一种基于声阵的海洋声传播损失实时测量方法

摘要

本发明提出一种基于声阵的海洋声传播损失测量方法，包括利用水声接收阵系统实时实现传播损失测量，并且在阵元域的信噪比小于6dB情况下，仍可通过声接收阵的波束域输出结果，实时实现不同频段水下声传播损失的计算。与传统的基于浮标的静态传播损失测量技术相比，基于声阵的海洋声传播损失实时测量技术可以实时进行阵元域和波束域的多频段的水下声传播损失测量。并且在阵元域信噪比低于6dB而无法进行传播损失测量的情况下，利用声基阵的阵增益，通过波束域可以实现多频段的水下声传播损失测量。

说明书

技术领域

本发明属于水声信号处理技术领域，具体涉及一种海洋声传播损失的实时测量方法。

背景技术

随着水下目标隐身技术的发展，作为探测设备的主/被动声纳，其低频、大孔径、大功率 特征愈加明显。主/被动拖曳线列阵声纳已成为最主要的声纳探测设备，它具有远离本艇干扰、 深度可变、低频大孔径、主动声源级高等优点，已成为探测安静型潜艇的最重要设备。为充 分发挥声纳设备，尤其是主被动拖曳线列阵声纳在各种海区的使用效能，获取工作海区的海 洋声学环境十分必要。现代海洋斗争的特点，已由冷战时期的深海对抗转为既兼顾深海同时 又兼顾近岸复杂浅水域，对声纳的探测及目标参数估计提出了更高的性能要求。因此，对复 杂多变海洋声学环境的充分了解，直接关系到声纳的性能预报、最佳效能发挥、设计参数优 化。

水声信号的传播衰减直接关系声纳作用距离，传播衰减与工作频段、声速剖面、介质/界 面吸收/反射等因素密切相关，测量并获取传播衰减曲线，可以为声纳性能的预报和设计提供 依据，将实测曲线与模型估计曲线同步比对，可提高声纳性能预报的准确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：利用水声接收阵系统实时实现传播损失测量，在阵元域 的信噪比小于6dB情况下，利用声阵的阵增益，通过声接收阵的波束域输出结果，实时实现 不同频段水下声传播损失的计算。

为解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于声阵的海洋声传播损失实时测量方法，其特征在于：采用水平拖曳线列阵实现， 所述水平拖曳线列阵系统由16段声学段组成，各声学段由其内置的水听器阵列、前置与传输 部分一起，完成声信号的声电转换、前置预处理、信号采集和传输功能；阵元数为184元， 为实现波束域不同频段传播损失计算，采取布阵方式是：前64个声通道，阵元间距1.5m， 中间24个声通道，阵元间距24m，最后96个声通道，阵元间距0.4m；声基阵总长758.4m；

用于单阵元传播损失实时测量，具体包括以下步骤：

步骤一：对实时接收的数据进行数据累计，累积8批数据得到x₁(i,n)和x_{1_1}(i,n)，x₁(i,n) 和x_{1_1}(i,n)分别为累积8批得到的当前测量数据和之前数据；

步骤二：对接收的数据进行傅立叶变化处理：

$Y_1(i,k)=\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{x_1(i,n)\right\}i=\mathrm{0,1,2}---\left(1\right)$

$Y_{1\_1}(i,k)=\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{x_{1\_1}(i,n)\right\}i=\mathrm{0,1,2}---\left(2\right)$

Nfft＝16384为FFT长度，处理数据有87.5％的重叠，即每次更新2048点，频率分辨力为 0.7324Hz；

步骤三：分频段进行能量计算：

$E_{\mathrm{st}}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{3}\underset{i=0}{\overset{2}{\Sigma }}\left(\frac{1}{N_k}\underset{{k=k}_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_1(i,k)\right|}^2\right)\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,18---\left(3\right)$

$E_{\mathrm{nt}}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{3}\underset{i=0}{\overset{2}{\Sigma }}\left(\frac{1}{N_k}\underset{{k=k}_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_{1\_1}(i,k)\right|}^2\right)\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,18---\left(4\right)$

步骤四：对数据进行能量判断，以确定有无信号存在；在计算传播损失时，如果是脉冲 信号，需进行信噪比判断：如果E_st(i,k_n)-E_nt(i,k_n)>Th，Th为门限，则输出传播损失；否则 不输出；如果是连续波，则不需要进行能量判断；

步骤五：进行传播损失计算：

TL(fb)＝SL(fb)－E_st(fb)－HS－AG    (5)

其中SL为声源级，事先标定；HS表示水听器灵敏度，单位为dB；AG表示放大倍数， 单位为dB。

一种基于声阵的海洋声传播损失实时测量方法，其特征在于：

用于波束域传播损失实时测量，利用64元细线阵或96元粗线阵输出信号测量阵波束传 播损失；接收数据表示为x_{1_64}(i,n)，i＝0,……64；x_{1_96}(i,n)为水听器通道；n＝0，……，2048 为时间采样序列；具体包括以下步骤：

步骤一：对实时接收的数据进行滤波：

$x_{2\_64}(i,n)=h_1\left(n\right)\otimes x_{1\_64}(i,n)0\le i\le 63;0\le n\le 2047---\left(6\right)$

$x_{2\_96}(i,n)=h_2\left(n\right)\otimes x_{1\_96}(i,n)0\le i\le 95;0\le n\le 2047---\left(7\right)$

其中h₁(n)为带通滤波器，滤波器通带为50-500Hz，过渡带为[10 50Hz]和[500 600Hz]， 通带波纹小于等于0.5dB，阻带衰减大于等于40dB；h₂(n)为带通滤波器，滤波器通带为 500-2000Hz，过渡带为[400 500Hz]和[2000 2100Hz]，通带波纹小于等于0.5dB，阻带衰减 大于等于40dB；

步骤二：对接收的数据进行傅立叶变换处理：

$Y_{1\_64}(i,k)=\frac{1}{2048}\underset{2048}{\mathrm{FFT}}\left\{x_{2\_64}(i,n)\right\}i=0,......,63---\left(8\right)$

$Y_{1\_96}(i,k)=\frac{1}{2048}\underset{2048}{\mathrm{FFT}}\left\{x_{2\_96}(i,n)\right\}i=0,......,95---\left(9\right)$

步骤三：分别对两个阵的接收数据进行波束形成处理，在余弦坐标系中覆盖0°～180°水 平空间：

${\mathrm{Bf}}_{\_64}(l,k)=\frac{1}{64}\underset{i=0}{\overset{63}{\Sigma }}{Y}_{1\_64}(i,k)\times \exp (-j2\pi \times f_k\times d1\times i\times (1-\frac{l}{64})/c)---\left(10\right)$

其中0≤l≤128，k＝17,...,85；

${\mathrm{Bf}}_{\_96}(l,k)=\frac{1}{96}\underset{i=0}{\overset{95}{\Sigma }}{Y}_{1\_96}(i,k)\times \exp (-j2\pi \times f_k\times d2\times i\times (1-\frac{l}{64})/c)---\left(11\right)$

其中0≤l≤128，k＝85,...,341；数据重叠50％，基元间距d1＝1.5m,d2＝0.4m,c为声 速；

步骤四：波束选取；根据显控输入的人工选取方位或自动选取的方位l_max选择信号波束； 自动选取方位过程如下：

${\mathrm{BP}}_{\_64}\left(l\right)=\underset{k=9}{\overset{85}{\Sigma }}{\left|{\mathrm{bf}}_{\_64}(l,k)\right|}^2---\left(12\right)$

公式(12)表示对100～500Hz频段信号计算波束图；

${\mathrm{BP}}_{\_96}\left(l\right)=\underset{k=85}{\overset{341}{\Sigma }}{\left|{\mathrm{bf}}_{\_96}(l,k)\right|}^2---\left(13\right)$

公式(13)表示对500～2000Hz频段信号计算波束图；利用公式(14)判断选取的方位；

步骤五：对选定的l_max波束数据进行逆傅立叶变换处理：

${\mathrm{Bftime}}_{\_64}(l_{\max },t)=2048*\underset{2048}{\mathrm{IFFT}}\left\{{\mathrm{Bf}}_{\_64}(l_{\max },k)\right\}k=\mathrm{9,10},...,85---\left(15\right)$

${\mathrm{Bftime}}_{\_96}(l_{\max },t)=2048*\underset{2048}{\mathrm{IFFT}}\left\{{\mathrm{Bf}}_{\_96}(l_{\max },k)\right\}k=85,86,...,341---\left(16\right)$

其中Nfft＝2048为逆傅立叶变换长度；

步骤六：对自动或手动输入的目标方位数据累积8批，得到的Bftime1_{_64}(n)和 Bftime1_{_96}(n)，分别为指定方位的累积8批得到的当前测量数据，Bftime1_1_{_64}(n)和 Bftime1_1_{_96}(n)分别为指定方位的累积8批得到的之前噪声数据；

步骤七：对目标方位数据累积进行傅立叶变换处理：

$Y_{\_64}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1}_{\_64}\left(n\right)\right\}---\left(17\right)$

${Y\_1}_{\_64}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1\_1}_{\_64}\left(n\right)\right\}---\left(18\right)$

$Y_{\_96}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1}_{\_96}\left(n\right)\right\}---\left(19\right)$

${Y\_1}_{\_96}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1\_1}_{\_96}\left(n\right)\right\}---\left(20\right)$

Nfft＝16384为傅立叶变换长度，处理数据有87.5％的重叠，即每次更新2048点；频率分 辨力为0.7324Hz；

步骤八：对波束形成并积累后的数据进行分频段能量计算：

$E_{\mathrm{st}\_64}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_{\_64}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,8---\left(21\right)$

$E_{\mathrm{nt}\_64}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|{Y\_1}_{\_64}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,8---\left(22\right)$

$E_{\mathrm{st}\_96}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_{\_96}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{9,10},...,14---\left(23\right)$

$E_{\mathrm{nt}\_96}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|{Y\_1}_{\_96}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{9,10},...,14---\left(24\right)$

步骤九：对接收信号进行能量判断；如果是脉冲信号需进行信噪比判断：如果 E_{st_64}(fb)-E_{nt_64}(fb)>Th，E_{st_96}(fb)-E_{nt_96}(fb)>Th，Th为门限，则输出传播损失；否则， 不输出；如果是连续波信号不需要进行能量判断；

步骤十：传播损失计算：

TL_{_64}(fb)＝SL(fb)－E_{st_64}(fb)－HS－AG    (25)

TL_{_96}(fb)＝SL(fb)－E_{st_96}(fb)－HS－AG    (26)

其中SL为配合舰船发射声源或爆炸声源的声源级，事先标定；HS表示水听器灵敏度， 单位为dB；AG表示放大倍数，单位为dB。

本发明能带来以下有益效果：

1、基于声阵的海洋声传播损失实时测量技术可以实时进行阵元域和波束域的多频段的水 下声传播损失测量。

2、基于声阵的海洋声传播损失实时测量技术在阵元域信噪比低于6dB而无法进行传播 损失测量的情况下，利用声基阵的阵增益，通过波束域可以实现多频段的水下声传播损失测 量。

附图说明

图1本发明的系统原理框图；

图2海上试验630-800Hz传播损失实时测量结果；

图3海上试验1000-1250Hz传播损失实时测量结果；

图4海上试验1600-2000Hz传播损失实时测量结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例子和附图对本发明做进一步的描述：

本发明采用水平拖曳线列阵实现，由16段声学段组成，各声学段由其内置的水听器阵列、 前置与传输部分一起，完成声信号的声电转换、前置预处理、信号采集和传输功能；阵元数 为184元，为实现波束域不同频段传播损失计算，采取布阵方式是：前64个声通道，阵元间 距1.5m，中间24个声通道，阵元间距24m，最后96个声通道，阵元间距0.4m；声基阵总长 758.4m。

图1是本发明的系统原理框图，从图中可以看出本发明的实施过程：对水平拖曳线列阵 的接收阵数据，首先进行放大、滤波、进行A/D转换，将接收的模拟信号进行数字采样。然 后分别进行阵元域和波束域的传播损失计算，最后根据现场测量情况，操作者可以选择进行 阵元域或波束域的传播损失测量结果输出。

1、单阵元传播损失实时测量方法

步骤一：对实时接收的数据进行数据累计，累积8批数据得到x₁(i,n)和x_{1_1}(i,n)；

x₁(i,n)和x_{1_1}(i,n)分别为累积8批得到的当前测量数据和之前数据；

步骤二：对接收的数据进行傅立叶变化处理：

$Y_1(i,k)=\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{x_1(i,n)\right\}i=\mathrm{0,1,2}---\left(1\right)$

$Y_{1\_1}(i,k)=\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{x_{1\_1}(i,n)\right\}i=\mathrm{0,1,2}---\left(2\right)$

Nfft＝16384为FFT长度，处理数据有87.5％的重叠，即每次更新2048点，频率分辨力为 0.7324Hz；

步骤三：分频段进行能量计算：

$E_{\mathrm{st}}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{3}\underset{i=0}{\overset{2}{\Sigma }}\left(\frac{1}{N_k}\underset{{k=k}_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_1(i,k)\right|}^2\right)\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,18---\left(3\right)$

$E_{\mathrm{nt}}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{3}\underset{i=0}{\overset{2}{\Sigma }}\left(\frac{1}{N_k}\underset{{k=k}_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_{1\_1}(i,k)\right|}^2\right)\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,18---\left(4\right)$

步骤四：对数据进行能量判断，以确定有无信号存在；在计算传播损失时，如果是脉冲 信号，需进行信噪比判断：如果E_st(i,k_n)-E_nt(i,k_n)>Th，Th为门限，则输出传播损失；否则 不输出；如果是连续波，则不需要进行能量判断；

步骤五：进行传播损失计算：

TL(fb)＝SL(fb)－E_st(fb)－HS－AG    (5)

其中SL为声源级，事先标定；HS表示水听器灵敏度，单位为dB；AG表示放大倍数， 单位为dB。

2、波束域传播损失实时测量方法

利用64元细线阵或96元粗线阵输出信号测量阵波束传播损失；接收数据表示为 x_{1_64}(i,n)，i＝0,……64；x_{1_96}(i,n)为水听器通道；n＝0，……，2048为时间采样序列。

步骤一：对实时接收的数据进行滤波：

$x_{2\_64}(i,n)=h_1\left(n\right)\otimes x_{1\_64}(i,n)0\le i\le 63;0\le n\le 2047---\left(6\right)$

$x_{2\_96}(i,n)=h_2\left(n\right)\otimes x_{1\_96}(i,n)0\le i\le 95;0\le n\le 2047---\left(7\right)$

其中h₁(n)为带通滤波器，滤波器通带为50-500Hz，过渡带为[10 50Hz]和[500 600Hz]， 通带波纹小于等于0.5dB，阻带衰减大于等于40dB；h₂(n)为带通滤波器，滤波器通带为 500-2000Hz，过渡带为[400 500Hz]和[2000 2100Hz]，通带波纹小于等于0.5dB，阻带衰减 大于等于40dB；

步骤二：对接收的数据进行傅立叶变换处理：

$Y_{1\_64}(i,k)=\frac{1}{2048}\underset{2048}{\mathrm{FFT}}\left\{x_{2\_64}(i,n)\right\}i=0,......,63---\left(8\right)$

$Y_{1\_96}(i,k)=\frac{1}{2048}\underset{2048}{\mathrm{FFT}}\left\{x_{2\_96}(i,n)\right\}i=0,......,95---\left(9\right)$

步骤三：分别对两个阵的接收数据进行波束形成处理，在余弦坐标系中覆盖0°～180°水 平空间：

${\mathrm{Bf}}_{\_64}(l,k)=\frac{1}{64}\underset{i=0}{\overset{63}{\Sigma }}{Y}_{1\_64}(i,k)\times \exp (-j2\pi \times f_k\times d1\times i\times (1-\frac{l}{64})/c)---\left(10\right)$

其中0≤l≤128，k＝17,...,85；

${\mathrm{Bf}}_{\_96}(l,k)=\frac{1}{96}\underset{i=0}{\overset{95}{\Sigma }}{Y}_{1\_96}(i,k)\times \exp (-j2\pi \times f_k\times d2\times i\times (1-\frac{l}{64})/c)---\left(11\right)$

其中0≤l≤128，k＝85,...,341；数据重叠50％，基元间距d1＝1.5m,d2＝0.4m,c为声 速；

步骤四：波束选取；根据显控输入的人工选取方位或自动选取的方位l_max选择信号波束； 自动选取方位过程如下：

${\mathrm{BP}}_{\_64}\left(l\right)=\underset{k=9}{\overset{85}{\Sigma }}{\left|{\mathrm{bf}}_{\_64}(l,k)\right|}^2---\left(12\right)$

公式(12)表示对100～500Hz频段信号计算波束图；

${\mathrm{BP}}_{\_96}\left(l\right)=\underset{k=85}{\overset{341}{\Sigma }}{\left|{\mathrm{bf}}_{\_96}(l,k)\right|}^2---\left(13\right)$

公式(13)表示对500～2000Hz频段信号计算波束图；利用公式(14)判断选取的方位；

步骤五：对选定的l_max波束数据进行逆傅立叶变换处理：

${\mathrm{Bftime}}_{\_64}(l_{\max },t)=2048*\underset{2048}{\mathrm{IFFT}}\left\{{\mathrm{Bf}}_{\_64}(l_{\max },k)\right\}k=\mathrm{9,10},...,85---\left(15\right)$

${\mathrm{Bftime}}_{\_96}(l_{\max },t)=2048*\underset{2048}{\mathrm{IFFT}}\left\{{\mathrm{Bf}}_{\_96}(l_{\max },k)\right\}k=85,86,...,341---\left(16\right)$

其中Nfft＝2048为逆傅立叶变换长度；

步骤六：对自动或手动输入的目标方位数据累积8批，得到的Bftime1_{_64}(n)和 Bftime1_{_96}(n)，分别为指定方位的累积8批得到的当前测量数据，Bftime1_1_{_64}(n)和 Bftime1_1_{_96}(n)分别为指定方位的累积8批得到的之前噪声数据；

步骤七：对目标方位数据累积进行傅立叶变换处理：

$Y_{\_64}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1}_{\_64}\left(n\right)\right\}---\left(17\right)$

${Y\_1}_{\_64}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1\_1}_{\_64}\left(n\right)\right\}---\left(18\right)$

$Y_{\_96}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1}_{\_96}\left(n\right)\right\}---\left(19\right)$

${Y\_1}_{\_96}\left(k\right)=\frac{1}{16384}\underset{16384}{\mathrm{FFT}}\left\{{\mathrm{Bftime}1\_1}_{\_96}\left(n\right)\right\}---\left(20\right)$

Nfft＝16384为傅立叶变换长度，处理数据有87.5％的重叠，即每次更新2048点；频率分 辨力为0.7324Hz；

步骤八：对波束形成并积累后的数据进行分频段能量计算：

$E_{\mathrm{st}\_64}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_{\_64}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,8---\left(21\right)$

$E_{\mathrm{nt}\_64}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|{Y\_1}_{\_64}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{1,2},...,8---\left(22\right)$

$E_{\mathrm{st}\_96}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|Y_{\_96}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{9,10},...,14---\left(23\right)$

$E_{\mathrm{nt}\_96}\left(\mathrm{fb}\right)=\frac{1}{N_k}\underset{k=k_L}{\overset{k_H}{\Sigma }}{\left|{Y\_1}_{\_96}\left(k\right)\right|}^2\mathrm{fb}=\mathrm{9,10},...,14---\left(24\right)$

步骤九：对接收信号进行能量判断；如果是脉冲信号需进行信噪比判断：如果 E_{st_64}(fb)-E_{nt_64}(fb)>Th，E_{st_96}(fb)-E_{nt_96}(fb)>Th，Th为门限，则输出传播损失；否则， 不输出；如果是连续波信号不需要进行能量判断；

步骤十：传播损失计算：

TL_{_64}(fb)＝SL(fb)－E_{st_64}(fb)－HS－AG    (25)

TL_{_96}(fb)＝SL(fb)－E_{st_96}(fb)－HS－AG    (26)

其中SL为配合舰船发射声源或爆炸声源的声源级，事先标定；HS表示水听器灵敏度， 单位为dB；AG表示放大倍数，单位为dB。

图2是海上试验630-800Hz传播损失实时测量结果。

图3是海上试验1000-1250Hz传播损失实时测量结果。

图4是海上试验1600-2000Hz传播损失实时测量结果。

水平拖曳线列阵的阵型由于海洋环境因素的影响，会造成阵型失真，对波束域的传播损 失测量会造成一定影响，但实际应用中，当拖船拖速满足测量要求时，可以忽略阵型失真的 影响。而其他的阵型，如圆柱阵、舷侧阵等，则不会出现阵型失真的影响。

3、显示/数据记录系统

显示输出包括：单通道和波束域传播损失输出，包括18个频段。

数据记录系统：数据记录仪记录原始的阵元数据、场景数据和传播损失计算结果，同时， 可以利用数据回放功能实现离线的数据处理。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的 思路，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。