CN117490833A - 一种高海况下声传播测量系统及其海上布放方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高海况下声传播测量系统及其海上布放方法，该系统包括潜标发射模块和潜标接收模块；潜标发射模块在高海况下按照设定的信号形式和信号周期发射声信号；潜标接收模块接收潜标发射模块发射的声信号，实现水下声传播测量，获取相应的声传播特性和规律。潜标发射模块和潜标接收模块均还包括浮球、绳缆和沉块；该方法通过作业船将测量系统运载到海区；到达海区后，先通过沉块将潜标发射模块下沉到海底，再通过沉块并根据接收距离或接收深度将潜标接收模块下沉到设定位置处，从而完成系统布放；待系统完成测量后，通过浮球将潜标发射模块和潜标接收模块浮出水面，便于回收系统。本发明能够自主长时间获取高海况下的声传播测量数据。

Description

一种高海况下声传播测量系统及其海上布放方法

技术领域

本发明涉及水声物理领域，特别涉及一种高海况下声传播测量系统及其海上布放方法。

背景技术

典型海洋环境下声传播的特性和规律是水声装备使用所急需的声环境信息保障。水下声传播的特性和规律一般通过水下声传播测量来获得。传统的水下声传播测量方式一般采用人工与测量船进行作业，声源一般采用爆炸声源、拖曳声源等，适用于较平静海况。但是在高海况的环境下，人工与测量船作业困难，并存在一定的危险性，很难获取长时间的声传播测量数据。

发明内容

本发明的目的在于克服在高海况的环境下，人工与测量船作业困难，并存在一定的危险性，很难获取长时间的声传播测量数据的问题，提出了一种高海况下的声传播测量系统及其海上布放方法。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。

本发明提出了一种高海况下声传播测量系统，所述系统包括：

潜标发射模块，用于在高海况下按照设定的信号形式和信号周期，周期性地发射声信号；和

潜标接收模块，用于接收潜标发射模块发射的声信号，实现长时间的水下声传播测量，获取相应的声传播特性和规律。

作为上述技术方案的改进之一，所述潜标发射模块包括：自主发射声源和发射潜标；

所述自主发射声源的信号发生器具有可编程功能，通过编程设定发射的信号形式及信号周期；所述发射潜标，用于为自主发射声源提供电力和浮力，其中电力用于保证发射声源正常发射信号，浮力用于调整自主发射声源的布放深度。

作为上述技术方案的改进之一，所述潜标接收模块，包括：水听器和接收潜标；

所述水听器，用于接收潜标发射模块发射的声信号，并将声信号转换为电信号后存储；所述接收潜标，用于提供水听器所需的浮力，调整水听器的接收深度。

作为上述技术方案的改进之一，所述潜标接收模块根据接收深度或接收距离设置多个。

作为上述技术方案的改进之一，所述发射信号形式，包括：单频信号、线性调频信号和m序列信号。

作为上述技术方案的改进之一，所述发射信号周期为20-30分钟。

作为上述技术方案的改进之一，所述水听器为自容式水听器，并且水听器的低频端测量能力不小于10Hz。

作为上述技术方案的改进之一，所述潜标发射模块和潜标接收模块，均还包括：浮球、绳缆和沉块；

所述沉块，用于在布放系统时，使潜标发射模块或潜标接收模块下沉到水下；所述浮球，用于在回收系统时，使潜标发射模块或潜标接收模块漂浮到水面；

所述系统布放完成后，浮球、发射潜标、自主发射声源、释放器和沉块由上到下依次通过绳缆连接，浮球、接收潜标、自容式水听器、释放器和沉块由上到下依次通过绳缆连接。

本发明还提出了一种上述所述的高海况下声传播测量系统的海上布放方法，所述方法包括以下步骤：

S1.根据海洋天气预报系统，确定试验海区未来一周的海况情况；当试验海区未来一周将连续或多时出现高海况预报时，通过作业船将与浮球和沉块相连的系统运载到海区；

S2.到达海区后，先将与潜标发射模块相连的沉块缓慢沉底，其后依次分别是释放器、潜标发射模块和浮球；潜标发射模块的沉块坐底后，再将与潜标接收模块相连的沉块缓慢沉底，其后依次分别是释放器、潜标接收模块和浮球，使标接收模块分别到达预先设置的接收距离及接收深度位置处，完成测量系统布放；

S3.完成测量系统布放后，作业船驶离布放位置；

S4.待高海况时，用户控制潜标发射模块发射声信号，控制潜标接收模块接收信号，完成声传播测量；

S5.待海况好转后，作业船航行至海区；用户控制释放器将沉块脱钩，在浮球的作用下，测量系统露出水面，对测量系统进行回收。本发明与现有技术相比优点在于：

(1)采用自主潜标发射模块和潜标接收模块构建高海况下的声传播测量系统，避免了高海况下人工与测量船作业的困难；

(2)采用大功率的潜标发射模块和低功耗的潜标接收模块，可保证系统长时间正常工作，获取大时间尺度的声传播测量数据。

附图说明

图1为本发明实施例的高海况下的声传播测量系统组成图及完成布放图；

图2为本发明实施例的高海况下的声测量数据，其中，图2(a)为本发明实施例的1号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；图2(b)为本发明实施例的2号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；图2(c)为本发明实施例的3号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；图2(d)为本发明实施例的4号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；

图3为Earth系统提供的本发明实施例在试验期间的海面风速图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。

本发明提出一种高海况下的声传播测量系统，将基于大功率自主潜标发射声源和低功耗、自容式接收水听器构建高海况下的声传播测量系统，其中潜标发射声源内置可编程信号发生器。该声传播测量系统能够在高海况条件下，长时间的自主发射和接收信号，实现长时间的水下声传播测量，获取相应的声传播特性和规律。

本发明采用如下步骤的技术方案：该技术方案由高海况下的声传播测量系统构建、自主发射声源可编程信号发生器发射信号设计和高海况下的声传播测量系统海上试验布放方法三部分组成。

(1)高海况下的声传播测量系统构建

高海况下的声传播测量系统是基于一套大功率自主潜标发射声源和多套低功耗、自容式接收水听器构建的，其中水听器要求低频端测量能力不小于10Hz，自主潜标发射声源的电池寿命以及自容式接收水听器的采集记录装置中存储容量和电池寿命可以保证数据测量时间不小于7天。自主潜标发射声源可设定发射启动时间、发射信号形式、发射信号周期等。自容式接收水听器测量系统可设定接收启动时间。

建议所使用的大功率自主潜标发射声源应满足如下技术要求：

●发射声源可发射频率范围1kHz-10kHz；

●信号发生器具有可编程功能；

建议所使用的自容式水听器应满足如下技术要求：

●水听器可用频率范围10Hz-10kHz；

●水听器灵敏度≥-195dB；

●放大增益20-40dB，可调节；

●具有16bit模/数转换精度；

●数据存储采用硬盘或闪存卡本地存储；

●系统自噪声≤40dB；

●可程控采样率，方法增益，采样时间，记录间隔参数等；

●用直流电池提供电力，记录时间≥7天。

(2)自主发射声源可编程信号发生器发射信号设计

自主发射声源可编程信号发生器的发射信号周期设计应结合高海况下海洋环境变化的时间尺度进行，一般可选择每20-30分钟发射一组信号。如果周期太大，容易引起声测量数据连续性差的问题；周期太小，容易过快消耗系统的电量。

每组发射信号可选择单频信号、线性调频信号以及m序列信号相结合的形式，便于后续从单频、宽带等多个角度研究典型环境下的声传播特性及规律。

(3)高海况下的声传播测量系统海上试验布放方法

高海况下的声传播测量系统布放方法是保障获取有效数据、设备正常工作、安全布放和回收的重要步骤。首先根据海洋天气预报系统，确定试验海区未来一周的海况情况。如果试验海区未来一周将连续或多时出现高海况(三级海况及以上)预报，则由作业船只运载高海况下的声传播测量系统至试验海区进行系统布放。

如图1所示，为本发明实施例的高海况下的声传播测量系统组成及完成布放图。

整套测量系统锚于海底，布放时应先将自主潜标发射声源上的沉块缓慢沉底，其后依次是释放器、潜标发射声源、打捞浮球；确定坐底后，再将(多套)自容式水听器分别按照预先设置的距离及深度缓慢沉底，随后作业船驶离布放位置往码头避风。浮球的浮力应确保能够拉动释放器浮出海面。待海况好转后(海况低于三级海况时)，作业船只航行至试验海区进行测量系统回收，利用释放器将锚定沉块脱钩，浮球露出水面，实施打捞作业。

另外，在布放和回收试验系统时，可利用CTD等对试验海区水文剖面进行测量；还可利用抛弃式波浪仪对试验海区海面波高进行测量。

为了获取恶劣海况下长时间的声传播测量数据，通过潜标发射系统与潜标接收系统构建了海上试验系统，可以避免恶劣天气下船只与人员进行海上作业的困难。在南海某海域进行了定点接收试验，获取了179个小时的定点声传播测量试验数据。记发射点为F，三个接收潜标的位置分别为A1、A2和A3。发射点F与三个接收点A1、A2、A3的距离分别为16.77km、16.78km和15.05km。发射深度大致为30m，1号、2号水听器在潜标A3处，接收深度分别为40m和58m；3号水听器在潜标A1处，接收深度为72m；4号水听器在潜标A2处，接收深度为75m。试验海区海深大约150m。发射信号是中心频率为3250Hz，带宽为1500Hz的线性调频信号，每30分钟发射一次。

利用本套高海况下的声传播测量系统，在国际上首次获取了恶劣海况下、大时间尺度上的定点发射定点接收的声传播测量数据。处理声传播测量数据时，采用宽带非相干处理的方式计算声传播损失。声传播测量数据结果如图2所示，其中，图2(a)为本发明实施例的1号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；图2(b)为本发明实施例的2号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；图2(c)为本发明实施例的3号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；图2(d)为本发明实施例的4号水听器接收的声测量数据获得的声传播损失图；在179小时的海上试验期间，海况在三级海况到六级海况之间变化，随着海况的变化，定点发射、定点接收的声传播损失的变化达到20dB；另外，4个站位的声传播损失变化趋势是一致的。

本次海上试验期间没有通过风速仪或波浪仪测量海面风速、波高等，为了观察高海况下的声传播测量数据与海表风速之间的关系，海面风速数据可选用全球天气状况可视化系统Earth预报的近乎实时的定点海表风速数据。Earth系统通过超级计算机对全球天气状况实现了近乎实时的预测和可视化，可提供不同时期全球海洋气候数据，每三小时更新一次。如图3所示，是Earth系统(网站地址为：https://earth.nullschool.net)提供的试验海区某站位(18.9°N、111.7°E)在试验期间的海表风速数据。通过观察图2和图3，可见4个站位的声传播损失变化趋势与试验期间的海表风速变化呈现强烈的负相关。

从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明的效果包括以下几个方面：

(1)能够自主长时间获取高海况下的声传播测量数据，避免了高海况下船只与人员作业的困难以及危险；

(2)该方法可操作性强，布放灵活，全天候执行调查作业任务，对于高海况情况下的声传播测量及研究具有无可比拟的优势。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述系统包括：

潜标发射模块，用于在高海况下按照设定的信号形式和信号周期，周期性地发射声信号；和

潜标接收模块，用于接收潜标发射模块发射的声信号，实现长时间的水下声传播测量，获取相应的声传播特性和规律。

2.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述潜标发射模块包括：自主发射声源和发射潜标；

所述自主发射声源的信号发生器具有可编程功能，通过编程设定发射的信号形式及信号周期；所述发射潜标，用于为自主发射声源提供电力和浮力，其中电力用于保证发射声源正常发射信号，浮力用于调整自主发射声源的布放深度。

3.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述潜标接收模块，包括：水听器和接收潜标；

所述水听器，用于接收潜标发射模块发射的声信号，并将声信号转换为电信号后存储；所述接收潜标，用于提供水听器所需的浮力，调整水听器的接收深度。

4.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述潜标接收模块根据接收深度或接收距离设置多个。

5.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述发射信号形式，包括：单频信号、线性调频信号和m序列信号。

6.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述发射信号周期为20-30分钟。

7.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述水听器为自容式水听器，并且水听器的低频端测量能力不小于10Hz。

8.根据权利要求1所述的高海况下声传播测量系统，其特征在于，所述潜标发射模块和潜标接收模块，均还包括：浮球、绳缆和沉块；

所述沉块，用于在布放系统时，使潜标发射模块或潜标接收模块下沉到水下；所述浮球，用于在回收系统时，使潜标发射模块或潜标接收模块漂浮到水面；

所述系统布放完成后，浮球、发射潜标、自主发射声源、释放器和沉块由上到下依次通过绳缆连接，浮球、接收潜标、自容式水听器、释放器和沉块由上到下依次通过绳缆连接。

9.一种如权利要求8所述的高海况下声传播测量系统的海上布放方法，所述方法包括以下步骤：

S1.根据海洋天气预报系统，确定试验海区未来一周的海况情况；当试验海区未来一周将连续或多时出现高海况预报时，通过作业船将与浮球和沉块相连的系统运载到海区；

S2.到达海区后，先将与潜标发射模块相连的沉块缓慢沉底，其后依次分别是释放器、潜标发射模块和浮球；潜标发射模块的沉块坐底后，再将与潜标接收模块相连的沉块缓慢沉底，其后依次分别是释放器、潜标接收模块和浮球，使标接收模块分别到达预先设置的接收距离及接收深度位置处，完成测量系统布放；

S3.完成测量系统布放后，作业船驶离布放位置；

S4.待高海况时，用户控制潜标发射模块发射声信号，控制潜标接收模块接收信号，完成声传播测量；

S5.待海况好转后，作业船航行至海区；用户控制释放器将沉块脱钩，在浮球的作用下，测量系统露出水面，对测量系统进行回收。