海洋水下声探测信号的类型与探析

海洋水下声探测信号的类型与探析

发布时间:2016-05-21编辑：张莉手机版

水下声探测设备的声源特性不同，其声探测信号的分析方法也不同，下面是小编搜集的一篇相关论文范文，欢迎阅读参考。

随着人类文明的发展，海洋的战略地位日益突显，各国积极开发利用海洋资源和空间，采用各种手段对海洋的水下环境进行探测。声波是目前在海洋中唯一能够进行远距离传播的能量形式，因此，在众多的海洋水下探测设备中，声波探测是其主要使用的技术手段。

目前，水下声探测设备种类多，数量大，已广泛用于海洋的水下探测和调查研究[1-8],例如海洋的工程地质勘探、海底地形地貌测量等。但水下声探测也是外国调查船和水下文物盗捞船进行非法调查和水下文物探测、定位的主要技术手段，这些海洋水下声探测活动可以通过探测信号的接收声特征进行区分，因此，开展海洋水下声探测信号的采集研究对非法调查的监视取证和水下文物保护具有重要意义。

在海洋声学中，水声信号处理的研究驱动主要来自军事需求，重点关注水下目标的辐射噪声特性、水下目标的声回波特性、水下声场的信息获取与处理等[9-14],另外，一些海洋生物的发声特性也因其军事和海洋生态效应逐渐被关注[15-18],对于水下声探测设备发射声信号的分类、被动采集、分析和识别方面的研究则极少，一直以来，人们主要关注水下声探测设备在海洋调查和海洋工程勘探中的使用[1-8],即强调发射声信号对海洋环境的主动探测过程。目前，关于海洋水下声探测信号的分析研究方面，有基于希尔伯特黄变换的 C-BOOM 浅剖信号分析，通过集合经验模态分解，实现对未知频带的 C-BOOM 浅剖信号的滤波[19]; 还有对多波束测深仪与侧扫声纳信号回波检测技术的分析，从理论上给出了两种仪器的海底回波信号检测方法[20]. 本文则立足实际海洋工程作业过程中对海洋水下声探测信号的被动测量，在未知作业设备目标信息的条件下，实现对海上测量数据的分析、提取，结合对已知的水下声探测设备信号声特征的分类，来实现对海洋水下声探测活动的初步识别。

水下声探测设备的生产厂家或研制人员均会给出设备一些主要的技术参数，包括声学特性参数。但海洋是一个随机时变、空变的复杂声信道[21],水下声探测设备的发射声信号经海洋这个水声信道调制后会产生畸变和信息损失，并受到海洋中其他声信号的干扰，导致接收的水下声探测信号无法直接区分、识别。因此，本文依据设备给出的声信号的频带范围对主要的海洋水下声探测信号进行分类，给出各类水下声探测信号的主要声特征; 采集了 4 种代表性的海洋水下声探测信号，通过对 4 种实测的海洋水下声探测信号数据的分析、研究，给出了对应类型的海洋水下声探测信号的常规分析方法; 根据已知的水下声探测信号的声特征实现对分析目标信号的识别。

1、海洋水下声探测信号分类

外国调查船、水下文物盗捞船所使用的主要水下声探测装备中，会根据应用类型不同选择不同的声源和声信号，而根据声源及声信号所使用的频段大致可分为两大类---宽带中低频声源和窄带( 单频或双频为主) 高频声源。

浅地层剖面测量、海底地震测量、水声场测量等主要使用宽带中低频声源进行探测，其使用的中低频声源有电火花声源、枪震源( 包括气枪、水枪、蒸汽枪和枪阵等) 、炸药震源、剖面仪和 BOOMER 震源等[1-6]. 其中浅地层剖面测量使用的频率相对较高，且信号类型确知，目前各型浅地层剖面仪的声源频率主要在几百 Hz 到十几 kHz; 枪震源和炸药震源的主能量频率最低，一般在几十 Hz 到几百 Hz,为宽带脉冲信号; 电火花声源和 BOOMER 震源的主能量区则一般在几十 Hz 到几 kHz,也是宽带脉冲信号。

多波束海底地形测量、侧扫声纳测量及测深侧扫声纳测量等地形地貌测量设备主要使用窄带( 以单频或双频为主) 高频声源，信号类型确知，为高频短脉冲信号，其换能器探头工作频段主要在几十kHz 到几百 kHz[6-8].

2、海洋水下声探测信号分析

水下声探测设备的声源特性不同，其声探测信号的分析方法也不同。对于宽带中低频声探测信号，易受船舶辐射噪声、风雨噪声等海洋环境背景噪声的干扰，需从时域、频域、时频域或空域等采用多种方法进行分析和识别。对于窄带( 单频或双频为主)高频声探测信号，其声信号频率高，信号形式稳定，抗干扰能力较强，在功率谱分析的基础上，采用传统的频域滤波方法就可分析、识别。本研究将分别以两类声探测信号中的典型信号为例，探讨两类信号的分析、识别和提取方法。下面首先对声探测信号数据的来源与海上实验测量情况进行简要介绍。

2. 1 海上实验简介

利用地质部门进行海上地质工程勘探的机会，项目组人员对地质工程勘探过程中发射的海洋水下声探测信号进行了采集。采集的声探测信号类型有浅地层剖面仪信号、电火花声源信号、双频侧扫声纳信号和单频测深信号。实验地点在福建省莆田市秀屿区外的兴化湾海域，测量时水深约 6 m,天气晴朗，海况 2级左右。测量的过程中收发同船，测量仪器的连接及船上的收发位置如图1、2 所示：

图 1 中，水下声探测信号发声后经海底海面反射，由 RESON-TC4014 水听器接收，转化为电信号送入滤波调理放大器( SR640) ,最后送入数据采集存储系统( NI6122 高频水声信号采集卡) . 考虑到SR640 带宽不够，在采集窄带高频信号时将其设置为直通。

图 2 中，船舶发动机位于各水下声探测信号和接收水听器之间。电火花声源距接收水听器约 16m,船舶发动机距接收水听器约 5 m. 测深仪距接收水听器约 5 m,侧扫声纳距接收水听器约 8 m,浅地层剖面仪距接收水听器约 8 m. 整个实验测量过程中均有船舶发动机噪声干扰。

2. 2 宽带中低频声探测信号分析

出海采集了宽带中低频声探测信号中的浅地层剖面仪信号和电火花声源信号。浅地层剖面仪以强指向性指向海底，因此采集到的浅剖信号波形主要是海底海面反射信号; 电火花声源无指向性，但实验海域水深仅6 m,收发距离16 m,因此采集到的电火花声源信号波形应是直达波和海底海面反射信号的叠加。