《Frontiers in Sensors》：Embedded very-low-frequency underwater acoustic acquisition technology and experimental study for underwater explosion monitoring
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为解决甚低频（VLF）水下爆炸信号监测设备稀缺及长时自主采集难题，研究人员开展了嵌入式VLF水声采集技术研究，研制了基于ADS1285 ADC与GNSS同步的采集装置，实现了冲击波与气泡脉动信号的低噪声采集，为爆炸效应评估提供了关键技术支撑。
论文解读：捕捉深海爆炸的“低频脉搏”
在浩瀚的海洋深处，一次爆炸产生的能量并非只有震耳欲聋的巨响。更为关键的是那些频率极低（仅几赫兹到几十赫兹）、却能传播上千公里的甚低频（VLF）水声信号。这些信号如同爆炸的“指纹”，蕴含着爆炸当量、深度及环境特征等宝贵信息，是水下爆炸监测、核爆核查及海洋环境分析的核心依据。
然而，捕捉这些信号却是一项极具挑战的任务。现有的水声测量系统大多“偏科”于中高频段，对VLF信号灵敏度不足；且VLF信号幅值小，极易被海洋背景噪声淹没，要求采集系统必须具备极高的动态范围和极低的噪声性能。此外，水下爆炸信号往往包含一个极强的瞬态冲击波 followed by 一系列低频气泡脉动，这种“强瞬态+弱持续”的特性，要求设备既能扛住高压冲击，又能精准捕捉微弱的低频余韵。尽管国际上已建立了一些专用监测网络，但针对长期自主部署、低噪声、高时间一致性的专用VLF采集设备仍相对匮乏。
在此背景下，一项发表于《Frontiers in Sensors》的研究《Embedded very-low-frequency underwater acoustic acquisition technology and experimental study for underwater explosion monitoring》提出了一种嵌入式VLF水声采集解决方案。该研究旨在攻克VLF信号采集的技术瓶颈，为水下爆炸效应评估及长距离水声传播研究提供可靠的工程化工具。
关键技术方法
研究团队设计并研制了一套嵌入式VLF水声采集装置，其技术核心可归纳为以下四点：
- 1.
低噪声模拟前端与高分辨率ADC：采用JFET输入级架构的AD8220仪表放大器构建前置放大与差分调理电路，有效抑制偏置电流影响；后端选用32位高精度Σ-Δ型ADC（ADS1285），确保对微弱VLF信号的高分辨率采集。
- 2.
GNSS+PPS高精度时间同步：集成GNSS模块与PPS（秒脉冲）信号，解决了多节点观测中至关重要的时间一致性问题，为爆炸信号到达时间提取及长基线定位提供了时间基准。
- 3.
eMMC存储与FATFS文件系统：摒弃传统的SD卡方案，采用工业级eMMC存储器配合FATFS文件系统，实现了循环记录与USB MSC（大容量存储）即插即用数据导出，显著提升了长期水下自主观测的可靠性。
- 4.
模块化嵌入式架构：采用传感器与控制器分离的模块化设计，以STM32F429为核心，集成了信号调理、ADC转换、存储与电源管理，适应了水下长期部署的工程需求。
研究结果与发现
硬件架构与性能指标
该装置硬件由球形压电水听器、信号调理模块、ADS1285 ADC、STM32F429主控、GNSS模块及eMMC存储构成。关键性能参数显示：水听器灵敏度达-193 dB re 1 V/μPa，工作带宽覆盖1–1000 Hz；ADC采样率2000 Hz，配合可选的10 kΩ/1 MΩ跨阻反馈电阻，实现了约72 dB的原始噪声参考动态范围。静态测试表明，系统等效声学噪声低至0.53 Pa RMS（滤波后），证明了其捕捉弱信号的能力。
低噪声前端与信号调理
前端电路采用AD8220（单位增益配置）作为高输入阻抗（约10 GΩ）缓冲级，配合输入端的1 MΩ高值电阻为传感器提供偏置回路。信号经过跨阻放大、电压缩放及单端转差分后，转换为±2.5 V差分信号送入ADS1285。这种差分架构有效提升了共模抑制比，抑制了水下长线传输引入的干扰。
时间同步与数据管理
通过GNSS授时与PPS硬件中断的结合，实现了多节点微秒级时间同步。在软件层面，基于FATFS文件系统实现了数据块管理，USB MSC模式使得设备回收后可直接挂载为U盘导出数据，避免了繁琐的拆机取卡操作，极大提升了野外实验效率。
水下爆炸实验验证
在实际水下爆炸实验中，该装置成功记录了完整的物理过程：清晰的初始冲击波到达、周期性的气泡脉动信号以及远距离传播后的VLF水声信号。尤为重要的是，提取到的气泡脉动周期与理论预测高度吻合，这不仅验证了采集数据的准确性，也印证了GNSS同步机制在爆炸时序分析中的有效性。
结论与意义
本研究成功研制了一套适用于长期自主监测的嵌入式VLF水声采集装置。实验结果表明，该装置具备低噪声、高动态范围和高时间一致性的特点，能够可靠捕获水下爆炸的冲击波和气泡脉动信号。
该工作的意义在于：工程应用上，它填补了专用VLF水下爆炸监测设备的空白，为爆炸威力评估、水下声学实验及海洋监测网络建设提供了可直接部署的硬件支撑；技术层面上，其eMMC存储架构与GNSS同步方案为长期、多节点的水下观测提供了高可靠性的数据管理与时间基准参考，推动了水下声学采集技术向更低频率、更高精度方向发展。
