本發(fā)明屬于海洋環(huán)境參數(shù)聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

海洋內(nèi)部充滿了各種聲源產(chǎn)生的聲音，這些聲源包括各種水下生物、自然物理過程以及同時存在的不可避免的各種人為活動。不同聲源具有的聲學(xué)特性如聲源級、譜特性、時空結(jié)構(gòu)等差異較大，對水下聲環(huán)境產(chǎn)生不同印記。同時每個聲源特性本身又受到其所在的特殊環(huán)境影響而發(fā)生畸變。因此海洋環(huán)境噪聲對海洋聲學(xué)研究、海洋開發(fā)、海戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)和海洋聲學(xué)儀器開發(fā)與使用有著重要意義。

目前對海洋環(huán)境噪聲觀測的方法一般采用浮標(biāo)或潛標(biāo)觀測系統(tǒng)，通過在系統(tǒng)上布設(shè)聲信號接收單元獲取海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。田應(yīng)元等人的專利(申請?zhí)枺篊N102874382 A，一種水平系留海洋環(huán)境噪聲矢量場監(jiān)測潛標(biāo)平臺)即采用潛標(biāo)系統(tǒng)，利用矢量傳感器進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲測量。劉軍禮等人的專利(申請?zhí)枺篊N102645269 A)提出了一種基于光學(xué)方法的海洋環(huán)境噪聲測量裝置。此外，人們還常常利用海洋聲學(xué)實驗中接收有關(guān)發(fā)射信號的間隙獲取海洋環(huán)境噪聲。

上述測量方法中采用的聲學(xué)系統(tǒng)空間位置均是固定的，因此只能獲得小尺度空間范圍內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲信息，若需測量某個海區(qū)內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲時空變化信息，則需要在觀測海區(qū)布設(shè)多個觀測站位。并且上述專利僅僅涉及海洋環(huán)境噪聲測量系統(tǒng)設(shè)計，并未考慮海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的處理方法。

以往的海洋聲學(xué)觀測和研究中，海洋環(huán)境噪聲常常被認(rèn)為是背景干擾，從而在相關(guān)后續(xù)處理中濾除。海洋環(huán)境噪聲觀測和應(yīng)用一般局限于海洋環(huán)境噪聲的時空變化特性獲取，或利用海洋環(huán)境噪聲的垂直相干特性獲取海底地聲參數(shù)，或利用其譜級特性獲取降雨及海表風(fēng)速信息。

海洋聲學(xué)監(jiān)測和研究中常采用水聽器陣接收聲信號，由于海洋環(huán)境復(fù)雜，造成水聽器陣型畸變，影響最終的觀測和分析結(jié)果。為準(zhǔn)確獲取陣型畸變信息，通常在水聽器附近布設(shè)壓力計或采用超短基線等聲學(xué)定位裝置。

采用壓力計獲取水聽器陣型信息時，當(dāng)陣列較長，水聽器數(shù)目較多時，需要布設(shè)大量壓力計，造成經(jīng)費投入加大，同時系統(tǒng)能耗隨之增大，不利于長期的海洋監(jiān)測；同時布設(shè)壓力計方式僅適用于垂直陣列，難以準(zhǔn)確獲取水平陣列陣型信息。采用超短基線可準(zhǔn)確獲取水下聲學(xué)單元位置信息，但須在水聽器陣列上額外布設(shè)相關(guān)收發(fā)單元，因其價格昂貴，能耗較大，一般僅在陣列關(guān)鍵位置布設(shè)，因此難以獲取陣型的全部信息；此外需在水聽器陣列附近利用船只等方式安放超短基線水面單元，難以進(jìn)行長期監(jiān)測。

水深和海底分層結(jié)構(gòu)信息是海洋研究和海洋開發(fā)所需的重要參數(shù)，一般采用測深儀或淺地層剖面儀進(jìn)行相關(guān)測量。測深儀或淺地層剖面儀往往采用固定在船底或拖曳方式進(jìn)行水深或海底分層信息測量，觀測難度和精度均受海況制約，難以進(jìn)行全天候尤其是惡劣環(huán)境下作業(yè)；對某海區(qū)進(jìn)行觀測時，往往采用密集測線測量方式，耗時耗力。

發(fā)明的內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下：在擬觀測海區(qū)，布設(shè)海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，采取自主漂浮方式，采用聲學(xué)手段，即通過分析水聽器陣列接收的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，利用不同空間點信號間的互相關(guān)函數(shù)與格林函數(shù)結(jié)構(gòu)的等效性，可在全天候環(huán)境下，實時獲得水聽器陣列陣型信息、海底水深和分層結(jié)構(gòu)信息。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括連接有上位機(jī)和時鐘同步單元的內(nèi)部控制計算機(jī)，與內(nèi)部控制計算機(jī)和時鐘同步單元相連的接收單元，該接收單元連接一個包含3～16個水聽器的水聽器陣；以及為內(nèi)部控制計算機(jī)供電的電源單元；所述的內(nèi)部控制計算機(jī)帶有時鐘基準(zhǔn)模塊和存儲器；

上述接收單元包括與接收水聽器陣中的各個水聽器分別相連的多個前置放大器，所述的前置放大器接收到的信號分別通過各自的低通濾波器、可調(diào)增益器進(jìn)行濾波、放大處理后，再傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至內(nèi)部控制計算機(jī)；

上述時鐘同步單元包括GPS天線、GPS接收器和定時回路，其中定時回路與所述內(nèi)部控制計算機(jī)連接，為系統(tǒng)提供精確的時間信號，并對內(nèi)部控制計算機(jī)的時鐘基準(zhǔn)模塊進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)，同時通過定時回路為A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)存儲提供時鐘信號。

利用上述聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行海底水深及分層結(jié)構(gòu)探測的方法，其特征在于包括以下步驟：

1)選擇所要監(jiān)測的海域；確定水聽器陣列中的水聽器數(shù)目，并確定各個水聽器的深度；設(shè)置水聽器的采樣頻率、采樣時間長度、采樣間隔；設(shè)置數(shù)據(jù)放大增益、數(shù)據(jù)存儲格式；

2)上述水聽器陣列開始工作，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的工作時間；將水聽器數(shù)據(jù)采集；所得數(shù)據(jù)為時域噪聲陣列數(shù)據(jù)；

3)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理；

4)對上述濾波預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間平均，即將上述數(shù)據(jù)按照一設(shè)定時長進(jìn)行等分，得到多個等時長的數(shù)據(jù)，再對上述每個等時長的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，分別得到上述多個等時長數(shù)據(jù)的均值；

5)將上一步驟得到的多個數(shù)據(jù)依次采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解、數(shù)據(jù)重建、波束形成和互相關(guān)方法進(jìn)行處理；

首先采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法進(jìn)行分解，得到多個經(jīng)驗正交函數(shù)模態(tài)；再從中選取垂向傳播的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)對應(yīng)的經(jīng)驗正交函數(shù)模態(tài)，并利用上述對應(yīng)的經(jīng)驗正交函數(shù)模態(tài)的對海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到重建后的信號表示為：

其中等號左邊為重建后的數(shù)據(jù)，z、t、N分別為深度、時間、經(jīng)驗正交函數(shù)模態(tài)的個數(shù)，EOF_i(z)為第i階經(jīng)驗正交函數(shù)模態(tài)，A_i(t)為第i階模態(tài)對應(yīng)的時間變化系數(shù)；

由于水聽器陣列空間分布的不完備性，重建信號X'(z,t)仍包含水平傳播和垂向傳播的兩種海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，因此需要采用自適應(yīng)波束形成方法做進(jìn)一步分解，以得到水聽器陣列信號在不同方向分量的頻域互相關(guān)函數(shù)，所得到的頻域互相關(guān)函即

其中，C_B(ω,R,z₁,z₂)為波束形成后的結(jié)果，C'(ω,R,z₁,z₂)為重建信號X'(z,t)對應(yīng)的互譜密度矩陣，是間距為R＝r₁-r₂的空間兩點(r₁,z₁)和(r₂,z₂)間時域互相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，r₁和r₂分別為兩點在水平面上的位置矢量，z₁和z₂分別為兩點處的深度，該數(shù)據(jù)為頻域信號；T為矩陣轉(zhuǎn)置；w_A為自適應(yīng)波束形成加權(quán)系數(shù)，表示為：

其中為各陣元在方向θ上的權(quán)系數(shù)，k為波數(shù)，n為水聽器個數(shù)；

格林函數(shù)反映了空間兩點間的聲傳播特性，與兩點間聲傳播環(huán)境有關(guān)，可用于環(huán)境參數(shù)信息提取。而互譜密度矩陣所包含的對于空間兩點處聲信號互相關(guān)處理后所得到的相干波前，與對應(yīng)空間的格林函數(shù)結(jié)構(gòu)具有等效性，二者的等效性可表示為：

其中，Q為海面噪聲源級，ω為聲波頻率，G(k_r,z₁,z')和G(k_r,z₂,z')分別為水深z'處海表聲源至水深z₁和z₂處接收點的波數(shù)域格林函數(shù)，k(z')為波數(shù)，J₀為零階貝塞爾函數(shù)，*表示復(fù)共軛；

將上述自適應(yīng)波束形成后的頻域數(shù)據(jù)C_B(ω,R,z₁,z₂)進(jìn)行逆傅里葉變換，得到水聽器陣列信號的時域互相關(guān)函數(shù)C_t(R,z₁,z₂)，其結(jié)構(gòu)與時域格林函數(shù)相似，獲取C_t(R,z₁,z₂)中的各個峰值所對應(yīng)的時間，然后結(jié)合水體的聲速信息即可獲取水聽器陣列陣型、海底水深及分層信息。

上述方法中，水聽器陣列是漂移浮標(biāo)方式在海水中隨海流漂移。

利用GPS獲取上述聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的漂移軌跡，利用上述方法得到聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)在漂移軌跡上的水聽器陣列陣型、海底水深及分層信息。

本發(fā)明步驟簡單、實施方便、測量效率高；本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于使用的優(yōu)勢。

本發(fā)明所提出的基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)和方法，采用高采樣率獲取海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，水聽器陣中的每個水聽器分別配備各自的前置放大器、低通濾波器、可調(diào)增益器，以適應(yīng)高采樣頻率的要求并能避免相互干擾；利用格林函數(shù)、互相關(guān)、波束形成和經(jīng)驗正交函數(shù)分解等方法，獲取各水聽器之間以及水聽器與海底間的聲傳播信息，獲取水聽器陣型信息、海底水深及分層信息，并可通過實時監(jiān)控，隨時根據(jù)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)。與現(xiàn)有方法相比，通過分析垂直或水平布設(shè)的水聽器陣列上各水聽器單元獲取的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，無需其他額外儀器，即可準(zhǔn)確獲取水聽器陣列的陣型信息。在相關(guān)海域布設(shè)海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測陣列，本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)可采取自主漂浮方式，能夠在全天候環(huán)境下，通過分析獲取的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，可得到水深和海底分層結(jié)構(gòu)信息。系統(tǒng)的采樣率、采樣間隔、水聽器陣列結(jié)構(gòu)均可根據(jù)實際觀測海區(qū)情況進(jìn)行調(diào)整。觀測數(shù)據(jù)采用自容方式進(jìn)行存儲，也可以通過無線或電纜方式進(jìn)行傳送。與傳統(tǒng)方法相比，采樣自主漂移方式，機(jī)動性強(qiáng)，實施方便，可根據(jù)需要同時布放多個監(jiān)測系統(tǒng)，在海洋研究、海洋開發(fā)和海戰(zhàn)場建設(shè)等方面有著廣泛的市場需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的聲學(xué)監(jiān)測方法的流程示意圖；

圖3是垂直水聽器陣列陣型信息聲學(xué)反演的觀測示意圖；

圖4是海底水深和分層結(jié)構(gòu)聲學(xué)反演的觀測示意圖；

其中，1、水聽器陣，2、接收單元，3、內(nèi)部控制計算機(jī)，4、上位機(jī)，5、時鐘同步單元，6、電源單元，21、前置放大器，22、低通濾波器，23、可調(diào)增儀器，24、A/D轉(zhuǎn)換器，31、存儲器、32、時鐘基準(zhǔn)模塊，41、RS232/無線通信模塊，51、GPS天線，52、GPS接收器，53、定時回路。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括連接有上位機(jī)4和時鐘同步單元5的內(nèi)部控制計算機(jī)3，與內(nèi)部控制計算機(jī)3和時鐘同步單元5相連的接收單元2，該接收單元2連接一個包含3～16個水聽器的水聽器陣1；以及為內(nèi)部控制計算機(jī)3供電的電源單元6；所述的內(nèi)部控制計算機(jī)3帶有時鐘基準(zhǔn)模塊32和存儲器；

上述接收單元2包括與接收水聽器陣1中的各個水聽器分別相連的多個前置放大器21，所述的前置放大器21接收到的信號分別通過各自的低通濾波器22、可調(diào)增益器23進(jìn)行濾波、放大處理后，再傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器24，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至內(nèi)部控制計算機(jī)3；

上述時鐘同步單元5包括GPS天線51、GPS接收器52和定時回路53，其中定時回路53與所述內(nèi)部控制計算機(jī)3連接，為系統(tǒng)提供精確的時間信號，并對內(nèi)部控制計算機(jī)3的時鐘基準(zhǔn)模塊32進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)，同時通過定時回路53為A/D轉(zhuǎn)換器24和數(shù)據(jù)存儲31提供時鐘信號。

如圖1，上述內(nèi)部控制計算機(jī)3為整個系統(tǒng)控制中心，提供時鐘信號，在系統(tǒng)運(yùn)行中對接收單元2進(jìn)行實時控制，并可完成系統(tǒng)參數(shù)修改、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸；

如圖1，上述上位機(jī)4通過無線或RS232模塊41與內(nèi)部控制計算機(jī)3連接，可進(jìn)行實時監(jiān)控、參數(shù)修改和數(shù)據(jù)傳輸。

為了便于生產(chǎn)、維護(hù)和使用，本發(fā)明的基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)為能夠充分利用現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計，因此其各個部件均可采用現(xiàn)有的設(shè)備。

利用上述系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測的方法，如下：

一種基于海洋環(huán)境噪聲的聲學(xué)方法，以確定水聽器陣海底水深及分層結(jié)構(gòu)信息；其特征在于包括以下步驟：

1)選擇所要監(jiān)測的海域；確定水聽器陣列中的水聽器數(shù)目，并確定各個水聽器的深度；設(shè)置水聽器的采樣頻率、采樣時間長度、采樣間隔；設(shè)置數(shù)據(jù)放大增益、數(shù)據(jù)存儲格式；

2)上述水聽器陣列開始工作，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的工作時間；將水聽器數(shù)據(jù)采集；所得數(shù)據(jù)為時域噪聲陣列數(shù)據(jù)；

3)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理；

4)對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行時間平均，即將上述數(shù)據(jù)按照一設(shè)定時長進(jìn)行等分，得到多個等時長的數(shù)據(jù)，在對上述多個等時長的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得到上述多個等時長數(shù)據(jù)的均值；

5)將上一步驟得到的數(shù)據(jù)依次采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解、數(shù)據(jù)重建、波束形成和互相關(guān)方法進(jìn)行處理；

6)將上述自適應(yīng)波束形成后的頻域數(shù)據(jù)C_B(z,ω)進(jìn)行逆傅里葉變換，得到水聽器陣列信號的時域互相關(guān)函數(shù)C_t(R,z₁,z₂)，獲取C_t(R,z₁,z₂)中的各個峰值所對應(yīng)的時間，結(jié)合水體的聲速信息即可獲取水聽器陣列陣型、海底水深及分層信息。

系統(tǒng)工作過程如下：

根據(jù)歷史海洋環(huán)境參數(shù)觀測資料，確定水聽器陣列中各水聽器深度和布放水深，選擇系統(tǒng)布放初始位置，利用本發(fā)明的方法對水聽器陣型(系統(tǒng)布設(shè)及利用聲波的傳播方向示意圖如圖3)、水深和海底分層結(jié)構(gòu)(系統(tǒng)布設(shè)及利用聲波的傳播方向示意圖如圖4)進(jìn)行監(jiān)測，

利用本發(fā)明的方法對水聽器陣型、水深和海底分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，執(zhí)行步驟如圖2所示，

步驟901是開始步驟，通過上位機(jī)4和內(nèi)部控制計算機(jī)3，檢查系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常；

步驟902中，選擇系統(tǒng)工作方式，如數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)存儲間隔、每個數(shù)據(jù)文件存儲大小以及放大增益倍數(shù)；

步驟903中，系統(tǒng)初始化；判斷是否能接收到GPS信號，時鐘同步單元是否工作正常；

步驟904中，水聽器陣列中的各水聽器開始接收數(shù)據(jù)；

步驟905中，負(fù)責(zé)接收信號的監(jiān)測系統(tǒng)的接收單元2對各個水聽器接收到的聲信號進(jìn)行濾波、放大和采樣；

步驟906中，存儲步驟905中獲得的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，以利于后續(xù)反演處理；

步驟907中，判斷觀測過程是否結(jié)束，若已結(jié)束，進(jìn)入步驟909，通過與內(nèi)部控制計算機(jī)3相連的上位機(jī)4獲取步驟906中已存儲的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，進(jìn)行水聽器陣列陣型、水深和海底分層信息反演；若觀測未結(jié)束，在步驟908判斷是否進(jìn)行反演處理，若是，通過與內(nèi)部控制計算機(jī)3相連的上位機(jī)4獲取步驟906中已存儲的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，進(jìn)行水聽器陣列陣型、水深和海底分層信息反演，若不是，則返回步驟904；

步驟909中，采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法對海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取合適的經(jīng)驗正交函數(shù)，進(jìn)行信號重建；

步驟910對步驟909中獲得的重建信號，采用自適應(yīng)波束形成方法對不同方向來源進(jìn)行分離；

步驟911中對步驟910中獲得的下行方向的各水聽器信號進(jìn)行互相關(guān)處理，得到水聽器陣列陣型信息；

最后在步驟912中對該反演結(jié)果進(jìn)行圖形表示或存儲。

步驟913是水深和海底分層信息反演步驟，對步驟910中獲得的下行方向和經(jīng)海底反射后的上行方向的水聽器信號進(jìn)行互相關(guān)處理，得到水深和海底分層信息。

最后在步驟914中對反演結(jié)果進(jìn)行圖形表示或存儲。