CN109632258B - 一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，该方法基于矢量传感器作为内波的探测仪器，被动采集并处理声源发射的声信号实现海洋内波参数的提取。该方法通过声源有规律地向固定于海底的矢量传感器发送声信号，矢量传感器通过对声场三维信息独立拾取及联合处理能力完成目标空间范围跟踪，噪声抑制，结合内波动力学相关模型，建立声信号时间扰动与内波振幅，速度的关系，实现海洋内波声学检测。本发明声信号收发分离，避免回声信号受背景干扰严重的问题，步骤简单，成本低廉，适合任意水域，具有广泛的应用价值。

Description

一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法
技术领域
本发明属于海洋内波监测技术领域，具体涉及使用矢量传感器对声场三维信息独立拾取及联合处理实现海洋内波检测方法。
背景技术
海洋内波是海洋中普遍存在的现象，发生在密度稳定层化的海水内部，波动频率介于惯性频率和浮性频率之间。由于内波的恢复力主要为约化重力，所以内波的振幅一般大于表面波的振幅，振幅为几米到几十米，甚至几百米，大气压起伏，海底地形和运动物体等都可以引起内波的产生。海洋内波生成与内波混合对于海洋中的质量、动量、能量输送及全球气候变化起着重要的作用。随着我国国民经济的迅猛发展和国防力量的不断壮大，对海洋资源的开发和海上军事行动保障提出了更高要求，实现全自主实时内波检测是及时和必要的。
目前国内外常用海洋内波非声学检测仪器主要有锚系仪器阵列，走航拖曳仪器，中性浮子探测和卫星遥感，通过直接测量海洋内波导致水温，盐度，压力及流速产生变化进行内波检测，无法做到提前发现内波并预警的功能。林巨等人的专利(申请号201110168519.7)采用声信号收发分离的方式实现内波检测，但是只限定于非线性内波，而且可检测内波的运动方向也有限制，不适合实际应用。施国全等人的专利(申请号201110312123.5)采用相控阵声纳对海洋分层剖面声反射强度和流速进行分析，本质上偏向于ADCP链检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述监测困难提供一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，同时获取海洋内波的振幅，传播方位，传播速度等相关参数。
本发明的机理：采用声源作为信号源，增强观测变量，采用矢量传感器对检测海域声场三维信息独立拾取及联合处理，引入信号空间结构变化，当海洋内波产生时，声场三维信息将会产生异常，同时信号到达时间序列{ti}将会发生改变，通过跟踪判断为内波后，取异常值与内波动力学方程契合，完成内波参数提取。
本发明的检测指标：可检测内波距离范围为8～10km；可检测内波振幅大于25m。
本发明所述的基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，步骤如下：
(1)将声源置于海洋平台，矢量传感器放于海底；
(2)声源按照程序设定按规律发射声信号，矢量传感器实时被动采集监测海域的声信号，产生p(n)，vx(n)，vy(n)，vz(n)四组序列信号；
(3)使用已知发射声信号的拷贝信号，对p(n)组信号做相关处理，记录声信号到达时间{ti}，i＝1，2，…，m；
(4)通过傅里叶变换，取得x方向，y方向和z方向的声强谱Ix(ejω)，Iy(ejω)和Iz(ej ω)，如下：
Figure BDA0001963663420000021
通过勾股定理，取得xy平面角
Figure BDA0001963663420000022
序列和z方向θ(f)序列，获取接收信号空间方位序列，如下：
Figure BDA0001963663420000023
其中*表示共轭，Re表示取实数部分；
(5)若到达时间序列和信号空间范围序列出现异常跳动，且持续跟踪超过设定阈值时，认为内波出现；
(6)进行海洋内波参数反演：
根据内波导致声信号的变化，取时间序列{ti}组异常值，进行简正波过滤方法进行处理，获得各阶简正波的振幅和波数，并将该振幅与矢量传感器所得的空间方位角变化进行对比，得到海洋内波的传播方向。
根据波数，频率与波速之间关系，根据公式(3)计算可得内波的传播速度。
ω＝(k1-k0)*u (3)
其中k1和k0是空间方位角差异最大时测得的波数，ω为谱峰频率。
附图说明
图1是基于矢量传感器的海洋内波监测系统的连接图；
图2是基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法流程图；
图中1是天线，2是水面浮筒，3是承力复合缆，4是矢量传感器仓，5是锚座，6是声源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和2所示，本发明所述的一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，采用矢量传感器海水共振进行四通道多分量数据拾取，利用声信号时间到达序列与空间方位角时间构成进行内波参数提取。
基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法具体步骤如下：
(1)将声源6置于海洋平台，矢量传感器放于海底；
(2)声源6按照程序设定按规律发射声信号，矢量传感器实时被动采集监测海域的声信号，产生p(n)，vx(n)，vy(n)，vz(n)四组序列信号；
(3)使用已知发射声信号的拷贝信号，对p(n)组信号做相关处理，记录声信号到达时间{ti}，i＝1，2，…，m；
(4)通过傅里叶变换，取得x方向，y方向和z方向的声强谱Ix(ejω)，Iy(ejω)和Iz(ej ω)，如下：
Figure BDA0001963663420000041
通过勾股定理，取得xy平面角
Figure BDA0001963663420000042
序列和z方向θ(f)序列，获取接收信号空间方位序列，如下：
Figure BDA0001963663420000043
其中*表示共轭，Re表示取实数部分；
(5)若到达时间序列和信号空间范围序列出现异常跳动，且持续跟踪超过设定阈值时，认为内波出现；
(6)进行海洋内波参数反演：
根据内波导致声信号的变化，取时间序列{ti}组异常值，进行简正波过滤方法进行处理，获得各阶简正波的振幅和波数，并将该振幅与矢量传感器所得的空间方位角变化进行对比，得到海洋内波的传播方向。
根据波数，频率与波速之间关系，根据公式(3)计算可得内波的传播速度。
ω＝(k1-k0)*u (3)
其中k1和k0是空间方位角差异最大时测得的波数，ω为谱峰频率。
如附图1所示，布放前确定承力复合缆3的长度，将潜标固定于海床上，声源依附与海上平台，其系统工作过程如下：
1.通过声源6按照程序约定有规律向潜标发射声信号，矢量传感器仓4通过与海水共振进行四通道多分量数据拾取。
2.数据通过承力复合缆3传输至水面浮筒2，水面浮筒2通过铱星通讯模块和天线(1)将数据回传回监测平台，由平台进行数据处理分析。
3.若出现内波，平台通过本发明的方法完成内波的相关参数提取与预警。

Claims (3)

1.一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将声源(6)置于海洋平台，矢量传感器放于海底；
(2)声源(6)按照程序设定按规律发射声信号，矢量传感器实时被动采集监测海域的声信号，产生p(n)，vx(n)，vy(n)，vz(n)四组序列信号；
(3)使用已知发射声信号的拷贝信号，对p(n)组信号做相关处理，记录声信号到达时间序列{ti}，i＝1，2，…，m；
(4)通过傅里叶变换，取得x方向，y方向和z方向的声强谱Ix(ejω)，Iy(ejω)和Iz(ejω)，如下：
Figure FDA0002554114320000011
通过勾股定理，取得xy平面角
Figure FDA0002554114320000012
序列和z方向θ(f)序列，获取接收信号空间方位序列，如下：
Figure FDA0002554114320000013
其中*表示共轭，Re表示取实数部分；
(5)若到达时间序列和信号空间方位序列出现异常跳动，且持续跟踪超过设定阈值时，认为内波出现；
(6)进行海洋内波参数反演：
根据内波导致声信号的变化，取时间序列{ti}组异常值，进行简正波过滤方法处理，获得各阶简正波的振幅和波数，并将该振幅与矢量传感器所得的空间方位角变化进行对比，得到海洋内波的传播方向；
根据波数、频率与波速之间关系，根据公式(3)计算可得内波的传播速度；
ω0＝(k1-k0)*u (3)
其中k1和k0是空间方位角差异最大时测得的波数，ω0为谱峰频率。
2.根据权利要求1中所述的一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，其特征在于：可检测内波距离范围为8～10km。
3.根据权利要求1中所述的一种基于矢量传感器的收发分离的海洋内波声学检测方法，其特征在于：可检测内波振幅大于25m。
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