[发明专利]一种水下声矢量探测装置

说明书

本发明属于声纳探测技术领域，涉及一种水下声矢量探测装置，包括水声探测模块和数据处理模块；水生探测模块包括矢量水听器、水下仪器舱和导流罩；矢量水听器用于检测水下声场空间一点处声压和三个正交方向的标量和矢量信号；矢量水听器位于导流罩内；水下仪器舱位于导流罩底部，用于放置数据处理模块；数据处理模块接收标量和矢量信号，采用矢量信号处理算法对标量和矢量信号进行处理，从而获得水下声场空间探测数据。其通过矢量水听器可以同时获得声场声压和质点振速信息，数据处理系统控制采用矢量信号处理算法，可有效抑制水下石油管汇的背景噪声。

技术领域

本发明涉及一种水下声矢量探测装置，属于声纳探测技术领域。

背景技术

近年来，以海洋油气资源为代表的海洋矿产资源是当前世界海洋资源开发的重点和热点。在海洋资源开发过程中，存在水面船抛锚、拖网等作业会破坏水下石油管汇的问题。目前，我国已基本实现浅海油气装备的自主设计建造，装备技术水平不断提升，但是在水下生产智能监测系统领域，与世界先进水平相比，我国仍存在一定差距。因此急需开展国产化研制，以打破国外专业公司对这些设备的垄断。为了保证石油平台水下生产系统长期稳定的在水下运行，务必要防止水面渔船或商船进行水上作业时对水下石油管道的破坏，因此对石油平台附近水面目标的定位跟踪是不可缺少的重要技术。

就程能量传递而言，以无线电波和光波为代表的电磁场等类型的能量场在海洋中衰减迅速，因而在海洋中无法适用。所以，声波成为水下唯一能够远距离传播的能量形式和通信形式。

被动探测是指在探测系统不主动发射探测信号时，仅仅利用声源辐射信号的信息，对声源进行探测的方法，目前已广泛应用到实际探测系统中。水声被动探测技术是水声定位技术中的主流技术，它凭借其隐蔽性和安全性在水声对抗领域具有无可比拟的优势。被动探测技术主要包括方位估计技术、定位跟踪技术以及识别技术。在方位估计技术方面，研究了幅度加权以及增秩MUSIC测向方法，其主要缺点是只适用于各向同性噪声场，而水下管汇噪声属于各向异性噪声场。在定位跟踪技术方面，文献“三元阵浅海近程被动定位研究与分析”研究了传统的三元阵法被动定位技术，采用滑动窗互相关法估计时延然后进行被动测距，主要实现对浅海近程目标的被动定位，其主要缺点是，随着声纳探测距离的增加,时延的测量精度急速降低，难以实现对中远程目标的定位。文献“浅海远距离匹配场声源定位研究”中提到研究比较广泛匹配场处理技术，主要原理是将矢量水听器测得的声场数据即测量声场与根据已知传播模型计算得到的拷贝声场进行互相关，从而得出目标的距离与深度，其主要缺点是布阵所需阵元多，基阵孔径大，对声场环境要求精细，不利于石油平台的工程实施。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水下声矢量探测装置，其通过矢量水听器可以同时获得声场声压和质点振速信息，数据处理系统控制采用矢量信号处理算法，可有效抑制水下石油管汇的背景噪声。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水下声矢量探测装置，包括水声探测模块和数据处理模块；水生探测模块包括矢量水听器、水下仪器舱和导流罩；矢量水听器用于检测水下声场空间一点处声压和三个正交方向的标量和矢量信号；矢量水听器位于导流罩内；水下仪器舱位于导流罩底部，用于放置数据处理模块；数据处理模块接收标量和矢量信号，采用矢量信号处理算法对标量和矢量信号进行处理，从而获得水下声场空间探测数据。

进一步，矢量水听器检测到的标量和矢量信号表示为：

其中，p(t)、v_x(t)、v_y(t)、v_z(t)分别为矢量水听器的声压通道及x、y、z三个振速通道接收到的信号；θ、分别为目标相对于矢量水听器的方位角和俯仰角；n_p(t)、分别为矢量水听器声压通道及x、y、z三个振速通道所接收到的噪声。

进一步，矢量水听器为同振式矢量水听器。