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，下面是小編蒐集的一篇相關論文範文，歡迎閱讀參考。
隨着人類文明的發展，海洋的戰略地位日益突顯，各國積極開發利用海洋資源和空間，採用各種手段對海洋的水下環境進行探測。 聲波是目前在海洋中唯一能夠進行遠距離傳播的能量形式，因此，在衆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，數量大，已廣泛用於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行非法調查和水下文物探測、定位的主要技術手段，這些海洋水下聲探測活動可以通過探測信號的接收聲特徵進行區分，因此，開展海洋水下聲探測信號的採集研究對非法調查的監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，重點關注水下目標的輻射噪聲特性、水下目標的聲回波特性、水下聲場的信息獲取與處理等[9-14],另外，一些海洋生物的發聲特性也因其軍事和海洋生態效應逐漸被關注[15-18],對於水下聲探測設備發射聲信號的分類、被動採集、分析和識別方面的研究則極少，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],即強調發射聲信號對海洋環境的主動探測過程。 目前，關於海洋水下聲探測信號的分析研究方面，有基於希爾伯特黃變換的 C-BOOM 淺剖信號分析，通過集合經驗模態分解，實現對未知頻帶的 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]. 本文則立足實際海洋工程作業過程中對海洋水下聲探測信號的被動測量，在未知作業設備目標信息的條件下，實現對海上測量數據的分析、提取，結合對已知的水下聲探測設備信號聲特徵的分類，來實現對海洋水下聲探測活動的初步識別。
水下聲探測設備的生產廠家或研製人員均會給出設備一些主要的技術參數，包括聲學特性參數。 但海洋是一個隨機時變、空變的複雜聲信道[21],水下聲探測設備的發射聲信號經海洋這個水聲信道調製後會產生畸變和信息損失，並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分、識別。 因此，本文依據設備給出的聲信號的頻帶範圍對主要的海洋水下聲探測信號進行分類，給出各類水下聲探測信號的主要聲特徵; 採集了 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據的分析、研究，給出了對應類型的海洋水下聲探測信號的常規分析方法; 根據已知的水下聲探測信號的聲特徵實現對分析目標信號的識別。
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，會根據應用類型不同選擇不同的聲源和聲信號，而根據聲源及聲信號所使用的頻段大致可分爲兩大類---寬帶中低頻聲源和窄帶( 單頻或雙頻爲主) 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行探測，其使用的中低頻聲源有電火花聲源、槍震源、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,爲寬帶脈衝信號; 電火花聲源和 BOOMER 震源的主能量區則一般在幾十 Hz 到幾 kHz,也是寬帶脈衝信號。
多波束海底地形測量、側掃聲納測量及測深側掃聲納測量等地形地貌測量設備主要使用窄帶( 以單頻或雙頻爲主) 高頻聲源，信號類型確知，爲高頻短脈衝信號，其換能器探頭工作頻段主要在幾十kHz 到幾百 kHz[6-8].
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。 對於寬帶中低頻聲探測信號，易受船舶輻射噪聲、風雨噪聲等海洋環境背景噪聲的干擾，需從時域、頻域、時頻域或空域等採用多種方法進行分析和識別。 對於窄帶( 單頻或雙頻爲主)高頻聲探測信號，其聲信號頻率高，信號形式穩定，抗干擾能力較強，在功率譜分析的基礎上，採用傳統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爲例，探討兩類信號的分析、識別和提取方法。 下面首先對聲探測信號數據的來源與海上實驗測量情況進行簡要介紹。
2. 1 海上實驗簡介
利用地質部門進行海上地質工程勘探的機會，項目組人員對地質工程勘探過程中發射的海洋水下聲探測信號進行了採集。 採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深信號。 實驗地點在福建省莆田市秀嶼區外的興化灣海域，測量時水深約 6 m,天氣晴朗，海況 2級左右。 測量的過程中收發同船，測量儀器的連接及船上的收發位置如圖1、2 所示：
圖 1 中，水下聲探測信號發聲後經海底海面反射，由 RESON-TC4014 水聽器接收，轉化爲電信號送入濾波調理放大器( SR640) ,最後送入數據採集存儲系統( NI6122 高頻水聲信號採集卡) . 考慮到SR640 帶寬不夠，在採集窄帶高頻信號時將其設置爲直通。
圖 2 中，船舶發動機位於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動機噪聲干擾。
2. 2 寬帶中低頻聲探測信號分析
出海採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，因此採集到的淺剖信號波形主要是海底海面反射信號; 電火花聲源無指向性，但實驗海域水深僅6 m,收發距離16 m,因此採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週期性發射的信號。 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 範圍，將圖 4 橫座標放大後可以確定淺地層剖面儀信號的主能量區約在 2 ~12 kHz. 爲此將含噪原始信號進行 1. 2 ~14. 0 kHz 的帶通濾波，帶通濾波後的時域波形如圖5、6 所示。
從圖 5 中可以看出，經帶通濾波後干擾噪聲大大減少。 圖 6 爲淺地層剖面儀信號經帶通濾波後的單個時域波形樣本，從圖中可以看出明顯的信號疏密變化，這是典型的線性掃頻調製特徵。 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，均與已知的淺地層剖面儀信號特徵是一致的。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，但也存在一個週期性發射的信號。 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，但採集的含噪信號中，在 5 kHz 以下和 16 kHz 附近存在強幹擾。 由文獻[22]可知，電火花聲源信號的主能量區一般在幾百 Hz 到幾 kHz,因此，對於 5 kHz 以下的強幹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。 針對這類特殊的信號提取問題，需從空域角度分析，採用小波尺度相關濾波及其改進算法[23]進行處理，有效的提取了電火花聲源信號。 尺度相關濾波後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後，5kHz 以下和 16 kHz 附近的強幹擾得到了有效抑制，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
出海採集的窄帶高頻聲探測信號中包含單頻的測深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多次反射信號，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 所示。
由於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峯值。 爲此，對圖 11 的時域信號分兩次進行帶通濾波，通頻帶分別爲： 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 均存在週期性的發射信號。 已知所用的側掃聲納爲 KLEIN SYSTEM 3000,通過查閱該設備的出廠參數可知其信號頻率爲 132、445 kHz. 本次實驗數據採集設備的最大采樣頻率爲 500 kHz,且濾波調理放大器 SR640 的帶寬不夠，在採集窄帶高頻信號時設爲直通，所以對於 445kHz 的信號會出現欠採樣，在此不予討論。 因此，圖13 帶通濾波後得到的應是 132 kHz 的側掃聲納信號。 已知所用的測深儀爲 HY1600,查閱該設備的出廠參數可知其信號頻率爲208 kHz,因此，圖14 帶通濾波後得到的應是 208 kHz 的測深儀信號。
3、結語
本研究根據水下聲探測信號的主要聲特徵，對主要海洋水下聲探測信號進行了分類，並分爲寬帶中、低頻信號和窄帶高頻信號，其中寬帶中、低頻信號又可分爲信號類型確定的中、低頻信號和寬帶脈衝中、低頻信號。 在福建興化灣海域採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深信號 4 種典型的海洋水下聲探測活動信號樣本，並進行了分析、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，其信號波形爲線性掃頻調製脈衝。 針對這類信號的分析、處理和識別，需先進行初步的時、頻分析，掌握初步的頻域特性，然後針對性的進行帶通濾波，提取目標信號，最後結合已知的海洋水下聲探測信號的聲特徵，進行信號識別。
(2) 電火花聲源信號是寬帶脈衝中、低頻信號的典型代表，該類信號沒有確知的信號形式，以寬帶的衝擊波爲主，針對這類信號的分析、處理和識別，可以從空域角度分析，採用小波尺度相關濾波的方法進行處理，提取和識別目標信號。
(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。 這類信號頻率很高，以單頻或雙頻爲主，信號類型( 波形) 固定。 因此，在對信號進行初步的時、頻分析後，再對信號進行帶通濾波，最後結合已知的海洋水下聲探測信號的聲特徵，提取和識別目標信號。
本文數據來源於實際海洋工程勘探作業過程中的被動觀測，通過數據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，可爲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。 隨着技術的發展，對於本文可能沒有涉及到的海洋水下聲探測信號，還需根據實測數據情況進行分析。
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