1.一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置,其特征在于,包括计算机、发射电路模块和接收电路模块,所述的发射电路模块和接收电路模块均连接电源供电模块;
所述的发射电路模块包括按信号传输方向依次连接的发送数据处理模块、da转换模块、功率放大器和发射换能器;
所述的接收电路模块包括按信号传输方向依次连接的接收水听器阵列、前端信号处理电路、ad转换模块和接收数据处理模块;
所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块分别通过以太网接口与计算机连接;所述的接收水听器阵列是由均匀分布的六个全向水听器组成的圆形阵列,所述的发射换能器设置在接收水听器阵列的几何中心。
2.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置,其特征在于,所述的发送数据处理模块和接收数据处理模块均包括数字信号处理模块和现场可编程逻辑门电路模块;
所述的数字信号处理模块采用dsp;所述的现场可编程逻辑门电路模块采用fpga。
3.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置,其特征在于,所述的接收水听器阵列是由六个半径为7.5cm的全向水听器组成的小型圆形阵列。
4.根据权利要求1所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置,其特征在于,所述的电源供电模块、发送数据处理模块、da转换模块、功率放大器、前端信号处理电路、ad转换模块和接收数据处理模块均密封在水密舱内部;
所述的接收水听器阵列和发射换能器固定在水密舱外表面,接收水听器阵列和发射换能器分别通过水密接口与水密舱内的前端信号处理电路和功率放大器连接。
5.根据权利要求4所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置,其特征在于,所述的水密舱下部设有配重块,所述的水密舱和配重块之间设有温盐探仪ctd。
6.一种基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法,其特征在于,使用上述权利要求1~5任一所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位装置,包括以下步骤:
(1)发射换能器作为声源发射全向声波,声波照射到气泡羽流与水介质的分界面发生反射,回波信号包含目标的方位角信息,接收水听器阵列接收气泡群回波信号;
(2)对接收的气泡群回波信号进行预处理,叠加一段时间内接收到的预处理信号,得到时不变的稳定背景信号;
接收到的预处理信号和归一化的稳定背景信号作比较,得到时变的气泡回波信号;
(3)对时变的气泡回波信号采用反卷积波束形成算法进行求解,得到气泡群定位结果。
7.根据权利要求6所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法,其特征在于,步骤(1)中,发射换能器发射的全向声波是脉冲信号,内部填充10khz、50ms正弦波,使用chirp信号作为脉冲包头,用于区分回波信号中混叠在一起的相邻脉冲回波。
8.根据权利要求6所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的预处理包括:对接收到的气泡群回波信号进行插值滤波,得到最佳采样值。
9.根据权利要求6所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法,其特征在于,步骤(3)的具体过程为:
(3-1)将接收水听器阵列看成一个信道,水听器输出信号公式为:
r(y)=s(x)*h(y-x)+n
其中,s(x)表示信道的输入信号,等同于接收信号
(3-2)提取接收信号中携带目标位置信息的回波部分进行常规波束形成,并代入已知的阵列波束模式利用r-l迭代算法对cbf的输出波束功率进行反卷积运算,通过运算结果分析目标功率谱的角分布情况,再根据输出功率角分布估计目标方向;具体为:
建立一个半径为a的均匀圆阵,阵列几何中心为原点建立坐标轴,阵列平面位于x-y平面,这里只考虑声源与圆阵位于同一水平面的情况;
该圆阵的n个阵元均匀地分布在圆周上,将阵元按顺序编号的得到每个阵元的坐标为:
其中,相邻阵元的角度间隔为2π/n,阵元间距d=2asin(π/n);
为了估计目标方位,预期波束指向将阵元间的相位延迟表示为:
s=[s1,s2,...sn]t
s为一个与x轴夹角θ有关的方向矢量;
在圆阵平面内的远场存在多个不相关且方向强度均不同的信号源时,圆阵接收到的信号表示为:
输出波束功率可表示为:
b(θ)=<|shy|2>=sh<yyh>s
来自不同目标的信号是彼此不相关的,且目标信号与噪声也是不相关的,因此,得到
根据上式得到接收水听器阵列输出的波束功率等于每个信号对应的输出信号功率总和,接收水听器阵列的波束模式等于在没有噪声和干扰的理想情况下阵列对于单位强度点源的波束响应;当仅考虑单位强度的第i个声源时,由n个阵元组成的接收水听器阵列的波束模式函数表示:
对于只有一个声源的情况,输出波束功率的最大值出现在θ=θi方向,该方向即为目标方向,输出电平为|ai|2,对波束输出功率进行归一化处理后得到bp(0)=1,根据波束功率的峰值估计声源的方向角θi。
10.根据权利要求9所述的基于小型阵列的海底天然气水合物气泡泄露定位方法,其特征在于,所述的r-l迭代算法的具体公式为:
所述(i)表示迭代次数,s(i)(x)收敛到下列等式的唯一解,
所述l(p(x),q(x))公式为: