CN104990994A - 基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，测量声速时，先记录无沙样品时声波仅透过玻璃缸的接收信号，再将声源和水听器移动至较厚沙样品一侧，记录对应的接收信号。测量衰减系数时，先后记录透过两个不同厚度沙样品的接收信号。上述测量中，每一状态下的接收信号进行至少30次采集，并对声速和衰减系数的测量结果进行统计分析，以均值±标准差确定的置信区间作为最终的测量结果。本发明的方法通过一次测量即可获得测量频带内沉积物中的声速频散和衰减随频率的变化关系，为实现声速和衰减的快速获取提供了一种新的思路。

Description

基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法

技术领域

本发明涉及一种小尺度空间内对海底沉积物样品声学参数进行测量的方法，具体涉及一种基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法。

背景技术

在诸如水箱等非消声小尺度空间内进行实验测量时，除了我们希望得到的声源直达波或目标反射波外，往往会伴有很强的多途干扰，包括来自水面、箱底和箱壁的反射波或散射波，并且实验水箱越小或发射脉冲长度越长多途叠加越严重。因此，在非消声小尺度空间内对沉积物样品中声速和衰减进行测量时，传统的测量方法是采用脉冲声技术，以期望直达波和其它多途信号在时域上不发生混叠。此外，传统的测量方法往往属于窄带测量，采用CW脉冲作为发射信号，每次测量结果仅代表发射信号中心频率下的测量值，而为了获得某一测量频带内的测量结果，则需要进行多次测量。

目前，脉冲压缩技术被广泛应用于雷达系统中，用以解决探测距离与距离分辨率之间的矛盾，本发明将此技术引入到水声实验测量中，用于沉积物样品中声速和衰减的宽带测量。

发明内容

本发明旨在提出一种基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，该方法能够在非消声小尺度空间内(如水箱)实现沉积物样品中声速和衰减的宽带测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，包括以下步骤：

1)生成长线性调频脉冲并发射；

2)采集无沉积物样品时的接收信号y₁；

3)将声源和水听器移动至较厚沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y₂；

4)将声源和水听器移动至较薄沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y₃；

5)对接收信号y₁、y₂和y₃分别进行脉冲压缩，在压缩域内截取直达波相关峰，从多途干扰中分别还原出相应的直达波，其频谱分别为Y₁、Y₂和Y₃；

6)声速的计算：根据步骤5)中Y₂和Y₃的相位谱差值计算声速，其计算公式如下所示：

$c_p=c_w{(1+\frac{c_w\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\ωd}}_2})}^{-1}$

其中，c_p代表沉积物样品中的声速，c_w代表水中的声速，Δφ为Y₂和Y₃的相位谱差值，d₂为较厚样品的厚度，ω为声波角频率；

7)衰减系数的计算：根据步骤5)中Y₂和Y₃的幅度谱之比计算衰减系数，其计算公式如下所示：

${\mathrm{\α}}_p=-\frac{20\lg e}{\mathrm{\Δ}d}ln\[\frac{D_1}{D_2}\left|H_r\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|\]$

其中，α_p代表沉积物样品的衰减系数，Δd为较厚和较薄样品的厚度差，|H_r(jω)|表示Y₂和Y₃的幅度谱之比，D₁和D₂分别为较薄样品和较厚样品的水-沉积物界面透射系数。

优选地，所述步骤1)中的发射信号采用Blackman窗进行幅度调制。

优选地，所述步骤2)-7)至少进行30次，以所有声速和衰减系数计算结果的均值±标准差确定的置信区间作为声速和衰减系数的测量结果。

本发明的基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，采用脉冲压缩技术对接收信号进行压缩，根据压缩信号包络从含有多途干扰的信号中提取并还原直达波，继而根据有无样品时直达波相位谱差值计算声速，根据不同厚度样品时直达波幅度谱之比计算衰减系数，通过一次测量即可获得测量频带内沉积物中的声速频散和衰减随频率的变化关系，为实现声速和衰减的快速获取提供了一种新的思路。

附图说明

图1为信号处理流程图；

图2为经脉冲压缩后的信号包络(未加窗处理)；

图中：1-直达波，2-邻近多途；

图3为从叠加信号中分离出直达波的时域波形(未加窗处理)；

图中：1-叠加信号，2-分离并还原出的直达波；

图4为直达波还原后与原始信号幅度谱之比(未加窗处理)；

图5为直达波还原后与原始信号相位差(未加窗处理)；

图6为经脉冲压缩后的信号包络(加窗处理)；

图中：1-直达波，2-邻近多途；

图7为直达波还原后与原始信号幅度谱之比(加窗处理)；

图8为直达波还原后与原始信号相位差(加窗处理)；

图9为有无样品时经脉冲压缩后的信号包络；

图中：1-无样品时的直达波，2-有样品时的直达波，3-邻近多途；

图10从叠加信号中分离出直达波(无样品时)；

图中：1-叠加信号，2-分离并还原出的直达波；

图11从叠加信号中分离出直达波(有样品时)；

图中：1-叠加信号；2-分离并还原出的直达波；

图12为声速的仿真计算结果；

图中：1-仿真设定值，2-计算值；

图13为衰减系数的仿真计算结果；

图中：1-仿真设定值，2-计算值；

图14为声速测量实验布放示意图；

图中：1-声源，2-水听器，3-玻璃缸，4-较厚的样品，5-滑动架；

图15为衰减系数测量实验布放示意图；

图中：1-声源，2-水听器，3-较薄的样品，4-较厚的样品，5-滑动架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明：

本发明的测量方法采用一个包括玻璃水箱、两只大小相同而高度不同的玻璃缸、水平支架、滑动架、信号发生器、功率放大器、声源、水听器、滤波器、PCI采集卡和计算机的测量系统。

信号发生器发出的电信号经功率放大器放大后加载至声源，声源将电信号转换为声信号，声波穿过沉积物样品后被水听器接收，并转换为电信号，电信号经测量放大器放大和滤波器滤波后，通过PCI采集卡采集并存储于PC机中，以待进行后续的信号处理，处理后最终给出声速和衰减系数的测量结果。

本发明实现沉积物样品中声速和衰减的宽带测量是基于脉冲压缩技术实现的。本发明中提到的脉冲压缩是相对于接收信号而言的，即根据发射脉冲信号(测量过程中指的是信号源发出的电信号)构造匹配滤波器对接收信号进行匹配滤波来实现的，可以提取并还原去除多途干扰后的直达波或反射波信号，具体的信号处理流程如图1所示。

匹配滤波器的传输函数形式为

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{CS}}_0^{*}\left(j\mathrm{\ω}\right)e^{-{\mathrm{j\ωt}}_0}---\left(1\right)$

其中，C为一任意常数，S₀(jω)为发射信号的频谱，*代表取共轭，t₀代表时延，ω表示角频率。根据发射脉冲信号的频谱构造滤波器(压缩)，滤波器的频率响应为发射信号归一化频谱的共轭，然后使接收信号通过该滤波器，信道传输加之构造的滤波器(压缩)恰好相当于一个匹配滤波器(或相当于进行拷贝相关处理)，因此，如果发射信号为宽带脉冲信号，则接收信号在时域上就会得到很大程度的压缩，再取出压缩后的信号包络(希尔伯特变换的模值)，就可以很容易地分辨出直达波、反射波或其它多途信号，最后根据压缩后的接收信号包络提取出我们所需要的部分并进行还原(通过频率响应为发射信号归一化频谱的滤波器)。

为了说明利用脉冲压缩技术从多途中提取并还原直达波的过程，进行如下的数值仿真：构造两个线性调频信号，幅度分别为1和0.5，对应的声程分别为1m和1.5m，用于模拟直达波及其临近的多途。下限频率和上限频率为90kHz和130kHz，两者的脉冲宽度均为20ms，最后将它们叠加在一起。假设水体中的声速为1500m/s，根据图1的处理流程可以得到如图2-图5所示的结果。从图2中可以看到，压缩后的信号包络存在一个主瓣和多个旁瓣。通常将脉冲宽度τ和信号带宽B的乘积称为“时间带宽积”或脉冲压缩比(PCR)，则压缩后的主瓣宽度为

${\mathrm{\τ}}_c=\frac{\mathrm{\τ}}{PCR}---\left(2\right)$

而旁瓣宽度等于主瓣宽度的一半。由此可以看出，增大信号带宽能够获得更好的压缩效果，使主瓣和旁瓣变得更窄，而增大脉冲长度可以进一步增加发射信号的能量，提高压缩后信号的信噪比。因此，在实际测量过程中，要综合考虑声源的实际工作性能和希望得到的压缩效果来对发射信号的脉冲宽度与信号带宽进行选择。在对压缩后的信号进行截取的过程中，考虑的旁瓣个数越多结果越准确，但还要视实际测量过程中能够分辨出的旁瓣数目而定。然而，考虑进来的旁瓣个数总是有限的，截取过程中不可避免地会使部分旁瓣中蕴含的信息丢失，导致还原后的信号无论在时域上还是频域上都存在一定的失真，如图3、图4和图5所示。具体来讲，时域信号幅度不平坦，幅度本应为零的部分存在明显的毛刺；还原后的信号与原始信号幅度谱之比不为1，相位差不为零，特别是幅度谱之比在所考虑频带内存在明显的起伏，说明还原后的信号失真较大。

为了使还原后信号的失真进一步减小，则可以对发射矩形脉冲加窗处理进行幅度调制，达到尽量压低旁瓣的目的，这样截取过程中不用再考虑旁瓣的影响，不过是以增大主瓣宽度为代价的(时延分辨率降低)。采用Blackman窗处理后的仿真结果如图6-图8所示。此时，提取并还原后的直达波与原始信号相比，所考虑频带内存在明显失真的范围更小。因此，采用Blackman窗对发射信号进行幅度调制，只要发射信号的带宽足够宽，具有足够高的时延分辨率，压缩后的信号在时域上能够分开，就可以保证对直达波进行较小失真的还原，这为声速和衰减的宽带测量奠定了基础。

当声波透过厚度为d₁＝x₂-x₁的样品时，设x₁处的声压为p(x₁,ω)，则从频域的角度来看(忽略时间因子e^-jωt，平面波假设)，x₂处接收到的声压可以表示为

$\begin{array}{c}p(x_2,\mathrm{\ω})=D_{1}p(x_1,\mathrm{\ω})e^{jk\left(\mathrm{\ω}\right)d_1}=D_{1}p(x_1,\mathrm{\ω})e^{j\[\mathrm{\β}\left(\mathrm{\ω}\right)+j\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\]d_1}\\ =D_{1}p(x_1,\mathrm{\ω})e^{-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)d_1}\exp \left(j\mathrm{\β}\right(\mathrm{\ω})d_1)\end{array}---\left(3\right)$

其中，k(ω)为样品中的复波数，它的实部β(ω)＝ω/c_p(ω)，虚部α(ω)表示以Np/m为单位的衰减系数，c_p(ω)代表样品中压缩波相速度，D₁表示水-沉积物样品界面的透射系数。如果将此厚度为d₁的样品看作一个系统，其传输函数可以表示为

$H_{s1}\left(j\mathrm{\ω}\right)=D_1{e}^{-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)d_1}\exp \left(j\mathrm{\β}\right(\mathrm{\ω})d_1)---\left(4\right)$

假设声源和水听器的距离为l，忽略水体中的声速频散和衰减，当水体中的声速为c_w时，则水体中的传输函数可以表示为

H_w1(jω)＝exp(jω(l-d₁)/c_w)    (5)

保持声源和水听器的距离不变，更换厚度为d₂(d₂＞d₁)的样品，同理可以有

$H_{s2}\left(j\mathrm{\ω}\right)=D_2{e}^{-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)d_2}\exp \left(j\mathrm{\β}\right(\mathrm{\ω})d_2)---\left(6\right)$

H_w2(jω)＝exp(jω(l-d₂)/c_w)    (7)

则接收信号频谱之比为

$\begin{array}{c}{H}_r\left(j\mathrm{\ω}\right)=\[H_{w2}\left(j\mathrm{\ω}\right)/H_{s2}\left(j\mathrm{\ω}\right)\]/\[H_{w1}\left(j\mathrm{\ω}\right)H_{s1}\left(j\mathrm{\ω}\right)\]\\ =\frac{D_2}{D_1}{e}^{-\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δ}d}\exp \{j\[\mathrm{\β}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δ}d-\mathrm{\ω}\mathrm{\Δ}d/c_w\]\}\end{array}---\left(8\right)$

其中，Δd＝d₂-d₁。令Δφ＝β(ω)Δd-ωΔd/c_w，经过简单的代数运算后可以得到样品中的声速和衰减系数分别为

$c_p=c_w{(1+\frac{c_w\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{\mathrm{\ω}\mathrm{\Δ}d})}^{-1}---\left(9\right)$

${\mathrm{\α}}_p=-\frac{20\lg e}{\mathrm{\Δ}d}ln\[\frac{D_1}{D_2}\left|H_r\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|\]---\left(10\right)$

这样，沉积物中的声速根据接收信号的相位差Δφ计算，衰减根据接收信号的幅度谱之比|H_r(jω)|计算。

为了验证宽带测量方法能够用于测量声速和衰减，进行如下的数值仿真：假设声波透过厚度为Δd＝0.10m的样品，样品中的声速与频率成弱对数关系，衰减系数与频率成线性关系

c_p＝1700+30lg[1+10(f-f_min)/(f_max-f_min)],f_min≤f≤f_max    (11)

${\mathrm{\α}}_p=-20\lg \[0.5\·{10}^{0.2(f_{max}-f)/(f_{max}-f_{min})}\]/\mathrm{\Δ}d,f_{\min }\≤f\≤f_{max}---\left(12\right)$

其中，f为声波的频率，f_min和f_max分别表示线性调频脉冲扫描频率的下限和上限，这里取50kHz和190kHz。如果用S₀(jω)表示发射信号，则接收信号可以写为

$Y\left(j\mathrm{\ω}\right)={10}^{-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\Δ}d/20}\exp (-i2\mathrm{\π}f\mathrm{\Δ}d/c_p)S_0\left(j\mathrm{\ω}\right)---\left(13\right)$

假设水体中的声速c_w＝1500m/s，声源与水听器相距1m，邻近多途与水听器的距离为1.2m，根据图1的处理流程分别对有无样品时的接收信号进行提取和还原，再根据(9)式和(10)式进行计算，结果如图9-图13所示(在不考虑透射损失的情况下，相当于透过不同厚度样品的接收信号之比)。由此可以看出，对于仿真算例，在频散不显著的情况下(压缩后的信号包络没有明显的畸变)，该方法除频带边缘存在较大偏差外，能够准确计算出样品中的声速和衰减。

测量设备布放情况如图14和图15所示，测量中采用的玻璃水箱的尺寸为1.2m×1m×1m，水箱内水深约82cm，水温23.6℃，由此计算得到水体中的声速为1492.87m/s。两只大小相同而高度不同的玻璃缸(长0.34m，宽0.34m，厚4.6mm)固定于水平支架上，镂空部分大小约为0.3m×0.3m。利用二十分度游标卡尺测得两只玻璃缸的内高分别为9.980cm和19.970cm。沙样品充满于玻璃缸内(煮后沉积22天，待测得的沙样品中声速和衰减基本稳定后进行正式测量)，并沿玻璃缸四周将沙表面刮平，这样沙样品的厚度便已知。对沙样品厚度的选择应注意：(1)沙样品应具备数倍于波长的厚度，使得声波能够在样品中建立起稳定的传播，频散特性能够充分表现出来；(2)直接透射波(即直达波)和经沙样品上表面反射后的透射波经脉冲压缩后不混叠，这样通过比较不同厚度沙样品的透射波，可以抵消沙-水界面(而非介质层)的透射损失。声源和水听器(B&K8105)相互对正，两者之间的连线垂直于沙样品表面，并固定于可自由滑动的框架上。声源距沙面的距离为8cm，声源与水听器相距49.1cm，水听器距大水箱底30cm，距滑动框架上表面19.5cm，距玻璃缸缸底21cm。布放时各几何参数选取的原则是，尽可能保证经脉冲压缩后的直达波与多途在时域上不发生混叠。这里需重点关注的多途包括：经声源辐射面反射后的透射波、经沙样品上表面反射后的透射波、玻璃缸底反射波以及滑动架上表面反射波。

测量时包括以下步骤：

1)生成长线性调频脉冲并发射；

2)采集无沉积物样品时的接收信号y₁；

3)将声源和水听器移动至较厚沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y₂；

4)将声源和水听器移动至较薄沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y₃；

5)对接收信号y₁、y₂和y₃分别进行脉冲压缩，在压缩域内截取直达波相关峰，从多途干扰中分别还原出相应的直达波，其频谱分别为Y₁、Y₂和Y₃；

6)声速的计算：根据步骤5)中Y₂和Y₃的相位谱差值计算声速，其计算公式如下所示：

$c_p=c_w{(1+\frac{c_w\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\ωd}}_2})}^{-1}$

其中，c_p代表沉积物样品中的声速，c_w代表水中的声速，Δφ为Y₂和Y₃的相位谱差值，d₂为较厚样品的厚度，ω为声波角频率；

7)衰减系数的计算：根据步骤5)中Y₂和Y₃的幅度谱之比计算衰减系数，其计算公式如下所示：

${\mathrm{\α}}_p=-\frac{20\lg e}{\mathrm{\Δ}d}ln\[\frac{D_1}{D_2}\left|H_r\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|\]$

其中，α_p代表沉积物样品的衰减系数，Δd为较厚和较薄样品的厚度差，|H_r(jω)|表示Y₂和Y₃的幅度谱之比，D₁和D₂分别为较薄样品和较厚样品的水-沉积物界面透射系数。

其中，所述步骤1)中的发射信号采用Blackman窗进行幅度调制。

其中，所述步骤2)-7)至少进行30次，以所有声速和衰减系数计算结果的均值±标准差确定的置信区间作为声速和衰减系数的测量结果。

测量频率范围为90kHz-170kHz，发射信号采用脉冲长度20ms、扫频范围50kHz-190kHz的线性调频脉冲(发射信号的扫频范围要大于测量频带，舍弃扫频范围两端的测量结果，保证测量频带内测量结果的精确性)，并加Blackman窗进行幅度调制。脉冲长度的选取一方面考虑获得较高的信噪比，另一方面保证声源能够稳定发射信号。对线性调频脉冲进行幅度调制的目的在于：(1)可以有效地消除吉布斯现象；(2)可以显著地降低压缩后信号的旁瓣，避免将旁瓣误判为多途；(3)减小截断误差造成信号还原时的失真。接收信号经通带为10kHz-230kHz的带通滤波器进行滤波，在一定程度上消除测量频带外的噪声干扰，最后利用PCI采集卡进行数据采集并存储于PC机中，采样频率为25MHz。

测量声速时，先记录无沙样品时声波仅透过玻璃缸的接收信号(为方便起见，采用一块相同材质和厚度的玻璃片代替玻璃缸)，再将声源和水听器移动至较厚沙样品一侧，记录对应的接收信号。测量衰减系数时，先后记录透过两个不同厚度沙样品的接收信号。上述测量中，每一状态下的接收信号进行至少30次采集，对声速和衰减系数的测量结果进行统计分析，以均值±标准差确定的置信区间作为最终的测量结果。

Claims (3)

1.基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)生成长线性调频脉冲并发射；

2)采集无沉积物样品时的接收信号y₁；

3)将声源和水听器移动至较厚沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y₂；

4)将声源和水听器移动至较薄沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y₃；

5)对接收信号y₁、y₂和y₃分别进行脉冲压缩，在压缩域内截取直达波相关峰，从多途干扰中分别还原出相应的直达波，其频谱分别为Y₁、Y₂和Y₃；

6)声速的计算：根据步骤5)中Y₂和Y₃的相位谱差值计算声速，其计算公式如下所示：

$c_p=c_w{(1+\frac{c_w\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{{\mathrm{\ωd}}_2})}^{-1}$

其中，c_p代表沉积物样品中的声速，c_w代表水中的声速，Δφ为Y₂和Y₃的相位谱差值，d₂为较厚样品的厚度，ω为声波角频率；

7)衰减系数的计算：根据步骤5)中Y₂和Y₃的幅度谱之比计算衰减系数，其计算公式如下所示：

${\mathrm{\α}}_p=-\frac{20lge}{\mathrm{\Δ}d}ln\[\frac{D_1}{D_2}\left|H_r\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|\]$

其中，α_p代表沉积物样品的衰减系数，Δd为较厚和较薄样品的厚度差，|H_r(jω)|表示Y₂和Y₃的幅度谱之比，D₁和D₂分别为较薄样品和较厚样品的水-沉积物界面透射系数。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，其特征在于：所述步骤1)中的发射信号采用Blackman窗进行幅度调制。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，其特征在于：所述步骤2)-7)至少进行30次，以所有声速和衰减系数计算结果的均值±标准差确定的置信区间作为声速和衰减系数的测量结果。