海洋水声环境调查数据处理关键技术

摘要

海洋水声调查既是水声信道物理规律性研究的基础，又为声纳设备的设计和研制提供依据，一般包括声源级、声传播损失、噪声、海洋混响、声速剖面和海底声学特性测量等。海洋水声调查数据处理目标在于生成海洋声学调查数据处理结果数据库，为海洋环境信息系统建设提供基础性数据支持。海洋水声调查数据量大，传统的处理方法，人工干预度大，处理速度慢，对处理人员的专业性要求较高。本文重点研究声源级测量、声传播损失测量和噪声测量的数据自动处理关键技术，旨在提高处理效率，降低人员干预度和提高处理结果质量。
　　本文从声纳方程入手，介绍了典型的水声调查方法和三分之一倍频程宽度水声参量的计算方法。利用球面扩展规律和水听器测量得到的信号级，推算声源级，利用声源级减去信号级得到声传播损失，利用周期图法估计噪声的功率谱。
　　论文重点之一是研究实际海洋中的瞬态信号的自动检测方法。分析了海洋噪声的频谱特性，得出噪声的主要能量集中在100Hz以下的低频部分，采用Hinich方法和直方图法分析海洋噪声的高斯性，得出持续秒级的海洋噪声呈现非高斯分布，而噪声通过截止频率为100Hz的高通滤波器后，统计特性近似为高斯分布，因此检测前数据先通过高通滤波器滤波。将海洋噪声建模为海洋背景噪声和瞬态干扰的线性叠加，提出了基于模型的能量检测器的门限自适应设置方法，使得门限在近收发距离处高，随着距离的增加不断下降，这样兼顾了近接收距离处低虚警概率和远接收距离处高检测概率的要求。
　　论文研究了实验环境中，水听器深度起伏对声传播测量的影响，仿真分析结果表明，该影响不能忽略。由此提出了基于模型的修正方法，即用模型预测某一收发距离和声源深度下，声传播损失随接收深度的变化规律，再利用多项式拟合固定深度附近声传播损失和接收深度的关系，进而将有深度扰动的测量值修正到固定深度处的值，通过实验数据，说明了方法的可行性。这是论文的又一重点。
　　论文最后构建了海洋水声环境调查处理系统，包括声源级测量、声传播损失测量和噪声级测量等功能。处理系统首先对测量的原始数据作规范化整理，高通滤波，爆炸波或噪声截取，信息同步，生成预处理数据;然后对预处理数据进行1/3倍频程划分，计算相应的声源级、传播损失和噪声级参数。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 声纳参数和声纳方程

1．2．1 声纳参数

1．2．2 声纳方程

1．3 海洋中的声传播

1．3．1 混合层信道

1．3．2 深海信道

1．3．3 浅海信道

1．4 海洋中的噪声背景：环境噪声级

1．4．1 深海环境噪声

1．4．2 浅海环境噪声

1．5 海洋水声参数调查方法

1．6 研究内容和创新点

1．6．1 研究内容

1．6．2 创新点

1．7 本章小结

第二章 水下爆炸波瞬态信号检测

2．1 水下爆炸基本现象和扩展规律

2．2 水下瞬态信号检测

2．2．1 能量检测器

2．2．2 声传播调查框架下的爆炸波检测

2．3 本章小结

第三章 声学参量估计方法

3．1 水声信号的频率分析方法

3．2 声源级测量分析

3．3 声传播损失测量分析

3．4 环境噪声级测量分析

3．4．1 周期图功率谱估计方法

3．4．2 噪声级测量分析

3．5 本章小结

第四章 水听器深度起伏对声传播损失的影响及修正

4．1 问题背景

4．2 水听器深度起伏对声传播损失影响仿真分析

4．3 Pekris波导水听器深度起伏对声传播损失影响修正

4．4 基于模型的水听器深度起伏对声传播损失影响修正

4．5 本章小结

第五章 海洋水声环境调查数据处理系统实现

5．1 数据处理总体框架

5．2 声源级测量处理模块

5．2．1 数据预处理模块

5．2．2 声源级参数计算模块

5．2．3 声源级处理结果样例

5．3 声传播损失测量处理模块

5．3．1 数据预处理模块

5．3．2 传播损失计算模块

5．3．3 声传播损失处理样例

5．4 噪声级测量处理模块

5．4．1 数据预处理模块

5．4．2 噪声级计算模块

5．4．3 噪声级处理样例

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 前景展望

参考文献

作者简历