CN113153232A - 一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置及方法，其中定位装置包括计算机、发射电路模块和接收电路模块，发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块；发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器和发射换能器；接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块；发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接；接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。利用本发明，成本低、效率高、便于维护，且具有较高的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及水下天然气水合物开采环境监测领域，尤其是涉及一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置及方法。
背景技术
近年来，人类对海洋的关注度日益提升，海洋勘探及海洋资源的开发主题逐渐转化为以海洋气、油等为主的矿产资源的勘探、采集及开发。为了进一步提高对海洋资源的开发利用效率，海洋探测及开发方向的高新技术需求变得越来越强烈。
利用声学观测海洋环境、勘探矿产资源是海洋、地质等领域与水声技术领域的交叉点，有着极大的经济社会效益和科研意义，受到了全世界的广泛关注和重视。
天然气水合物分解产生甲烷，具有巨大的资源开发前景。海底上方出现的大量气泡幕从而形成冷泉区是海底天然气水合物储存的重要标志，这是海洋环境中非常广泛的自然现象。每年通过这种海底天然气渗漏释放到海洋水体和大气中的甲烷质量非常惊人，具有极高的研究价值。全球天然气水合物储存分布十分广泛，而在我国南海海域海底天然气渗漏活动非常频繁。因此研究海洋天然气的声学高效探测和精确定位，对我国的海洋资源勘探、海底观测网络应用，以及海洋相关科学等领域的研究具有重要意义。
目前研究气泡分布的方法主要有光学方法和声学方法。光学检测方法包括摄影术、全息术和散射技术等，光学方法主要是用高速照相机进行探测。光学测量装置成本高，维护起来复杂。且光学测量方法对背景环境光照条件有很高的要求，破碎波产生的气泡通常会聚集在一定范围内，尤其是在气泡数量相当多的情况下，影像重叠现象将使得测量结果误差增大。声学研究气泡分布多使用被动方法，测量的是“动态”气泡，通过测量破碎波产生的气泡向外辐射的声压信号，分析得到气泡半径分布及对应的气泡数量多少。被动方法的缺点在于，若气泡产生的信号太弱而背景噪声太强，则检测不到信号，或者得到错误的气泡分布结果。
综上，现有的水下天然气水合物泄露气泡群探测方法，存在成本高效率低不便于维护，准确度和实用性不足，局限在理论研究和仿真阶段的问题。与光学方法相比，声学方法测量简单，测量范围广，适用性强，且成本较低。设计一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置及方法，采用声学主动测量方法定位气泡群位置，研究海底天然气水合物气泡泄露定位对于我国的海洋资源勘探具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置及方法，以解决水下天然气水合物泄露气泡群探测使用光学方法成本高效率低不便于维护，而目前的声学方法准确度和实用性不足的问题。
一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，包括计算机、发射电路模块和接收电路模块，所述的发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块；
所述的发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器和发射换能器；
所述的接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块；
所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接；所述的接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，所述的发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。
DA转换模块将数字量转换为模拟的电压量，功率放大器将信号进行可调益放大后传输给发射换能器；前端信号处理电路用于将水听器接收的信号进行降噪处理，AD转换模块将模拟的电压量转换为数字量。接收数据处理模块用于分析处理转换后的数字信号，得到气泡的位置。
进一步地，所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块均包括数字信号处理模块和现场可编程逻辑门电路模块。所述的数字信号处理模块采用DSP；所述的现场可编程逻辑门电路模块采用FPGA。
优选地，所述的接收水听器阵列是由六个半径为7.5cm的全向水听器组成的小型圆形阵列。
进一步地，所述的电源供电模块、发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块均密封在水密舱内部；
所述的接收水听器阵列和发射换能器固定在水密舱外表面，接收水听器阵列和发射换能器分别通过水密接口与水密舱内的前端信号处理电路和功率放大器连接。
进一步地，所述的水密舱下部设有配重块，所述的水密舱和配重块之间设有温盐探仪CTD，用于采集深海的温度和盐度的变化。
本发明还提供了一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，使用上述基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，包括以下步骤：
(1)发射换能器作为声源发射全向声波，声波照射到气泡羽流与水介质的分界面发生反射，回波信号包含目标的方位角信息，接收水听器阵列接收气泡群回波信号；
(2)对接收的气泡群回波信号进行预处理，叠加一段时间内接收到的预处理信号，得到时不变的稳定背景信号；
接收到的预处理信号和归一化的稳定背景信号作比较，得到时变的气泡回波信号；
(3)对时变的气泡回波信号采用反卷积波束形成算法进行求解，得到气泡群定位结果。
步骤(1)中，发射换能器发射的全向声波是脉冲信号，内部填充10kHz、50ms正弦波，使用chirp信号作为脉冲包头，用于区分回波信号中混叠在一起的相邻脉冲回波。
步骤(2)中，所述的预处理包括：对接收到的气泡群回波信号进行插值滤波，得到最佳采样值。
步骤(3)的具体过程为：
(3-1)将接收水听器阵列看成一个信道，水听器输出信号公式为：
r(y)＝s(x)*h(y-x)+n
其中，s(x)表示信道的输入信号，等同于接收信号
r(y)表示输出信号，等同于阵列输出信号B(θ)；h(y-x)表示冲激响应，等同于阵列波速模式Bp；n表示噪声。
(3-2)提取接收信号中携带目标位置信息的回波部分，进行常规波束形成，并代入已知的阵列波束模式利用R-L迭代算法对CBF的输出波束功率进行反卷积运算，通过运算结果分析目标功率谱的角分布情况，再根据输出功率角分布估计目标方向；具体为：
建立一个半径为a的均匀圆阵，阵列几何中心为原点建立坐标轴，阵列平面位于X-Y平面，这里只考虑声源与圆阵位于同一水平面的情况；
该圆阵的N个阵元均匀地分布在圆周上，将阵元按顺序编号的得到每个阵元的坐标为：
其中，相邻阵元的角度间隔为2π/N，阵元间距d＝2asin(π/N)；
为了估计目标方位，预期波束指向将阵元间的相位延迟表示为：
s＝[s1,s2,...sN]T
s为一个与X轴夹角θ有关的方向矢量；
在圆阵平面内的远场存在多个不相关且方向强度均不同的信号源时，圆阵接收到的信号表示为：
输出波束功率可表示为：
B(θ)＝<|sHy|2>＝sH<yyH>s
来自不同目标的信号是彼此不相关的，且目标信号与噪声也是不相关的，因此，得到
根据上式得到接收水听器阵列输出的波束功率等于每个信号对应的输出信号功率总和，接收水听器阵列的波束模式等于在没有噪声和干扰的理想情况下阵列对于单位强度点源的波束响应；当仅考虑单位强度的第i个声源时，由N个阵元组成的接收水听器阵列的波束模式函数表示：
对于只有一个声源的情况，输出波束功率的最大值出现在θ＝θi方向，该方向即为目标方向，输出电平为|Ai|2，对波束输出功率进行归一化处理后得到Bp(0)＝1，根据波束功率的峰值估计声源的方向角θi。
所述的R-L迭代算法的具体公式为：
所述(i)表示迭代次数，s(i)(x)收敛到下列等式的唯一解，
所述L(p(x),q(x))公式为：
与现有技相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在对水下天然气水合物泄露情况进行监测的同时，还可以实现高精度实时定位；
2、传统多波束侧扫声纳多使用高频信号(大多高于50kHz)以获得更高的分辨率，降低了探测距离，本发明在提供高分辨率的同时使用低频信号，可以获得更大的探测距离；
3、常见的传统方法如多波束声纳往往有大量数据无法实时处理，且安装操作难度较高，本发明便于安装，操作简单，对设备运算能力要求不高，可以在水下实现长时间原位监测；
4、本发明基于小型阵列，除了应用于水下定点监测外，还便于安装在AUV,ROV等小型载具上，提供快速和低成本的目标检测、定位和导航。
附图说明
图1为本发明一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置的示意图；
图2为本发明一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，包括：计算机1、发射电路模块2和接收电路模块3，发射电路模块2和接收电路模块3均连接电源供电模块4，其中，计算机1用来控制系统以及进行数据处理和分析的装置。
发射电路模块2包括按信号传输方向依次连接的数字信号处理模块21、现场可编程逻辑门电路模块22、DA转换模块23、功率放大器24和发射换能器25，数字信号处理模块21通过以太网接口5与计算机1连接。
接收电路模块3包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列31、前端信号处理电路32、AD转换模块33、现场可编程逻辑门电路模块34和数字信号处理模块35，数字信号处理模块35通过以太网接口6与计算机1连接。
本实施例中，数字信号处理模块均采用DSP；所述的现场可编程逻辑门电路模块均采用FPGA，但不限于此。
接收水听器阵列31是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，发射换能器25设置在接收水听器阵列31的几何中心，发射换能器25作为声源发射全向声波。
进一步地，电源供电模块、发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块均密封在水密舱内部。接收水听器阵列和发射换能器固定在水密舱外表面，接收水听器阵列和发射换能器分别通过水密接口与水密舱内的前端信号处理电路和功率放大器连接。
在使用过程中，水密舱下挂配重块。同时为了采集深海的温度和盐度的变化，也可将深海温盐探仪(CTD)固定在水密舱和配重块之间。
如图2所示，一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，该方法包括以下步骤：
(1)信号发射与接收：
接收水听器阵列几何中心的换能器作为声源发射全向声波，声波照射到气泡羽流与水介质的分界面发生反射，回波信号携带气泡群信息，水听器圆形阵列接收气泡群回波信号。
进一步的，声源发射的全向声波是脉冲信号，内部填充10kHz，50ms正弦波，使用chirp信号作为脉冲包头，用于区分回波信号中混叠在一起的相邻脉冲回波。
进一步的，接收水听器阵列结构为半径7.5cm的小型圆形阵列，6个水听器均匀分布在圆周上，从1到6依次编号，信号回波包含目标的方位角信息。
(2)信号处理：
水声信号接收电路接收到的回波信号在采样时存在采样偏差，要进行插值滤波，得到最佳采样值。将一段时间内接收到的预处理信号进行叠加，可以得到时不变的稳定背景信号。
将接收到的信号与归一化后的稳定背景信号作比较可以提取出单一的气泡信号，即时变的气泡回波信号。数据处理模块对时变的气泡回波信号采用反卷积波束形成算法，得到气泡的位置
进一步的，所述时不变的稳定背景信号包括信号中不变的成分(海底回波、岩石回波等)和动态信号(气泡群，白噪声等)。
(3)算法求解过程
将接收水听器阵列看成一个信道，水听器输出信号公式为：r(y)＝s(x)*h(y-x)+n，其中，s(x)表示信道的输入信号等同于接收信号
r(y)表示输出信号等同于阵列输出信号B(θ)、h(y-x)表示冲激响应等同于阵列波速模式Bp。
进一步的，接收水听器圆阵列噪声区别于接收水听器阵列接收到的噪声信号，它包含了更多误差，如阵列自噪声、阵元自耦、自噪声等。在不同的ka值下对接收信号进行常规波束形成，并代入已知的阵列波束模式利用R-L算法对CBF的输出波束功率进行反卷积运算，通过运算结果分析目标功率谱的角分布情况，再根据输出功率角分布估计目标方向。
进一步的，所述R-L算法形成原理为：
建立一个半径为a的均匀圆阵，阵列几何中心为原点建立坐标轴，阵列平面位于X-Y平面，这里只考虑声源与圆阵位于同一水平面的情况。
该圆阵的N个阵元均匀地分布在圆周上，将阵元按顺序编号的得到每个阵元的坐标为：
相邻阵元的角度间隔为2π/N，阵元间距d＝2asin(π/N)。目标位于阵列远场且发射的是窄带信号，阵列接收到的信号可以近似看作是平面波，该平面波与X轴夹角为θi，接收信号可以表示为y＝Aipi+n。
进一步的，所述Ai为圆阵中心的信号强度，每个阵元接收信号的相位延迟
进一步的，所述k是声学波数、j是虚数、上标T表示矩阵转置、n表示噪声矢量。
的上标表示相对于阵列原点第n个阵元接收到的来自目标i的信号的相位延迟。
为了估计目标方位，预期波束指向将阵元间的相位延迟可表示为：
s＝[s1,s2,...sN]T
s为一个与X轴夹角θ有关的方向矢量。
在圆阵平面内的远场存在多个不相关且方向强度均不同的信号源时，圆阵接收到的信号可表示为：
输出波束功率为：
根据上式得到接收水听器阵列输出的波束功率等于每个信号对应的输出信号功率总和，阵列的波束模式等于在没有噪声和干扰的理想情况下阵列对于单位强度点源的波束响应。当仅考虑单位强度的第i个源时，由N个阵元组成的均匀圆阵的波束模式为：
对于只有一个源的情况，输出波束功率的最大值出现在θ＝θi方向，该方向即为目标方向，输出电平为|Ai|2，对波束输出功率进行归一化处理后得到Bp(0)＝1，这时可以根据波束功率的峰值来估计源的方向角θi。
接下来对指向性因子进行理论推导。已知各向同性噪声的声功率可表示为：
其中，
且与目标方向无关，其中
是单位角的噪声功率，单个阵元接收到的噪声功率为
阵列增益(array gain,AG)定义为阵列输出信号信噪比除以输入信号信噪比，又称为指向性因子(directivity factor,DF)，公式表示：
上述公式也适用于三维空间中的各向同性噪声，此时的噪声电平为：
进一步的，所述
表示单位立体角的噪声功率，φ表示与z轴的夹角，在三维空间中单个阵元接受到的噪声功率为
求解反卷积要使用一种迭代算法—R-L算法，公式给出如下：
进一步的，所述(i)表示迭代次数，s(i)(x)收敛到下列等式的唯一解，
进一步的，所述L(p(x),q(x))公式为：
当组成圆阵的阵元数量有限时，其阵列波束模式随角度发生循环变化，周期与阵元数有关，阵元总数越大，循环周期越短。当阵元总数N足够大时，波束模式Bp可以近似看作一个平移不变的量。此时可以将阵列近似看作是连续的，用积分代替求和，得到
由上式得Bp是关于θ-θi的函数，说明Bp与目标信号的方位角θi并不直接相关，其具有平移不变的特性。
进一步的，所述源功率
公式为
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，包括计算机、发射电路模块和接收电路模块，所述的发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块；
所述的发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器和发射换能器；
所述的接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块；
所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接；所述的接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列，所述的发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。
2.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块均包括数字信号处理模块和现场可编程逻辑门电路模块；
所述的数字信号处理模块采用DSP；所述的现场可编程逻辑门电路模块采用FPGA。
3.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，所述的接收水听器阵列是由六个半径为7.5cm的全向水听器组成的小型圆形阵列。
4.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，所述的电源供电模块、发送数据处理模块、DA转换模块、功率放大器、前端信号处理电路、AD转换模块和接收数据处理模块均密封在水密舱内部；
所述的接收水听器阵列和发射换能器固定在水密舱外表面，接收水听器阵列和发射换能器分别通过水密接口与水密舱内的前端信号处理电路和功率放大器连接。
5.根据权利要求4所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，其特征在于，所述的水密舱下部设有配重块，所述的水密舱和配重块之间设有温盐探仪CTD。
6.一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，其特征在于，使用上述权利要求1～5任一所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置，包括以下步骤：
(1)发射换能器作为声源发射全向声波，声波照射到气泡羽流与水介质的分界面发生反射，回波信号包含目标的方位角信息，接收水听器阵列接收气泡群回波信号；
(2)对接收的气泡群回波信号进行预处理，叠加一段时间内接收到的预处理信号，得到时不变的稳定背景信号；
接收到的预处理信号和归一化的稳定背景信号作比较，得到时变的气泡回波信号；
(3)对时变的气泡回波信号采用反卷积波束形成算法进行求解，得到气泡群定位结果。
7.根据权利要求6所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，其特征在于，步骤(1)中，发射换能器发射的全向声波是脉冲信号，内部填充10kHz、50ms正弦波，使用chirp信号作为脉冲包头，用于区分回波信号中混叠在一起的相邻脉冲回波。
8.根据权利要求6所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的预处理包括：对接收到的气泡群回波信号进行插值滤波，得到最佳采样值。
9.根据权利要求6所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：
(3-1)将接收水听器阵列看成一个信道，水听器输出信号公式为：
r(y)＝s(x)*h(y-x)+n
其中，s(x)表示信道的输入信号，等同于接收信号
r(y)表示输出信号，等同于阵列输出信号B(θ)；h(y-x)表示冲激响应，等同于阵列波速模式Bp；n表示噪声；
(3-2)提取接收信号中携带目标位置信息的回波部分进行常规波束形成，并代入已知的阵列波束模式利用R-L迭代算法对CBF的输出波束功率进行反卷积运算，通过运算结果分析目标功率谱的角分布情况，再根据输出功率角分布估计目标方向；具体为：
建立一个半径为a的均匀圆阵，阵列几何中心为原点建立坐标轴，阵列平面位于X-Y平面，这里只考虑声源与圆阵位于同一水平面的情况；
该圆阵的N个阵元均匀地分布在圆周上，将阵元按顺序编号的得到每个阵元的坐标为：
其中，相邻阵元的角度间隔为2π/N，阵元间距d＝2asin(π/N)；
为了估计目标方位，预期波束指向将阵元间的相位延迟表示为：
s＝[s1,s2,...sN]T
s为一个与X轴夹角θ有关的方向矢量；
在圆阵平面内的远场存在多个不相关且方向强度均不同的信号源时，圆阵接收到的信号表示为：
输出波束功率可表示为：
B(θ)＝<|sHy|2>＝sH<yyH>s
来自不同目标的信号是彼此不相关的，且目标信号与噪声也是不相关的，因此，得到
根据上式得到接收水听器阵列输出的波束功率等于每个信号对应的输出信号功率总和，接收水听器阵列的波束模式等于在没有噪声和干扰的理想情况下阵列对于单位强度点源的波束响应；当仅考虑单位强度的第i个声源时，由N个阵元组成的接收水听器阵列的波束模式函数表示：
对于只有一个声源的情况，输出波束功率的最大值出现在θ＝θi方向，该方向即为目标方向，输出电平为|Ai|2，对波束输出功率进行归一化处理后得到Bp(0)＝1，根据波束功率的峰值估计声源的方向角θi。
10.根据权利要求9所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法，其特征在于，所述的R-L迭代算法的具体公式为：
所述(i)表示迭代次数，s(i)(x)收敛到下列等式的唯一解，
所述L(p(x),q(x))公式为：
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