被动式声纳技术在渔探仪中的应用

被动式声纳技术在渔探仪中的应用

传统的渔检仪基本原理是用鱼锤充满空气，是波形的好反射体。从交换装置传输短干扰，并接收鱼组回波脉冲。从传输和回波脉冲之间的时间差测量距离，从记录的回波粒度和形状大小来评估鱼组的大小，从粒度、深度和运动规律来评估鱼组的类型。它的本质是一个动态噪声系统，它的缺点是成本高、设备复杂、应用距离近等。本文研究的渔检仪是一种新概念的动态观测系统，该系统完全基于新的传感器技术（测量水探测器）和现代数据处理技术的有机结合。被动捕鱼检测仪利用鱼群本身的生物噪声特性来探索水体中鱼类群的方向感和距离，并识别其类型。压差式矢量水听器能测量声场中质点的声压p(t)和质点振速v(t)的两个正交分量{vx(t),vy(t)},因此可以利用p(t)和v(t)的各种组合来进行信号检测,本文讨论了由[p,v]联合组成的检测器,即声能流检测器.通过实验证明,声能流检测器能够抵消各项同性的各种噪声.由于渔探仪使用的接收系统采用压差式矢量水器,用压差来代替声源的振速信息,从而进行目标的定位,试验结果表明,定位误差小,效果良好.1矢量水听器噪声场的估计对于平面波,声压和质点振速有简单的线性关系:p=ρcv.式中:ρ表示介质密度,c表示介质中的声速,对于空间共点同步测量的矢量水听器而言,ρc=const.矢量水听器空间共点同步测量声压p(t)和质点振速v(t)的各正交分量{vx(t),vy(t),vz(t)},利用作标变换,可以得到质点振速在任意观测方向上的投影vr:vr=vxcosϕsinθ+vysinϕsinθ+vzcosθ=Av.其中:A=cos(ϕ-ϕr)sinθsinθr+cosθcosθr,(ϕr,θr)表示观测方向.当观测方向对准声源,即(ϕr,θr)=(ϕ,θ)时,有:vr=v.若考虑观测方向对准声源的情况,则矢量水听器的输出可以写为:Ζ=[pv]Τ.由此可得到矢量水听器的协方差矩阵:R=〈ZZT〉.其中,〈〉表示时空平均,T表示矩阵转置.可以证明,在各向同性噪声场中,矢量水听器的噪声协方差矩阵:Rn=σ2n.和信号的协方差矩阵:Rs=σ2s.式中:σ2n表示噪声功率,σ2s表示信号功率.一般假设,声压的噪声pn(t)是均值为零,方差为σ2p,带宽为W,长度为T的带限高斯白噪声;质点振速的噪声vn(t)是均值为零,方差为σ2v,带宽为W,长度为T的带限高斯白噪声.考虑如下二种检测器:基于声压水听器的功率检测器:ˉΡ=1Τ∫Τ0p2(t)dt.基于矢量水听器的声能流检测器:Ι=1Τ∫Τ0p(t)v(t)dt.若考虑如下的信噪比定义:SΝR=10lg[SΝ].式中:S为带宽W内的信号功率,N为带宽W内的噪声功率.对于以上二种检测器,当WT≫1时,其信噪比分别为:SΝRˉΡ=10lg[Sσ2p],SΝRΙ=10lg[S(σpσv√2WΤ)].声能流检测器I相对于声压检测器ˉΡ的增益分别为:GΙ=SΝRΙ-SΝRˉΡ=10lg√2WΤσ2pσ2v.当噪声场为各向同性,即σ2v=13σ2p时,有GΙ=10lg√6WΤ.由上式可得,声能流检测器的增益与时间带宽积WT的平方根成正比,但由于实际上考虑信号和噪声的相关性,积分时间必须是有限的,信号和噪声也都是带限的,增益也不可能是无限的.2y轴方向上的声压信号ws由Navier-Stokes方程导出的线性声学运动方程为ρ∂μ∂t=-∇p.(1)式中:ρ为介质密度,μ为振速,p为声压,由上式可以由x方向上靠的很近的两点(kΔr≪1,k=ω/c,k是波数)的声压值p1,p2近似推得x方向上的振速分量uxux=1ρΔr∫(p3-p1)dt.设目标满足远场条件,目标声源入射方向与矢量传感器的位置关系如图1所示.矢量传感器阵的四个阵元分别记为1,2,3,4.设矢量传感器阵的偶极子长度为D(即阵元1和3的间距或2和4之间的间距),声速c,信号频率为f0,目标方位角为θ,则4个阵元的输出为pi=Aicos{2πf0[t-(D2c)sin(iπ2-θ)]}.式中:i=1,2,3,4.Ai表示声压信号的幅度,这里假设Ai=A,在低频应用时,矢量传感器输出的声压信号为:p=p1+p2+p3+p4=2Acos(2πf0t){cos[2π(D2cf0)sinθ]+cos[2π(D2cf0)cosθ]}≈4Acos(2πf0t).由式(1)得到:Vx=p3-p1=2Asin(2πf0t)sin[2π(D2cf0)cosθ]≈4πA(D2cf0)sin(2πf0t)cosθ.(2)则:ux≈[πAf0ρc∫sin(2πf0t)dt]cosθ.(3)由式(2)和(3)可知,压差Vx和振速ux均具有8字型指向性,即Vx含有ux信息,它们之间只差了一个常系数,在工程实现上经常应用压差代替振速.同理可以得到y轴方向上的声压差:Vy=p4-p2=2Asin(2πf0t)sin[2π(D2cf0)sinθ]≈4πA(D2cf0)sin(2πf0t)sinθ.同理可得,压差式矢量传感器阵输出的y轴方向上的振速为:uy≈[πAf0ρc∫sin(2πf0t)dt]sinθ.(4)由式(4)和(3)知道,x轴和y轴方向上的振速呈两个正交的偶极子指向性,其定向原理如图2所示,先将声压信号p做90°相移得到p′,这是因为声压信号与振速信号相位相差90°,这里相移可以通过Hilbert变换实现,然后再分别与x,y轴方向上的声压差Vx,Vy做相关处理,分别得到x和y轴方向上的平均声能流Ex,Ey,根据Ex,Ey的符号即可判别目标所在的象限,最后做反正切运算解出目标的方位角:θ^=arctan(EyEx)=arctan[p′Vy¯p′Vx¯].(5)其中横杠表示时间平均.方位估计原理图可以证明式(5)为最大似然估计,其方位角估计的方差为:σθ2=13BΤ[ps2(t)¯pn2(t)¯]-1.(6)式中:B为信号的带宽,T为积分时间,ps和pn分别表示信号和噪声的声压,由式(6)知道,方位角估计的精度随积分时间和信噪比的增加而提高.3声能流检测数据处理2004年9月,作者会同西工大航海学院声学工程研究所的研究人员在陕西冯家山水库进行了水下试验.试验中使用的压差式矢量水听器阵元间距D=0.14m,水听器离岸大约30m,湖水平均深度为20m,发射信号信噪比不小于6dB,接收系统工作频带为100Hz～5kHz.湖上实验,得到了包括目标检测、方位估计的部分试验结果.图3是近距离时接收信号的噪声处理前和噪声处理后归一化的频谱图结果比较,发射换能器离接收阵为13.5m,发射频率3kHz的单频信号,发射换能器和接收阵的入水深度均为2m,采样频率为50kHz,数据采集长度为1s.由图中可以看出,各向同性的海洋环境噪声通过相关器和积分器基本能够消掉,使信号很明显的显现.图4为远距离低信噪比的情况下噪声抵消的情况,两个发射换能器同时发射,一个发射3kHz的单频信号,另一个发射高斯限带白噪声,中心频率为3kHz,发射换能器入水深度为2m,水听器入水深度为4m,发射船和接收船间的距离约500m,环境存在其它的噪声,由于该噪声不是各向同性的,由图中可以看出,声能流相关积分器不能将它消除.图5为声能流谱和声压谱的增益比较,发射的3kHz的单频信号,由图中可以看出,积分时间从1s到10s,声能流检测器相对于声压检测器能得到5到20dB的增益.声能流大大突显了信号的峰值,而声压的频谱里信号的峰值淹没在噪声中,几乎不能发现.湖试中,发射换能器、接收换能器、船体的位置和距离如图6所示,此时发射换能器静止,发射信号频率3kHz,换能器和接收阵的入水深度均为2m.由图6可计算出发射换能器与船头正向的夹角θ=180°-arccos(d/l)=180°-30°=150°,图7给出了由声能流定向原理计算出的方位角估计值,积分时间为1s.由图中可以看出,由于水下有比较大的波浪,水听器和发射换能器不能保持静止,同时矢量阵与船头不能完全保持平行,所以估计出的角度变化较大.图8、图9给出了接收船不动,发射船由图6的位置运行到接收船的左前方,然后向对岸漂的过程中的方位历程.(l=15m,d=13m)4鱼类噪声的基本性质实验结果表明:1)声能流的噪声抵消方法对于各向同性的噪声环境能够达到10～20dB的增益;2)方位估计的结果能够达到有效定位的效果,在信噪比较高的情况下效果较好.本文所研究的渔探仪为被动声纳,接收水听器采用了具有独特优点的矢量水听器.在浩瀚的海洋中,记录到的水下噪声级中最高的噪声级来源于丰富多彩的海洋生物,生物学方面的大量研究工作,使得能够推测生物噪声的基本性质.但是声音也各色各样,这对预报给定海区的生物噪声级及频段造成了困难.因此,找出以幅度大、恒定和持久作用为其特征的生物噪声的基本性质尤为重要.在分布最广的鱼类的噪声中,几乎所有这些鱼类或多或少地发出在20Hz～10kHz频