基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种小尺度空间内对海底沉积物样品声学参数进行测量的方法，具体 涉及一种基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法。
【背景技术】
[0002] 在诸如水箱等非消声小尺度空间内进行实验测量时，除了我们希望得到的声源直 达波或目标反射波外，往往会伴有很强的多途干扰，包括来自水面、箱底和箱壁的反射波或 散射波，并且实验水箱越小或发射脉冲长度越长多途叠加越严重。因此，在非消声小尺度空 间内对沉积物样品中声速和衰减进行测量时，传统的测量方法是采用脉冲声技术，以期望 直达波和其它多途信号在时域上不发生混叠。此外，传统的测量方法往往属于窄带测量，采 用CW脉冲作为发射信号，每次测量结果仅代表发射信号中心频率下的测量值，而为了获得 某一测量频带内的测量结果，则需要进行多次测量。
[0003]目前，脉冲压缩技术被广泛应用于雷达系统中，用以解决探测距离与距离分辨率 之间的矛盾，本发明将此技术引入到水声实验测量中，用于沉积物样品中声速和衰减的宽 带测量。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在提出一种基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法， 该方法能够在非消声小尺度空间内（如水箱）实现沉积物样品中声速和衰减的宽带测量。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种基于脉冲压缩技术的沉 积物中声速和衰减的宽带测量方法，包括以下步骤：
[0006] 1)生成长线性调频脉冲并发射；
[0007] 2)采集无沉积物样品时的接收信号y1;
[0008] 3)将声源和水听器移动至较厚沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y2;
[0009] 4)将声源和水听器移动至较薄沉积物样品一侧，采集此时的接收信号y3;
[0010] 5)对接收信号yi、yJP y 3分别进行脉冲压缩，在压缩域内截取直达波相关峰，从多 途干扰中分别还原出相应的直达波，其频谱分别为I、￥ 2和Y 3;
[0011] 6)声速的计算：根据步骤5)中￥2和Y 3的相位谱差值计算声速，其计算公式如下 所示：
[0012]
[0013] 其中，cp代表沉积物样品中的声速，c w代表水中的声速，A (}>为Y 2和Y 3的相位谱 差值，d2为较厚样品的厚度，《为声波角频率；
[0014] 7)衰减系数的计算：根据步骤5)中1和Y 3的幅度谱之比计算衰减系数，其计算 公式如下所示：
[0015]
[0016]其中，％代表沉积物样品的衰减系数，Ad为较厚和较薄样品的厚度差， I Hr (j ?) |表示YjP Y 3的幅度谱之比，D :和D 2分别为较薄样品和较厚样品的水-沉积物界 面透射系数。
[0017] 优选地，所述步骤1)中的发射信号采用Blackman窗进行幅度调制。
[0018] 优选地，所述步骤2)-7)至少进行30次，以所有声速和衰减系数计算结果的均值 土标准差确定的置信区间作为声速和衰减系数的测量结果。
[0019] 本发明的基于脉冲压缩技术的沉积物中声速和衰减的宽带测量方法，采用脉冲压 缩技术对接收信号进行压缩，根据压缩信号包络从含有多途干扰的信号中提取并还原直达 波，继而根据有无样品时直达波相位谱差值计算声速，根据不同厚度样品时直达波幅度谱 之比计算衰减系数，通过一次测量即可获得测量频带内沉积物中的声速频散和衰减随频率 的变化关系，为实现声速和衰减的快速获取提供了一种新的思路。
【附图说明】
[0020] 图1为信号处理流程图；
[0021] 图2为经脉冲压缩后的信号包络（未加窗处理）；
[0022] 图中：1-直达波，2-邻近多途；
[0023] 图3为从叠加信号中分离出直达波的时域波形（未加窗处理）；
[0024] 图中：1_叠加信号，2-分离并还原出的直达波；
[0025] 图4为直达波还原后与原始信号幅度谱之比（未加窗处理）；
[0026] 图5为直达波还原后与原始信号相位差（未加窗处理）；
[0027] 图6为经脉冲压缩后的信号包络（加窗处理）；
[0028] 图中：1-直达波，2-邻近多途；
[0029] 图7为直达波还原后与原始信号幅度谱之比（加窗处理）；
[0030] 图8为直达波还原后与原始信号相位差（加窗处理）；
[0031] 图9为有无样品时经脉冲压缩后的信号包络；
[0032] 图中：1_无样品时的直达波，2-有样品时的直达波，3-邻近多途；
[0033] 图10从叠加信号中分离出直达波（无样品时）；
[0034] 图中叠加信号，2-分离并还原出的直达波；
[0035] 图11从叠加信号中分离出直达波（有样品时）；
[0036] 图中叠加信号；2-分离并还原出的直达波；
[0037] 图12为声速的仿真计算结果；
[0038] 图中：1-仿真设定值，2-计算值；
[0039] 图13为衰减系数的仿真计算结果；
[0040] 图中：1-仿真设定值，2-计算值；
[0041] 图14为声速测量实验布放示意图；
[0042] 图中：1_声源，2-水听器，3-玻璃缸，4-较厚的样品，5-滑动架；
[0043] 图15为衰减系数测量实验布放示意图；
[0044] 图中：1-声源，2-水听器，3-较薄的样品，4-较厚的样品，5-滑动架。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明：
[0046] 本发明的测量方法米用一个包括玻璃水箱、两只大小相同而高度不同的玻璃缸、 水平支架、滑动架、信号发生器、功率放大器、声源、水听器、滤波器、PCI采集卡和计算机的 测量系统。
[0047] 信号发生器发出的电信号经功率放大器放大后加载至声源，声源将电信号转换为 声信号，声波穿过沉积物样品后被水听器接收，并转换为电信号，电信号经测量放大器放大 和滤波器滤波后，通过PCI采集卡采集并存储于PC机中，以待进行后续的信号处理，处理后 最终给出声速和衰减系数的测量结果。
[0048] 本发明实现沉积物样品中声速和衰减的宽带测量是基于脉冲压缩技术实现的。本 发明中提到的脉冲压缩是相对于接收信号而言的，即根据发射脉冲信号（测量过程中指的 是信号源发出的电信号）构造匹配滤波器对接收信号进行匹配滤波来实现的，可以提取并 还原去除多途干扰后的直达波或反射波信号，具体的信号处理流程如图1所示。
[0049] 匹配滤波器的传输函数形式为
[0050]
(1)
[0051] 其中，C为一任意常数，Sjjo)为发射信号的频谱，*代表取共轭，h代表时延，《 表示角频率。根据发射脉冲信号的频谱构造滤波器（压缩），滤波器的频率响应为发射信号 归一化频谱的共轭，然后使接收信号通过该滤波器，信道传输加之构造的滤波器（压缩）恰 好相当于一个匹配滤波器（或相当于进行拷贝相关处理），因此，如果发射信号为宽带脉冲 信号，则接收信号在时域上就会得到很大程度的压缩，再取出压缩后的信号包络（希尔伯 特变换的模值），就可以很容易地分辨出直达波、反射波或其它多途信号，最后根据压缩后 的接收信号包络提取出我们所需要的部分并进行还原（通过频率响应为发射信号归一化 频谱的滤波器）。
[0052] 为了说明利用脉冲压缩技术从多途中提取并还原直达波的过程，进行如下的数值 仿真：构造两个线性调频信号，幅度分别为1和〇. 5,对应的声程分别为lm和1. 5m，用于模 拟直达波及其临近的多途。下限频率和上限频率为90kHz和130kHz，两者的脉冲宽度均为 20ms，最后将它们叠加在一起。假设水体中的声速为1500m/s，根据图1的处理流程可以得 到如图2-图5所示的结果。从图2中可以看到，压缩后的信号包络存在一个主瓣和多个旁 瓣。通常将脉冲宽度t和信号带宽B的乘积称为"时间带宽积"或脉冲压缩比（PCR)，则压 缩后的主瓣宽度为
[0053]
(2)
[0054] 而旁瓣宽度等于主瓣宽度的一半。由此可以看出，增大信号带宽能够获得更好的 压缩效果，使主瓣和旁瓣变得更窄，而增大脉冲长度可以进一步增加发射信号的能量，提高 压缩后信号的信噪比。因此，在实际测量过程中，要综合考虑声源的实际工作性能和希望得 到的压缩效果来对发射信号的脉冲宽度与信号带宽进行选择。在对压缩后的信号进行截取 的过程中，考虑的旁瓣个数越多结果越准确，但还要视实际测量过程中能够分辨出的旁瓣 数目而定。然而，考虑进来的旁瓣个数总是有限的，截取过程中不可避免地会使部分旁瓣中 蕴含的信息丢失，导致还原后的信号无论在时域上还是频域上都存在一定的失真，如图3、 图4和图5所示。具体来讲，时域信号幅度不平坦，幅度本应为零的部分存在明显的毛刺； 还原后的信号与原始信号幅度谱之比不为1，相位差不为零，特别是幅度谱之比在所考虑频 带内存在明显的起伏，说明还原后的信号失真较大。
[0055] 为了使还原后信号的失真进一步减小，则可以对发射矩形脉冲加窗处理进行幅度 调制，达到尽量压低旁瓣的目的，这样截取过程中不用再考虑旁瓣的影响，不过是以增大主 瓣宽度为代价的（时延分辨率降低）。采用Blackman窗处理后的仿真结果如图6-图8所 示。此时，提取并还原后的直达波与原始信号相比，所考虑频带内存在明显失真的范围更 小。因此，采用Blackman窗对发射信号进行幅度调制，只要发射信号的带宽足够宽，具有足 够高的时延分辨率，压缩后的信号在时域上能够分开，就可以保证对直达波进行较小失真 的还原，这为声速和衰减的宽带测量奠定了基础。
[0056]