CN112099019A - 一种水下声矢量探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于声纳探测技术领域，涉及一种水下声矢量探测装置，包括水声探测模块和数据处理模块；水生探测模块包括矢量水听器、水下仪器舱和导流罩；矢量水听器用于检测水下声场空间一点处声压和三个正交方向的标量和矢量信号；矢量水听器位于导流罩内；水下仪器舱位于导流罩底部，用于放置数据处理模块；数据处理模块接收标量和矢量信号，采用矢量信号处理算法对标量和矢量信号进行处理，从而获得水下声场空间探测数据。其通过矢量水听器可以同时获得声场声压和质点振速信息，数据处理系统控制采用矢量信号处理算法，可有效抑制水下石油管汇的背景噪声。

Description

一种水下声矢量探测装置

技术领域

本发明涉及一种水下声矢量探测装置，属于声纳探测技术领域。

背景技术

近年来，以海洋油气资源为代表的海洋矿产资源是当前世界海洋资源开发的重点和热点。在海洋资源开发过程中，存在水面船抛锚、拖网等作业会破坏水下石油管汇的问题。目前，我国已基本实现浅海油气装备的自主设计建造，装备技术水平不断提升，但是在水下生产智能监测系统领域，与世界先进水平相比，我国仍存在一定差距。因此急需开展国产化研制，以打破国外专业公司对这些设备的垄断。为了保证石油平台水下生产系统长期稳定的在水下运行，务必要防止水面渔船或商船进行水上作业时对水下石油管道的破坏，因此对石油平台附近水面目标的定位跟踪是不可缺少的重要技术。

就程能量传递而言，以无线电波和光波为代表的电磁场等类型的能量场在海洋中衰减迅速，因而在海洋中无法适用。所以，声波成为水下唯一能够远距离传播的能量形式和通信形式。

被动探测是指在探测系统不主动发射探测信号时，仅仅利用声源辐射信号的信息，对声源进行探测的方法，目前已广泛应用到实际探测系统中。水声被动探测技术是水声定位技术中的主流技术，它凭借其隐蔽性和安全性在水声对抗领域具有无可比拟的优势。被动探测技术主要包括方位估计技术、定位跟踪技术以及识别技术。在方位估计技术方面，研究了幅度加权以及增秩MUSIC测向方法，其主要缺点是只适用于各向同性噪声场，而水下管汇噪声属于各向异性噪声场。在定位跟踪技术方面，文献“三元阵浅海近程被动定位研究与分析”研究了传统的三元阵法被动定位技术，采用滑动窗互相关法估计时延然后进行被动测距，主要实现对浅海近程目标的被动定位，其主要缺点是，随着声纳探测距离的增加,时延的测量精度急速降低，难以实现对中远程目标的定位。文献“浅海远距离匹配场声源定位研究”中提到研究比较广泛匹配场处理技术，主要原理是将矢量水听器测得的声场数据即测量声场与根据已知传播模型计算得到的拷贝声场进行互相关，从而得出目标的距离与深度，其主要缺点是布阵所需阵元多，基阵孔径大，对声场环境要求精细，不利于石油平台的工程实施。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水下声矢量探测装置，其通过矢量水听器可以同时获得声场声压和质点振速信息，数据处理系统控制采用矢量信号处理算法，可有效抑制水下石油管汇的背景噪声。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水下声矢量探测装置，包括水声探测模块和数据处理模块；水生探测模块包括矢量水听器、水下仪器舱和导流罩；矢量水听器用于检测水下声场空间一点处声压和三个正交方向的标量和矢量信号；矢量水听器位于导流罩内；水下仪器舱位于导流罩底部，用于放置数据处理模块；数据处理模块接收标量和矢量信号，采用矢量信号处理算法对标量和矢量信号进行处理，从而获得水下声场空间探测数据。

进一步，矢量水听器检测到的标量和矢量信号表示为：

其中，p(t)、v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)分别为矢量水听器的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号；θ、

分别为目标相对于矢量水听器的方位角和俯仰角；n_p(t)、

分别为矢量水听器声压通道及x、y、z三个振速通道所接收到的噪声。

进一步，矢量水听器为同振式矢量水听器。

进一步，矢量水听器的个数为至少两个，各个矢量水听器延竖直方向串联。

进一步，水下声场空间探测数据通过以下方式获得：根据方位角和俯仰角将水下声场空间分为若干方位，将每个方位对应的信号进行累加，得到各个方位的信号的统计直方图。

进一步，统计直方图的各个方位的峰值通过下式获得：

其中，N_i为每个方位区间的统计频数，i为第i个方位区间，d为区间宽度，n为区间个数，A表示互谱强度I(ω)。

进一步，互谱强度I(ω)通过以下方法获得：对矢量水听器接收到的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号分别作傅里叶变换，得到声压通道频谱S_p(ω)和振速通道频谱

和

将振速通道频谱

和

分别与声压通道频谱S_p(ω)相乘得到声压振速互谱，然后对互谱作滑动窗时间平均并对互谱取实部，得到目标信号能量分量：

其中

分别为下x、y、z方向上的振速声压互谱；Re{·}表示取实部；<·>表示滑动窗平均；符号*表示取共轭；互谱强度I(ω)为：

进一步，方位角的计算公式为：

俯仰角的计算公式为：

进一步，探测装置中还包括姿态传感器，数据处理模块采集姿态传感器的信号，并结合姿态传感器的信号和矢量水听器的检测深度对探测装置进行定位。

进一步，数据处理模块采集对探测装置进行全天候实时安全监测，实现对水下目标远程探测、跟踪与分类识别，并通过光纤通信将水下声场空间探测数据传输给指挥中心平台。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用的矢量水听器可以同时获得声场声压和质点振速信息，增加了信息的种类和数量，而且单个矢量水听器就可以完成测向工作，易于布放，便于工程实施。2、本发明采用的水下结构设计满足500米深度的耐压水密性，使用年限大于5年，可以实现在深水条件下的长期监测工作；3、本发明采用的矢量信号处理算法可以有效实现对水下石油管汇噪声的抑制，从而使系统的探测性能得到提高。

附图说明

图1是本发明实施例中的声矢量探测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的水下仪器舱的结构示意图，图2(a)是水下仪器舱的俯视图，图2(b)是水下仪器舱的俯视图中A-A截面的剖视图；

图3是本发明实施例中的矢量水听器的结构示意图，图3(a)是矢量水听器的主视图，图3(b)是矢量水听器的侧视图；

图4是本发明实施例中的矢量信号处理算法方位估计结果图。

图5是本发明实施例中的矢量信号处理算法方位估计均方根误差RMSE图。

图6是本发明实施例中的矢量信号处理算法目标跟踪轨迹图。

附图标记：

1-矢量水听器；2-水下仪器舱；3-导流罩；4-矢量水听器悬挂架。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

本实施例提供了一种水下声矢量探测装置，如图1所示，包括水声探测模块和数据处理模块；水生探测模块包括矢量水听器1、水下仪器舱2和导流罩3；矢量水听器1用于检测水下声场空间一点处声压和三个正交方向的标量和矢量信号；矢量水听器1通过矢量水听器悬挂架4悬挂在导流罩3内，导流罩3具有良好的透声性能，用于抑制水下的声波噪声。水下仪器舱2位于导流罩3底部，并通过螺钉固定在最地层的矢量水听器悬挂架4上，用于放置数据处理模块，水下仪器舱2的设计要保证仪器舱在水下500米的耐压水密性。如图2所示，本实施例中，水下仪器舱2采用圆柱体结构，其尺寸为高度335mm，直径560mm，壁厚12mm，该圆柱体结构具有圆盘型上盖，该上盖利用水密橡胶圈进行密封，外圈使用螺钉进行固定。水下仪器舱2的上盖上留有两个孔即两个矢量水听器1输入电缆口，侧壁留有一个输出电缆口及通讯电缆口。数据处理模块接收标量和矢量信号，采用矢量信号处理算法对标量和矢量信号进行处理，从而获得水下声场空间探测数据。本实施例中，矢量水听器悬挂架4和水下仪器舱2所用材料全部选用钛合金，可以保证耐压和抗海水腐蚀性能；导流罩3采用玻璃钢材料，可以保证良好的透声性能。

如图3所示，本实施例中矢量水听器1优选为同振式矢量水听器。外半径33mm，高度92毫米，采用圆柱形的悬挂框，八根弹簧倾斜悬挂，整体形成一体化设计，可以达到减振效果，控制噪声对矢量水听器1工作性能的影响，矢量水听器1内部采用环氧树脂进行灌封充油，充油后高度250mm，外半径75mm，矢量水听器1工作频段为20Hz至2kHz，声压通道灵敏度-190dB，振速通道1kHz，灵敏度-175dB。。其中矢量水听器1的个数为至少两个，各个矢量水听器1延竖直方向串联。其中一只矢量水听器1用作安全备份，防止另外一只矢量水听器1故障而导致水下声矢量探测系统无法正常工作。水下声矢量探测装置采用固定安装方式。本实施例中优选水下声矢量探测装置通过螺栓固定在管汇平台上。

探测装置中还包括姿态传感器，数据处理模块采集姿态传感器的信号，并结合姿态传感器的信号和矢量水听器1的检测深度对探测装置进行定位。数据处理模块包括信号调理电路、采集与处理子模块、通信发射和接收子模块和数据存储与控制子模块，矢量水听器1的标量和矢量信号输入信号调理电路，然后经模数转换电路数字化后进入采集与处理子模块和数据存储与控制子模块进行水下目标检测和识别。数据处理模块采集对探测装置进行全天候实时安全监测，实现对水下目标远程探测、跟踪与分类识别，并通过光纤通信将水下声场空间探测数据传输给指挥中心平台。信号调理电路包括两块前放电路板，其分别与两个矢量水听器1连接，用于放大矢量水听器1的测量信号其放大倍数均为26dB；采集与处理子模块包括数据采集控制器，其采样频率为20kHz，用于采集8通道的矢量水听器1的测量数据。数据处理模块控制和协调整个水下声矢量监测系统的运行，由高性能计算机实现数据处理和显示，具有控制管理、数据处理、信息处理等功能。可通过光纤通信网络为水下探测节点下达指令；并及时反馈，实时接收水中目标探测与识别以及各分析系统和状态信息；通过显示终端实时显示水中目标运动轨迹以及系统工作参数。

矢量水听器1检测到的标量和矢量信号表示为：

其中，p(t)、v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)分别为矢量水听器1的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号；θ、

分别为目标相对于矢量水听器1的方位角和俯仰角；n_p(t)、

分别为矢量水听器1声压通道及x、y、z三个振速通道所接收到的噪声。

水下声场空间探测数据通过以下方式获得：根据方位角和俯仰角将水下声场空间分为若干方位，将每个方位对应的信号进行累加，得到各个方位的信号的统计直方图。

统计直方图的各个方位的峰值通过下式获得：

其中，N_i为每个方位区间的统计频数，i为第i个方位区间，d为区间宽度，n为区间个数，A表示互谱强度I(ω)。

互谱强度I(ω)通过以下方法获得：对矢量水听器1接收到的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号分别作傅里叶变换，得到声压通道频谱S_p(ω)和振速通道频谱

和

将振速通道频谱

和

分别与声压通道频谱S_p(ω)相乘得到声压振速互谱，然后对互谱作滑动窗时间平均并对互谱取实部，得到目标信号能量分量：

其中

分别为下x、y、z方向上的振速声压互谱；Re{·}表示取实部；<·>表示滑动窗平均；符号*表示取共轭；互谱强度I(ω)为：

进一步，方位角的计算公式为：

俯仰角的计算公式为：

实施例二

为了证明本发明中声矢量探测系统的实际效果，本实施例通过一具体案例进行说明。

仿真条件：假定平面内有三个探测目标做匀速直线运动，目标运动参数见表1。水下声场空间中探测目标发射300Hz单频信号，探测装置的采样频率为20kHz，数据长度为5s，初始方位角为118°，初始俯仰角为73°。采样时间间隔为T＝1s，跟踪步数为100步。两个基站分别位于(-250m,0m)，(250m,0m)处，信噪比在0-20dB的范围内，矢量信号处理算法方位估计结果图如图4所示，进行100次蒙特卡洛仿真后获得矢量信号处理算法方位估计均方根误差RMSE图，如图5所示。

由图4及图5可得，本发明中探测装置的信号信噪比越高，方位估计精度越高，当信噪比6Db时,估计精度可达到2°左右，可满足实际应用的需要。三个探测目标的跟踪轨迹如图6所示。由图6可得，该算法目标跟踪性能较好，可以有效实现多目标跟踪。

表1目标运动参数

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水下声矢量探测装置，其特征在于，包括水声探测模块和数据处理模块；

所述水生探测模块包括矢量水听器、水下仪器舱和导流罩；

所述矢量水听器用于检测水下声场空间一点处声压和三个正交方向的标量和矢量信号；所述矢量水听器位于所述导流罩内；

所述水下仪器舱位于所述导流罩底部，用于放置所述数据处理模块；

所述数据处理模块接收所述标量和矢量信号，采用矢量信号处理算法对所述标量和矢量信号进行处理，从而获得所述水下声场空间探测数据。

2.如权利要求1所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述矢量水听器检测到的所述标量和矢量信号表示为：

其中，p(t)、v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)分别为所述矢量水听器的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号；θ、

分别为目标相对于矢量水听器的方位角和俯仰角；n_p(t)、

分别为矢量水听器声压通道及x、y、z三个振速通道所接收到的噪声。

3.如权利要求2所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述矢量水听器为同振式矢量水听器。

4.如权利要求3所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述矢量水听器的个数为至少两个，各个所述矢量水听器延竖直方向串联。

5.如权利要求2所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述水下声场空间探测数据通过以下方式获得：根据所述方位角和俯仰角将所述水下声场空间分为若干方位，将每个所述方位对应的所述信号进行累加，得到各个方位的所述信号的统计直方图。

6.如权利要求5所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述统计直方图的各个方位的峰值通过下式获得：

其中，N_i为每个方位区间的统计频数，i为第i个方位区间，d为区间宽度，n为区间个数，A表示互谱强度I(ω)。

7.如权利要求6所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述互谱强度I(ω)通过以下方法获得：对所述矢量水听器接收到的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号分别作傅里叶变换，得到声压通道频谱S_p(ω)和振速通道频谱

和

将振速通道频谱

和

分别与声压通道频谱S_p(ω)相乘得到声压振速互谱，然后对互谱作滑动窗时间平均并对互谱取实部，得到目标信号能量分量：

其中

分别为x、y、z方向上的振速声压互谱；Re{·}表示取实部；<·>表示滑动窗平均；符号*表示取共轭；所述互谱强度I(ω)为：

8.如权利要求7所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述方位角的计算公式为：

所述俯仰角的计算公式为：

9.如权利要求1-8任一项所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述探测装置中还包括姿态传感器，所述数据处理模块采集所述姿态传感器的信号，并结合所述姿态传感器的信号和所述矢量水听器的检测深度对所述探测装置进行定位。

10.如权利要求1-8任一项所述的水下声矢量探测装置，其特征在于，所述数据处理模块采集对所述探测装置进行全天候实时安全监测，实现对水下目标远程探测、跟踪与分类识别，并通过光纤通信将所述水下声场空间探测数据传输给指挥中心平台。

Images