海洋水下聲探測信號的類型與探析5200字

1、海洋水下聲探測信號的類型與探析5200字 水下聲探測設備的聲源特性不同，其聲探測信號的分析方法也不同，下面是搜集的一篇相關論文范文，歡送閱讀參考。隨著人類文明的開展，海洋的戰(zhàn)略地位日益突顯，各國積極開發(fā)利用海洋資源和空間，采用各種手段對海洋的水下環(huán)境進展探測。 聲波是目前在海洋中唯一可以進展遠間隔 傳播的能量形式，因此，在眾多的海洋水下探測設備中，聲波探測是其主要使用的技術手段。目前，水下聲探測設備種類多，數(shù)量大，已廣泛用于海洋的水下探測和調查研究1-8,例如海洋的工程地質勘探、海底地形地貌測量等。 但水下聲探測也是外國調查船和水下文物盜撈船進展非法調查和水下文物探測、定位的主要技術手段，這些

2、海洋水下聲探測活動可以通過探測信號的接收聲特征進展區(qū)分，因此，開展海洋水下聲探測信號的采集研究對非法調查的監(jiān)視取證和水下文物保護具有重要意義。在海洋聲學中，水聲信號處理的研究驅動主要來自軍事需求，重點關注水下目的的輻射噪聲特性、水下目的的聲回波特性、水下聲場的信息獲取與處理等9-14,另外，一些海洋生物的發(fā)聲特性也因其軍事和海洋生態(tài)效應逐漸被關注15-18,對于水下聲探測設備發(fā)射聲信號的分類、被動采集、分析和識別方面的研究那么極少，一直以來，人們主要關注水下聲探測設備在海洋調查和海洋工程勘探中的使用1-8,即強調發(fā)射聲信號對海洋環(huán)境的主動探測過程。 目前，關于海洋水下聲探測信號的分析研究方面，

3、有基于希爾伯特黃變換的 C-BOOM 淺剖信號分析，通過集合經歷模態(tài)分解，實現(xiàn)對未知頻帶的 C-BOOM 淺剖信號的濾波19; 還有對多波束測深儀與側掃聲納信號回波檢測技術的分析，從理論上給出了兩種儀器的海底回波信號檢測方法20. 本文那么立足實際海洋工程作業(yè)過程中對海洋水下聲探測信號的被動測量，在未知作業(yè)設備目的信息的條件下，實現(xiàn)對海上測量數(shù)據(jù)的分析、提取，結合對的水下聲探測設備信號聲特征的分類，來實現(xiàn)對海洋水下聲探測活動的初步識別。水下聲探測設備的消費廠家或研制人員均會給出設備一些主要的技術參數(shù)，包括聲學特性參數(shù)。 但海洋是一個隨機時變、空變的復雜聲信道21,水下聲探測設備的發(fā)射聲信號經海

4、洋這個水聲信道調制后會產生畸變和信息損失，并受到海洋中其他聲信號的干擾，導致接收的水下聲探測信號無法直接區(qū)分、識別。 因此，本文根據(jù)設備給出的聲信號的頻帶范圍對主要的海洋水下聲探測信號進展分類，給出各類水下聲探測信號的主要聲特征; 采集了 4 種代表性的海洋水下聲探測信號，通過對 4 種實測的海洋水下聲探測信號數(shù)據(jù)的分析、研究，給出了對應類型的海洋水下聲探測信號的常規(guī)分析方法; 根據(jù)的水下聲探測信號的聲特征實現(xiàn)對分析目的信號的識別。1、海洋水下聲探測信號分類外國調查船、水下文物盜撈船所使用的主要水下聲探測裝備中，會根據(jù)應用類型不同選擇不同的聲源和聲信號，而根據(jù)聲源及聲信號所使用的頻段大致可分為

5、兩大類-寬帶中低頻聲源和窄帶( 單頻或雙頻為主) 高頻聲源。淺地層剖面測量、海底地震測量、水聲場測量等主要使用寬帶中低頻聲源進展探測，其使用的中低頻聲源有電火花聲源、槍震源( 包括氣槍、水槍、蒸汽槍和槍陣等) 、炸藥震源、剖面儀和 BOOMER 震源等1-6. 其中淺地層剖面測量使用的頻率相對較高，且信號類型確知，目前各型淺地層剖面儀的聲源頻率主要在幾百 Hz 到十幾 kHz; 槍震源和炸藥震源的主能量頻率最低，一般在幾十 Hz 到幾百 Hz,為寬帶脈沖信號; 電火花聲源和 BOOMER 震源的主能量區(qū)那么一般在幾十 Hz 到幾 kHz,也是寬帶脈沖信號。多波束海底地形測量、側掃聲納測量及測深

6、側掃聲納測量等地形地貌測量設備主要使用窄帶( 以單頻或雙頻為主) 高頻聲源，信號類型確知，為高頻短脈沖信號，其換能器探頭工作頻段主要在幾十kHz 到幾百 kHz6-8.2、海洋水下聲探測信號分析水下聲探測設備的聲源特性不同，其聲探測信號的分析方法也不同。 對于寬帶中低頻聲探測信號，易受船舶輻射噪聲、風雨噪聲等海洋環(huán)境背景噪聲的干擾，需從時域、頻域、時頻域或空域等采用多種方法進展分析和識別。 對于窄帶( 單頻或雙頻為主)高頻聲探測信號，其聲信號頻率高，信號形式穩(wěn)定，抗干擾才能較強，在功率譜分析的根底上，采用傳統(tǒng)的頻域濾波方法就可分析、識別。 本研究將分別以兩類聲探測信號中的典型信號為例，討論兩類

7、信號的分析、識別和提取方法。 下面首先對聲探測信號數(shù)據(jù)的來源與海上實驗測量情況進展簡要介紹。2. 1 海上實驗簡介利用地質部門進展海上地質工程勘探的時機，工程組人員對地質工程勘探過程中發(fā)射的海洋水下聲探測信號進展了采集。 采集的聲探測信號類型有淺地層剖面儀信號、電火花聲源信號、雙頻側掃聲納信號和單頻測堅信號。 實驗地點在福建省莆田市秀嶼區(qū)外的興化灣海域，測量時水深約 6 m,天氣晴朗，海況 2級左右。 測量的過程中收發(fā)同船，測量儀器的連接及船上的收發(fā)位置如圖1、2 所示：圖 1 中，水下聲探測信號發(fā)聲后經海底海面反射，由 RESON-TC4014 水聽器接收，轉化為電信號送入濾波調理放大器(

8、SR640) ,最后送入數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)( NI6122 高頻水聲信號采集卡) . 考慮到SR640 帶寬不夠，在采集窄帶高頻信號時將其設置為直通。圖 2 中，船舶發(fā)動機位于各水下聲探測信號和接收水聽器之間。 電火花聲源距接收水聽器約 16m,船舶發(fā)動機距接收水聽器約 5 m. 測深儀距接收水聽器約 5 m,側掃聲納距接收水聽器約 8 m,淺地層剖面儀距接收水聽器約 8 m. 整個實驗測量過程中均有船舶發(fā)動機噪聲干擾。2. 2 寬帶中低頻聲探測信號分析出海采集了寬帶中低頻聲探測信號中的淺地層剖面儀信號和電火花聲源信號。 淺地層剖面儀以強指向性指向海底，因此采集到的淺剖信號波形主要是海底海面反射

9、信號; 電火花聲源無指向性，但實驗海域水深僅6 m,收發(fā)間隔 16 m,因此采集到的電火花聲源信號波形應是直達波和海底海面反射信號的疊加。雖然有干擾，但從圖 3 中可以看到似乎存在一個周期性發(fā)射的信號。 從圖 4 中可以看出淺地層剖面儀信號主要在幾 kHz 到十幾 kHz 范圍，將圖 4 橫坐標放大后可以確定淺地層剖面儀信號的主能量區(qū)約在 2 12 kHz. 為此將含噪原始信號進展 1. 2 14. 0 kHz 的帶通濾波，帶通濾波后的時域波形如圖5、6 所示。從圖 5 中可以看出，經帶通濾波后干擾噪聲大大減少。 圖 6 為淺地層剖面儀信號經帶通濾波后的單個時域波形樣本，從圖中可以看出明顯的信

10、號疏密變化，這是典型的線性掃頻調制特征。 因此，分析結果無論是從頻域( 圖 4) 還是從時域( 圖 6) 上來判斷，均與的淺地層剖面儀信號特征是一致的。電火花聲源原始測量信號的時域波形和時頻分析分別如圖 7、8 所示。從圖 7 的時域圖中可以看到干擾，但也存在一個周期性發(fā)射的信號。 從圖 8 的時頻分析中可以知道電火花聲源信號是寬頻帶信號，但采集的含噪信號中，在 5 kHz 以下和 16 kHz 附近存在強干擾。 由文獻22可知，電火花聲源信號的主能量區(qū)一般在幾百 Hz 到幾 kHz,因此，對于 5 kHz 以下的強干擾無法通過頻域濾波的方法濾除。 由圖 7 可知，時域的幅度濾波方法也不可行。

11、 針對這類特殊的信號提取問題，需從空域角度分析，采用小波尺度相關濾涉及其改良算法23進展處理，有效的提取了電火花聲源信號。 尺度相關濾波后的信號時域波形及時、頻分析如圖 9、10 所示。從圖中可以看出，經小波尺度相關濾波后，5kHz 以下和 16 kHz 附近的強干擾得到了有效抑制，僅在信號間隔期內存在少量干擾。2. 3 窄帶高頻聲探測信號分析出海采集的窄帶高頻聲探測信號中包含單頻的測堅信號和雙頻的側掃聲納信號。 測深儀和側掃聲納均具有強指向性，因此，接收信號不是直達波，而是海底或者海底海面的屢次反射信號，相比初始樣本信號會有一定的畸變。 接收信號的時域波形和功率譜分析分別如圖 11、12 所

12、示。由于低頻的背景干擾幅度較大，無法從圖 11中辨識信號的存在。 從圖 12 的功率譜分析中可以看出，在 135 kHz 和 205 kHz 附近存在兩個強頻譜峰值。 為此，對圖 11 的時域信號分兩次進展帶通濾波，通頻帶分別為： 110 150 kHz 和 195 215 kHz,得到的時域波形如圖 13、14 所示。從時域上看，圖 13、14 均存在周期性的發(fā)射信號。 所用的側掃聲納為 KLEIN SYSTEM 3000,通過查閱該設備的出廠參數(shù)可知其信號頻率為 132、445 kHz. 本次實驗數(shù)據(jù)采集設備的最大采樣頻率為 500 kHz,且濾波調理放大器 SR640 的帶寬不夠，在采集

13、窄帶高頻信號時設為直通，所以對于 445kHz 的信號會出現(xiàn)欠采樣，在此不予討論。 因此，圖13 帶通濾波后得到的應是 132 kHz 的側掃聲納信號。 所用的測深儀為 HY1600,查閱該設備的出廠參數(shù)可知其信號頻率為208 kHz,因此，圖14 帶通濾波后得到的應是 208 kHz 的測深儀信號。3、結語本研究根據(jù)水下聲探測信號的主要聲特征，對主要海洋水下聲探測信號進展了分類，并分為寬帶中、低頻信號和窄帶高頻信號，其中寬帶中、低頻信號又可分為信號類型確定的中、低頻信號和寬帶脈沖中、低頻信號。 在福建興化灣海域采集了淺地層剖面儀信號、電火花聲源信號、側掃聲納信號和單頻測堅信號 4 種典型的海

14、洋水下聲探測活動信號樣本，并進展了分析、提取，得到如下結論：(1) 淺地層剖面儀信號是信號類型確定的中、低頻信號的典型代表，其信號波形為線性掃頻調制脈沖。 針對這類信號的分析、處理和識別，需先進展初步的時、頻分析，掌握初步的頻域特性，然后針對性的進展帶通濾波，提取目的信號，最后結合的海洋水下聲探測信號的聲特征，進展信號識別。(2) 電火花聲源信號是寬帶脈沖中、低頻信號的典型代表，該類信號沒有確知的信號形式，以寬帶的沖擊波為主，針對這類信號的分析、處理和識別，可以從空域角度分析，采用小波尺度相關濾波的方法進展處理，提取和識別目的信號。(3) 側掃聲納信號、單頻測深儀信號是窄帶高頻信號的典型代表。

15、 這類信號頻率很高，以單頻或雙頻為主，信號類型( 波形) 固定。 因此，在對信號進展初步的時、頻分析后，再對信號進展帶通濾波，最后結合的海洋水下聲探測信號的聲特征，提取和識別目的信號。本文數(shù)據(jù)來源于實際海洋工程勘探作業(yè)過程中的被動觀測，通過數(shù)據(jù)分析給出了代表性的海洋水下聲探測信號的分析、提取和識別方法，可為海上辨識外國調查船和水下文物盜撈船的非法水下聲探測活動提供參考和幫助。 隨著技術的開展，對于本文可能沒有涉及到的海洋水下聲探測信號，還需根據(jù)實測數(shù)據(jù)情況進展分析。參考文獻：1 裴彥良，王揆洋，李官保，等。 海洋工程地震勘探震源及其應用研究J. 石油儀器，2022,21( 2) : 20-23

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