海洋论坛▏海洋水下声探测信号的类型与探析 -水下自主声探测技术

【摘要】水下声探测是外国调查船和水下文物盗捞船进行非法调查和探测的主要技术手段，根据信号的主要声特征，对海洋水下声探测信号进行分类，分为宽带中、低频信号和窄带高频信号。在福建兴化湾海域采集了浅地层剖面仪信号、电火花声源信号、侧扫声纳信号和单频测深信号4种代表性的海洋水下声探测信号，根据声特征分析给出了对应的分类，其中：浅地层剖面仪信号为信号类型确定的中、低频信号；电火花声源信号为宽带脉冲中、低频信号；侧扫声纳信号和单频测深信号为窄带高频信号。通过对4种实测声探测数据的分析研究，给出了对应类型的海洋水下声探测信号的分析、提取方法，其中：信号类型确定的中低信号和窄带高频信号在初步的时、频分析基础上，可通过带通滤波提取；宽带脉冲中、低频信号在初步的时、频分析基础上，可尝试通过小波尺度相关滤波的方法提取。结合已知的水下声探测信号的主要声特征，实现对采集的海洋水下声探测信号的识别。

随着人类文明的发展，海洋的战略地位日益突显，各国积极开发利用海洋资源和空间，采用各种手段对海洋的水下环境进行探测。声波是目前在海洋中唯一能够进行远距离传播的能量形式，因此，在众多的海洋水下探测设备中，声波探测是其主要使用的技术手段。

目前，水下声探测设备种类多，数量大，已广泛用于海洋的水下探测和调查研究，例如海洋的工程地质勘探、海底地形地貌测量等。但水下声探测也是外国调查船和水下文物盗捞船进行非法调查和水下文物探测、定位的主要技术手段，这些海洋水下声探测活动可以通过探测信号的接收声特征进行区分，因此，开展海洋水下声探测信号的采集研究对非法调查的监视取证和水下文物保护具有重要意义。

在海洋声学中，水声信号处理的研究驱动主要来自军事需求，重点关注水下目标的辐射噪声特性、水下目标的声回波特性、水下声场的信息获取与处理等，另外，一些海洋生物的发声特性也因其军事和海洋生态效应逐渐被关注，对于水下声探测设备发射声信号的分类、被动采集、分析和识别方面的研究则极少，一直以来，人们主要关注水下声探测设备在海洋调查和海洋工程勘探中的使用，即强调发射声信号对海洋环境的主动探测过程。目前，关于海洋水下声探测信号的分析研究方面，有基于希尔伯特黄变换的C-BOOM浅剖信号分析，通过集合经验模态分解，实现对未知频带的C-BOOM浅剖信号的滤波；还有对多波束测深仪与侧扫声纳信号回波检测技术的分析，从理论上给出了两种仪器的海底回波信号检测方法。 本文则立足实际海洋工程作业过程中对海洋水下声探测信号的被动测量，在未知作业设备目标信息的条件下，实现对海上测量数据的分析、提取，结合对已知的水下声探测设备信号声特征的分类，来实现对海洋水下声探测活动的初步识别。

水下声探测设备的生产厂家或研制人员均会给出设备一些主要的技术参数，包括声学特性参数。但海洋是一个随机时变、空变的复杂声信道，水下声探测设备的发射声信号经海洋这个水声信道调制后会产生畸变和信息损失，并受到海洋中其他声信号的干扰，导致接收的水下声探测信号无法直接区分、识别。因此，本文依据设备给出的声信号的频带范围对主要的海洋水下声探测信号进行分类，给出各类水下声探测信号的主要声特征；采集了4种代表性的海洋水下声探测信号，通过对4种实测的海洋水下声探测信号数据的分析、研究，给出了对应类型的海洋水下声探测信号的常规分析方法；根据已知的水下声探测信号的声特征实现对分析目标信号的识别。

一、海洋水下声探测信号分类

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外国调查船、水下文物盗捞船所使用的主要水下声探测装备中，会根据应用类型不同选择不同的声源和声信号，而根据声源及声信号所使用的频段大致可分为两大类---宽带中低频声源和窄带（单频或双频为主）高频声源。

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浅地层剖面测量、海底地震测量、水声场测量等主要使用宽带中低频声源进行探测，其使用的中低频声源有电火花声源、枪震源（ 包括气枪、水枪、蒸汽枪和枪阵等）、炸药震源、剖面仪和BOOMER震源等。其中浅地层剖面测量使用的频率相对较高，且信号类型确知，目前各型浅地层剖面仪的声源频率主要在几百Hz到十几kHz；枪震源和炸药震源的主能量频率最低，一般在几十Hz到几百Hz，为宽带脉冲信号；电火花声源和BOOMER震源的主能量区则一般在几十Hz到几kHz，也是宽带脉冲信号。

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多波束海底地形测量、侧扫声纳测量及测深侧扫声纳测量等地形地貌测量设备主要使用窄带（以单频或双频为主）高频声源，信号类型确知，为高频短脉冲信号，其换能器探头工作频段主要在几十kHz到几百kHz。

二、海洋水下声探测信号分析

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水下声探测设备的声源特性不同，其声探测信号的分析方法也不同。对于宽带中低频声探测信号，易受船舶辐射噪声、风雨噪声等海洋环境背景噪声的干扰，需从时域、频域、时频域或空域等采用多种方法进行分析和识别。对于窄带（单频或双频为主）高频声探测信号，其声信号频率高，信号形式稳定，抗干扰能力较强，在功率谱分析的基础上，采用传统的频域滤波方法就可分析、识别。本研究将分别以两类声探测信号中的典型信号为例，探讨两类信号的分析、识别和提取方法。下面首先对声探测信号数据的来源与海上实验测量情况进行简要介绍。

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⒈ 海上实验简介

利用地质部门进行海上地质工程勘探的机会，项目组人员对地质工程勘探过程中发射的海洋水下声探测信号进行了采集。 采集的声探测信号类型有浅地层剖面仪信号、电火花声源信号、双频侧扫声纳信号和单频测深信号。实验地点在福建省莆田市秀屿区外的兴化湾海域，测量时水深约6m，天气晴朗，海况2级左右。测量的过程中收发同船，测量仪器的连接及船上的收发位置如图1、2所示：

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图1 海洋水下声探测信号监测系统连接示意图 

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图1中，水下声探测信号发声后经海底海面反射，由RESON-TC4014水听器接收，转化为电信号送入滤波调理放大器（SR640），最后送入数据采集存储系统（NI6122高频水声信号采集卡）。考虑到SR640带宽不够，在采集窄带高频信号时将其设置为直通。

图2 海洋水下声探测信号监测收发位置示意图

图2中，船舶发动机位于各水下声探测信号和接收水听器之间。电火花声源距接收水听器约16m，船舶发动机距接收水听器约5m。测深仪距接收水听器约5m，侧扫声纳距接收水听器约8m，浅地层剖面仪距接收水听器约8m。整个实验测量过程中均有船舶发动机噪声干扰。

⒉ 宽带中低频声探测信号分析

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图3 福建兴化湾海域采集的浅地层

剖面仪信号的时域波形

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出海采集了宽带中低频声探测信号中的浅地层剖面仪信号和电火花声源信号。浅地层剖面仪以强指向性指向海底，因此采集到的浅剖信号波形主要是海底海面反射信号；电火花声源无指向性，但实验海域水深仅6m，收发距离16m，因此采集到的电火花声源信号波形应是直达波和海底海面反射信号的叠加。

图4 福建兴化湾海域浅地层剖面仪信号的功率谱分析

虽然有干扰，但从图3中可以看到似乎存在一个周期性发射的信号。从图4中可以看出浅地层剖面仪信号主要在几kHz到十几kHz范围，将图4横坐标放大后可以确定浅地层剖面仪信号的主能量区约在2～12kHz。为此将含噪原始信号进行1.2～14.0kHz的带通滤波，带通滤波后的时域波形如图5、6所示。

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图5 福建兴化湾海域浅地层

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剖面仪信号带通滤波后的时域波形

图6 福建兴化湾海域浅地层剖面仪

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信号带通滤波后的单个时域波形样本

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从图5中可以看出，经带通滤波后干扰噪声大大减少。图6为浅地层剖面仪信号经带通滤波后的单个时域波形样本，从图中可以看出明显的信号疏密变化，这是典型的线性扫频调制特征。因此，分析结果无论是从频域（图4）还是从时域（图6）上来判断，均与已知的浅地层剖面仪信号特征是一致的。电火花声源原始测量信号的时域波形和时频分析分别如图 7、8所示。

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图7 福建兴化湾海域采集的电火花声源信号的时域波形

图8 福建兴化湾海域电火花声源信号的时频分析

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图9 福建兴化湾海域电火花声源信号滤波后的时域波形

图10 福建兴化湾海域电火花声源

信号滤波后的时频分析

从图7的时域图中可以看到干扰，但也存在一个周期性发射的信号。从图8的时频分析中可以知道电火花声源信号是宽频带信号，但采集的含噪信号中，在5 kHz以下和16 kHz附近存在强干扰。由相关文献可知，电火花声源信号的主能量区一般在几百Hz到几kHz，因此，对于5kHz以下的强干扰无法通过频域滤波的方法滤除。由图7可知，时域的幅度滤波方法也不可行。针对这类特殊的信号提取问题，需从空域角度分析，采用小波尺度相关滤波及其改进算法进行处理，有效的提取了电火花声源信号。尺度相关滤波后的信号时域波形及时、频分析如图9、10所示。从图中可以看出，经小波尺度相关滤波后，5kHz以下和16 kHz附近的强干扰得到了有效抑制，仅在信号间隔期内存在少量干扰。

⒊ 窄带高频声探测信号分析

出海采集的窄带高频声探测信号中包含单频的测深信号和双频的侧扫声纳信号。测深仪和侧扫声纳均具有强指向性，因此，接收信号不是直达波，而是海底或者海底海面的多次反射信号，相比初始样本信号会有一定的畸变。接收信号的时域波形和功率谱分析分别如图 11、12所示。

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图11 福建兴化湾海域采集的测深与

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侧扫声呐信号的时域波形

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图12 福建兴化湾海域测深与

侧扫声呐信号的功率谱分析

由于低频的背景干扰幅度较大，无法从图11中辨识信号的存在。 从图12 的功率谱分析中可以看出，在135kHz和205kHz附近存在两个强频谱峰值。为此，对图11的时域信号分两次进行带通滤波，通频带分别为：110～150kHz和195～215kHz，得到的时域波形如图 13、14所示。

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图13 110～150kHz带通滤波后的波形 

图14  195～215kHz带通滤波后的波形

从时域上看，图13、14均存在周期性的发射信号。已知所用的侧扫声纳为KLEIN SYSTEM3000，通过查阅该设备的出厂参数可知其信号频率为132、445kHz。本次实验数据采集设备的最大采样频率为500kHz，且滤波调理放大器 SR640的带宽不够，在采集窄带高频信号时设为直通，所以对于445kHz的信号会出现欠采样，在此不予讨论。因此，图13带通滤波后得到的应是132kHz的侧扫声纳信号。已知所用的测深仪为HY1600，查阅该设备的出厂参数可知其信号频率为208kHz，因此，图14带通滤波后得到的应是208kHz的测深仪信号。

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三、结语

本研究根据水下声探测信号的主要声特征，对主要海洋水下声探测信号进行了分类，并分为宽带中、低频信号和窄带高频信号，其中宽带中、低频信号又可分为信号类型确定的中、低频信号和宽带脉冲中、低频信号。在福建兴化湾海域采集了浅地层剖面仪信号、电火花声源信号、侧扫声纳信号和单频测深信号4种典型的海洋水下声探测活动信号样本，并进行了分析、提取，得到如下结论：

①浅地层剖面仪信号是信号类型确定的中、低频信号的典型代表，其信号波形为线性扫频调制脉冲。针对这类信号的分析、处理和识别，需先进行初步的时、频分析，掌握初步的频域特性，然后针对性的进行带通滤波，提取目标信号，最后结合已知的海洋水下声探测信号的声特征，进行信号识别。

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②电火花声源信号是宽带脉冲中、低频信号的典型代表，该类信号没有确知的信号形式，以宽带的冲击波为主，针对这类信号的分析、处理和识别，可以从空域角度分析，采用小波尺度相关滤波的方法进行处理，提取和识别目标信号。

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③侧扫声纳信号、单频测深仪信号是窄带高频信号的典型代表。这类信号频率很高，以单频或双频为主，信号类型（波形）固定。因此，在对信号进行初步的时、频分析后，再对信号进行带通滤波，最后结合已知的海洋水下声探测信号的声特征，提取和识别目标信号。

本文数据来源于实际海洋工程勘探作业过程中的被动观测，通过数据分析给出了代表性的海洋水下声探测信号的分析、提取和识别方法，可为海上辨识外国调查船和水下文物盗捞船的非法水下声探测活动提供参考和帮助。 随着技术的发展，对于本文可能没有涉及到的海洋水下声探测信号，还需根据实测数据情况进行分析。

【作者简介】本文作者：文洪涛 杨燕明 周鸿涛 刘贞文 郑凌虹；第一作者文洪涛，男，1983出生，国家海洋局第三海洋研究所，助理研究员。本文来自《应用海洋学学报》（2015年2期），用于学习与交流，版权归作者所有。

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