海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的類(lèi)型與探析5200字

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

2、海洋水下聲探測(cè)活動(dòng)可以通過(guò)探測(cè)信號(hào)的接收聲特征進(jìn)展區(qū)分，因此，開(kāi)展海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的采集研究對(duì)非法調(diào)查的監(jiān)視取證和水下文物保護(hù)具有重要意義。在海洋聲學(xué)中，水聲信號(hào)處理的研究驅(qū)動(dòng)主要來(lái)自軍事需求，重點(diǎn)關(guān)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(chǎng)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(yīng)逐漸被關(guān)注15-18,對(duì)于水下聲探測(cè)設(shè)備發(fā)射聲信號(hào)的分類(lèi)、被動(dòng)采集、分析和識(shí)別方面的研究那么極少，一直以來(lái)，人們主要關(guān)注水下聲探測(cè)設(shè)備在海洋調(diào)查和海洋工程勘探中的使用1-8,即強(qiáng)調(diào)發(fā)射聲信號(hào)對(duì)海洋環(huán)境的主動(dòng)探測(cè)過(guò)程。 目前，關(guān)于海洋水下聲探測(cè)信號(hào)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(hào)分析，通過(guò)集合經(jīng)歷模態(tài)分解，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知頻帶的 C-BOOM 淺剖信號(hào)的濾波19; 還有對(duì)多波束測(cè)深儀與側(cè)掃聲納信號(hào)回波檢測(cè)技術(shù)的分析，從理論上給出了兩種儀器的海底回波信號(hào)檢測(cè)方法20. 本文那么立足實(shí)際海洋工程作業(yè)過(guò)程中對(duì)海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的被動(dòng)測(cè)量，在未知作業(yè)設(shè)備目的信息的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、提取，結(jié)合對(duì)的水下聲探測(cè)設(shè)備信號(hào)聲特征的分類(lèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水下聲探測(cè)活動(dòng)的初步識(shí)別。水下聲探測(cè)設(shè)備的消費(fèi)廠家或研制人員均會(huì)給出設(shè)備一些主要的技術(shù)參數(shù)，包括聲學(xué)特性參數(shù)。 但海洋是一個(gè)隨機(jī)時(shí)變、空變的復(fù)雜聲信道21,水下聲探測(cè)設(shè)備的發(fā)射聲信號(hào)經(jīng)海

4、洋這個(gè)水聲信道調(diào)制后會(huì)產(chǎn)生畸變和信息損失，并受到海洋中其他聲信號(hào)的干擾，導(dǎo)致接收的水下聲探測(cè)信號(hào)無(wú)法直接區(qū)分、識(shí)別。 因此，本文根據(jù)設(shè)備給出的聲信號(hào)的頻帶范圍對(duì)主要的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)展分類(lèi)，給出各類(lèi)水下聲探測(cè)信號(hào)的主要聲特征; 采集了 4 種代表性的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)，通過(guò)對(duì) 4 種實(shí)測(cè)的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的分析、研究，給出了對(duì)應(yīng)類(lèi)型的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的常規(guī)分析方法; 根據(jù)的水下聲探測(cè)信號(hào)的聲特征實(shí)現(xiàn)對(duì)分析目的信號(hào)的識(shí)別。1、海洋水下聲探測(cè)信號(hào)分類(lèi)外國(guó)調(diào)查船、水下文物盜撈船所使用的主要水下聲探測(cè)裝備中，會(huì)根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型不同選擇不同的聲源和聲信號(hào)，而根據(jù)聲源及聲信號(hào)所使用的頻段大致可分為

5、兩大類(lèi)-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(cè)量、海底地震測(cè)量、水聲場(chǎng)測(cè)量等主要使用寬帶中低頻聲源進(jìn)展探測(cè)，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(cè)量使用的頻率相對(duì)較高，且信號(hào)類(lèi)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(hào); 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(hào)。多波束海底地形測(cè)量、側(cè)掃聲納測(cè)量及測(cè)深

6、側(cè)掃聲納測(cè)量等地形地貌測(cè)量設(shè)備主要使用窄帶( 以單頻或雙頻為主) 高頻聲源，信號(hào)類(lèi)型確知，為高頻短脈沖信號(hào)，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(cè)信號(hào)分析水下聲探測(cè)設(shè)備的聲源特性不同，其聲探測(cè)信號(hào)的分析方法也不同。 對(duì)于寬帶中低頻聲探測(cè)信號(hào)，易受船舶輻射噪聲、風(fēng)雨噪聲等海洋環(huán)境背景噪聲的干擾，需從時(shí)域、頻域、時(shí)頻域或空域等采用多種方法進(jìn)展分析和識(shí)別。 對(duì)于窄帶( 單頻或雙頻為主)高頻聲探測(cè)信號(hào)，其聲信號(hào)頻率高，信號(hào)形式穩(wěn)定，抗干擾才能較強(qiáng)，在功率譜分析的根底上，采用傳統(tǒng)的頻域?yàn)V波方法就可分析、識(shí)別。 本研究將分別以兩類(lèi)聲探測(cè)信號(hào)中的典型信號(hào)為例，討論兩類(lèi)

7、信號(hào)的分析、識(shí)別和提取方法。 下面首先對(duì)聲探測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)的來(lái)源與海上實(shí)驗(yàn)測(cè)量情況進(jìn)展簡(jiǎn)要介紹。2. 1 海上實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介利用地質(zhì)部門(mén)進(jìn)展海上地質(zhì)工程勘探的時(shí)機(jī)，工程組人員對(duì)地質(zhì)工程勘探過(guò)程中發(fā)射的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)展了采集。 采集的聲探測(cè)信號(hào)類(lèi)型有淺地層剖面儀信號(hào)、電火花聲源信號(hào)、雙頻側(cè)掃聲納信號(hào)和單頻測(cè)堅(jiān)信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在福建省莆田市秀嶼區(qū)外的興化灣海域，測(cè)量時(shí)水深約 6 m,天氣晴朗，海況 2級(jí)左右。 測(cè)量的過(guò)程中收發(fā)同船，測(cè)量?jī)x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(cè)信號(hào)發(fā)聲后經(jīng)海底海面反射，由 RESON-TC4014 水聽(tīng)器接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送入濾波調(diào)理放大器(

8、SR640) ,最后送入數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)( NI6122 高頻水聲信號(hào)采集卡) . 考慮到SR640 帶寬不夠，在采集窄帶高頻信號(hào)時(shí)將其設(shè)置為直通。圖 2 中，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)位于各水下聲探測(cè)信號(hào)和接收水聽(tīng)器之間。 電火花聲源距接收水聽(tīng)器約 16m,船舶發(fā)動(dòng)機(jī)距接收水聽(tīng)器約 5 m. 測(cè)深儀距接收水聽(tīng)器約 5 m,側(cè)掃聲納距接收水聽(tīng)器約 8 m,淺地層剖面儀距接收水聽(tīng)器約 8 m. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中均有船舶發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲干擾。2. 2 寬帶中低頻聲探測(cè)信號(hào)分析出海采集了寬帶中低頻聲探測(cè)信號(hào)中的淺地層剖面儀信號(hào)和電火花聲源信號(hào)。 淺地層剖面儀以強(qiáng)指向性指向海底，因此采集到的淺剖信號(hào)波形主要是海底海面反射

9、信號(hào); 電火花聲源無(wú)指向性，但實(shí)驗(yàn)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(hào)波形應(yīng)是直達(dá)波和海底海面反射信號(hào)的疊加。雖然有干擾，但從圖 3 中可以看到似乎存在一個(gè)周期性發(fā)射的信號(hào)。 從圖 4 中可以看出淺地層剖面儀信號(hào)主要在幾 kHz 到十幾 kHz 范圍，將圖 4 橫坐標(biāo)放大后可以確定淺地層剖面儀信號(hào)的主能量區(qū)約在 2 12 kHz. 為此將含噪原始信號(hào)進(jìn)展 1. 2 14. 0 kHz 的帶通濾波，帶通濾波后的時(shí)域波形如圖5、6 所示。從圖 5 中可以看出，經(jīng)帶通濾波后干擾噪聲大大減少。 圖 6 為淺地層剖面儀信號(hào)經(jīng)帶通濾波后的單個(gè)時(shí)域波形樣本，從圖中可以看出明顯的信

10、號(hào)疏密變化，這是典型的線性掃頻調(diào)制特征。 因此，分析結(jié)果無(wú)論是從頻域( 圖 4) 還是從時(shí)域( 圖 6) 上來(lái)判斷，均與的淺地層剖面儀信號(hào)特征是一致的。電火花聲源原始測(cè)量信號(hào)的時(shí)域波形和時(shí)頻分析分別如圖 7、8 所示。從圖 7 的時(shí)域圖中可以看到干擾，但也存在一個(gè)周期性發(fā)射的信號(hào)。 從圖 8 的時(shí)頻分析中可以知道電火花聲源信號(hào)是寬頻帶信號(hào)，但采集的含噪信號(hào)中，在 5 kHz 以下和 16 kHz 附近存在強(qiáng)干擾。 由文獻(xiàn)22可知，電火花聲源信號(hào)的主能量區(qū)一般在幾百 Hz 到幾 kHz,因此，對(duì)于 5 kHz 以下的強(qiáng)干擾無(wú)法通過(guò)頻域?yàn)V波的方法濾除。 由圖 7 可知，時(shí)域的幅度濾波方法也不可行。

11、 針對(duì)這類(lèi)特殊的信號(hào)提取問(wèn)題，需從空域角度分析，采用小波尺度相關(guān)濾涉及其改良算法23進(jìn)展處理，有效的提取了電火花聲源信號(hào)。 尺度相關(guān)濾波后的信號(hào)時(shí)域波形及時(shí)、頻分析如圖 9、10 所示。從圖中可以看出，經(jīng)小波尺度相關(guān)濾波后，5kHz 以下和 16 kHz 附近的強(qiáng)干擾得到了有效抑制，僅在信號(hào)間隔期內(nèi)存在少量干擾。2. 3 窄帶高頻聲探測(cè)信號(hào)分析出海采集的窄帶高頻聲探測(cè)信號(hào)中包含單頻的測(cè)堅(jiān)信號(hào)和雙頻的側(cè)掃聲納信號(hào)。 測(cè)深儀和側(cè)掃聲納均具有強(qiáng)指向性，因此，接收信號(hào)不是直達(dá)波，而是海底或者海底海面的屢次反射信號(hào)，相比初始樣本信號(hào)會(huì)有一定的畸變。 接收信號(hào)的時(shí)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(wú)法從圖 11中辨識(shí)信號(hào)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(gè)強(qiáng)頻譜峰值。 為此，對(duì)圖 11 的時(shí)域信號(hào)分兩次進(jìn)展帶通濾波，通頻帶分別為： 110 150 kHz 和 195 215 kHz,得到的時(shí)域波形如圖 13、14 所示。從時(shí)域上看，圖 13、14 均存在周期性的發(fā)射信號(hào)。 所用的側(cè)掃聲納為 KLEIN SYSTEM 3000,通過(guò)查閱該設(shè)備的出廠參數(shù)可知其信號(hào)頻率為 132、445 kHz. 本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的最大采樣頻率為 500 kHz,且濾波調(diào)理放大器 SR640 的帶寬不夠，在采集

13、窄帶高頻信號(hào)時(shí)設(shè)為直通，所以對(duì)于 445kHz 的信號(hào)會(huì)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(yīng)是 132 kHz 的側(cè)掃聲納信號(hào)。 所用的測(cè)深儀為 HY1600,查閱該設(shè)備的出廠參數(shù)可知其信號(hào)頻率為208 kHz,因此，圖14 帶通濾波后得到的應(yīng)是 208 kHz 的測(cè)深儀信號(hào)。3、結(jié)語(yǔ)本研究根據(jù)水下聲探測(cè)信號(hào)的主要聲特征，對(duì)主要海洋水下聲探測(cè)信號(hào)進(jìn)展了分類(lèi)，并分為寬帶中、低頻信號(hào)和窄帶高頻信號(hào)，其中寬帶中、低頻信號(hào)又可分為信號(hào)類(lèi)型確定的中、低頻信號(hào)和寬帶脈沖中、低頻信號(hào)。 在福建興化灣海域采集了淺地層剖面儀信號(hào)、電火花聲源信號(hào)、側(cè)掃聲納信號(hào)和單頻測(cè)堅(jiān)信號(hào) 4 種典型的海

14、洋水下聲探測(cè)活動(dòng)信號(hào)樣本，并進(jìn)展了分析、提取，得到如下結(jié)論：(1) 淺地層剖面儀信號(hào)是信號(hào)類(lèi)型確定的中、低頻信號(hào)的典型代表，其信號(hào)波形為線性掃頻調(diào)制脈沖。 針對(duì)這類(lèi)信號(hào)的分析、處理和識(shí)別，需先進(jìn)展初步的時(shí)、頻分析，掌握初步的頻域特性，然后針對(duì)性的進(jìn)展帶通濾波，提取目的信號(hào)，最后結(jié)合的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的聲特征，進(jìn)展信號(hào)識(shí)別。(2) 電火花聲源信號(hào)是寬帶脈沖中、低頻信號(hào)的典型代表，該類(lèi)信號(hào)沒(méi)有確知的信號(hào)形式，以寬帶的沖擊波為主，針對(duì)這類(lèi)信號(hào)的分析、處理和識(shí)別，可以從空域角度分析，采用小波尺度相關(guān)濾波的方法進(jìn)展處理，提取和識(shí)別目的信號(hào)。(3) 側(cè)掃聲納信號(hào)、單頻測(cè)深儀信號(hào)是窄帶高頻信號(hào)的典型代表。

15、 這類(lèi)信號(hào)頻率很高，以單頻或雙頻為主，信號(hào)類(lèi)型( 波形) 固定。 因此，在對(duì)信號(hào)進(jìn)展初步的時(shí)、頻分析后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)展帶通濾波，最后結(jié)合的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的聲特征，提取和識(shí)別目的信號(hào)。本文數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)際海洋工程勘探作業(yè)過(guò)程中的被動(dòng)觀測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析給出了代表性的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)的分析、提取和識(shí)別方法，可為海上辨識(shí)外國(guó)調(diào)查船和水下文物盜撈船的非法水下聲探測(cè)活動(dòng)提供參考和幫助。 隨著技術(shù)的開(kāi)展，對(duì)于本文可能沒(méi)有涉及到的海洋水下聲探測(cè)信號(hào)，還需根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況進(jìn)展分析。參考文獻(xiàn)：1 裴彥良，王揆洋，李官保，等。 海洋工程地震勘探震源及其應(yīng)用研究J. 石油儀器，2022,21( 2) : 20-23

16、.2 萬(wàn)芃，吳衡，王勁松，等。 海洋高分辨反射地震勘探震源的技術(shù)特征J. 地質(zhì)裝備，2022,11( 3) : 21-28.3 左公寧。 淺地層反射法勘探震源J. 電工電能新技術(shù)，1993( 4) : 17-21.4 金翔龍。 海洋地球物理研究與海底探測(cè)聲學(xué)技術(shù)的開(kāi)展J. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2022,22( 4) : 1 243-1 249.5 李一保，張玉芬，劉玉蘭，等。 淺地層剖面儀在海洋工程中的應(yīng)用J. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2022,4( 1) : 4-8.6 吳自銀，鄭玉龍，初鳳友，等。 海底淺表層信息聲探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及開(kāi)展J. 地球科學(xué)進(jìn)展，2022,20( 11) : 1 210-1 217.7 劉忠臣，周興華，陳義蘭，等。 淺水多波束系統(tǒng)及其最新技術(shù)