本发明专利技术的海洋声场相速度的水听器测试方法：将由至少２个沿声传播方向间距的水听器接收的发射信号，提取接收信号的简正波；对２水听器接收的第１号简正波作８００－１０００Ｈｚ带通滤波，和互相关计算，得互相关曲线包络极大值点对应的时间延迟，以测得的参考声速与时间延迟相乘，得２水听器沿声传播方向的距离估算；对２水听器接收的同号简正波进行窄带滤波，再作互相关，互相关曲线最大值点的时间延迟为相延迟，其包络最大值点的时间延迟为群延迟，则对应于该号简正波在中心频率处的相速度等于距离估算处以相延迟。其优点为：海底同一水平面上间隔布设水听器，方便实现；除海水声速外，无需预知其它海洋声场参数，工作量简化；测试结果精度高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋工程水声探测领域中的海洋声场相速度的测试方法，特别涉及一种。
技术介绍
由于传播介质的非均匀性，使得声波在传播过程中发生多模态传播和频散现象，因此，采用一般意义上的参考声速已无法准确描述声波的传播情况。按照波包包络的传播速度和等相位点的传播速度将声速区分为群速度和相速度。有关声场的群速度与相速度的测试方法，在超声探伤等应用领域有一些针对超声波在分层介质或非均匀介质传播中有过较多讨论，也有针对群速度和相速度进行一般理论研究的，但未见针对海洋声场相速度进行测试的报道。由于非均匀传播介质是造成频散的直接原因，因此研究相速度、群速度总是从接收到的发生频散的信号入手，根据信号的时间频率特性来得到相速度、群速度。已有的相关技术归纳基本上是遵循着这一思路设计一些分辨率较好的时频分析方法，由时频平面内各简正波的频散曲线得到较准确的各频率的幅度、相位信息，再由收发距离得到各模态(简正波)的群速度和相速度，主要代表文献有 A.Roueff etal.Dispersion estimation from linear array data in thetime-frequency plane.IEEE Transactions on Signal Processing，Vol.53，No.10，3738-3748，2005. J.Hong etal.Dispersion-based short-time Fourier transform applied todispersive wave analysis.The Journal of Acoustics Society of America，Vol.117，No.5，2949-2960，2005. H.C.Park and D.S.Kim.Evaluation of the dispersive phase and groupvelocities using harmonic wavelet transform.NDT&E International，Vol.34，457-467，2001. 这些方法均有一个大前提，就是声源距接收点的距离必须准确知道，这一点在海洋环境下往往不易做到获得或者代价较大。直接限制该方法应用在海洋声场的原因在于，由于发射换能器的限制，目前只能通过灯泡、气枪等声源来制造宽带脉冲声源，因此，发射波形是无法确知的，如果发射信号波形未知，各简正波在不同频率上的参考相位就很难确定，从而就无法得到相速度。这样，不可能利用现有的技术来实现海洋声场的相速度测试。海洋声场中，相速度获取不是直接测试得出的，而是需要预知海洋声场参数，通过理论公式将相速度算出，而海洋声场参数往往需要很大的代价才能准确获得。 本专利技术可以由水听器的接收信号直接给出相速度的测试结果，而不是通过理论计算获得，除参考声速外不需要预知其它声场参数，是一种获取相速度的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该方法不是由已知声场条件通过计算得出各号简正波对应的相速度曲线，而是根据水听器的接收宽带脉冲信号，由信号处理的结果得出各号简正波相速度曲线的。 本专利技术至少需要2只水听器，该水听器沿声传播方向保持一定的水平间距；水听器布放于海底表面或与水面保持相同的距离(为避开海水表面的影响，距离最好大于5m)；发射信号为瞬时宽带脉冲信号，即爆炸声信号，由于手榴弹制造的宽带脉冲往往伴有二次脉动发生，使有些频率位置受到干扰，因此最好采用水下灯泡爆炸、气枪脉冲来制造所需的瞬时宽带脉冲信号；由于发生频散主要在600Hz为以下的频带，因此，宽带脉冲信号应覆盖50Hz-600Hz频段；本专利技术也可用多水听器(3个或以上)来实现，测试中多水听器的布放要求与2水听器布放要求相同。处理数据时，先对水听器的接收信号进行两两计算，可得出多个计算结果，再通过平均来提高测试结果的准确度。 本专利技术的技术方案如下 本专利技术提供的，其步骤如下 1)在海底同一水平面上间隔布设至少2只水听器 所述水听器的频响范围覆盖10Hz-600Hz的频带范围；水听器间的灵敏度起伏在2dB以内； 2)由声速计直接完成当前声速剖面的测试，选取接收点深度对应的声速为参考声速c； 3)发射探测脉冲信号 在距离所述水听器的距离不少于2km的地方设置发射宽带脉冲信号的声源；所述声源所发出的宽带脉冲信号由气枪脉冲或灯泡爆炸产生； 4)同时采集各水听器接收到的脉冲接收信号 为保证分辨率，每通道的采样频率不小于20KHz；因条件所限无法进行较高频率的数据采集时，先以较低的频率按Nyquist定理的要求进行数据采集，再进行内差以满足分辨率要求，但随着内差点数的增加误差会增加； 5)对水听器接收到的脉冲接收信号分别进行各号简正波提取； 6)对提取的各号简正波进行各号简正波的相速度计算 (1)对不同水听器接收到的同号简正波进行窄带滤波； (2)进行沿声传播方向上两水听器的距离d估算 取两两水听器接收的脉冲接收信号的第1号简正波在800Hz-1000Hz的带通滤波结果进行互相关计算； 对各水听器的同号简正波以相同中心频率f0作窄带滤波，将滤波结果进行互相关计算，得到互相关曲线，互相关曲线最大值点的位置与零点的时间差就是该号简正波在所述中心频率f0处对应的相延迟τp； 互相关曲线包络极大值点对应的位置与零点的时间差就是所述中心频率f0对应的群延迟τg，用所述群延迟τg作为两水听器接收到的脉冲接收信号的时间差，将它与步骤2)的参考声速c相乘，便得到两水听器在声传播方向上的距离估计d；所述距离估计d满足下式 其中f0为中心频率；m为简正波的号数；vgm(f0)为第m号简正波在中心频率f0处的群速度；vpm(f0)为第m号简正波在中心频率f0处的相速度； (3)用两水听器在声传播方向上的距离与群延迟相除，得到该号简正波在该频率处的群速度vgm(f0)；用两水听器在声传播方向上的距离与相延迟相除，得到该号简正波在该频率处的相速度vpm(f0)。 实现相速度测试的基本步骤如图5所示，由图5可知，发射信号由2个沿声传播方向一定间距的水听器同时接收，通过采集系统将模拟信号转换为数字信号后，再采用相关的信号处理方法①通过时频分析等方法得到接收信号中简正波的时频曲线；②采用参考文献提出的方法将简正波逐个提取出来，若还有其它新的简正波提取方法，也可以采用；③对2个接收信号中的第1号简正波作800-1000Hz的带通滤波，对滤波结果作互相关计算，可以得到互相关曲线包络极大值点对应的时间延迟τ0，以测试得到的海水声速与时间延迟τ0相乘，就得到2水听器沿声传播方向的距离估计de；④对2水听器接收的同号简正波进行窄带滤波(中心频率为f0)，在作互相关，互相关曲线最大值点的时间延迟为相延迟τp，其包络最大值点的时间延迟为群延迟τg，则对应于该号简正波在f0处的相速度为vp＝de/τp，群速度为vg＝de/τg；对同号简正波，变化不同的f0，就得到对应的群速度和相速度与频率的关系；然后再取其它简正波，重复前面的操作。 本专利技术的关键在于对2个水听器接收信号的处理，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种海洋声场相速度的水听器测试方法，其步骤如下：１）在海底同一水平面上间隔布设至少２只水听器所述水听器的频响范围覆盖１０Ｈｚ－６００Ｈｚ的频带范围；水听器间的灵敏度起伏在２ｄＢ以内；２）由声速计直接完成当前声速剖面的 测试，选取接收点深度对应的声速为参考声速ｃ；３）发射探测脉冲信号在距离所述水听器的距离不少于２ｋｍ的地方设置发射宽带脉冲信号的声源；所述声源所发出的宽带脉冲信号由气枪脉冲或灯泡爆炸产生；４）同时采集各水听器接收到的脉 冲接收信号为保证分辨率，每通道的采样频率不小于２０ＫＨｚ；因条件所限无法进行较高频率的数据采集时，先以较低的频率按Ｎｙｑｕｉｓｔ定理的要求进行数据采集，再进行内差以满足分辨率要求，但随着内差点数的增加误差会增加；５）对水听器 接收到的脉冲接收信号分别进行各号简正波提取；６）对提取的各号简正波进行各号简正波的相速度计算（１）对不同水听器接收到的同号简正波进行窄带滤波；（２）进行沿声传播方向上两水听器的距离ｄ估算；取两两水听器接收的脉 冲接收信号的第１号简正波在８００Ｈｚ－１０００Ｈｚ的带通滤波结果进行互相关计算；对各水听器的同号简正波以相同中心频率ｆ↓［０］作窄带滤波，将滤波结果进行互相关计算，得到互相关曲线，互相关曲线最大值点的位置与零点的时间差就是该号简正波 在所述中心频率ｆ↓［０］处对应的相延迟τ↓［ｐ］；互相关曲线包络极大值点对应的位置与零点的时间差就是所述中心频率ｆ↓［０］对应的群延迟τ↓［ｇ］，用所述群延迟τ↓［ｇ］作为两水听器接收到的脉冲接收信号的时间差，将它与步骤２）的参考声 速ｃ相乘，便得到两水听器在声传播方向上的距离估计ｄ；所述距离估计ｄ满足下式：ｄ＜１／２ｆ↓［０］｜１／ｖ↓［ｇ］↑［ｍ］（ｆ↓［０］）－１／ｖ↓［ｐ］↑［ｍ］（ｆ↓［０］）｜其中：ｆ↓［０］为中心频率；ｍ为简正波的号数；ｖ↓ ［ｇ］↑［ｍ］（ｆ↓［０］）为第ｍ号简正波在中心频率ｆ↓［０］处的群速度；ｖ↓［ｐ］↑［ｍ］（ｆ↓［０］）为第ｍ号简正波在中心频率ｆ↓［０］处的相速度；（３）用两水听器在声传播方向上的距离与群延迟相除，得到该号简正波在该频率处的群速 度ｖ↓［ｇ］↑［ｍ］（ｆ↓［０］）；用两水听器在声传播方向上的距离与相延迟相除，得到该号简正波在该频率处的相速度ｖ↓［ｐ］↑［...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：林京，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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