CN100473959C - 海洋声场相速度的水听器测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的海洋声场相速度的水听器测试方法：将由至少2个沿声传播方向间距的水听器接收的发射信号，提取接收信号的简正波；对2水听器接收的第1号简正波作800-1000Hz带通滤波，和互相关计算，得互相关曲线包络极大值点对应的时间延迟，以测得的参考声速与时间延迟相乘，得2水听器沿声传播方向的距离估算；对2水听器接收的同号简正波进行窄带滤波，再作互相关，互相关曲线最大值点的时间延迟为相延迟，其包络最大值点的时间延迟为群延迟，则对应于该号简正波在中心频率处的相速度等于距离估算处以相延迟。其优点为：海底同一水平面上间隔布设水听器，方便实现；除海水声速外，无需预知其它海洋声场参数，工作量简化；测试结果精度高。

Description

海洋声场相速度的水听器测试方法

技术领域

本发明属于海洋工程水声探测领域中的海洋声场相速度的测试方法，特别涉及一种海洋声场相速度的水听器测试方法。

背景技术

由于传播介质的非均匀性，使得声波在传播过程中发生多模态传播和频散现象，因此，采用一般意义上的参考声速已无法准确描述声波的传播情况。按照波包包络的传播速度和等相位点的传播速度将声速区分为群速度和相速度。有关声场的群速度与相速度的测试方法，在超声探伤等应用领域有一些针对超声波在分层介质或非均匀介质传播中有过较多讨论，也有针对群速度和相速度进行一般理论研究的，但未见针对海洋声场相速度进行测试的报道。由于非均匀传播介质是造成频散的直接原因，因此研究相速度、群速度总是从接收到的发生频散的信号入手，根据信号的时间频率特性来得到相速度、群速度。已有的相关技术归纳基本上是遵循着这一思路：设计一些分辨率较好的时频分析方法，由时频平面内各简正波的频散曲线得到较准确的各频率的幅度、相位信息，再由收发距离得到各模态(简正波)的群速度和相速度，主要代表文献有：

[1]A.Roueff etal.Dispersion estimation from linear array data in thetime-frequency plane.IEEET ransactions on Signal Processing，Vol.53，No.10，3738-3748，2005.

[2]J.Hong etal.Dispersion-based short-time Fourier transform applied todispersive wave analysis.The Journal of Acoustics Society of America，Vol.117，No.5，2949-2960，2005.

[3]H.C.Park and D.S.Kim.Evaluation of the dispersive phase and groupvelocities using harmonic wavelet transform.NDT&E International，Vol.34，457-467，2001.

这些方法均有一个大前提，就是声源距接收点的距离必须准确知道，这一点在海洋环境下往往不易做到获得或者代价较大。直接限制该方法应用在海洋声场的原因在于，由于发射换能器的限制，目前只能通过灯泡、气枪等声源来制造宽带脉冲声源，因此，发射波形是无法确知的，如果发射信号波形未知，各简正波在不同频率上的参考相位就很难确定，从而就无法得到相速度。这样，不可能利用现有的技术来实现海洋声场的相速度测试。海洋声场中，相速度获取不是直接测试得出的，而是需要预知海洋声场参数，通过理论公式将相速度算出，而海洋声场参数往往需要很大的代价才能准确获得。

本发明可以由水听器的接收信号直接给出相速度的测试结果，而不是通过理论计算获得，除参考声速外不需要预知其它声场参数，是一种获取相速度的新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋声场相速度的水听器测试方法，该方法不是由已知声场条件通过计算得出各号简正波对应的相速度曲线，而是根据水听器的接收宽带脉冲信号，由信号处理的结果得出各号简正波相速度曲线的。

本发明至少需要2只水听器，该水听器沿声传播方向保持一定的水平间距；水听器布放于海底表面或与水面保持相同的距离(为避开海水表面的影响，距离最好大于5m)；发射信号为瞬时宽带脉冲信号，即爆炸声信号，由于手榴弹制造的宽带脉冲往往伴有二次脉动发生，使有些频率位置受到干扰，因此最好采用水下灯泡爆炸、气枪脉冲来制造所需的瞬时宽带脉冲信号；由于发生频散主要在600Hz为以下的频带，因此，宽带脉冲信号应覆盖50Hz—600Hz频段；本发明也可用多水听器(3个或以上)来实现，测试中多水听器的布放要求与2水听器布放要求相同。处理数据时，先对水听器的接收信号进行两两计算，可得出多个计算结果，再通过平均来提高测试结果的准确度。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的海洋声场相速度的水听器测试方法，其步骤如下：

1)在海底同一水平面上间隔布设至少2只水听器

所述水听器的频响范围覆盖10Hz-600Hz的频带范围；水听器间的灵敏度起伏在2dB以内；

2)由声速计直接完成当前声速剖面的测试，选取接收点深度对应的声速为参考声速c；

3)发射探测脉冲信号

在距离所述水听器的距离不少于2km的地方设置发射宽带脉冲信号的声源；所述声源所发出的宽带脉冲信号由气枪脉冲或灯泡爆炸产生；

4)同时采集各水听器接收到的脉冲接收信号

为保证分辨率，每通道的采样频率不小于20KHz；因条件所限无法进行较高频率的数据采集时，先以较低的频率按Nyquist定理的要求进行数据采集，再进行内差以满足分辨率要求，但随着内差点数的增加误差会增加；

5)对水听器接收到的脉冲接收信号分别进行各号简正波提取；

6)对提取的各号简正波进行各号简正波的相速度计算

(1)对不同水听器接收到的同号简正波进行窄带滤波；

(2)进行沿声传播方向上两水听器的距离d估算：

取两两水听器接收的脉冲接收信号的第1号简正波在800Hz—1000Hz的带通滤波结果进行互相关计算；

对各水听器的同号简正波以相同中心频率f₀作窄带滤波，将滤波结果进行互相关计算，得到互相关曲线，互相关曲线最大值点的位置与零点的时间差就是该号简正波在所述中心频率f₀处对应的相延迟τ_p；

互相关曲线包络极大值点对应的位置与零点的时间差就是所述中心频率f₀对应的群延迟τ_g，用所述群延迟τ_g作为两水听器接收到的脉冲接收信号的时间差，将它与步骤2)的参考声速c相乘，便得到两水听器在声传播方向上的距离d估算；所述距离d估算满足下式：

$d<\frac{1}{{2f}_0|\frac{1}{v_g^m}-\frac{1}{v_p^m\left(f_0\right)}|}.$

其中：f₀为中心频率；m为简正波的号数；

为第m号简正波在中心频率f₀处的群速度；

为第m号简正波在中心频率f₀处的相速度；

(3)用两水听器在声传播方向上的距离与群延迟相除，得到该号简正波在该频率处的群速度

用两水听器在声传播方向上的距离与相延迟相除，得到该号简正波在该频率处的相速度

实现相速度测试的基本步骤如图5所示，由图5可知，发射信号由2个沿声传播方向一定间距的水听器同时接收，通过采集系统将模拟信号转换为数字信号后，再采用相关的信号处理方法：①通过时频分析等方法得到接收信号中简正波的时频曲线；②采用参考文献[1-2]提出的方法将简正波逐个提取出来，若还有其它新的简正波提取方法，也可以采用；③对2个接收信号中的第1号简正波作800—1000Hz的带通滤波，对滤波结果作互相关计算，可以得到互相关曲线包络极大值点对应的时间延迟τ₀，以测试得到的海水声速与时间延迟τ₀相乘，就得到2水听器沿声传播方向的距离估计d_e；④对2水听器接收的同号简正波进行窄带滤波(中心频率为f₀)，在作互相关，互相关曲线最大值点的时间延迟为相延迟τ_p，其包络最大值点的时间延迟为群延迟τ_g，则对应于该号简正波在f₀处的相速度为v_p＝d_e/τ_p，群速度为v_g＝d_e/τ_g；对同号简正波，变化不同的f₀，就得到对应的群速度和相速度与频率的关系；然后再取其它简正波，重复前面的操作。

本发明的关键在于对2个水听器接收信号的处理，其核心内容包括两个方面，首先，在多号简正波的提取，不是采用传统的基于多窄带滤波的简正波过滤方法，而是采用基于连续小波变换的简正波过滤方法，这是申请人所建立的一种有效的、针对宽带脉冲的简正波过滤方法。

本发明的理论基础如下：

对由两个不同水听器接收到的相同脉冲信号的同一简正波成分，在频率f₀处的窄带波形如图1所示，为一波包。

可以看到，其包络的极大值点和载波的极大值点总是不重合的。按照群速度和相速度的定义，群速度是指对应该频率的波包的传播速度，即包络的峰点传播的速度；相速度是指波包中等相位点的传播速度，它体现在载波中。

对应于2个水听器接收信号中的同号简正波的相同频率位置，它们的波包形式如图2所示，二者除有一整体的时间差外，还有一个重要差别，就是每一波包中包络极值点与载波极值点的相对位置也有不同，这也是相速度与群速度差异的具体表现。本发明正是利用了这一信息，根据两不同接收距离水听器获取的信号在不同频率位置所表现出的包络极大值点与载波极大值点的差值，再根据结合两水听器声传播方向的距离计算出对应的相速度。

为了避免模糊问题，并方便有效确定相位延迟对应的时间位置，这里对水听器沿声传播方向的距离d作以要求。设对第m号简正波，在频率f₀处对应的群速度和相速度分别为和

如图3所示，两水听器的直线距离为D，发射声源的距离总是远大于水听器间距的，它与水听器间连线的夹角为θ，则两水听器接收信号的声程差为

d＝Dcosθ.                           (1)

假定对第m号简正波在频率f₀处，两个水听器接收到的结果分别为

y₁(t)＝a(t)cos2πf₀t，               (2)

y₂(t)＝a(t-τ_g)cos[2πf₀(t-τ_g)+φ].    (3)

其中，τ_g对应于两水听器接收信号中的第m号简正波在频率f₀处的群延迟，其物理含义可在图2中看出；φ为载波与包络的相对相位差，此处以1号水听器接收信号中对应的包络与载波的相对相位值为零参考点；对(2)、(3)两式进行互相关计算，得到

$R_{y_1{y}_2}={\&Integral;y}_1\left(t\right)y_2(t+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}$

$=\&Integral;a\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\mathrm{dt}.---\left(4\right)$

$=\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\mathrm{dt}$

由分部积分定理，式(4)可写作

$R_{y_1{y}_2}=\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}$

$-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{f}_0}\&Integral;[\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}]\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(2t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\mathrm{dt}.---\left(5\right)$

再次应用由分部积分定理，式(5)可写作

$R_{y_1{y}_2}=\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}$

$-\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{f}_0}\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}\&Integral;\sin [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(2t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\mathrm{dt}$

$+\frac{1}{2{\left(2\mathrm{\&pi;}{f}_0\right)}^2}\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(2t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\mathrm{dt}---\left(6\right)$

$=\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\&Integral;a\left(t\right)a(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})\mathrm{dt}$

$=R_{\mathrm{envelope}}{R}_{\mathrm{carrier}}$

R_envelope是a(t)和a(t-τ_g)的互相关，为

的包络。容易看到，R_envelope的最大值出现在τ_g的位置。R_carrier为

的载波项。对应于τ＝τ_g，R_carrier可写为

$R_{\mathrm{carrier}}=\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t\right)\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]$

$=\frac{1}{2}\left(\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_g)+\mathrm{\&phi;}]+\cos [2\mathrm{\&pi;}{f}_0(2t-{\mathrm{\&tau;}}_g+\mathrm{\&tau;})+\mathrm{\&phi;}]\right)---\left(7\right)$

$=\frac{1}{2}[\cos \mathrm{\&phi;}+\cos (4\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\mathrm{\&phi;})]$

由于cosφ为常数项，R_carrier实际上就等于再考虑到式(7)的结果实际上是在τ＝τ_g的前提下展开的，R_carrier的极值点应发生在

$t={\mathrm{\&tau;}}_g-\frac{\mathrm{\&phi;}}{4\mathrm{\&pi;}{f}_0}-\frac{k}{2f_0},k=0,\&PlusMinus;1,\&PlusMinus;2,....---\left(8\right)$

根据上述结论，τ_g可以通过搜索y₁(t)和y₂(t)互相关曲线的包络对应的极大值点的位置来得到；互相关曲线的各极值点位置可由式(8)中变化不同的k值来得到。由于对应于真实等相位点，在式(8)中只有一个k值与它对应，为方便理解和计算，以距离包络峰值点最近的极值点为等相位参考点进行相延迟的估计，这样，k的取值为0。此时，保证最大值点位置对应的就是该等相位点，应有

$|{\mathrm{\&tau;}}_g-{\mathrm{\&tau;}}_p|<\frac{1}{2f_0}.---\left(9\right)$

τ_g和τ_p分别是群延迟和相延迟，可参照图4来理解式(9)的含义。假定d是两水听器沿声传播方向的距离，

和

第m号简正波，在频率f₀处对应的群速度和相速度，则有

$|\frac{d}{v_g^m\left(f_0\right)}-\frac{d}{v_p^m\left(f_0\right)}|<\frac{1}{2f_0},---\left(10\right)$

$d<\frac{1}{{2f}_0|\frac{1}{v_g^m\left(f_0\right)}-\frac{1}{v_p^m\left(f_0\right)}|}.---\left(11\right)$

在应用中，如果能够对某号简正波在特定频率处的相速度和群速度的差值有一个粗略的估计，再按照公式(11)计算，就可得到对应距离要求。

本发明的水听器海洋声场相速度测试方法具有如下优点：

1)在海底同一水平面上间隔布设2个水听器和1个发射脉冲，方便实现；

2)除海水声速外，无需预知其它海洋声场参数，与常规的声场计算方法相比，大大简化了工作量；

3)测试结果具有足够高的精度，可满足水声工程应用所需。

附图说明

附图1为传播过程中某号简正波中窄带的波包形式；

附图2为两水听器对相同信号的接收结果；

附图3为发射声源方位与水听器位置的关系；

附图4为互相关曲线中的群延迟和相延迟点的位置；

附图5为实现相速度测试的基本步骤示意图；

附图6为2艘试验船进行的相速度测试方式的示意图；

附图7为固定式测试方式的示意图；

具体实施方式

实施过程的一个基本原则是保证2个水听器在海底的水平布设或处于相同深度布设，并能够同时采集信号。水听器的选择没有特殊要求，只要其频带范围能够覆盖所要测试相速度的频段即可。结合一些具体背景，这里给出2个实施范例。

实施例1采用2艘试验船完成海洋声场相速度测试

如图6所示，采用2艘试验船完成海洋声场相速度测试：一艘船用于接收信号，称接收船，另1艘船负责发射宽带脉冲，称发射船。

接收船将水听器阵列布放海底，通过传输缆与船上的数据采集系统相联结。阵列的水听器数目不限，但应保证用于计算相速度的每对水听器沿发射脉冲传播方向的距离满足式(11)的约束。发射船发射信号，由接收船接收信号，对信号进行处理，得出测试结果。测试步骤如下：

1)将2艘船停于所需测试的海区，相距2km以上。

2)接收船完成当前的声速测试，并将水听器阵列布设于海底。

3)2艘船锚定，准备进行测试。

4)接收船将水听器的信号输出线与数据采集系统相联结，进入数据采集状态，并通知发射船发送信号。

5)发射船接到发射指令后，将灯泡释放至与接收端声速相同的深度处，然后用重块将灯泡击碎，发出脉冲声信号。

6)接收船接收到脉冲信号后，按照本发明所介绍的技术方案对数据进行处理，得出各简正波的相速度。

实施例2采用固定式浮标与发射船配合完成

如图7所示，两个水听器布放于水中的浮标平台上，浮标锚定于海底。水听器与浮标相连，发射船预先发射通讯指令启动浮标进行相速度测试工作状态，然后发射脉冲信号，浮标通过N个(N>2)水听器阵列接收信号，并对信号进行处理得到不同简正波的相速度曲线，最后将处理结果通过无线方式发送至基站。这种方式适于针对已有的浮标平台，需对固定海区进行长期监测的应用背景。测试步骤如下：

1)将发射船停于所需测试的海区，相距浮标的水听器2km以上。

2)发射船发射对浮标的指令信号，将浮标启动，进入相速度计算待机状态。

3)发射船将灯泡释放至与接收端声速相同的深度处，然后用重块将灯泡击碎，发出脉冲声信号。

4)浮标接收到脉冲信号后，按照本发明所介绍的技术方案对水听器阵列的接收数据进行两两处理，分别得出各水听器对的各号简正波相速度。

对这些结果进行平均，得到将处理结果通过无线方式发送至卫星，再转发至基站。

Claims (1)

1、一种海洋声场相速度的水听器测试方法，其步骤如下：

1)在海底同一水平面上间隔布设至少2只水听器

所述水听器的频响范围覆盖10Hz-600Hz的频带范围；水听器间的灵敏度起伏在2dB以内；

2)由声速计直接完成当前声速剖面的测试，选取接收点深度对应的声速为参考声速c；

3)发射探测脉冲信号

在距离所述水听器的距离不少于2km的地方设置发射宽带脉冲信号的声源；所述声源所发出的宽带脉冲信号由气枪脉冲或灯泡爆炸产生；

4)同时采集各水听器接收到的脉冲接收信号

为保证分辨率，每通道的采样频率不小于20KHz；因条件所限无法进行较高频率的数据采集时，先以较低的频率按Nyquist定理的要求进行数据采集，再进行内差以满足分辨率要求，但随着内差点数的增加误差会增加；

5)对水听器接收到的脉冲接收信号分别进行各号简正波提取；

6)对提取的各号简正波进行各号简正波的相速度计算

(1)对不同水听器接收到的同号简正波进行窄带滤波；

(2)进行沿声传播方向上两水听器的距离d估算：

取两两水听器接收的脉冲接收信号的第1号简正波在800Hz—1000Hz的带通滤波结果进行互相关计算；

对各水听器的同号简正波以相同中心频率f₀作窄带滤波，将滤波结果进行互相关计算，得到互相关曲线，互相关曲线最大值点的位置与零点的时间差就是该号简正波在所述中心频率f₀处对应的相延迟τ_p；

互相关曲线包络极大值点对应的位置与零点的时间差就是所述中心频率f₀对应的群延迟τ_g，用所述群延迟τ_g作为两水听器接收到的脉冲接收信号的时间差，将它与步骤2)的参考声速c相乘，便得到两水听器在声传播方向上的距离d估算；所述距离d估算满足下式：

$d<\frac{1}{{2f}_0|\frac{1}{v_g^m\left(f_0\right)}-\frac{1}{v_p^m\left(f_0\right)}|}.$

其中：f₀为中心频率；m为简正波的号数；

为第m号简正波在中心频率f₀处的群速度；

为第m号简正波在中心频率f₀处的相速度；

(3)用两水听器在声传播方向上的距离与群延迟相除，得到该号简正波在该频率处的群速度

用两水听器在声传播方向上的距离与相延迟相除，得到该号简正波在该频率处的相速度

Images