CN103168254A

CN103168254A - 多分量声波传感器和方法

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Publication number: CN103168254A
Application number: CN2011800502356A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·E·洛奎特; A·W·奥利维尔; D·J·兰伯特
Original assignee: Ion Geophysical Corp
Current assignee: Ion Geophysical Corp
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: DK178490B1; US8982662B2; WO2012030940A2; CN103168254B; EP2612170B1; DK201370182A; EP2612170A2; CA2810211C; RU2562711C2; RU2013111946A; WO2012030940A3; US20120057430A1; CA2810211A1

Abstract

一种感应压力和最多三个正交质点运动分量的流体载声波的多分量传感器。该传感器对该传感器安装件的运动没有响应的。此外，该传感器对流经该传感器的声介质的湍流基本没有响应。

Description

多分量声波传感器和方法

技术领域

本发明总体上涉及感应一种流体载声波的分量：压力和最多三个正交质点运动分量。更具体地，本发明涉及一种用于感应对该传感器安装件没有响应的声波的传感器。此外，本发明涉及感应对流经该传感器的声介质流没有响应的声波。本发明可被应用于感应海洋环境内的声音。因此，本发明可应用于海洋地震勘探，并且更具体地应用于降低拖在勘探船后的传感器中或位于海底的传感器中不期望的地震反射的影响即流体载声波反射影响的设备和方法。

发明背景

在拖曳式海洋地震勘探中，在近海面的一个船舶后拖拽着一个水听器阵列。这些水听器位于多根通常被称为拖缆的传感器电缆中。同样拖在近海面的一个震源周期性地发射声能。该声能通过海洋向下传播，从底层地质结构反射，并且通过海洋向上返回到该水听器阵列。该水听器阵列记录这些来自海床向上传播的地震声压波。随后，将该水听器的记录处理成为若干张该底层地质结构的地震图像。

声阻抗为压力与质点速度的比值并且等于该声介质内密度ρ与声速c之积ρc。任何时候产生的反射都会改变声波遇到的声阻抗。声阻抗变化越大，反射的能量越多。由于空气和水的声阻抗差别很大，因此海面是一个近似理想的声能反射器。从海底或感兴趣目标返回之后，该能量再次由海面反射回该水听器阵列。由于水听器具有全向空间响应，因此水听器阵列记录重影响应，该重影响应是从海面反射并最后到达延时到达的地震声波，且由于直接反射而颠倒极性。该重影是向下传播的地震声波，当添加到希望的波形上时，该地震声波会有损记录的地震图像。

该重影在水听器响应的频谱中产生一个陷波，f_陷波=c/2d，其中c是声速，并且d是水听器阵列深度。按照惯例，地震水听器阵列被拖曳在10米或更浅的深度。在10米深度，该陷波频率（f_陷波）为75Hz。对于高地震图像分辨率，一个频率响应必须扩展到100Hz之外。因此，水听器阵列有时会被拖曳在较浅的深度以提高一张地震图像的分辨率。

该重影引起的反射还可延续到海底或其他强反射物，并向上返回再次干扰期望的反射波并降低图像质量。这些反射通常被称为多次波。

由于来自该海面的噪声干扰了期望的地震信号，因此在浅水中拖曳是有问题的。此外，该海面附近的循环水流会在拖缆外壳处加大流噪声。这些影响随天气变坏而恶化，有时会导致船员中断操作，直到天气变好。拖曳越深，海面噪声和天气影响越小。如果可以消除这些重影陷波影响，则令人希望的是在更深处拖曳。

海底或海床，该海床上传感器内置的系统通过普遍共知的技术（如p-z总和）来抑制重影。在声波中，该压力p是个标量，而该粒子速度u是个矢量。一个水听器采用正全向空间响应来记录地震声波压力p。垂直定向的地震检波器或加速计采用对向上信号的正响应和对向下信号的负响应来记录地震声波质点速度u_z的垂直分量。在p-z求和中，该速度信号由海水的声阻抗ρc来衡量，并添加到该压力信号。如果使用一个加速计，可集成其输出以获得速度信号，或可以区分该水听器压力信号，如此以来，可以更好的与加速计光谱匹配。这可生成具有对该向上传播波的全响应和对向下传播波的零响应以抑制重影和多次波的复合传感器。在由Monk等人发明的美国专利号为6,539,308的专利中描述了一种实现单一去重影痕迹的信号调节和信号整合方法。由于不是该期望信号导致的因素，当该声质点速度传感器或加速计不受多余的运动影响时，该技术和类似技术有效。当有强大的底部电流时，这类多余的加速度常见于部署在海浪带或区域的海床系统中。

目前，使用水听器和质点运动传感器的组合来降低地震拖缆中的重影和多次波影响已经引起了大家的兴趣。因为拖缆受到由拖曳或海面效应引起的加速度比由期望的地震反射引起的加速度大，所以操作一根地震拖缆中的质点运动传感器存在问题。此外，这些多余的加速度与期望的地震反射响应位于相同的频谱带中。

地震拖缆及海底地震电缆经历从0度到360度的所有侧倾角和适度的螺旋角。为实现垂直定向的地震检波器，海底系统已经使用：（a）一个万向动圈式地震检波器；（b）一个3-分量、全倾斜动圈式地震检波器，该检波器具有与该传感器无关的姿态感知和计算以求解与重力有关的测量；以及（c）一个3-分量、微电机系统（MEMS）加速计，该加速计具有与该传感器无关的内部姿态感知和计算以求解与重力有关的测量。

授予Rouquette的美国专利号7,167,413在一根地震拖缆中使用一个加速计声波质点运动传感器来抑制重影-陷波效应。Rouquette使用一个质量-弹簧隔振系统来降低电缆动态运动对该加速计和一个负载传感器系统的影响以测量和抑制该加速计上残留的电缆运动感应噪声。Rouquette系统依赖众所周知的机械关系，该关系不能与制造公差、老化和环境状况保持一致。Rouquette使用一个信号处理适应算法来推导该质量-弹簧系统与作用于该原地加速计上的加速度的关系。由流经该传感器的声介质湍流引起的加速计的动态摇动应作为该电缆动态运动同样对待，并且从该声波质点运动测量上除去。Rouquette描述了一种复杂的机械电子系统。

由Tenghamn等人发明的美国专利号7,239,577描述了一种使用声波质点速度传感器抑制重影陷波的设备和方法。Tenghamn等人讲授了流体阻尼、万向架固式地震检波器的使用。本领域众所周知的是选择封装该地震检波器的流体来提供悬挂在其平衡架上的传感器的阻尼。然而，本领域众所周知而在Tenghamn等人中没有描述的是质量-弹簧隔振系统可降低电缆动态对该地震检波器响应的影响。但Tenghamn等人没有解决由流经该传感器的声介质的湍流引起的地震检波器动态摇动。在地震检波器响应中，由电缆动态和流经该传感器的声介质的湍流引起的加速计动态振动不易与声波质点运动区别开来。期望的地震波质点运动被Tenghamn等人的电缆动态运动和湍流感应运动所掩盖。

由Vaage等人发明的美国专利号7,359,283描述了一种组合压力传感器和质点运动传感器来解决电缆动态运动和湍流对质点运动传感器的影响的方法。在该方法中，不使用某一频率f₀以下的质点运动传感器的响应，而只是从压力传感器响应和已知的压力传感器深度来估计。这些被抑制的频率为所期望的拖缆的动态运动和流经该传感器的声介质的湍流摇动该传感器用频率。在更低的感兴趣频率上，估计响应具有差的信噪比。某一频率以下的这种抑制不是最优的，因为它还抑制了重要低频段中的有用信号，在该低频段内可能存在深度目标地震数据。

虽然所提及的专利都描述了抑制使用多分量声波测量的地震拖缆内的重影陷波，但都未能充分解释传感器安装、通过声介质的传感器拖拽以及多分量声传感器上的声介质运动的影响。所有这些专利还缺乏生成高保真、具有低至感兴趣的最低频率的良好信噪比的感应声波组分。

发明概述

这些缺点可由体现本发明特点的水下声波质点运动感应器来解决。该声波质点运动传感器包括：一个具有外围的刚性体，水下声波在该外围周围衍射；一个耦接到该刚性体的衍射压力梯度声波质点运动传感器；以及一个刚性体运动传感器。该衍射压力梯度声波质点运动传感器感应该衍射声波并且进一步产生对声波质点运动和刚性体运动进行响应的一个第一传感器输出信号。附装到该刚性体上的刚性体运动传感器产生几乎与刚性体运动完全相对应的一个第二传感器输出信号。在各种水下系统中，该刚性体可以直接耦接到一根水下电缆，或耦接到附装到一根水下电缆的外部装置上，或者耦接到一个自主水下运载车。

本发明的另一个方面中，一种体现本发明的特征的水下衍射压力梯度传感器包括：一个具有外围的刚性体，该外围环绕一根中心纵轴；第一组在该外围周围圆周地间隔开并向该外围开放的凹口；以及第二组在该外围周围圆周地间隔开的凹口。该第二组凹口纵向偏移于该第一组凹口。每个凹口内都驻留有一个压力传感器。该刚性体衍射该刚性体的外围周围的水下声波。

本发明的另一个方面中，一种用于确定体现本发明的特征的流体介质内的对声波的响应的方法包括：（a）从安置在流体介质内的刚性体的外围处的多个压力传感器采集声压信号并衍射该外围周围的声波；（b）从这些声压信号中生成压力梯度信号，包括对声波的响应、由该刚性体的运动引起的响应以及由流经该刚性体内的压力传感器的流体介质的流动引起的响应；（c）采集刚性体运动信号，其中运动传感器耦接到该刚性体；（d）产生运动传感器信号，包括该刚性体引起的响应以及由流经该运动传感器的流体介质的流动引起的响应；以及（e）组合这些压力梯度信号和运动传感器信号，以产生一个输出信号，该输出信号包括对声波的响应并且独立于该刚性体的运动或流经该压力和运动传感器的流体介质的流动相对应的信号的响应。可以将与这些传感器采集的信号或按照本方法产生的信号中的某些信号相对应的数据存储在计算机可读存储介质内，供后续处理使用。

仍然在本发明的在另一方面中，一种体现本发明的特征的水下传感器包括一个压力梯度声波质点运动传感器，该压力梯度声波质点运动传感器包括多个安置在固定相对位置处的声波压力传感器。每个声波压力传感器都有单个的频率响应，这些响应被组合以产生一种压力梯度频率响应。这些声波压力传感器的单个频率响应在操作频率范围上匹配足够密切，从而将对声波压力的压力梯度频率响应衰减至对声波质点运动的压力梯度频率响应以下。

在本发明的在另一方面中，一种体现本发明的特征的水下传感器包括：一个刚性安装体，该刚性安装体具有一个外部外围和多个位于规则间隔位置处并向该外围开放的凹口；以及多个接收在这些规则间隔位置处的凹口内的压力传感器，从而形成一个压力梯度传感器。这些压力传感器的频率响应与操作频率范围上的幅度和相位相匹配。

在本发明的在另一方面中，一种用于制造具有体现本发明的特征的质点运动传感器的性能能力的水下压力梯度声波传感器的方法包括：（a）从在多个间隔位置处附装到刚性体上的第一和第二声波压力传感器采集第一和第二压力信号；（b）根据该第一和第二压力信号的差产生一个信号；以及（c）在一个操作频率范围上匹配的第一和第二压力信号的频率响应，以将该压力梯度信号内对声波压力的响应衰减至对声波质点运动的响应以下。

附图简要说明

通过参照以下描述、所附权利要求和附图可更好的理解本发明的这些方面和特征，其中：

图1包括了体现本发明的特征的一种类型的流体载声波的多分量传感器的侧视图和两个横断面图。

图2包括了具有4个压力传感器的另一种类型的多分量传感器的一个侧视图和一个横断面图。

图3包括了具有4个更长的压力传感器的另一种类型的多分量传感器的一个侧视图和一个横断面图。

图4包括了只具有3个压力传感器的另一种类型的多分量传感器的一个侧视图和一个横断面图。

图5为一个流程图，展示了一种可用于图1至图4中的传感器并用于感应流体载声波的多分量的方法。

图6为为一个框图，展示了一种可用于图1至图4的传感器中的数据处理设备。

图7为图1至图4中沿其长度在多个离散位置处的水下电缆封装传感器的一部分的一个侧视图。

图8为一根拖拽拖缆的一部分的一个侧面正视图，该拖缆具有沿图1至图4中的拖缆和封装传感器的长度可旋转地在多个离散位置附装的定位控制装置。

图9为同轴安装在多个拖缆段之间并且如图1至图4将传感器封装在其中心体内的电缆定位装置的一个侧视图或平面图。

图10为同轴安装在多个拖缆段之间并如图1至图4将传感器封装在其某个操纵片内的电缆定位装置的一个侧视图或平面图。

图11为如图1至图4沿拖绳或电缆在多个间隔位置处附装的传感器的一个侧视图。

图12为用于图1中的多分量传感器内的压力传感器的一种类型的数据采集和信号处理系统的框图。

图13为用于图1中的多分量传感器内的压力传感器的使用更少的模数转换器的一种类型的数据采集和信号处理系统的框图。

图14为如图1至图4封装传感器的自主水下记录装置的侧视图。

详细说明

图1中，体现本发明的特征的传感器100为圆柱形，从而将其适配为在沿传感器的长轴即X轴方向流经该传感器的流体声介质内使用。流体为一种气体或一种液体。空气动力形状或流体动力形状可应用于该传感器体的前后，以使流经该传感器的声介质的流动成流线型，并且使该传感器体接近用于声波衍射的无限长圆柱体模型。

在一种水或液体声学应用中，该流可以为水流、液体流、穿过水的传感器的拖拽或任何其他引起液体声介质流经该传感器的安排。在一种液体声学应用中，压力传感器104为水听器，优选地为压电水听器。

在一种空气或气体声学应用中，该流可以为风、气体流、穿过空气的传感器的拖拽或任何其他引起该气体声介质流经该传感器的安排。在一种空气声学应用中，这些压力传感器104为传声器，优选地为电容传声器。

虽然本传感器的操作原理适用于任何流体声介质，但本披露的剩余部分描述了该液体声介质内的传感器，例如，尤其是水。

位置上被定义为压力传感器S₁–S₈的压力传感器104、104’产生声压信号p₁–p₈。各压力传感器可被实现作为一个单一元件或安装在刚性体102内的一组元件，这样该声波能够在该传感器安装体周围衍射，而不穿过该传感器安装体。该刚性体可以为任何方便于该应用的形状，但在以下示例中被描绘为具有一个纵轴103和一个外部外围105的圆柱形。本实施例中的压力传感器具有一个远远大于其厚度和宽度或它们的直径的长度，并且这些压力传感器各自都被安装在在该刚性体的外围周围规则地间隔开并向该其开放的凹口123内。贯穿本说明书中，与安装体相关的“刚性”是指该压力感应器安装体的外表面和该安装体内的压力传感器的位置不会由于声波或者施加在该传感器安装体上的机械力引起的任何及所有应力而发生明显位移、应变或变形。这些安装在该安装体内的传感器的相对位置被该体的刚性固定住。

与该刚性传感器安装体内的压力传感器协同定位的是一种第二类型的传感器120，即一种测量该刚性传感器体的运动的运动传感器，该运动传感器对声波不透明。该运动传感器可以是任何对运动有响应的传感器，即，位移、速度或加速度。加速计、地震波探测器、地震仪、加速度敏感传声器、加速度敏感水听器、类似此类传感器组或不同此类传感器的组合是其他运动传感器实现的示例。该运动传感器120产生一个响应该刚性传感器安装体的运动的传感器信号a_bm，该运动传感器机械耦接到该刚性传感器安装体。在该优选实施例中，a_bm为加速度矢量，该加速度矢量的三个正交分量为a_bmx、a_bmy以及a_bmz。该运动传感器120可被安装在该传感器安装体内的一个或多个空腔内（如中央空腔124）并且与质点运动隔离开。因此，该运动传感器作为一个刚性体运动传感器而不是作为一个质点运动传感器而发挥作用。该空腔可以具有任何保护该传感器安装体的刚性的形状。

由于该传感器体的动态旋转的可能性，若该传感器应用有要求，与该运动传感器120相关联的方向传感器122用于确定与重力矢量有关的传感器测量的方向。多轴传感器（比如，具有对直流作出响应的MEMS加速计）将传感器体运动感应和单个装置中的方向感应组合在一起。传统坐标转换计算装置可用于确定与重力有关的传感器测量的方向。若已知方向的一个轴并且不需要沿着该轴的传感器体运动，则该运动传感器120可以是一个两轴单元。两轴方向传感器122可用于拖曳传感器中，针对该拖曳传感器由其他装置（比如导航系统）来确定与该传感器拖缆平行的纵轴。另一个替代方案是与该运动传感器组合使用的单独的方向传感器。该方向传感器122可以被安装在该传感器体内的具有任意形状的空腔124中，这种形状保护该传感器安装体的刚性。在任何情况下，贯穿本说明书，来自所使用的传感器120的传感器信号指的是传感器体相关、与重力相关相对的测量。

用于这些压力传感器和运动传感器的信号调节电子设备可以封装在该传感器体内的具有任意形状的这个或这些空腔124内，这种形状保护该传感器安装体的刚性。通过该传感器体的通道126方便了该传感器的应用。这些通道可以具有保护该传感器安装体的刚性的任意形状。这些通道126可以携带多根拖拽电缆127、电线或其他可用于部署该传感器的装置。

对声波压力的传感器响应如下

p = \frac{p_{1} + p_{2} + p_{3} + p_{4} + p_{5} + p_{6} + p_{7} + p_{8}}{8}

(式1)

这是众所周知的用于复合压力传感器的等式，并且为单个压力传感器输出的平均值。由八个单个压力传感器组成的此复合声波压力传感器作为一个用于最大声压为λ_min的点传感器，其中，最大传感器尺寸小于λ_min/20，且λ_min为有待感应的声音的最短波长。该响应p为声波压力与该传感器的表面处的任何湍流涡流引起的噪声分量之和。

具有长度L长于湍流涡流的特性长度的压力传感器衰减与点传感器的流噪声响应相关的流拟压力噪声。如通过引用被结合的1964年JASAHenry P.Bakewell,Jr.（Bakewell）“湍气流中纵向时空相关函数的窄带调查（Narrow-Band Investigations of the Longitudinal Space-Time CorrelationFunction in Turbulent Airflow）”中所示，该特征长度由ξ＝U_c/0.7f得出，其中，U_c为对流流率，且f为频率。该对流流率为该流速的0.8倍。对于f_cl＝U_c/0.7L以上的频率，流噪声被衰减10logL/ξ＝10log0.7fL/U_c＝10logf/f_cl，且不被衰减至此频率以下。这是由于该流噪声拟压力随机过程与该特征长度或更长的长度分开，统计上独立。例如，对于一个具有图1所示配置的水声传感器，流速2.5m/s，压力传感器总长度L100mm，即纵向对齐的压力传感器对104和104’（如S₈和S₄）的组合长度，频率f_cl为29Hz。

该流噪声拟压力随机过程在圆周方向上在距该特征长度或更长的长度一定距离处是统计上独立的。对于_fcc＝U_c/0.7L_c以上的频率，流噪声被衰减10logN=10log4＝6dB，且不被衰减至此频率以下。该流噪声拟压力随机过程也与该特征长度或更长的长度分开，统计上独立，并且这些传感器为圆周方向上的湍流漩涡的点接收器。继续具有图1所示配置的水声传感器的示例，流速2.5m/s，且直径d50mm，在周长上90°隔开的压力传感器的距离L_c为39.3mm，并且该频率f_cc为73Hz。

具有如图1所示的一种配置的流体声压传感器对流噪声具有低响应，同时作为一个用于最大声压达λ_min的点传感器，其中，最大传感器尺寸小于λ_min/20，且λ_min为有待感应的声音的最短波长。在一个优选实施例中，最长传感器尺寸为100mm，结果是水中用于声压的点传感器较高工作频率为750Hz。

如通过引用被结合的1977年Frank J.Fahy JASA“使用两个传声器信号的交叉谱密度的声强度的测量（Measurement of Acoustic Intensity Usingthe Cross-Spectral Density of Two Microphone Signals）”中所示，一个压力梯度传感器可以感应到声波质点运动，该零均流流体动量等式对此进行了描述，该方程式将该压力梯度与该质点加速度联系起来：

\frac{dp}{dx} = - ρ \frac{{du}_{x}}{dt} = - {ρa}_{x}

(式2)

式中，u_x为x方向声波质点速度的分量，且a_x为x方向声波质点加速度的分量。本等式对自由空间内的声波有效，该自由空间内固体周围无衍射。当声波沿x方向传播过一个无限长圆柱体时，则满足本条件。如上所述，当空气动力形状或流体动力形状应用于该传感器体的前后，以使流经该传感器的声介质的流动成流线型，并且使该传感器体接近声波衍射用的无限长圆柱体模型时，则实际上满足本条件。

通过计算两个沿x方向以一定距离l间隔排列的单个压力传感器的响应之差可以实现压力梯度传感器，其条件是最大传感器尺寸小于λ_min/20，并且λ_min为有待感应的声音的最短波长，其中l为有限范围内的传感器的声中心之间的距离。

对于作为一种声波质点运动传感器操作良好的压力梯度传感器，这两个组成压力传感器各自的响应必须匹配良好。这两个组成压力传感器每个都对该声波压力响应。当计算两个压力传感器的响应之差时，该有差异的声波压力响应必须被衰减至远低于该有差异的声波质点运动响应以下。在该传感器的预期工作频率范围上，通过在幅度和相位上匹配这两个组成压力传感器各自的响应来完成上述动作。在该优选实施例中，这两个组成压力传感器的频率响应在幅度和相位上被密切匹配至±0.1%或更好。±0.1%相位匹配是指匹配至±0.001弧度，即±0.0573°。

该相位匹配可通过以下内容来完成：（a）用同一批次压电材料制造这些压力传感器；（b）将这些压力传感器以及它们的装配件的尺寸控制在±0.1%公差或更小；以及（c）用电荷放大器或它们的等效物调节这些压力传感器的输出。通过使用装置调节各压力传感器数据采集信道的比例因子来完成幅度匹配。如图12所示，对于图1中的由八个传感器组成的压力梯度传感器，这八个数据采集信道800中每个信道都包括一个压力传感器S1–S8和相关联的电路，该相关联的电路包括一个适调放大器802，如电荷放大器或测量放大器，以及它的相对应的数据采集装置，如产生输出p₁–p₈之一的模数（A–D）转换器804。标准静（制造时）比例因子或增益、调节技术和程序可以应用到每个数据采集信道。同样，可以使用维持数据采集信道频率响应幅度和相位匹配以解释老化和环境（例如温度、冲击和振动）的影响的标准方法和方式。

有利于在原地测量这些数据采集信道的频率响应幅度和相位的匹配，以解释老化和环境的影响以及在传感器制造商处放松匹配要求。一个优选的实施例包括一个信号处理操作，该信号处理操作在数字处理器（DSP）806内的数据采集操作之后进行。该DSP可以为各压力梯度传感器本地或位于远处。对于各声压数据采集信道，该信号处理器在按式1通过该DSP806计算得出的复合压力信号p与单个压力传感器信号p₁–p₈之一之间实施频率域互关联。所选互关联的帧长足够长以便将该互关联的统计误差限制在小于±0.01%。信号处理频率域互关联算法在本领域内众所周知。

该计算的互关联系数谱的幅度和相位分别为用于各声压数据采集信道的乘法幅度校正和附加相位校正。将对应的幅度和相位校正应用于各声压数据采集信道使这些信道p₁–p₈之间匹配至±0.1%内并匹配至该压力响应p。

对该声波质点加速度的x轴分量的传感器响应在该DSP 806内计算，并由下式得出

a_{x} - a_{bx} = \frac{+ p_{1} + p_{2} + p_{3} + p_{4} - p_{5} - p_{6} - p_{7} - p_{8}}{4 ρl}

这是众所周知的用于复合压力梯度传感器的等式，其中ρ为声介质密度，且l为压力传感器的声中心之间的间距并表示根据单个压力传感器输出p₁–p₈实现压力梯度传感器。该压力梯度响应为该声波质点加速度a_x的x轴分量减去该传感器安装刚性体加速度a_bx的x轴分量。这是由于用于定义式2中的加速度和压力梯度的数据为这些压力传感器的声中心的中点。

为获得该声波质点加速度的x轴分量，刚性体运动传感器120的x轴分量与该压力梯度传感器的x轴分量相加：

a_{x} = a_{x} - a_{bx} + a_{bmx}

= \frac{+ p_{1} + p_{2} + p_{3} + p_{4} - p_{5} - p_{6} - p_{7} - p_{8}}{4 ρl} + a_{bmx}

(式3)

对该声波质点加速度的x轴分量的传感器响应精确到范围a_bmx=a_bx，例如，该压力梯度传感器和该刚性体运动传感器120的相对精确度。该压力梯度传感器和该刚性体运动传感器的相对精确度在该优选实施例中为±0.1%或更高。式3给出的将该压力梯度传感器以及该刚性体运动传感器的输出的x轴分量组合起来的加法计算可以在该DSP806进行。

该x轴压力梯度传感器对流噪声的响应被图1中与点传感器的流噪声响应相关的配置衰减。如前所解释的，对于f_cl＝U_c/0.7L以上的频率，流噪声被衰减10logf/f_cl。例如，对于一个具有图1所示配置的水声传感器，流速2.5m/s，且压力传感器总长度2L100mm，即纵向对齐的压力传感器对104和104’的组合长度，该频率为29Hz。由于该流噪声拟压力随机过程在距该特征长度或更长的长度一定距离处是统计上独立的，式3中一些项的负号不改变此结果。

由于被距离l分开的压力传感器的差分，衰减至频率f_cl以下。如Bakewell中所示，该流噪声拟压力随机过程在被ξ分开的两点之间具有一个相关系数

e^{- 0.7 | fξ / U_{c} |} = e^{- f / f_{cξ .}}

对于f_cξ＝U_c/0.7ξ以下的频率，流噪声被衰减-20logf/f_cξ。继续具有图1所示配置的水声传感器的示例，流速2.5m/s，且压力传感器间距l50mm，该频率f_cξ为57Hz。

如先前所解释，对于f_cc＝U_c/0.7L_c以上的频率，流动噪声被衰减10logN=10log4=6dB，且不被衰减至此频率以下。该流动噪声拟压力随机过程也在距该特征长度或更长的长度一定距离处是统计上独立的，并且这些传感器为圆周方向上的湍流漩涡的点接收器。继续具有图1所示配置的水声传感器的示例，流速2.5m/s，直径d50mm，在该周长上90°分开的压力传感器的距离Lc为39.3mm，该频率f_cc为73Hz。

y轴和x轴声波质点运动传感器的操作遵循一个相关但不同的物理原理。如通过引用被结合的1976年Philip M.Morse（Morse）“振动和声音（Vibration and Sound）”中所示，在刚性圆柱体周围衍射的声波在在近侧产生不同于远侧上的压力的压力，并且将该压力差与该质点加速度联系起来的等式对其进行了描述：

p_ｆｏrｅ－p_ａｆｔ＝2dρa_ｙ

其中，a_y为y方向声波质点加速度的分量。当声波沿y方向宽边传播到一个无限长圆柱体时，则满足本条件。如上所述，当空气动力形状或流体动力形状应用于该传感器体的前后，以使流经该传感器的声介质的流动成流线型，并且使该传感器体接近声波衍射用的无限长圆柱体模型时，则实际上满足本条件。

通过计算两个安装在一个刚性圆柱体上并且沿y方向以该直径d间距间隔排列的压力传感器104的响应之差可以实现衍射压力梯度传感器，其条件是最大传感器尺寸小于λ_min/20，并且λ_min为有待感应的声音的最短波长。实际上，这些压力传感器104位于该刚性体内的凹口123中，但它们在该圆柱体的外径上的凹口开口处响应该压力。

衍射压力梯度传感器对该声波质点加速度的y轴分量的响应在该DSP806内计算，并由下式得出

a_{y} - a_{by} = \frac{+ p_{3} + p_{7} - p_{1} - p_{5}}{4 ρd}

(式4)

这是用于复合衍射压力梯度传感器的方程式，其中，ρ为该声介质的密度，且d为刚性圆柱体的直径，这些压力传感器安装在该刚性圆柱体上。该响应为该声波质点加速度a_y的y轴分量减去该传感器安装刚性体加速度a_by的y轴分量。这是由于用于定义式4中的加速度和压力差的数据为这些压力传感器声中心的中点。

为获得该声波质点加速度的y轴分量，刚性体运动传感器120的y轴分量与该衍射压力梯度传感器的y轴分量相加：

a_{y} = a_{y} - a_{by} + a_{bmy} = \frac{+ p_{3} + p_{7} - p_{1} - p_{5}}{4 ρd} + a_{bmy}

(式5)

对该声波质点加速度y轴分量的传感器响应精确到范围a_bmy=a_by，例如，该衍射压力梯度传感器和该刚性体运动传感器120的相对精确度。该衍射压力梯度传感器和该刚性体运动传感器的相对精确度在该优选实施例为±0.1%或更高。式5给出的将该衍射压力梯度传感器以及该刚性体运动传感器的输出的y轴分量组合起来的加法可以在该DSP806内进行。

相对于点传感器的流噪声响应，该y轴衍射压力梯度传感器对流噪声的响应被图1中的配置衰减。如前所解释的，对于f_cl＝U_c/0.7L以上的频率，流动噪声被衰减10logf/f_cl。例如，对于一个具有图1所示配置的水声传感器，流速2.5m/s，压力传感器总长度2L100mm，即纵向对齐的压力传感器对104和104’的组合长度，该频率f_cl为29Hz。由于该流动噪声拟压力随机过程在距该特征长度或更长的长度一定距离处是统计上独立的，式5中一些项的负号不改变此结果。

由于被距离d分开的压力传感器的差分，衰减至频率f_cl以下。如Bakewell中所示，该流噪声拟压力随机过程在被ξ分开的两点之间具有一个相关系数

e^{- 0.7 | fξ / U_{c} |} = e^{- f / f_{cξ .}}

对于f_cξ＝U_c/0.7ξ以下的频率，流噪声被衰减-20logf/f_cξ。继续具有图1所示配置的水声传感器的示例，流速2.5m/s，且压力传感器圆周间距l_c78.5mm，该频率f_cξ为36Hz。

类似地，该衍射压力梯度传感器对该声波质点加速度的z轴分量的响应由该DSP计算，并由下式得出

a_{z} - a_{bz} = \frac{+ p_{4} + p_{8} - p_{2} - p_{6}}{4 ρd}

为获得该声波质点加速度的z轴分量，通过将该刚性体运动传感器120的z轴分量与衍射压力梯度传感器的z轴分量相加，该DSP806沿z轴将该声波质点运动加速度与该刚性体的运动组合起来：

a_{z} = a_{z} - a_{bz} + a_{bmz} = \frac{+ p_{4} + p_{8} - p_{2} - p_{6}}{4 ρd} + a_{bmz}

对该声波质点加速度z轴分量的传感器响应精确到范围a_bmz=a_bz，例如，该衍射压力梯度传感器和该刚性体运动传感器120的相对精确度。该衍射压力梯度传感器和该刚性体运动传感器的相对精确度在该优选实施例为±0.1%或更高。

该z轴衍射压力梯度传感器对流噪声的响应被图1中配置衰减至与y轴衍射压力梯度传感器情况相同的程度。

一种流体载声波的四个分量即压力p和三个正交质点运动分量a_x、a_y以及a_z，被精确感应到，并且该传感器对该刚性体传感器的运动没有响应，而且对流经该传感器的声介质的拟压力湍流基本上没有响应。

图13中显示了只使用A–D四个转换器而不是使用图12中八个转换器的包括数据采集信道和数字信号处理的电路的另一种形式。每个压力传感器S1–S8通过前置放大器812都被连接到模拟信号处理器（ASP）810上。该ASP实施图12中的DSP806的信号组合功能中的某些功能，以减少所需的A–D转换器的数量。例如，该ASP810使用模拟电路来形成输出信号p、（a_x–a_bx）、（a_y–a_by）以及（a_z–a_bz）。那些四个模拟输出信号在A–D四个转换器814内被数字化，并且那些数字化后的输出信号816被应用到DSP818上，该DSP818可实施图12中的DSP806实施的其他功能，如实施互关联以动态地保持该频率响应匹配并且组合该压力梯度信号和该刚性体运动信号。该DSP可以在各压力梯度传感器本地处或位于远处。因此，图13中的ASP系统需要比压力传感器更少的A–D转换器。频率响应幅度和相位匹配可被该ASP和DSP设置和保持。此外，后续描述的与传感器相关的其他等式的计算可以由该ASP或DSP实施。

感应一种流体载声波的四个分量所需的压力传感器的最小数量为四个。参见图1的第二种配置，只使用了四个压力传感器S₁、S₃、S₆以及S₈。对声波压力的复合压力传感器响应由下式得出

p = \frac{p_{1} + p_{3} + p_{6} + p_{8}}{4}

为获得该声波质点加速度x轴分量，刚性体运动传感器120的x轴分量与该压力梯度传感器的x轴分量相加：

a_{x} = a_{x} - a_{bx} + a_{bmx} = \frac{+ p_{1} + p_{3} - p_{6} - p_{8}}{2 ρl} + a_{bmx}

为获得该声波质点加速度的y轴分量，刚性体运动传感器120的y轴分量与该压力梯度传感器的y轴分量相加：

a_{y} = a_{y} - a_{by} + a_{bmy} = \frac{+ p_{3} - p_{1}}{2 ρd} + a_{bmy}

为获得该声波质点加速度的z轴分量，刚性体运动传感器120的z轴分量与该压力梯度传感器的z轴分量相加：

a_{z} = a_{z} - a_{bz} + a_{bmz} = \frac{+ p_{8} - p_{6}}{2 ρd} + a_{bmz}

相对于图1中的八个传感器，带最小数量传感器的声波的四个被感应到的分量中每个分量上的流噪声的衰减约少3dB。这是由于存在该复合p和a_x传感器内元件数量的一半，且存在该复合a_y和a_z传感器内元件长度L的一半。

参见图1第三种配置，只使用了压力传感器S₂、S₄、S₅以及S₇。对声波压力的复合压力传感器响应由下式得出

p = \frac{p_{2} + p_{4} + p_{5} + p_{7}}{4}

a_{x} = a_{x} - a_{bx} + a_{bmx} = \frac{+ p_{2} + p_{4} - p_{5} - p_{7}}{2 ρl} + a_{bmx}

a_{y} = a_{y} - a_{by} + a_{bmx} = \frac{+ p_{7} - p_{5}}{2 ρd} + a_{bmy}

a_{z} = a_{z} - a_{bz} + a_{bmz} = \frac{+ p_{4} - p_{2}}{2 ρd} + a_{bmz}

相对于图1中的八个传感器，带最小数量传感器的声波的四个被感应到的分量中每个分量上的流噪声的衰减约少3dB。这是由于存在该复合p和a_x传感器器内元件数量的一半，且存在该复合a_y和a_z传感器元件长度L的一半。

当该压力梯度传感器按图1被安装在刚性安装体102（声波在该刚性安装体102的周围衍射）内时，该压力梯度传感器作为一个衍射压力梯度传感器沿与同轴或x轴方向垂直的y轴和z轴操作。该合成的y和z衍射压力梯度传感器比没有被配置以探测在安装体周围衍射的声波的压力梯度传感器对质点运动更敏感。沿同轴方向，即x轴，该传感器作为一个压力梯度传感器操作，该沿x轴的刚性安装体周围没有声波衍射。通常，一个很长的圆柱体不对沿该圆柱体的轴方向传播的声波的质点运动响应。

如图2–图4所示，该感应少于流体载声波的四个分量的传感器有多种变体。四个压力传感器和两个刚性体运动传感器220、320或420可以用于感应该声波的三个分量，即压力和两个正交质点运动分量。替代性地，只三个压力传感器和两个刚性体运动传感器220、320或420为感应该声波的三个分量所需的最小数量，这三个分量为压力和两个正交质点运动分量。类似地，两个压力传感器和一个刚性体运动传感器220、320或420为感应该声波的两个分量所需的最小数量，这两个分量为压力和一个质点运动分量。该安装体参照了该被感应的质点运动分量的方向。若该传感器的安装体的动态旋转是可能的，相对于图1中的传感器，需要使用一个所述的方向传感器222、322或422的方法，并且所需的压力传感器最小数量为三个或四个。该复合压力传感器p的公式始终为单个组成压力传感器的输出平均值。各个被感应的分量上对流噪声的传感器响应随着各个被感应的分量所用的压力传感器的数量或长度的减少而增加。

相反地，超过八个压力传感器，如12个或16个或更多传感器用于感应一种流体载声波的四个分量，以进一步将对流噪声的传感器响应减小至图1中八个压力传感器配置所能够达到的对流噪声的传感器响应以下。

通过只使用产生p以及a_x、a_y、和a_z中的两个的传感器和等式可以实现图1所示的三分量传感器。通过只使用产生p以及a_x、a_y、和a_z中的任意一个的传感器和等式可以实现图1所示的二分量传感器。

可以实现图2所示的三分量传感器200，其中，传感器S₁、S₃、S₆、以及S₈分别产生压力响应p₁、p₃、p₆、以及p₈，并且用于p、a_y以及a_z的等式适用。具有图2所示配置的水声传感器示例具有一个传感器长度L50mm和一个直径d50mm；在该周长上90°分开的压力传感器之间的间距l_c为39.3mm。相对于图1中的八个传感器配置，带图2中的传感器的声波的三个被感应到的分量中每个分量上的流噪声的衰减约少3dB。这是由于存在该复合p传感器内元件数量的一半，且存在该复合a_y和a_z传感器内元件长度L的一半。通过只使用产生p以及a_y和a_z中的任意一个的传感器和等式可以实现图2所示的二分量传感器。

可以实现图3所示的三分量传感器300，其中，较长的压力传感器S₁、S₃、S₆、以及S₈分别产生压力响应p₁、p₃、p₆、以及p₈，并且用于p、a_y以及a_z的等式适用。具有图3所示配置的水声传感器的示例具有一个传感器长度L100mm和一个直径d50mm；在该周长上90°分开的压力传感器之间的间距l_c为39.3mm。相对于图1中的八个传感器配置，带图3中的传感器的声波的三个被感应到的分量中每个分量上的流噪声的衰减一样。这是由于该元件长度L是两倍的，尽管存在该复合p传感器内元件数量的一半，并且是由于该a_y和a_z传感器内的元件长度L等于图1中纵向对齐的传感器的总长度。通过只使用产生p以及a_y和a_z中的任意一个的传感器和等式可以实现图3所示的二分量传感器。

也可以实现图4所示的三分量传感器400，其中，圆周地以规则的120°间隔而间隔开的压力传感器S₁、S₂以及S₃分别产生压力响应p₁、p₂以及p₃。对声波压力的复合传感器响应由下式得出

p = \frac{p_{1} + p_{2} + p_{3}}{3}

如摩尔斯（Morse）所示，在一个刚性圆柱体周围衍射的声波在该圆柱体的表面上产生一种压力，该压力由近侧上的最大压力变化至远侧上的最小压力，从而产生以下衍射压力梯度等式。

为获得该声波质点加速度的y轴分量，刚性体运动传感器420的y轴分量与该衍射压力梯度传感器的y轴分量相加：

a_{y} = a_{y} - a_{by} + a_{bmy} = \frac{+ p_{2} + p_{3} - p_{1}}{2 ρd} + a_{bmy}

为获得该声波质点加速度的z轴分量，刚性体运动传感器420的z轴分量与该衍射压力梯度传感器的z轴分量相加：

a_{z} = a_{z} - a_{bz} + a_{bmz} = \frac{+ p_{2} - p_{3}}{\sqrt{3} ρd} + a_{bmz}

具有图4所示配置的水声传感器的示例具有一个传感器长度L50mm和一个直径d50mm；在该周长上120°分开的压力传感器之间的间距l_c为53.4mm。相对于图1中的八个传感器配置，带图4中的传感器的声波的三个被感应到的分量中每个分量上的流噪声的衰减约少4.3dB。这是由于存在该复合p传感器内元件数量的八分之三，并且由于存在该复合a_y和a_z传感器内元件长度L的一半，且该圆周间距在该a_y和a_z传感器内减小。

根据应用的要求，该压力梯度传感器和这些组成该质点运动传感器的刚性体运动传感器可以是沿三条正交轴对运动响应的三轴传感器、沿两条正交轴对运动响应的双轴传感器或者是沿一条单轴对运动响应的单轴传感器。

图5为展示感应方法500的流程图。该感应方法500包括在502处采集声压信号、在504处采集传感器体运动信号、在506处组合压力信号和体运动信号以及在508处产生该声波的被感应分量。

为实施该感应方法500，在502处来自压力传感器S₁–S₈的少至两个、多达八个或更多声压信号p₁–p₈被采集。通过数据采集信道可以在502处实现压力信号采集，每个信道由一个压力传感器、其适调放大器和其相对应的数据采集装置组成，产生输出p₁–p₈的其中一个，如在图12或图13中的电路内。在504处，来自与120或220或320或420相对应的运动传感器的少至一个到多达三个传感器体运动信号a_bmx、a_bmy以及a_bmz被采集。通过数据采集信道可以在504处实现运动信号采集，每个信道由一个压力传感器、其适调放大器和其相对应的数据采集装置组成，产生输出a_bmx、a_bmy以及a_bmz的其中一个。在506处，可以实施测量这些数据采集信道间的频率响应振幅和相位的匹配的任选步骤。任选地将对应的振幅和相位校正应用到各声压数据采集信道中使这些信道p₁–p₈相互间匹配优于±0.1%并与该复合压力响应p相匹配。通过进行先前给出的等式所述的运算可以实现在506处组合体运动信号和压力信号。在508处，产生一种流体载声波的最多四个分量，即压力和一至三个正交质点运动分量a_x、a_y、以及a_z。在508处的结果对该刚性体传感器安装的运动没有响应，并且对流经该传感器的声介质的拟压力湍流基本没有响应。

尽管参照该传感器100、200、300或400进行了描述，但使用本领域内与所描述的硬件等效的硬件可以实施该方法500。此外，使用硬件、软件或硬件和软件的组合可以实施该方法500。例如，如参考图6进行的附加详细描述，通过按照一套计算机可读指令进行处理的数据处理设备的处理器，可以整个或部分实施该感应方法500。

在使用实施计算机可读指令的数据处理设备的实施例中，这些计算机可读指令被存储在一个计算机可读存储介质内，这样，当处理器实施这些指令时，配置并命令该处理器或该处理设备实施该传感器100、200、300或400的特征和该方法500。该计算机可读存储介质的非限制示例包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、光盘（CD或DVD）以及磁存储介质。

图6展示了一个数据处理设备实施例600。该数据处理设备600包括一条系统总线602、一个处理器604、一个RAM606、一个ROM608和一个数据输入/输出接口610以及一个计算机可读数据存储介质装置（DSM）611。在某些实施例中，该数据处理设备包括一个模数转换器（ADC）612和一个数模转换器（DAC）614。

操作中，计算机可读程序指令从该RAM606、ROM608以及其他存储介质（未展示）中至少一个被加载到该处理器604内用于实施。当被该处理器604实施时，这些计算机可读程序指令配置并命令该处理器604实施该传感器100、200、300或400的特征和该方法500。这构成了一种用于组合第一传感器输出信号和第二传感器输出信号的装置、一种用于匹配这些声波压力传感器频率响应的幅度和相位的装置、一种用于计算各声波压力传感器之间的互关联的装置以及一种用于减去这些压力传感器的匹配频率响应的装置。此外，为便于通过该数据处理设备实施该感应方法500，使用该ADC612可以转换被感应的信号，如此一来，该处理器604能够在这些被感应信号的数字拷贝上操作。例如，这些声压信号、压力梯度信号、刚性体运动信号、运动传感器信号的数字拷贝以及该声波的被计算的分量可以作为一种传感器数据通过数据存储装置611存储在一件计算机可读数据存储介质上，以便另一个处理器进行离线或远程处理。进一步地，伴随该数据处理设备进行该感应方法500的过程，被感应的信号可以被该DAC614转换成模拟感应信号，以备将来使用。

该处理器604可以包括一个通用中央处理单元（CPU）、一个数字信号处理器（DSP）、一个现场可编程门阵列（FPGA），或一个专用集成电路（ASIC）。

图7–图11和图14显示了以各种方式部署的质点运动传感器100。图7中，显示了该传感器100和其刚性安装体被包在一根水下电缆702内，如一根海底电缆或一根拖拽拖缆。

图8中，显示了该传感器100被封装在一个电缆定位装置的本体内，如一个电缆找平或电缆转向鸟704，该装置可以通过锟环708旋转地附装到一根拖拽拖缆706上。

图9和图10也显示了被封装在电缆转向装置710和712内的传感器。两个装置都为连接在拖缆段714和716前后之间的同轴装置。图9中，该传感器100被封装在该鸟的主体718内。图10中，该传感器被封装在该鸟的操纵片或翼720的其中之一内。该传感器的刚性安装体可以形成该鸟结构的一部分或为单独形成的接入该鸟的空腔内的块。图11中，显示传感器100通过附装件如条带724或锟环沿该绳的长度在隔开位置处被附装到一根拖绳722或电缆上。本类型用一根更加便宜得多的绳索如一根直径3.5英尺的绳索代替一根充分仪表化的拖缆。在所有这些类型中，该传感器和其刚性安装体被直接或间接机械地耦接到该水下电缆。图14中，显示了该传感器730被部署在一个自主记录装置内，本示例中显示了在一种水下运载车（UAV）732内。该传感器测量一种声平面波的压力和质点运动响应并将该声平面波与该自主记录装置的动态运动分开。该自主记录器可以具有自主记录特征，如由美国德克萨斯州休斯敦的费尔菲尔德节点制造的费尔菲尔德Z700节点中提供的多个电池、一个稳定时钟和存储器。例如，该UAV可以是挪威康斯贝格的康斯贝格海事制造的Hugin1000，或者是美国马塞诸塞州东法尔茅斯Teledyne Webb研究制造的Hugin自主式水下滑翔机。该系统自由漂浮在水中时使用重影陷波和装置运动阻碍提供了压力波自主测量。该传感器的刚性体734可以形成该UAV的车身的一部分或者是安装在该UAV的一个空腔内的单独体。该UAV和图7–图10中的鸟以及图11中的传感器也可以包括一个用于记录所测得和计算的传感器信号的数据处理系统736和计算机可读数据存储介质738。

尽管参照一个单一类型的变化详细描述了本发明，但是其他类型是可能的。例如，可在后处理中实时或离线进行单个声压和运动测量的调节和缩放以及所述的所有其他计算。这可以包括通过该声阻抗对声质点运动测量的缩放。也可包括信号的区分或集成，如此以来它们可以被光谱地匹配。例如，组合水听器和质点运动传感器的方法可通过pz-求和来完成，如所述，或通过正在使用或研究的降低多次波或重影陷波效应的任何其他方式来完成。因此，如这些少数示例所显示，详细描述的类型旨在帮助举例说明且不限制本发明。

Claims

1.一种水下声波质点运动传感器，包括：

一个具有外围的刚性体，一种水下声波在该外围周围衍射；

一个衍射压力梯度声波质点运动传感器，该衍射压力梯度声波质点运动传感器耦接至该刚性体以感应该衍射的声波并进一步产生一个第一传感器输出信号，该第一传感器输出信号对声波质点运动和刚性体运动进行响应；以及

一个附装到该刚性体上的刚性体运动传感器，该刚性体运动传感器产生一个第二传感器输出信号，该第二传感器输出信号几乎与刚性体运动完全相对应。

2.如权利要求1所述的水下声波质点运动传感器，进一步包括用于组合该第一和第二传感器输出信号以产生一个对不包括刚性体运动在内的声波质点运动的响应的装置。

3.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器包括多个压力传感器，该多个压力传感器具有大于湍流形成的湍流漩涡的特征长度的长度，以便对流经该水下声波质点运动传感器的湍流的拟压力没有响应。

4.如权利要求1或2所述的水下声波质点运动传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器包括：

多个安装在该刚性体内的声波压力传感器，这些声波压力传感器具有单个频率响应；以及

用于组合这些单个频率响应以产生该第一传感器输出信号的装置；

其中，这些声波压力传感器的单个频率响应在一个操作频率范围上匹配，以将该第一传感器输出信号内对声波压力的响应衰减至对声波质点运动的响应以下。

5.如权利要求4所述的水下声波质点运动传感器，其中，这些声波压力传感器的单个频率响应的幅度和相位在该操作频率范围上匹配至±0.1%以内。

6.如权利要求4所述的水下声波质点运动传感器，其中，用于组合这些单个频率响应的装置减去这些声波压力传感器对的频率响应，以便为各传感器对产生一种差分频率响应以产生该第一传感器输出信号。

7.如权利要求1所述的水下声波质点运动传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器包括：

多个声波压力传感器，每个传感器产生一个单个压力传感器信号；

用于计算各单个压力传感器信号与一个表示这些单个压力传感器信号之和的复合压力信号之间的互关联的装置，以推导要应用至各单个压力传感器信号上的幅度和相位校正。

8.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性体具有一个中心纵轴且声波在该外围周围衍射，并且其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器作为一个压力梯度传感器沿该中心纵轴操作且作为一个双轴衍射压力梯度传感器沿两根与该中心纵轴正交的正交轴操作。

9.如权利要求1或2所述的水下声波质点运动传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器包括多个成对安排、纵向对齐、在该刚性体的外围周围圆周地间隔开的声波压力传感器。

10.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器和该刚性体运动传感器为沿一个或多个正交轴对运动有响应的三轴传感器。

11.如权利要求1或2所述的水下声波质点运动传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器包括多个位于该刚性体的外围周围规则隔开位置处的声波压力传感器。

12.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性体包括一个用于接收与该衍射的声波隔离的刚性体运动传感器的空腔。

13.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性体运动传感器具有一种包括用于感应重力的直流的频率响应。

14.以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，进一步包括一个与该刚性体运动传感器协同定位的方向传感器。

15.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性体被安置在一个自主水下记录装置内。

16.如以上任一权利要求所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性体被安置在一个在水中行进的自主水下运载车内。

17.如权利要求1所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性体通常为圆柱形，带有一个外部外围和一个中心纵轴以及多个位于圆周地间隔位置处的向该外部外围开放的凹口，该衍射压力梯度声波质点运动传感器进一步包括多个声波压力传感器，每个声波压力传感器位于这些凹口的其中一个凹口内。

18.如权利要求19所述的水下声波质点运动传感器，其中，这些凹口在该外围周围等距地间隔开。

19.如权利要求19所述的水下声波质点运动传感器，其中，这些凹口被纵向间隔成对安排。

20.一种水下传感器系统，包括一根水下电缆和耦接到该水下电缆的如权利要求1-14和17-19中任意一项所述的一个声波质点运动传感器。

21.如权利要求20所述的水下传感器系统，其中，该水下声波质点运动传感器包括用于组合该第一和第二传感器输出信号以产生一种对不包括刚性体运动在内的声波质点运动的响应的装置，其中用于组合的装置远离该刚性体。

22.如权利要求20所述的水下传感器系统，其中，该刚性体被封装在该水下电缆内。

23.如权利要求20所述的水下传感器系统，进一步包括一个附装到该水下电缆上的外部装置，并且其中，该刚性体被安置在该外部装置内。

24.如权利要求23所述的水下传感器系统，其中，该水下电缆为一根拖拽拖缆，并且该外部装置为一个电缆定位装置。

25.如权利要求20所述的水下传感器系统，其中，该水下电缆为一根拖拽拖缆并且进一步包括一个电缆定位装置，该电缆定位装置附装到该拖拽拖缆上并且具有一个操纵片，其中该压力梯度声波质点运动传感器被安置在该操纵片内。

26.如权利要求20所述的水下传感器系统，其中，该水下电缆为一根拖绳或电缆并且进一步包括将该刚形体附装到该拖绳或电缆上的位于沿该拖绳或电缆的长度的间隔位置处的多个附装件。

27.一种水下衍射压力梯度传感器，包括：

一个刚性体，该刚性体具有一个围绕一根中心纵轴的外围和第一组圆周地该外围周围间隔开并向该外围开放的凹口以及第二组圆周地在该外围周围间隔开并纵向偏移于该第一组凹口的凹口；

多个压力传感器，每个压力传感器位于该第一组和第二组凹口中的其中一个凹口内；

其中，该刚性体衍射该刚性体的外围周围的水下声波。

28.如权利要求27所述的水下衍射压力梯度传感器，其中，该刚性体具有一个圆柱形外围。

29.如权利要求27或28所述的水下衍射压力梯度传感器，其中，这些凹口和压力传感器沿该纵轴方向被拉长。

30.如权利要求27-29所述的水下衍射压力梯度传感器，其中，这些凹口圆周状该外围周围圆周地等距间隔开。

31.如权利要求27-30中任意一项所述的水下衍射压力梯度传感器，其中，该刚性体进一步包括一个用于接收耦接至该刚性体的运动传感器的内部空腔。

32.如权利要求27-31中任意一项所述的水下衍射压力梯度传感器，其中，该刚性体进一步包括多条用于接收一根拖拽电缆的通道。

33.如权利要求27-32中任意一项所述的水下衍射压力梯度传感器，其中，这些声波在该刚性体周围衍射，并且这些压力传感器被安排作为压力梯度传感器沿该中心纵轴操作且作为双轴衍射压力梯度传感器沿两根与该中心纵轴正交的正交轴操作。

34.一种用于确定对流体介质内的声波的响应的方法，该方法包括：

采集来自安装在一个刚性体的外围处的多个压力传感器的声压信号并在该外围周围衍射声波，该刚性体被安置在一种流体介质内；

从这些声压信号产生压力梯度信号，包括对声波的响应、由该刚性体的运动引起的响应、和由流经该刚性体内的压力传感器的流体介质的流动引起的响应；

用一个耦接至该刚性体的运动传感器采集刚性体运动信号；

产生运动传感器信号，包括由该刚性体的运动引起的响应和由流经该运动传感器的流体介质的流动引起的响应；以及

组合该压力梯度和运动传感器信号以产生一个输出信号，该输出信号包括对声波的响应并基本独立于与该刚性体的运动相对应的或与流经该压力和运动传感器的流体介质的流动相对应的信号。

35.如权利要求34所述的方法，进一步包括在一个操作频率范围上匹配这些压力传感器的频率响应的幅度和相位。

36.如权利要求34或35所述的方法，进一步包括：

计算各声压信号和一个表示所有压力传感器的声压信号之和的复合压力信号之间的互关联；

从这些互关联推导幅度和相位校正；以及

将这些幅度和相位校正应用到这些声压信号上。

37.一种计算机可读数据存储介质，存储表示根据权利要求34-36中任意一项所述的方法采集或产生的声压信号、压力梯度信号、刚性体运动信号、运动传感器信号以及输出信号中的至少一种信号。

38.一种存储计算机可读指令的计算机可读存储介质，当这些指令被一个处理器实施时，实施如权利要求34-36中任意一项所述的方法。

39.一种水下传感器，包括：

一个压力梯度声波质点运动传感器，该压力梯度声波质点运动传感器包括多个被安置在固定相对位置处的声波压力传感器，这些声波压力传感器具有被组合以产生一个压力梯度频率响应的单个频率响应，

其中，这些声波压力传感器的单独频率响应在一个操作频率范围上匹配足够密切，以便将对声波压力的压力梯度频率响应衰减至对声波质点运动的压力梯度频率响应以下。

40.如权利要求39所述的水下传感器，其中，这些声波压力传感器由同一批次压电材料制造。

41.如权利要求39所述的水下传感器，进一步包括将这些声波压力传感器的输出信号的幅度和相位调节至±0.1%以内的电路。

42.如权利要求39所述的水下传感器，进一步包括一个刚性体，该刚性体衍射一种水下声波并在该刚性体的外围周围的固定相对位置处具有多个凹口，其中，这些声波压力传感器被安装在这些凹口内以便形成一个衍射压力梯度声波质点运动传感器。

43.如权利要求42所述的水下传感器，其中，这些声波压力传感器和这些凹口的尺寸保持±0.1%或更小的公差。

44.如权利要求39-43中任意一项所述的水下传感器，进一步包括一个安装在该刚性体内的刚性体运动传感器。

45.如权利要求44所述的水下传感器，其中，该刚性体被安置在一个电缆定位装置中，该电缆定位装置耦接至一根水下电缆。

46.如权利要求44所述的水下传感器，其中，该刚性体被安置在一个自主水下记录装置内。

47.如权利要求44-46中任意一项所述的水下传感器，其中，该衍射压力梯度声波质点运动传感器产生对声波质点运动和刚性体运动进行响应的一个第一传感器输出信号，并且其中，该刚性体运动传感器产生只对刚性体运动进行响应的一个第二传感器输出信号，并且其中，该第一和第二信号被组合以产生一个不包括刚性体运动在内的声波质点运动的响应。

48.一种水下传感器系统，包括一根水下电缆以及耦接至该水下电缆的如权利要求39-44中任意一项所述的水下传感器。

49.如权利要求39所述的水下传感器系统，进一步包括多个数据采集信道，每个数据采集信道与这些声波压力传感器的其中一个相关联，其中，每个数据采集信道包括一个提供数字化压力信号的模数转换器。

50.如权利要求49所述的水下传感器，进一步包括一个数字信号处理器，该数字信号处理器接收来自这些模数转换器的数字化压力信号。

51.一种水下传感器，包括：

一个刚性安装体，该刚性安装体具有一个外部外围和多个位于规则间隔位置处并向该外围开放的凹口；

多个压力传感器，这些压力传感器被接收进这些位于规则间隔位置处的凹口内以便形成一个压力梯度传感器，其中，这些压力传感器频率响应的幅度和相位在一个操作频率范围上匹配。

52.如权利要求51所述的水下传感器，其中，该刚性安装体为圆柱形，带有一根中心纵轴。

53.如权利要求51或52所述的水下传感器，其中，这些凹口纵向间隔成对安排在该外围周围。

54.如权利要求51-53中任意一项所述的水下传感器，其中，这些凹口在该外围周围等距地间隔开。

55.如权利要求51-54中任意一项所述的水下传感器，进一步包括一个刚性体运动传感器，并且其中，该刚性安装体包括一个接收该刚性体运动传感器的空腔。

56.如权利要求51-55中任意一项所述的水下传感器，其中，该刚性安装体被安置在一个电缆定位装置内，该电缆定位装置耦接至一根水下电缆。

57.如权利要求51-55中任意一项所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性安装体被安置在一个自主水下记录装置内。

58.如权利要求51-55中任意一项所述的水下声波质点运动传感器，其中，该刚性安装体被安置在一个在水中行进的自主水下运载车内。

59.一种用于制作具有质点运动传感器的性能能力的水下压力梯度声波传感器的方法，该方法包括：

采集来自附装到位于间隔分开位置处的刚性体内的第一和第二声波压力传感器的第一和第二压力信号；

从该第一和第二压力信号的差产生一个压力梯度信号；以及

在一个操作频率范围上匹配该第一和第二压力信号的频率响应以将该压力梯度信号内对声波压力的响应衰减至对声波质点运动的响应以下。

60.如权利要求59所述的方法，包括通过用同一批次压电材料制作该第一和第二声波压力传感器来匹配这些频率响应。

61.如权利要求59所述的方法，包括通过使用电路将该第一和第二声波压力传感器的第一和第二压力信号的幅度和相位调节至±0.1%以内来匹配这些频率响应。

62.如权利要求59所述的方法，包括通过将该第一和第二声波压力传感器以及这些间隔分开位置的尺寸保持在±0.1%或更小的公差来匹配这些频率响应。

63.如权利要求59-62中任意一项所述的方法，包括：

计算第一和第二压力信号各自与一个表示第一和第二压力信号之和的复合压力信号之间的互关联；

从该第一和第二互关联推导第一和第二幅度和相位校正；以及

将该第一和第二幅度和相位校正应用到该第一和第二压力信号以保持该第一和第二声波压力传感器频率响应的幅度和相位匹配。