第19卷 第5期 中 国 水 运 Vol.19 No.5 2019年 5月 China Water Transport May 2019
收稿日期：2018-12-27
作者简介：韩 轩，交通运输部北海救助局荣成救助基地。
韩 轩
（交通运输部北海救助局荣成救助基地，山东 威海 264316）
摘 要：水声信号检测是海洋微弱信号检测技术的一种关键技术并会在未来黑匣子搜寻等活动中扮演着重要的角。本文主要针对水声信号检测技术的研究进展进行了详细的评述：首先介绍了水声检测设备的国内外现状；接着对比分析了时间反转法、随机共振、盲源分离、错位叠加算法等典型的检测算法及其在水声领域中的优缺点；由于海洋环境的复杂性，水声信道的传播特性对水声检测的效果产生了较大影响，从传播损失和海洋环境噪声两个方面做了相关分析；最后讨论了各种水声信号检测设备及方法的未来发展方向，研究水声检测技术具有重要的工程应用价值。 关键词：水声信号检测；时间反转；盲源分离；随机共振；错位叠加算法
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）05-0094-03
一、引 言
飞机的飞行数据记录器，俗称黑匣子，安装有水声信标装置。水声信标会在飞机失事坠入海中后自动启动并向周围发出超声波脉冲，这种脉冲可以被声呐和声学定位仪探测到并进行声学定位。水声信标
装置具备有抗冲击震动能力，能保证在飞机发生爆炸、剧烈撞击等事故引起的失事后仍能正常工作。例如马航MH370上的水声信标能在深达6,000m 的水下工作，且入水后的工作时间一般在30d 左右[1]。水声信标在被接收后需要进行信号处理，在水声信号处理领域中，短时傅里叶变换、小波变换、Hilbert-Huang 变换是较常用的三种方法。短时傅里叶变换即“加窗”的傅里叶变换[2]，通过分析非平稳信号的能量谱来提取目标信号的时域和频域特征。小波变换算法具有良好的时频局部化等特点，被广泛应用于水声信号处理方面并且得到了充分的
发展。Hilbert-Huang 变换是一种由数据驱动的自适应方法，可以达到很好的时频局部化特性。
水声信号处理的方法有很多，为了能让其得到更好的应用，研究相关的水下装备是必不可少的步骤。近年来，海洋权益受到人们越来越多的关注，海洋开发受到很大的重视，因此针对水声信标信号的检测，相关的设备以及检测技术的研究将会成为水声领域研究的热点之一。
二、水声信号检测技术 1．水声信号检测设备
目前，在国际上已经有了许多用于搜寻、水下导航定位及军事用途等声波定位仪等产品，主要集中在美国的海洋设备生产公司研发。国内仅有少许的理论研究，并没有生产用于商业或军事装备的产品[3-5]
。
随着建设海洋强国的提出，发展海洋科研成为我国强国战略很重要的一个方面，所以自主研发探测、搜救和通讯设备就成为了增强我国海上军事实力的首要任务。常见的水下声波定位仪主要分为手持式、便携式和拖曳式等。三种设备通过不同的载体进行声波定位。
16gan
（1）手持式水下声波定位仪
国外较早的进行了水声信标搜寻设备的相关研究，起初主要是通过使用满足接收条件的声呐进行接收，但声呐体积较大，对安装载体要求高的缺点很大程度影响了大多小型船舶的使用效果。海洋装备生产厂商为满足实际工程的需要，设计并生产了主要用于水声信标的搜寻产品。
图1 PRS-275 的手持设备
图1为美国RJE International 公司生产的PRS-275手持水听器。该设备通过延长杆放入水中，然后通过后端手持设备放大，滤波和变频将信号调节到可听范围，基于是否听到耳机中的信号来判断水下声学信标的方向。经过测试，PRS-275可以到线性距离约为2.4km。
（2）便携式水下声波定位仪 图 2 APR-272便携式水下声波定位仪
第5期 韩 轩：水声信号检测技术研究进展 95
所示的APR-272水听装置使用时需固定在甲板上，通过耳机监听置于水中的水听器提供的声波信息进行方位的判断。该声波定位仪输出声频是全方位水听器，可以接收频率范围在5~80kHz 的声波，电源充满电可使用24h，可连接外部12VDC。
（3）拖曳式水下声波定位仪
图 3 TPL-25 型拖曳声波定位仪
2014年澳大利亚“海盾号”在进行了马航MH370的搜索任务中曾使用了拖曳式声波定位仪。如图3所示，拖曳式水下声波定位仪相当于一种由多部分组成的被动定位声呐，工作时需要将其安装在舰船的尾部来接收水下信标等发出的声波信号。声波定位仪可探测3.5~50kHz 频段的各种信号，其中包括了黑匣子发出的频率在每秒37.5kHz 左右的正弦脉冲信号。通过对定位仪接受到的信号在计算机上进行三角定位最终确定黑匣子的位置。
2．水声信号检测方法
较常见的水声信号检测方法有：时间反转法，随机共振，盲源分离等，还有错位叠加算法、匹配场处理、小波分析等。
（1）时间反转法
图4 声学时反镜原理示意图
时间反转法最初是应用于超声检测和成像方面的。该方法的基本原理和过程如图4所示。换能器端接收声源发出的声信号并将其转换为电信号，并根据特定的启动规则将其以声信号的形式发送回介质，最终在声源处进行会聚，进而消除了因介质不均匀而造成的失真现象[6]。根据使用方法，时间反转技术主要包括有效时间反转镜和虚拟时间反转处理。如Li Chun-xiao 等研究了利用主动时间反转镜进行水下目标检测的方法和性能，并与传统方法处理的结果进行了对比，提出时间反转技术可以提供显著的检测增益，发现了主动时间反转镜检测方法的优势及发展前景，但由于系统复杂致使检测时效性相对较差，因此，虚拟时间反转处理应时而生，因为它系统相对简单，时间反转发射等处理由后端处理系统虚拟地进行，大大地提高了检测的时效性。生雪莉等[7]从信道理论出发，根据海洋信道的相干多途特征，利用时间反转镜进行信道仿真建模.
基于时间反转技术的水声信号检测算法相对于常规能量检测算法有明显的优势，特别是其自适应聚焦和抗混响的特性可以解决很多工程中的实际问题。但从目前国内外的研究现状来看，现有对时间反转技术的研究大多为机理分析及仿真建模方面，由于该技术需要对对时间反转信号在不同距离的聚焦情况进行搜索，运算量大，因此难以适用于实际工程应用中。
（2） 随机共振
基于随机共振的信号检测的原理是：输出信噪比会在输入信号、噪声、非线性系统这三者之间达到某种匹配，部分噪声能量转化为有用信号的能量时增强并达到极值点。周关林等[8]把随机共振的方法应用于模拟海洋环境噪声为背景干扰的水声信号的检测中，可以有效的检测到微弱信号。徐娇华等[9]通过仿真试验研究了基于随机共振原理检测强白噪声背景下的微弱信号，仿真结果显示非线性双稳态系统在高噪声强度下比线性系统的误码率更低，能提高传输的准确率。由此可以得出随机共振方法在水声微弱信号的检测领域具有重大的潜在应用价值。何世娜等[10]将随机共振技术应用到了高频水声通信系统中，在低信噪比下取得了一定的性能增益。该方法的有效性虽然已在水池实验中得到了验证，但实际应用中对采样率仍有较高的要求，如何降低系统的采样率仍需进一步探讨研究。
传统的水声信号检测方法是将信号与噪声分离，而随机共振使用输入信号和噪声之间的特定匹配关系来改善输出信噪比。随机共振的优点是能实现噪声能量向信号能量的转换，但任何噪声偏差都会降低系统性能。在实际工程中仍存在很多问题。随机共振使人们意识到噪声的有益方面，它将成为一种强大的信号处理工具，其算法的简单性和高效性等特点对水声微弱信号的检测将有重大的研究意义和研究前景。
（3）盲源分离
盲源分离意味着如果源信号和传输信道都不确定，则可以通过传感器检测到的混合信号分离或估计源
FABS-034
信号，进而可以获得传输信道的相关信息[11]。虽然此方法在很多领域得到了广泛的应用，但因为水声信号的非高斯性、非线性等特性，使得分离水声信号变得更加复杂了。因为水声信号满足盲源分离模型的基本假设，盲源分离在未来水声信号处理领域将会得到很好的应用[12]。
在1986年，递归神经网络模型和基于Hebb 学习律的学习算法由Herault J.和Jutten [13]最先提出，开创了盲源分离问题的研究，后来经过多位科研人员的努力，盲源分离在水声信号处理方面得到了很好的发展。虽然国内对于盲源分离的探究起步较晚，但至今也有不少的成果，倪晋平等人[14]通过研究水声信号分离的几种独立成份分析算法，将5种算
96 中 国 水 运 第19卷
电水壶温控器法的性能进行了分析对比，明确了下一步的研究要点。盲源分离技术可用于降噪或作为信号分类的预处理技术，在水声信号处理等领域获得了成功的应用并且显示出了诱人的前景，然而实际的水声环境较为复杂，盲源分离在实际应用中仍有诸多问题亟待解决。盲源分离技术是靠水声基阵实现的，在噪声存在的条件下增加阵元个数是必须的，但同时增大了运算负荷，无法满足实际工程的需要，所以盲源分离方法未来待解决的问题是改善水声基阵的检测性能，以及增高基阵的检测增益等。
（4）其他方法
水声信号处理领域还有很多不同的方法，如匹配场信号处理[15]、自适应阵列、小波分析等。如错位叠加算法[16]是一种新的信号处理方法，其原理是通过错位叠加的方式增强待测信号的强度，能较好地从原始信号中提取有用的信息。
三、影响水声信号检测的因素
从通信的角度来看，海洋是声学通道，但海水是一种复杂多变的有损介质，海洋环境噪声会干扰声信号的传播，从而影响接收端的接收信噪比，对水声信号的检测产生影响。
1．传播损失
水声信道是一个复杂且可变的信道，具有严重的衰减，多径效应和频散效应。声信号在水中传播时会产生不同程度损失，主要分为扩散损耗、吸收损耗、边界损耗三类。水多径传播是由声线的弯曲，海水分层介质的折射，海洋和水上物体的反射以及海水中的潮汐等内部结构引起的。频率扩散主要包括因为水声信道的不稳定性而引起的信号频率扩展，以及由于通信系统接收端和发射端之间存在着一定的相对运动而产生了多普勒频移。
2．环境噪声
海洋环境噪声是指海洋中自然环境噪声，这些噪声有声级较高、动态范围较大、时变性、频带宽等特
点。产生的主要途径有：海水流动导致水听器内部产生的声学效应、海洋生物及船舶航行是发出的噪声、特殊自然现象及海水分子扰动产生的热噪声等。海洋环境噪声的产生是于海洋环境本身引起，并不受人们的控制。并且水听器载体的自噪声对检测结果会有很大的影响。
四、未来发展方向
随着航运业的稳步发展与我国海洋强国战略实施，水声信号检测技术及相关设备作为我国科技能力及海上军事实力的体现，被广泛应用于海上救援与海事搜寻等活动中。
在水声检测设备方面，我国需提高自行研制和开发的能力，致力于研发商用化产品和军用装备。水下声波定位仪一般是全向接收水声信号，各个方向相同强度的信号没有明显的强弱区别，从而无法初步估计信号来波方向。因此研究开发指向性水听器便具有重大意义。
在水声检测技术方面，时间反转法、随机共振、盲源分离等检测方法在实际工程应用中仍有诸多需要改善和解决的问题。而错位叠加算法作为新提出的方法在黑匣子搜寻方面将提供重大技术支持。但该方法尚处于初步研究阶段，在实际工程中的效果还尚不明确，如何实现自动编码及提高其处理效率成为了研究的重点。同样水声检测技术未来也将是水声对抗和反潜战发展中的关键技术。
参考文献
电源转换电路
[1] 王祯辉.一种声信标搜寻系统的设计与实现[D].哈尔滨：
哈尔滨工程大学，2012，（06）.
[2] SUEN Y，XIAO S，HAO S，et al. Time-frequency
representation measurement based on temporal Fourier transformation[J].Opt Commun，2016，376：86-91. [3] 喻敏，惠俊英，孙大军.超短基线基阵基元相移差的测量
[J].应用声学，2006，25（4）：229-233.
[4] 匡志，相冰.一种低功耗水下定位声纳信标的电路设计[J].
舰船电子工程，2011，31（6）：176-178.
[5] 李娟丽，刘卫东，李乐.采用单一信标的水下航行器定位
[J].声学技术，2009，28（6）：86-89.
[6] 雷亚辉.水下目标的时间反转法声探测技术应用研究[D].
哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.
[7] 生雪莉，惠俊英，梁国龙.时间反转镜用于被动检测技术
的研究[J].应用声学，2005，06：351-358.
电镀马赛克[8] 周关林，李钢虎，成静.海洋环境噪声背景下水声信号检
测的新方法[J].声学与电子工程，2009，02：21-23. [9] 徐娇华，赵宗曦，张宇.基于随机共振原理的微弱水声信
号处理[J].声学技术，2011，30（6）： 93-94.
[10] 何世娜，胡晓毅. 随机共振技术的水声微弱信号提取算
法[J]. 厦门大学学报. 2014，53（1）：16-20.
[11] 倪晋平.水声信号盲分离技术研究[D].西安：西北工业大
学，2002：1-3.
[12] 吴微.含噪盲源分离算法研究及其在水声信号中的应用
[D].郑州：解放军信息工程大学，2014.
[13] JUTTEN C，HERAULT J. Blind separation of sources，part
I：An adaptive algorithm based on neuromimetic architecture[J].Signal Processing，1991，24（l）：1-10. [14] 倪晋平，马远良，孙超等.用独立成份分析算法实现水声
信号盲分离[J].声学学报，2002，27（4）：321-326. [15] K Yang，MA Yuan-liang. Robust adaptive matched field
processing with sector eigenvector constraints[J].Chinese Journal of Acoustics，2006，25（03）：243-257.
汽车指纹防盗
[16] ZHANG Zeng-meng，CHENG Xing，Ning Da-yong.
Underwater acoustic beacon signal extraction based on dislocation superimposed method[J].Advances in Mechanical Engineering，2017，9（02）：1-9.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议