海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的類型與探析

海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的類型與探析發(fā)布時(shí)間:2016-05-21編輯：張莉手機(jī)版水下聲探測(cè)設(shè)備的聲源特性不同，其聲探測(cè)信號(hào)的分析方法也不同，下面是小編搜集的一篇相關(guān)論文范文，歡迎閱讀參考。隨著人類文明的發(fā)展，海洋的戰(zhàn)略地位日益突顯，各國(guó)積極開(kāi)發(fā)利用海洋資源和空間，采用各種手段對(duì)海洋的水下環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。聲波是目前在海洋中唯一能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，因此，在眾多的海洋水下探測(cè)設(shè)備中，聲波探測(cè)是其主要使用的技術(shù)手段。目前，水下聲探測(cè)設(shè)備種類多，數(shù)量大，已廣泛用于海洋的水下探測(cè)和調(diào)查研究[1-8],例如海洋的工程地質(zhì)勘探、海底地形地貌測(cè)量等。但水下聲探測(cè)也是外國(guó)調(diào)查船和水下文物盜撈船進(jìn)行非法調(diào)查和水下文物探測(cè)、定位的主要技術(shù)手段，這些海洋水下聲探測(cè)活動(dòng)可以通過(guò)探測(cè)信號(hào)的接收聲特征進(jìn)行區(qū)分，因此，開(kāi)展海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的采集研究對(duì)非法調(diào)查的監(jiān)視取證和水下文物保護(hù)具有重要意義。在海洋聲學(xué)中，水聲信號(hào)處理的研究驅(qū)動(dòng)主要來(lái)自軍事需求，重點(diǎn)關(guān)注水下目標(biāo)的輻射噪聲特性、水下目標(biāo)的聲回波特性、水下聲場(chǎng)的信息獲取與處理等[9-14],另外，一些海洋生物的發(fā)聲特性也因其軍事和海洋生態(tài)效應(yīng)逐漸被關(guān)注[15-18],對(duì)于水下聲探測(cè)設(shè)備發(fā)射聲信號(hào)的分類、被動(dòng)采集、分析和識(shí)別方面的研究則極少，一直以來(lái)，人們主要關(guān)注水下聲探測(cè)設(shè)備在海洋調(diào)查和海洋工程勘探中的使用[1-8],即強(qiáng)調(diào)發(fā)射聲信號(hào)對(duì)海洋環(huán)境的主動(dòng)探測(cè)過(guò)程。目前，關(guān)于海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的分析研究方面，有基于希爾伯特黃變換的C-BOOM淺剖信號(hào)分析，通過(guò)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知頻帶的C-BOOM淺剖信號(hào)的濾波[19];還有對(duì)多波束測(cè)深儀與側(cè)掃聲納信號(hào)回波檢測(cè)技術(shù)的分析，從理論上給出了兩種儀器的海底回波信號(hào)檢測(cè)方法[20].本文則立足實(shí)際海洋工程作業(yè)過(guò)程中對(duì)海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的被動(dòng)測(cè)量，在未知作業(yè)設(shè)備目標(biāo)信息的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、提取，結(jié)合對(duì)已知的水下聲探測(cè)設(shè)備信號(hào)聲特征的分類，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水下聲探測(cè)活動(dòng)的初步識(shí)別。水下聲探測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)廠家或研制人員均會(huì)給出設(shè)備一些主要的技術(shù)參數(shù)，包括聲學(xué)特性參數(shù)。但海洋是一個(gè)隨機(jī)時(shí)變、空變的復(fù)雜聲信道[21],水下聲探測(cè)設(shè)備的發(fā)射聲信號(hào)經(jīng)海洋這個(gè)水聲信道調(diào)制后會(huì)產(chǎn)生畸變和信息損失，并受到海洋中其他聲信號(hào)的干擾，導(dǎo)致接收的水下聲探測(cè)信號(hào)無(wú)法直接區(qū)分、識(shí)別。因此，本文依據(jù)設(shè)備給出的聲信號(hào)的頻帶范圍對(duì)主要的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)行分類，給出各類水下聲探測(cè)信號(hào)的主要聲特征;采集了4種代表性的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)，通過(guò)對(duì)4種實(shí)測(cè)的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的分析、研究，給出了對(duì)應(yīng)類型的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的常規(guī)分析方法;根據(jù)已知的水下聲探測(cè)信號(hào)的聲特征實(shí)現(xiàn)對(duì)分析目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別。1、海洋水下聲探測(cè)信號(hào)分類外國(guó)調(diào)查船、水下文物盜撈船所使用的主要水下聲探測(cè)裝備中，會(huì)根據(jù)應(yīng)用類型不同選擇不同的聲源和聲信號(hào)，而根據(jù)聲源及聲信號(hào)所使用的頻段大致可分為兩大類---寬帶中低頻聲源和窄帶(單頻或雙頻為主)高頻聲源。淺地層剖面測(cè)量、海底地震測(cè)量、水聲場(chǎng)測(cè)量等主要使用寬帶中低頻聲源進(jìn)行探測(cè)，其使用的中低頻聲源有電火花聲源、槍震源(包括氣槍、水槍、蒸汽槍和槍陣等)、炸藥震源、剖面儀和BOOMER震源等[1-6].其中淺地層剖面測(cè)量使用的頻率相對(duì)較高，且信號(hào)類型確知，目前各型淺地層剖面儀的聲源頻率主要在幾百Hz到十幾kHz;槍震源和炸藥震源的主能量頻率最低，一般在幾十Hz到幾百Hz,為寬帶脈沖信號(hào);電火花聲源和BOOMER震源的主能量區(qū)則一般在幾十Hz到幾kHz,也是寬帶脈沖信號(hào)。多波束海底地形測(cè)量、側(cè)掃聲納測(cè)量及測(cè)深側(cè)掃聲納測(cè)量等地形地貌測(cè)量設(shè)備主要使用窄帶(以單頻或雙頻為主)高頻聲源，信號(hào)類型確知，為高頻短脈沖信號(hào)，其換能器探頭工作頻段主要在幾十kHz到幾百kHz[6-8].2、海洋水下聲探測(cè)信號(hào)分析水下聲探測(cè)設(shè)備的聲源特性不同，其聲探測(cè)信號(hào)的分析方法也不同。對(duì)于寬帶中低頻聲探測(cè)信號(hào)，易受船舶輻射噪聲、風(fēng)雨噪聲等海洋環(huán)境背景噪聲的干擾，需從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域或空域等采用多種方法進(jìn)行分析和識(shí)別。對(duì)于窄帶(單頻或雙頻為主)高頻聲探測(cè)信號(hào)，其聲信號(hào)頻率高，信號(hào)形式穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)，在功率譜分析的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)的頻域?yàn)V波方法就可分析、識(shí)別。本研究將分別以兩類聲探測(cè)信號(hào)中的典型信號(hào)為例，探討兩類信號(hào)的分析、識(shí)別和提取方法。下面首先對(duì)聲探測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的來(lái)源與海上實(shí)驗(yàn)測(cè)量情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。2.1海上實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介利用地質(zhì)部門進(jìn)行海上地質(zhì)工程勘探的機(jī)會(huì)，項(xiàng)目組人員對(duì)地質(zhì)工程勘探過(guò)程中發(fā)射的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)行了采集。采集的聲探測(cè)信號(hào)類型有淺地層剖面儀信號(hào)、電火花聲源信號(hào)、雙頻側(cè)掃聲納信號(hào)和單頻測(cè)深信號(hào)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在福建省莆田市秀嶼區(qū)外的興化灣海域，測(cè)量時(shí)水深約6m,天氣晴朗，海況2級(jí)左右。測(cè)量的過(guò)程中收發(fā)同船，測(cè)量?jī)x器的連接及船上的收發(fā)位置如圖1、2所示：圖1中，水下聲探測(cè)信號(hào)發(fā)聲后經(jīng)海底海面反射，由RESON-TC4014水聽(tīng)器接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送入濾波調(diào)理放大器(SR640),最后送入數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)(NI6122高頻水聲信號(hào)采集卡).考慮到SR640帶寬不夠，在采集窄帶高頻信號(hào)時(shí)將其設(shè)置為直通。圖2中，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)位于各水下聲探測(cè)信號(hào)和接收水聽(tīng)器之間。電火花聲源距接收水聽(tīng)器約16m,船舶發(fā)動(dòng)機(jī)距接收水聽(tīng)器約5m.測(cè)深儀距接收水聽(tīng)器約5m,側(cè)掃聲納距接收水聽(tīng)器約8m,淺地層剖面儀距接收水聽(tīng)器約8m.整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中均有船舶發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲干擾。2.2寬帶中低頻聲探測(cè)信號(hào)分析出海采集了寬帶中低頻聲探測(cè)信號(hào)中的淺地層剖面儀信號(hào)和電火花聲源信號(hào)。淺地層剖面儀以強(qiáng)指向性指向海底，因此采集到的淺剖信號(hào)波形主要是海底海面反射信號(hào);電火花聲源無(wú)指向性，但實(shí)驗(yàn)海域水深僅6m,收發(fā)距離16m,因此采集到的電火花聲源信號(hào)波形應(yīng)是直達(dá)波和海底海面反射信號(hào)的疊加。雖然有干擾，但從圖3中可以看到似乎存在一個(gè)周期性發(fā)射的信號(hào)。從圖4中可以看出淺地層剖面儀信號(hào)主要在幾kHz到十幾kHz范圍，將圖4橫坐標(biāo)放大后可以確定淺地層剖面儀信號(hào)的主能量區(qū)約在2~12kHz.為此將含噪原始信號(hào)進(jìn)行1.2~14.0kHz的帶通濾波，帶通濾波后的時(shí)域波形如圖5、6所示。從圖5中可以看出，經(jīng)帶通濾波后干擾噪聲大大減少。圖6為淺地層剖面儀信號(hào)經(jīng)帶通濾波后的單個(gè)時(shí)域波形樣本，從圖中可以看出明顯的信號(hào)疏密變化，這是典型的線性掃頻調(diào)制特征。因此，分析結(jié)果無(wú)論是從頻域(圖4)還是從時(shí)域(圖6)上來(lái)判斷，均與已知的淺地層剖面儀信號(hào)特征是一致的。電火花聲源原始測(cè)量信號(hào)的時(shí)域波形和時(shí)頻分析分別如圖7、8所示。從圖7的時(shí)域圖中可以看到干擾，但也存在一個(gè)周期性發(fā)射的信號(hào)。從圖8的時(shí)頻分析中可以知道電火花聲源信號(hào)是寬頻帶信號(hào)，但采集的含噪信號(hào)中，在5kHz以下和16kHz附近存在強(qiáng)干擾。由文獻(xiàn)[22]可知，電火花聲源信號(hào)的主能量區(qū)一般在幾百Hz到幾kHz,因此，對(duì)于5kHz以下的強(qiáng)干擾無(wú)法通過(guò)頻域?yàn)V波的方法濾除。由圖7可知，時(shí)域的幅度濾波方法也不可行。針對(duì)這類特殊的信號(hào)提取問(wèn)題，需從空域角度分析，采用小波尺度相關(guān)濾波及其改進(jìn)算法[23]進(jìn)行處理，有效的提取了電火花聲源信號(hào)。尺度相關(guān)濾波后的信號(hào)時(shí)域波形及時(shí)、頻分析如圖9、10所示。從圖中可以看出，經(jīng)小波尺度相關(guān)濾波后，5kHz以下和16kHz附近的強(qiáng)干擾得到了有效抑制，僅在信號(hào)間隔期內(nèi)存在少量干擾。2.3窄帶高頻聲探測(cè)信號(hào)分析出海采集的窄帶高頻聲探測(cè)信號(hào)中包含單頻的測(cè)深信號(hào)和雙頻的側(cè)掃聲納信號(hào)。測(cè)深儀和側(cè)掃聲納均具有強(qiáng)指向性，因此，接收信號(hào)不是直達(dá)波，而是海底或者海底海面的多次反射信號(hào)，相比初始樣本信號(hào)會(huì)有一定的畸變。接收信號(hào)的時(shí)域波形和功率譜分析分別如圖11、12所示。由于低頻的背景干擾幅度較大，無(wú)法從圖11中辨識(shí)信號(hào)的存在。從圖12的功率譜分析中可以看出，在135kHz和205kHz附近存在兩個(gè)強(qiáng)頻譜峰值。為此，對(duì)圖11的時(shí)域信號(hào)分兩次進(jìn)行帶通濾波，通頻帶分別為：110~150kHz和195~215kHz,得到的時(shí)域波形如圖13、14所示。從時(shí)域上看，圖13、14均存在周期性的發(fā)射信號(hào)。已知所用的側(cè)掃聲納為KLEINSYSTEM3000,通過(guò)查閱該設(shè)備的出廠參數(shù)可知其信號(hào)頻率為132、445kHz.本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的最大采樣頻率為500kHz,且濾波調(diào)理放大器SR640的帶寬不夠，在采集窄帶高頻信號(hào)時(shí)設(shè)為直通，所以對(duì)于445kHz的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)欠采樣，在此不予討論。因此，圖13帶通濾波后得到的應(yīng)是132kHz的側(cè)掃聲納信號(hào)。已知所用的測(cè)深儀為HY1600,查閱該設(shè)備的出廠參數(shù)可知其信號(hào)頻率為208kHz,因此，圖14帶通濾波后得到的應(yīng)是208kHz的測(cè)深儀信號(hào)。3、結(jié)語(yǔ)本研究根據(jù)水下聲探測(cè)信號(hào)的主要聲特征，對(duì)主要海洋水下聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)行了分類，并分為寬帶中、低頻信號(hào)和窄帶高頻信號(hào)，其中寬帶中、低頻信號(hào)又可分為信號(hào)類型確定的中、低頻信號(hào)和寬帶脈沖中、低頻信號(hào)。在福建興化灣海域采集了淺地層剖面儀信號(hào)、電火花聲源信號(hào)、側(cè)掃聲納信號(hào)和單頻測(cè)深信號(hào)4種典型的海洋水下聲探測(cè)活動(dòng)信號(hào)樣本，并進(jìn)行了分析、提取，得到如下結(jié)論：(1)淺地層剖面儀信號(hào)是信號(hào)類型確定的中、低頻信號(hào)的典型代表，其信號(hào)波形為線性掃頻調(diào)制脈沖。針對(duì)這類信號(hào)的分析、處理和識(shí)別，需先進(jìn)行初步的時(shí)、頻分析，掌握初步的頻域特性，然后針對(duì)性的進(jìn)行帶通濾波，提取目標(biāo)信號(hào)，最后結(jié)合已知的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的聲特征，進(jìn)行信號(hào)識(shí)別。(2)電火花聲源信號(hào)是寬帶脈沖中、低頻信號(hào)的典型代表，該類信號(hào)沒(méi)有確知的信號(hào)形式，以寬帶的沖擊波為主，針對(duì)這類信號(hào)的分析、處理和識(shí)別，可以從空域角度分析，采用小波尺度相關(guān)濾波的方法進(jìn)行處理，提取和識(shí)別目標(biāo)信號(hào)。(3)側(cè)掃聲納信號(hào)、單頻測(cè)深儀信號(hào)是窄帶高頻信號(hào)的典型代表。這類信號(hào)頻