海洋水下聲探測信號的類型與探析

海洋水下聲探測信號的類型與探析發(fā)布時間:2016-05-21編輯：張莉手機(jī)版水下聲探測設(shè)備的聲源特性不同，其聲探測信號的分析方法也不同，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，各國積極開發(fā)利用海洋資源和空間，采用各種手段對海洋的水下環(huán)境進(jìn)行探測。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設(shè)備中，聲波探測是其主要使用的技術(shù)手段。目前，水下聲探測設(shè)備種類多，數(shù)量大，已廣泛用于海洋的水下探測和調(diào)查研究[1-8],例如海洋的工程地質(zhì)勘探、海底地形地貌測量等。但水下聲探測也是外國調(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、定位的主要技術(shù)手段，這些海洋水下聲探測活動可以通過探測信號的接收聲特征進(jìn)行區(qū)分，因此，開展海洋水下聲探測信號的采集研究對非法調(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，水聲信號處理的研究驅(qū)動主要來自軍事需求，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],對于水下聲探測設(shè)備發(fā)射聲信號的分類、被動采集、分析和識別方面的研究則極少，一直以來，人們主要關(guān)注水下聲探測設(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)射聲信號對海洋環(huán)境的主動探測過程。目前，關(guān)于海洋水下聲探測信號的分析研究方面，有基于希爾伯特黃變換的C-BOOM淺剖信號分析，通過集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，實(shí)現(xiàn)對未知頻帶的C-BOOM淺剖信號的濾波[19];還有對多波束測深儀與側(cè)掃聲納信號回波檢測技術(shù)的分析，從理論上給出了兩種儀器的海底回波信號檢測方法[20].本文則立足實(shí)際海洋工程作業(yè)過程中對海洋水下聲探測信號的被動測量，在未知作業(yè)設(shè)備目標(biāo)信息的條件下，實(shí)現(xiàn)對海上測量數(shù)據(jù)的分析、提取，結(jié)合對已知的水下聲探測設(shè)備信號聲特征的分類，來實(shí)現(xiàn)對海洋水下聲探測活動的初步識別。水下聲探測設(shè)備的生產(chǎn)廠家或研制人員均會給出設(shè)備一些主要的技術(shù)參數(shù)，包括聲學(xué)特性參數(shù)。但海洋是一個隨機(jī)時變、空變的復(fù)雜聲信道[21],水下聲探測設(shè)備的發(fā)射聲信號經(jīng)海洋這個水聲信道調(diào)制后會產(chǎn)生畸變和信息損失，并受到海洋中其他聲信號的干擾，導(dǎo)致接收的水下聲探測信號無法直接區(qū)分、識別。因此，本文依據(jù)設(shè)備給出的聲信號的頻帶范圍對主要的海洋水下聲探測信號進(jìn)行分類，給出各類水下聲探測信號的主要聲特征;采集了4種代表性的海洋水下聲探測信號，通過對4種實(shí)測的海洋水下聲探測信號數(shù)據(jù)的分析、研究，給出了對應(yīng)類型的海洋水下聲探測信號的常規(guī)分析方法;根據(jù)已知的水下聲探測信號的聲特征實(shí)現(xiàn)對分析目標(biāo)信號的識別。1、海洋水下聲探測信號分類外國調(diào)查船、水下文物盜撈船所使用的主要水下聲探測裝備中，會根據(jù)應(yīng)用類型不同選擇不同的聲源和聲信號，而根據(jù)聲源及聲信號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。淺地層剖面測量、海底地震測量、水聲場測量等主要使用寬帶中低頻聲源進(jìn)行探測，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].其中淺地層剖面測量使用的頻率相對較高，且信號類型確知，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;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。多波束海底地形測量、側(cè)掃聲納測量及測深側(cè)掃聲納測量等地形地貌測量設(shè)備主要使用窄帶(以單頻或雙頻為主)高頻聲源，信號類型確知，為高頻短脈沖信號，其換能器探頭工作頻段主要在幾十kHz到幾百kHz[6-8].2、海洋水下聲探測信號分析水下聲探測設(shè)備的聲源特性不同，其聲探測信號的分析方法也不同。對于寬帶中低頻聲探測信號，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，需從時域、頻域、時頻域或空域等采用多種方法進(jìn)行分析和識別。對于窄帶(單頻或雙頻為主)高頻聲探測信號，其聲信號頻率高，信號形式穩(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、識別。本研究將分別以兩類聲探測信號中的典型信號為例，探討兩類信號的分析、識別和提取方法。下面首先對聲探測信號數(shù)據(jù)的來源與海上實(shí)驗(yàn)測量情況進(jìn)行簡要介紹。2.1海上實(shí)驗(yàn)簡介利用地質(zhì)部門進(jìn)行海上地質(zhì)工程勘探的機(jī)會，項(xiàng)目組人員對地質(zhì)工程勘探過程中發(fā)射的海洋水下聲探測信號進(jìn)行了采集。采集的聲探測信號類型有淺地層剖面儀信號、電火花聲源信號、雙頻側(cè)掃聲納信號和單頻測深信號。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，測量時水深約6m,天氣晴朗，海況2級左右。測量的過程中收發(fā)同船，測量儀器的連接及船上的收發(fā)位置如圖1、2所示：圖1中，水下聲探測信號發(fā)聲后經(jīng)海底海面反射，由RESON-TC4014水聽器接收，轉(zhuǎn)化為電信號送入濾波調(diào)理放大器(SR640),最后送入數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)(NI6122高頻水聲信號采集卡).考慮到SR640帶寬不夠，在采集窄帶高頻信號時將其設(shè)置為直通。圖2中，船舶發(fā)動機(jī)位于各水下聲探測信號和接收水聽器之間。電火花聲源距接收水聽器約16m,船舶發(fā)動機(jī)距接收水聽器約5m.測深儀距接收水聽器約5m,側(cè)掃聲納距接收水聽器約8m,淺地層剖面儀距接收水聽器約8m.整個實(shí)驗(yàn)測量過程中均有船舶發(fā)動機(jī)噪聲干擾。2.2寬帶中低頻聲探測信號分析出海采集了寬帶中低頻聲探測信號中的淺地層剖面儀信號和電火花聲源信號。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波形主要是海底海面反射信號;電火花聲源無指向性，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波形應(yīng)是直達(dá)波和海底海面反射信號的疊加。雖然有干擾，但從圖3中可以看到似乎存在一個周期性發(fā)射的信號。從圖4中可以看出淺地層剖面儀信號主要在幾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的主能量區(qū)約在2~12kHz.為此將含噪原始信號進(jìn)行1.2~14.0kHz的帶通濾波，帶通濾波后的時域波形如圖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經(jīng)帶通濾波后的單個時域波形樣本，從圖中可以看出明顯的信號疏密變化，這是典型的線性掃頻調(diào)制特征。因此，分析結(jié)果無論是從頻域(圖4)還是從時域(圖6)上來判斷，均與已知的淺地層剖面儀信號特征是一致的。電火花聲源原始測量信號的時域波形和時頻分析分別如圖7、8所示。從圖7的時域圖中可以看到干擾，但也存在一個周期性發(fā)射的信號。從圖8的時頻分析中可以知道電火花聲源信號是寬頻帶信號，但采集的含噪信號中，在5kHz以下和16kHz附近存在強(qiáng)干擾。由文獻(xiàn)[22]可知，電火花聲源信號的主能量區(qū)一般在幾百Hz到幾kHz,因此，對于5kHz以下的強(qiáng)干擾無法通過頻域?yàn)V波的方法濾除。由圖7可知，時域的幅度濾波方法也不可行。針對這類特殊的信號提取問題，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。尺度相關(guān)濾波后的信號時域波形及時、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，僅在信號間隔期內(nèi)存在少量干擾。2.3窄帶高頻聲探測信號分析出海采集的窄帶高頻聲探測信號中包含單頻的測深信號和雙頻的側(cè)掃聲納信號。測深儀和側(cè)掃聲納均具有強(qiáng)指向性，因此，接收信號不是直達(dá)波，而是海底或者海底海面的多次反射信號，相比初始樣本信號會有一定的畸變。接收信號的時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，無法從圖11中辨識信號的存在。從圖12的功率譜分析中可以看出，在135kHz和205kHz附近存在兩個強(qiáng)頻譜峰值。為此，對圖11的時域信號分兩次進(jìn)行帶通濾波，通頻帶分別為：110~150kHz和195~215kHz,得到的時域波形如圖13、14所示。從時域上看，圖13、14均存在周期性的發(fā)射信號。已知所用的側(cè)掃聲納為KLEINSYSTEM3000,通過查閱該設(shè)備的出廠參數(shù)可知其信號頻率為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時設(shè)為直通，所以對于445kHz的信號會出現(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。已知所用的測深儀為HY1600,查閱該設(shè)備的出廠參數(shù)可知其信號頻率為208kHz,因此，圖14帶通濾波后得到的應(yīng)是208kHz的測深儀信號。3、結(jié)語本研究根據(jù)水下聲探測信號的主要聲特征，對主要海洋水下聲探測信號進(jìn)行了分類，并分為寬帶中、低頻信號和窄帶高頻信號，其中寬帶中、低頻信號又可分為信號類型確定的中、低頻信號和寬帶脈沖中、低頻信號。在福建興化灣海域采集了淺地層剖面儀信號、電火花聲源信號、側(cè)掃聲納信號和單頻測深信號4種典型的海洋水下聲探測活動信號樣本，并進(jìn)行了分析、提取，得到如下結(jié)論：(1)淺地層剖面儀信號是信號類型確定的中、低頻信號的典型代表，其信號波形為線性掃頻調(diào)制脈沖。針對這類信號的分析、處理和識別，需先進(jìn)行初步的時、頻分析，掌握初步的頻域特性，然后針對性的進(jìn)行帶通濾波，提取目標(biāo)信號，最后結(jié)合已知的海洋水下聲探測信號的聲特征，進(jìn)行信號識別。(2)電火花聲源信號是寬帶脈沖中、低頻信號的典型代表，該類信號沒有確知的信號形式，以寬帶的沖擊波為主，針對這類信號的分析、處理和識別，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，提取和識別目標(biāo)信號。(3)側(cè)掃聲納信號、單頻測深儀信號是窄帶高頻信號的典型代表。這類信號頻