步采集监测记录模块、气象条件数据信息，实时推送至主控计算机，由主控计算机计算分析，实时发送机场环境噪声数据信息。

本发明综合了网格布点法、声源识别、雷达信号分析三种方式，进行飞机飞行事件的去伪存真工作。

采用单一网格法判定飞机噪声事件时，周边移动噪声源产生的干扰导致飞行事件误判，比如车辆通行产生的交通噪声会被认为是飞行事件，不同网格点内偶然出现的时序声源也会被认为是飞行事件，为了更准确的记录飞行事件，本发明提出了这种监测布点方式、增加声源识别和雷达分析装置实现飞行事件的去伪存真、监测数据的准确采集。

发明的创新点体现在：

1.采用网格法实现飞机噪声事件的模糊捕捉，根据模糊捕捉结果初步确定噪声监测与预警的重要节点，在节点位置设定噪声监测仪器或声源识别装置。

实现的装置是：声传感器及向量判定模块具有5G通信功能，主控模块就是主控计算机。

2.采用声源识别装置抓取飞机噪声事件，结合飞机航向、网格法模糊判断结果，远程启动噪声监测设备，捕捉噪声数据。

实现的装置是：噪声特征提取及判别模块(多台声源列阵接收装置组成)，主控模块仍然是主控计算机。

3.利用飞机与塔台传输雷达信号的工作方式，声源识别装置上内置雷达信号接收装置，采集飞机型号及编号等信息，实现飞机基础信息的快速记录。

实现的装置是：噪声特征提取及判别模块。

4.利用网格法的模糊捕捉功能，综合声源识别和雷达信号分析功能，实现高效、实时、精准捕捉机场跑道及其延长线空域内的飞机噪声事件；实现在机场因受风向影响调整起降跑到时，远程动态启动噪声监测仪，调整监测点位置，实时捕捉数据。

实现的装置是：噪声特征提取及判别模块、以及多台声源列阵接收装置组成，还包括主控计算机、监测记录模块(多台噪声分析仪)。

发明的要点还体现在：

声传感器及向量判定模块、噪声特征提取及判别模块通过对监测区域密集取点，分析得出特征向量，以特征向量结果确定监测点位置。将声传感器网格布点法，与声源阵列识别法、雷达信号分析法相结合，实现机场环境噪声的量化判断。

根据声传感器及向量判定模块和声特征提取及判别模块侦测数据，将逻辑判断结果作为新信号定向识别，动态抓取各模块数据信息，节省工作空间，提升工作效率。

传输模块采用5G技术，实时传输采集数据至终端设备，便于及时分析数据和纠正偏离数据。

采用太阳能光伏板以及蓄电池作为系统电源，减少排线难题，提升布点效率。

采用闪存存贮技术，实现超大数据存数，快速调阅，数据滚动覆盖功能。

本发明的特点以及产生的有益效果是：数据采集量大，覆盖机场跑道两侧，该区域范围是机场环境噪声的主要来源。声传感器及向量判定模块、噪声特征提取及判别模块通过检测分析得出特征向量，以准确确定监测点位置区域。本发明将声源阵列识别法、雷达信号分析等结合，可以24小时不间断获取噪声数据，得出机场环境噪声的量化数据信息，及时公布。同时本发明所采用的技术方法可以移植到高速铁路沿线，对特定地区实施噪声监控。

附图说明

图1所示为发明各组件逻辑连接结构系统图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的系统以及检测方法作进一步的说明。

机场环境噪声自动检测系统及监测方法，包括：声传感器及向量判定模块1，噪声特征提取及判别模块2，监测记录模块3、气象采集单元4、存储模块5、供电单元6、传输模块7、主控计算机8、声源列阵接收器9、雷达信号采集器10、太阳能光伏板及蓄电池、以及噪声分析仪。其中：声传感器及向量判定模块与物联网11相接；噪声特征提取及判别模块接有声源列阵接收器和雷达信号采集器；气象采集单元接有降水检测装置12和风向监测装置13。其组成结构是：声传感器及向量判定模块、噪声特征提取及判别模块，监测记录模块、气象采集单元、存储模块、供电单元并联连接，然后通过总线及传输模块接至主控计算机，构成噪声检测系统，由供电单元给所有设备供电。监测方法如下：

(1)在机场跑道两侧的监测区域内，设有M×N个均匀网格列阵布点的声传感器及向量判定模块，检测声传感器及向量判定模块所在位置处的噪声以及方位，根据反馈的声场信号变化对飞机的起飞或降落状态进行判别；通过噪声特征提取及判别模块获得N个声传感器及向量判定模块位置处所设定的检测时间段内噪声强度分布。

(2)根据噪声强度分布的频谱，由监测记录模块获取记录监测区域内噪声源衰减特征、方向、经历时间、以及机型特征，然后通过监测记录模块中的雷达信号采集器量化判断飞机机型和飞行状态。

(3)由气象采集单元实时获取机场的风速、风向、及降水数据，作为机场噪声检测时的气象条件数据。

声传感器及向量判定模块、噪声特征提取及判别模块传出的数据，判别噪声源是否为飞机噪声，将判断结果作为新的信号定向识别，同步采集监测记录模块、气象条件数据信息实时推送至主控计算机，由主控计算机计算分析，实时发送机场环境噪声数据信息。

M×N个均匀网格列阵，其中M是行数；N是列数，每个声传感器及向量判定模块依据监测区域内的布点设有自己的编号。

监测记录模块包含具有5G功能的噪声分析仪，监测记录模块可连续记录一周的噪声检测数据。

传输模块融入5G传输速度，实时传输采集数据用于及时分析数据和纠正偏离数据。

供电单元采用太阳能光伏板以及蓄电池作为噪声检测系统的电源，检测系统同时备有外接电源。蓄电池是12V或24V的铅酸蓄电池，视需要组合使用。

存储模块采用闪存技术，实时存取超量数据。

声传感器及向量判定模块，负责确定飞机噪声监测点位置和飞行事件预判。作为实施例，在机场跑道两侧5公里，垂直航道1公里范围内，设有10×10个均匀网格列阵，即行数为10；列数为10。采集到的噪声信息进行滤波处理，将分贝值低于设定值的声音信息滤除掉，将分贝值高于设定值的声音信息作为飞机噪声，采集有效声音信息，确定声级时间向量。

噪声特征提取及判别模块，采用多传声器声源阵列法，将声源阵列设备布设在飞机噪声监测点位上，提前设定好检测时间段。可布设一台或多台加装雷达信号分析的噪声特征提取及判别模块设备，实现声源频谱和飞机飞行信息识别(起飞或将降落的飞行状态)、经历时间和机型特征，结合声传感器模块和向量判别模块结果，判别飞行事件是否成立。

监测记录模块，将声数据采集仪或噪声分析仪安置在预定点位中，连续记录噪声数据，并配备短时(一周)存贮和调阅功能。

传输模块均采用物联网和5G技术，实现主控计算机和传感器、噪声分析仪和声源阵列识别系统实时交互数据。

主控计算机为处理器，将向量与实验监测阶段的特征向量进行比较，识别飞机事件，并将逻辑判断结果传输至各监测模块，动态调取数据。

噪声特征提取及判别模块由数字信号处理集成电路和现场可编程门阵列集成电路组成，其中数字信号处理集成电路的型号为DSP TMS320F2812PGFA，数字信号处理集成电路和现场可编程门阵列集成电路连接，处理器的异步串口与数字信号处理集成电路的同步串口电连接，数字信号处理集成电路同时设有时钟脉冲、复位端口、扩展接口、闪存接口等多个外设接口。

操作步骤如下：

(1)通过对监测区域传感器密集取点，分析得出特征向量，以特征向量结果确定监测点位置；

(2)确定向量特征指数，形成特征向量，记录特征向量至判别模块，用于后期侦测飞机起降状态；

(3)根据步骤(1)确定的监测点位置，在起飞和降落方向安装声源识别设备，同时采集飞机飞行雷达信号和飞机噪声，通过阵列技术对飞机噪声的特征频谱进采集分析，得出特征频谱数据和飞行方位数组，该数组作为判别飞机噪声事件是否成立的判别条件；

(4)将步骤(1)所述特征向量和步骤(2)判别条件传输至后台计算系统，将逻辑判断结果作为新信号定向识别，同步采集各模块数据信息。

(5)实时统计分析监测数据，发布相应结果。

其中步骤(1)包括如下过程：

①无其它声源干扰下，采集一段时间网格布点法的声传感器信息；

②过滤声音信息，将分贝值低于设定值的声音信息滤除掉，将分贝值高于设定值的声音信息作为飞机噪声保留；

③结合物联网技术，将传感器采集数据和传感器位置信息上传至主控计算机，绘制网格布点法的噪声地图，计算分析后得出主要噪声传播向量，以此确定监测点位置。

步骤(3)中的声源阵列识别系统，用于自动识别飞机飞行状态，并传输至主控计算机，辅助判断飞机起飞或将降落的飞行状态，飞机事件是否为真。

步骤(3)还包括如下过程：

①用步骤(1)测得的监测点位置，在飞机起飞和降落一侧跑道布设声源阵列识别仪器；

②通过声源阵列识别装置识别噪声源，辅助判断飞机事件是否为真及声源特征。

步骤(4)中采用数字信号处理集成电路和现场可编程门阵列集成电路实现。利用网格布点，声源阵列识别法和雷达信号分析技术，综合判断飞机事件是否为真。如果为真，则采集各模块中的监测数据信息，上传至主控计算机计算，得出机场环境噪声的量化数据信息，及时公布。

本实施例不能被认定用于限定本发明的实施范围。凡依本发明技术特征范围所作的变化与改进等，均应归属于本发明涵盖的范围。