一种基于海洋环境噪声的声学监测系统及方法与流程

技术特征：

1.一种基于海洋环境噪声的声学监测系统，其特征在于包括连接有上位机(4)和时钟同步单元(5)的内部控制计算机(3)，与内部控制计算机(3)和时钟同步单元(5)相连的接收单元(2)，该接收单元(2)连接一个包含3～16个水听器的水听器阵(1)；以及为内部控制计算机(3)供电的电源单元6；所述的内部控制计算机(3)带有时钟基准模块(32)和存储器(31)；

上述接收单元(2)包括与接收水听器阵(1)中的各个水听器分别相连的多个前置放大器(21)，所述的前置放大器(21)接收到的信号分别通过各自的低通滤波器(22)、可调增益器(23)进行滤波、放大处理后，再传输至A/D转换器(24)，经A/D转换后的信号传输至内部控制计算机(3)；

上述时钟同步单元(5)包括GPS天线(51)、GPS接收器(52)和定时回路(53)，其中定时回路(53)与所述内部控制计算机(3)连接，为系统提供精确的时间信号，并对内部控制计算机(3)的时钟基准模块(32)进行时钟校准，同时通过定时回路(53)为A/D转换器(24)和数据存储(31)提供时钟信号。

2.利用权利要求1所述的声学监测系统进行海底水深及分层结构探测的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选择所要监测的海域；确定水听器阵列中的水听器数目，并确定各个水听器的深度；设置水听器的采样频率、采样时间长度、采样间隔；设置数据放大增益、数据存储格式；

2)上述水听器阵列开始工作，直至达到预设的工作时间；将水听器数据采集；所得数据为时域噪声阵列数据；

3)对采集的数据进行滤波预处理；

4)对上述滤波预处理的数据进行时间平均，即将上述数据按照一设定时长进行等分，得到多个等时长的数据，再对上述每个等时长的数据进行平均处理，分别得到上述多个等时长数据的均值；

5)将上一步骤得到的多个数据依次采用经验正交函数分解、数据重建、波束形成和互相关方法进行处理；

首先采用经验正交函数分解方法进行分解，得到多个经验正交函数模态；再从中选取垂向传播的海洋环境噪声数据对应的经验正交函数模态，并利用上述对应的经验正交函数模态的对海洋环境噪声数据进行重建，得到重建后的信号表示为：

$X^{\′}(z,t)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{A}_i\left(t\right){\mathrm{EOF}}_i\left(z\right)---\left(1\right)$

其中等号左边为重建后的数据，z、t、N分别为深度、时间、经验正交函数模态的个数，EOF_i(z)为第i阶经验正交函数模态，A_i(t)为第i阶模态对应的时间变化系数；

然后，采用自适应波束形成方法做进一步分解，以得到水听器阵列信号在不同方向分量的频域互相关函数，所得到的频域互相关函即

$C_B(\mathrm{\ω},R,z_1,z_2)=w_A^T{C}^{\′}(\mathrm{\ω},R,z_1,z_2)w_A---\left(2\right)$

其中，C_B(ω,R,z₁,z₂)为波束形成后的结果，C'(ω,R,z₁,z₂)为重建信号X'(z,t)对应的互谱密度矩阵，是间距为R＝r₁-r₂的空间两点(r₁,z₁)和(r₂,z₂)间时域互相关函数的傅里叶变换，r₁和r₂分别为两点在水平面上的位置矢量，z₁和z₂分别为两点处的深度，该数据为频域信号；T为矩阵转置；w_A为自适应波束形成加权系数，表示为：

$w_A=\frac{{\[C^{\′}(\mathrm{\ω},R,z_1,z_2)\]}^{-1}w}{w^T{\[C^{\′}(\mathrm{\ω},R,z_1,z_2)\]}^{-1}w}---\left(3\right)$

其中为各阵元在方向θ上的权系数，k为波数，n为水听器个数；

然后，利用互谱密度矩阵与对应空间的格林函数结构具有等效性，将二者的等效性表示为：

$C(\mathrm{\ω},R,z_1,z_2)=\frac{8{\mathrm{\π}}^2{Q}^2}{{\[k\left(z^{\′}\right)\]}^2}{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\[G(k_r,z_1,z^{\′})G^{*}(k_r,z_2,z^{\′})\]J_0\left(k_r\right|R\left|\right)k_r{\mathrm{dk}}_r---\left(4\right)$

其中，Q为海面噪声源级，ω为声波频率，G(k_r,z₁,z')和G(k_r,z₂,z')分别为水深z'处海表声源至水深z₁和z₂处接收点的波数域格林函数，k(z')为波数，J₀为零阶贝塞尔函数，*表示复共轭；

将上述自适应波束形成后的频域数据C_B(ω,R,z₁,z₂)进行逆傅里叶变换，得到水听器阵列信号的时域互相关函数C_t(R,z₁,z₂)，其结构与时域格林函数相似，获取C_t(R,z₁,z₂)中的各个峰值所对应的时间，然后结合水体的声速信息即获取水听器阵列阵型、海底水深及分层信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于上述水听器阵列是漂移浮标方式在海水中随海流漂移。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于利用GPS获取上述声学监测系统的漂移轨迹，利用权利要求2的方法得到声学监测系统在漂移轨迹上的水听器阵列阵型、海底水深及分层信息。