CN106441553B - 一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于海洋环境噪声的声学监测方法及系统，包括使声学监测系统以浮标形式随海流漂移，在内部控制计算机控制下接收海洋环境噪声信号并进行滤波、放大增益和采样，并将采样后的海洋环境噪声数据存储；最后进行水听器阵型校正和海底水深、分层结构信息的反演。该系统包括分别连接接收单元、时钟同步单元和上位机的内部控制计算机，且所述接收单元连接一个包含3～16个水听器的水听器阵。本发明步骤简单、实施方便、测量效率高、监测结果可靠；监测系统具有结构简单、成本低廉、便于使用的优势，具有广泛的应用价值。

Description

一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法

技术领域

本发明属于海洋环境参数声学监测技术领域，特别是涉及一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法。

背景技术

海洋内部充满了各种声源产生的声音，这些声源包括各种水下生物、自然物理过程以及同时存在的不可避免的各种人为活动。不同声源具有的声学特性如声源级、谱特性、时空结构等差异较大，对水下声环境产生不同印记。同时每个声源特性本身又受到其所在的特殊环境影响而发生畸变。因此海洋环境噪声对海洋声学研究、海洋开发、海战场环境建设和海洋声学仪器开发与使用有着重要意义。

目前对海洋环境噪声观测的方法一般采用浮标或潜标观测系统，通过在系统上布设声信号接收单元获取海洋环境噪声数据。田应元等人的专利(申请号：CN102874382 A，一种水平系留海洋环境噪声矢量场监测潜标平台)即采用潜标系统，利用矢量传感器进行海洋环境噪声测量。刘军礼等人的专利(申请号：CN102645269 A)提出了一种基于光学方法的海洋环境噪声测量装置。此外，人们还常常利用海洋声学实验中接收有关发射信号的间隙获取海洋环境噪声。

上述测量方法中采用的声学系统空间位置均是固定的，因此只能获得小尺度空间范围内的海洋环境噪声信息，若需测量某个海区内的海洋环境噪声时空变化信息，则需要在观测海区布设多个观测站位。并且上述专利仅仅涉及海洋环境噪声测量系统设计，并未考虑海洋环境噪声数据的处理方法。

以往的海洋声学观测和研究中，海洋环境噪声常常被认为是背景干扰，从而在相关后续处理中滤除。海洋环境噪声观测和应用一般局限于海洋环境噪声的时空变化特性获取，或利用海洋环境噪声的垂直相干特性获取海底地声参数，或利用其谱级特性获取降雨及海表风速信息。

海洋声学监测和研究中常采用水听器阵接收声信号，由于海洋环境复杂，造成水听器阵型畸变，影响最终的观测和分析结果。为准确获取阵型畸变信息，通常在水听器附近布设压力计或采用超短基线等声学定位装置。

采用压力计获取水听器阵型信息时，当阵列较长，水听器数目较多时，需要布设大量压力计，造成经费投入加大，同时系统能耗随之增大，不利于长期的海洋监测；同时布设压力计方式仅适用于垂直阵列，难以准确获取水平阵列阵型信息。采用超短基线可准确获取水下声学单元位置信息，但须在水听器阵列上额外布设相关收发单元，因其价格昂贵，能耗较大，一般仅在阵列关键位置布设，因此难以获取阵型的全部信息；此外需在水听器阵列附近利用船只等方式安放超短基线水面单元，难以进行长期监测。

水深和海底分层结构信息是海洋研究和海洋开发所需的重要参数，一般采用测深仪或浅地层剖面仪进行相关测量。测深仪或浅地层剖面仪往往采用固定在船底或拖曳方式进行水深或海底分层信息测量，观测难度和精度均受海况制约，难以进行全天候尤其是恶劣环境下作业；对某海区进行观测时，往往采用密集测线测量方式，耗时耗力。

发明的内容

本发明的目的是提出一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法，以克服现有技术的上述不足。

本发明的技术构思如下：在拟观测海区，布设海洋环境噪声监测系统，采取自主漂浮方式，采用声学手段，即通过分析水听器阵列接收的海洋环境噪声数据，利用不同空间点信号间的互相关函数与格林函数结构的等效性，可在全天候环境下，实时获得水听器阵列阵型信息、海底水深和分层结构信息。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于海洋环境噪声的声学监测系统，其特征在于包括连接有上位机和时钟同步单元的内部控制计算机，与内部控制计算机和时钟同步单元相连的接收单元，该接收单元连接一个包含3～16个水听器的水听器阵；以及为内部控制计算机供电的电源单元；所述的内部控制计算机带有时钟基准模块和存储器；

上述接收单元包括与接收水听器阵中的各个水听器分别相连的多个前置放大器，所述的前置放大器接收到的信号分别通过各自的低通滤波器、可调增益器进行滤波、放大处理后，再传输至A/D转换器，经A/D转换后的信号传输至内部控制计算机；

上述时钟同步单元包括GPS天线、GPS接收器和定时回路，其中定时回路与所述内部控制计算机连接，为系统提供精确的时间信号，并对内部控制计算机的时钟基准模块进行时钟校准，同时通过定时回路为A/D转换器和数据存储提供时钟信号。

利用上述声学监测系统进行海底水深及分层结构探测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选择所要监测的海域；确定水听器阵列中的水听器数目，并确定各个水听器的深度；设置水听器的采样频率、采样时间长度、采样间隔；设置数据放大增益、数据存储格式；

2)上述水听器阵列开始工作，直至达到预设的工作时间；将水听器数据采集；所得数据为时域噪声阵列数据；

3)对采集的数据进行滤波预处理；

4)对上述滤波预处理的数据进行时间平均，即将上述数据按照一设定时长进行等分，得到多个等时长的数据，再对上述每个等时长的数据进行平均处理，分别得到上述多个等时长数据的均值；

5)将上一步骤得到的多个数据依次采用经验正交函数分解、数据重建、波束形成和互相关方法进行处理；

首先采用经验正交函数分解方法进行分解，得到多个经验正交函数模态；再从中选取垂向传播的海洋环境噪声数据对应的经验正交函数模态，并利用上述对应的经验正交函数模态的对海洋环境噪声数据进行重建，得到重建后的信号表示为：

其中等号左边为重建后的数据，z、t、N分别为深度、时间、经验正交函数模态的个数，EOF_i(z)为第i阶经验正交函数模态，A_i(t)为第i阶模态对应的时间变化系数；

由于水听器阵列空间分布的不完备性，重建信号X'(z,t)仍包含水平传播和垂向传播的两种海洋环境噪声数据，因此需要采用自适应波束形成方法做进一步分解，以得到水听器阵列信号在不同方向分量的频域互相关函数，所得到的频域互相关函即

其中，C_B(ω,R,z₁,z₂)为波束形成后的结果，C'(ω,R,z₁,z₂)为重建信号X'(z,t)对应的互谱密度矩阵，是间距为R＝r₁-r₂的空间两点(r₁,z₁)和(r₂,z₂)间时域互相关函数的傅里叶变换，r₁和r₂分别为两点在水平面上的位置矢量，z₁和z₂分别为两点处的深度，该数据为频域信号；T为矩阵转置；w_A为自适应波束形成加权系数，表示为：

其中为各阵元在方向θ上的权系数，k为波数，n为水听器个数；

格林函数反映了空间两点间的声传播特性，与两点间声传播环境有关，可用于环境参数信息提取。而互谱密度矩阵所包含的对于空间两点处声信号互相关处理后所得到的相干波前，与对应空间的格林函数结构具有等效性，二者的等效性可表示为：

其中，Q为海面噪声源级，ω为声波频率，G(k_r,z₁,z')和G(k_r,z₂,z')分别为水深z'处海表声源至水深z₁和z₂处接收点的波数域格林函数，k(z')为波数，J₀为零阶贝塞尔函数，*表示复共轭；

将上述自适应波束形成后的频域数据C_B(ω,R,z₁,z₂)进行逆傅里叶变换，得到水听器阵列信号的时域互相关函数C_t(R,z₁,z₂)，其结构与时域格林函数相似，获取C_t(R,z₁,z₂)中的各个峰值所对应的时间，然后结合水体的声速信息即可获取水听器阵列阵型、海底水深及分层信息。

上述方法中，水听器阵列是漂移浮标方式在海水中随海流漂移。

利用GPS获取上述声学监测系统的漂移轨迹，利用上述方法得到声学监测系统在漂移轨迹上的水听器阵列阵型、海底水深及分层信息。

本发明步骤简单、实施方便、测量效率高；本发明的监测系统具有结构简单、成本低廉、便于使用的优势。

本发明所提出的基于海洋环境噪声的声学监测系统和方法，采用高采样率获取海洋环境噪声数据，水听器阵中的每个水听器分别配备各自的前置放大器、低通滤波器、可调增益器，以适应高采样频率的要求并能避免相互干扰；利用格林函数、互相关、波束形成和经验正交函数分解等方法，获取各水听器之间以及水听器与海底间的声传播信息，获取水听器阵型信息、海底水深及分层信息，并可通过实时监控，随时根据需要调节系统控制参数。与现有方法相比，通过分析垂直或水平布设的水听器阵列上各水听器单元获取的海洋环境噪声数据，无需其他额外仪器，即可准确获取水听器阵列的阵型信息。在相关海域布设海洋环境噪声监测阵列，本发明的监测系统可采取自主漂浮方式，能够在全天候环境下，通过分析获取的海洋环境噪声数据，可得到水深和海底分层结构信息。系统的采样率、采样间隔、水听器阵列结构均可根据实际观测海区情况进行调整。观测数据采用自容方式进行存储，也可以通过无线或电缆方式进行传送。与传统方法相比，采样自主漂移方式，机动性强，实施方便，可根据需要同时布放多个监测系统，在海洋研究、海洋开发和海战场建设等方面有着广泛的市场需求。

附图说明

图1是本发明的声学监测系统的总体结构示意图；

图2是本发明的声学监测方法的流程示意图；

图3是垂直水听器阵列阵型信息声学反演的观测示意图；

图4是海底水深和分层结构声学反演的观测示意图；

其中，1、水听器阵，2、接收单元，3、内部控制计算机，4、上位机，5、时钟同步单元，6、电源单元，21、前置放大器，22、低通滤波器，23、可调增仪器，24、A/D转换器，31、存储器、32、时钟基准模块，41、RS232/无线通信模块，51、GPS天线，52、GPS接收器，53、定时回路。

具体实施方式

如图1所示，一种基于海洋环境噪声的声学监测系统，其特征在于包括连接有上位机4和时钟同步单元5的内部控制计算机3，与内部控制计算机3和时钟同步单元5相连的接收单元2，该接收单元2连接一个包含3～16个水听器的水听器阵1；以及为内部控制计算机3供电的电源单元6；所述的内部控制计算机3带有时钟基准模块32和存储器；

上述接收单元2包括与接收水听器阵1中的各个水听器分别相连的多个前置放大器21，所述的前置放大器21接收到的信号分别通过各自的低通滤波器22、可调增益器23进行滤波、放大处理后，再传输至A/D转换器24，经A/D转换后的信号传输至内部控制计算机3；

上述时钟同步单元5包括GPS天线51、GPS接收器52和定时回路53，其中定时回路53与所述内部控制计算机3连接，为系统提供精确的时间信号，并对内部控制计算机3的时钟基准模块32进行时钟校准，同时通过定时回路53为A/D转换器24和数据存储31提供时钟信号。

如图1，上述内部控制计算机3为整个系统控制中心，提供时钟信号，在系统运行中对接收单元2进行实时控制，并可完成系统参数修改、数据存储和数据传输；

如图1，上述上位机4通过无线或RS232模块41与内部控制计算机3连接，可进行实时监控、参数修改和数据传输。

为了便于生产、维护和使用，本发明的基于海洋环境噪声的声学监测系统为能够充分利用现有技术的设计，因此其各个部件均可采用现有的设备。

利用上述系统进行监测的方法，如下：

一种基于海洋环境噪声的声学方法，以确定水听器阵海底水深及分层结构信息；其特征在于包括以下步骤：

1)选择所要监测的海域；确定水听器阵列中的水听器数目，并确定各个水听器的深度；设置水听器的采样频率、采样时间长度、采样间隔；设置数据放大增益、数据存储格式；

2)上述水听器阵列开始工作，直至达到预设的工作时间；将水听器数据采集；所得数据为时域噪声阵列数据；

3)对采集的数据进行滤波预处理；

4)对上述数据进行时间平均，即将上述数据按照一设定时长进行等分，得到多个等时长的数据，在对上述多个等时长的数据进行平均处理，得到上述多个等时长数据的均值；

5)将上一步骤得到的数据依次采用经验正交函数分解、数据重建、波束形成和互相关方法进行处理；

6)将上述自适应波束形成后的频域数据C_B(z,ω)进行逆傅里叶变换，得到水听器阵列信号的时域互相关函数C_t(R,z₁,z₂)，获取C_t(R,z₁,z₂)中的各个峰值所对应的时间，结合水体的声速信息即可获取水听器阵列阵型、海底水深及分层信息。

系统工作过程如下：

根据历史海洋环境参数观测资料，确定水听器阵列中各水听器深度和布放水深，选择系统布放初始位置，利用本发明的方法对水听器阵型(系统布设及利用声波的传播方向示意图如图3)、水深和海底分层结构(系统布设及利用声波的传播方向示意图如图4)进行监测，

利用本发明的方法对水听器阵型、水深和海底分层结构进行监测，执行步骤如图2所示，

步骤901是开始步骤，通过上位机4和内部控制计算机3，检查系统工作状态是否正常；

步骤902中，选择系统工作方式，如数据采集方式、数据存储间隔、每个数据文件存储大小以及放大增益倍数；

步骤903中，系统初始化；判断是否能接收到GPS信号，时钟同步单元是否工作正常；

步骤904中，水听器阵列中的各水听器开始接收数据；

步骤905中，负责接收信号的监测系统的接收单元2对各个水听器接收到的声信号进行滤波、放大和采样；

步骤906中，存储步骤905中获得的海洋环境噪声数据，以利于后续反演处理；

步骤907中，判断观测过程是否结束，若已结束，进入步骤909，通过与内部控制计算机3相连的上位机4获取步骤906中已存储的海洋环境噪声数据，进行水听器阵列阵型、水深和海底分层信息反演；若观测未结束，在步骤908判断是否进行反演处理，若是，通过与内部控制计算机3相连的上位机4获取步骤906中已存储的海洋环境噪声数据，进行水听器阵列阵型、水深和海底分层信息反演，若不是，则返回步骤904；

步骤909中，采用经验正交函数分解方法对海洋环境噪声数据进行处理，选取合适的经验正交函数，进行信号重建；

步骤910对步骤909中获得的重建信号，采用自适应波束形成方法对不同方向来源进行分离；

步骤911中对步骤910中获得的下行方向的各水听器信号进行互相关处理，得到水听器阵列阵型信息；

最后在步骤912中对该反演结果进行图形表示或存储。

步骤913是水深和海底分层信息反演步骤，对步骤910中获得的下行方向和经海底反射后的上行方向的水听器信号进行互相关处理，得到水深和海底分层信息。

最后在步骤914中对反演结果进行图形表示或存储。

Claims (3)

1.一种基于海洋环境噪声的声学监测系统，其特征在于包括连接有上位机(4)和时钟同步单元(5)的内部控制计算机(3)，与内部控制计算机(3)和时钟同步单元(5)相连的接收单元(2)，该接收单元(2)连接一个包含3～16个水听器的水听器阵列(1)；以及为内部控制计算机(3)供电的电源单元(6)；所述的内部控制计算机(3)带有时钟基准模块(32)和存储器(31)；

上述接收单元(2)包括多个前置放大器(21)，每个前置放大器分别与接收水听器阵列(1)中的各个水听器相连，所述的前置放大器(21)接收到的信号分别通过各自的低通滤波器(22)、可调增益器(23)进行滤波、放大处理后，再传输至A/D转换器(24)，经A/D转换后的信号传输至内部控制计算机(3)；

上述时钟同步单元(5)包括GPS天线(51)、GPS接收器(52)和定时回路(53)，其中定时回路(53)与所述内部控制计算机(3)连接，为系统提供精确的时间信号，并对内部控制计算机(3)的时钟基准模块(32)进行时钟校准，同时通过定时回路(53)为A/D转换器(24)和存储器(31)提供时钟信号；

其中，上述低通滤波器(22)、可调增益器(23)对水听器采集的数据进行滤波预处理；

上述内部控制计算机(3)利用定时回路(53)提供精确的时间信号，对上述滤波预处理的数据进行时间平均，即将上述数据按照一设定时长进行等分，得到多个等时长的数据，再对上述每个等时长的数据进行平均处理，分别得到上述多个等时长数据的均值；

通过上位机(4)和内部控制计算机(3)，检查系统工作状态是否正常；选择工作方式为数据采集方式，选择数据存储间隔、每个数据文件的存储大小以及放大增益倍数；系统初始化：判断是否能接收到GPS信号，时钟同步单元是否工作正常；水听器阵列中的各水听器开始接收数据；负责接收信号的监测系统的接收单元(2)对各个水听器接收到的声信号进行滤波、放大和采样；存储获得的海洋环境噪声数据，以利于后续反演处理；判断观测过程是否结束，若已结束，通过与内部控制计算机(3)相连的上位机(4)获取已存储的海洋环境噪声数据，进行水听器阵列阵型、水深和海底分层信息反演；若观测未结束，判断是否进行反演处理，若是，通过与内部控制计算机(3)相连的上位机(4)获取已存储的海洋环境噪声数据，进行水听器阵列阵型、水深和海底分层信息反演，若不是，则水听器阵列中的各水听器继续接收数据；采用经验正交函数分解方法对海洋环境噪声数据进行处理，选取合适的经验正交函数，进行信号重建；采用自适应波束形成方法对不同方向来源的重建信号进行分离；对获得的下行方向的各水听器信号进行互相关处理，得到水听器阵列阵型信息；对获得的下行方向和经海底反射后的上行方向的水听器信号进行互相关处理，得到水深和海底分层信息。

2.利用权利要求1所述的声学监测系统进行海底水深及分层结构探测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选择所要监测的海域：确定水听器阵列中的水听器数目，并确定各个水听器的深度；设置水听器的采样频率、采样时间长度、采样间隔；设置数据放大增益、数据存储格式；

2)上述水听器阵列开始工作，直至达到预设的工作时间；将水听器数据采集；所得数据为时域噪声阵列数据；

3)对采集的数据进行滤波预处理；

4)对上述滤波预处理的数据进行时间平均，即将上述数据按照一设定时长进行等分，得到多个等时长的数据，再对上述每个等时长的数据进行平均处理，分别得到上述多个等时长数据的均值；

5)将上一步骤得到的多个数据依次采用经验正交函数分解、数据重建、波束形成和互相关方法进行处理；

首先采用经验正交函数分解方法进行分解，得到多个经验正交函数模态；再从中选取垂向传播的海洋环境噪声数据对应的经验正交函数模态，并利用上述对应的经验正交函数模态对海洋环境噪声数据进行重建，得到重建后的信号表示为：

其中等号左边为重建后的数据，z、t、N分别为深度、时间、经验正交函数模态的个数，EOF_i(z)为第i阶经验正交函数模态，A_i(t)为第i阶模态对应的时间变化系数；

然后，采用自适应波束形成方法做进一步分解，以得到水听器阵列信号在不同方向分量的频域互相关函数，所得到的频域互相关函数即

其中，C_B(ω，R，z₁，z₂)为波束形成后的结果，C’(ω，R，z₁，z₂)为重建信号X’(z，t)对应的互谱密度矩阵，是间距为R＝r₁-r₂的空间两点(r₁,z₁)和(r₂,z₂)间时域互相关函数的傅里叶变换，r₁和r₂分别为两点在水平面上的位置矢量，z₁和z₂分别为两点处的深度，该数据为频域信号，T为矩阵转置；w_A为自适应波束形成加权系数，表示为：

其中，为各个水听器在方向θ上的权系数，k为波数，n为水听器个数；

然后，利用互谱密度矩阵与对应空间的格林函数结构具有等效性，将二者的等效性表示为：

其中，Q为海面噪声源级，ω为声波频率，G(k_r,z₁,z')和G(k_r,z₂,z')分别为水深z’处海表声源至水深z₁和z₂处接收点的波数域格林函数，k(z')为波数，J₀为零阶贝塞尔函数，*表示复共轭；

将上述自适应波束形成后的频域数据C_B(ω,R,z₁,z₂)进行逆傅里叶变换，得到水听器阵列信号的时域互相关函数C_t(R,z₁,z₂)，其结构与时域格林函数相似，获取C_t(R,z₁,z₂)中的各个峰值所对应的时间，然后结合水体的声速信息即获取水听器阵列阵型、海底水深及分层信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于上述水听器阵列是漂移浮标方式在海水中随海流漂移。