基于雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究.pdf

1、我國大陸海岸線長達18000多公里，其中淤積質(zhì)海岸占4000多公里，大多數(shù)港口都是建立在淤泥質(zhì)地的海岸之上，部分航道具有航程較長、寬度狹窄、水深受限、淤積嚴重等特點。由于缺乏實時的水深監(jiān)測手段，并且沒有從根本上掌握泥沙流和水深變化等動態(tài)規(guī)律，所以經(jīng)常會發(fā)生船舶裝載量過少而造成經(jīng)濟損失，有時也發(fā)生過裝載量過多而導(dǎo)致船舶擱淺、航道阻塞等問題。為此，本文根據(jù)港口航道的聲道特點及聲傳播特性，展開了基于雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究。論

2、文所進行的主要研究工作如下：
　　 1.討論了港口航道中水聲信道的多徑傳播特性，建立了雙基地聲吶信號傳輸模型，深入分析了港口航道中的噪聲與混響干擾，著重研究了淺海與其邊界條件對聲波傳播所產(chǎn)生的影響，并仿真分析了聲波在港口航道中的傳播衰減、反射損失及散射損失等特性。研究表明：在短時間內(nèi)，港口航道中聲速變化極小，聲線軌跡基本為直線；在遠場小掠射角情況下，不管海底底質(zhì)如何，海底的前向反射損失都很小，此時，多徑的時域擴展相對較短且有規(guī)律

3、；采用高頻、小波束開角聲源有利于抑制海面混響的干擾。
　　 2.在經(jīng)典的APL-UW模型基礎(chǔ)上，通過利用小斜率近似求解粗糙海底界面散射的方法改進了APL-UW模型，得到了“小斜率-體積”模型。該模型避免了APL-UW模型應(yīng)用中所受到的聲波頻率限制（10～100kHz），可應(yīng)用于更高的頻率及小掠射角情況。針對幾種典型的海底類型對模型進行了數(shù)值仿真，并將仿真結(jié)果與APL-UW模型進行了對比。以典型淤泥質(zhì)港口航道為例，仿真分析了小掠射

4、角情況下海底散射強度與模型中各參數(shù)之間的關(guān)系。研究表明：在10～100kHz聲波頻率范圍內(nèi)，小斜率一體積模型與APL-UW模型仿真結(jié)果差值的相對值小于3％，可見兩者吻合程度較高；海底散射強度對角度配置具有很強的依賴性，對于平面內(nèi)海底散射情況，散射強度在鏡面反射方向附近出現(xiàn)極值；在高頻小掠射角情況下，鏡面反射方向散射強度較大（不低于5dB），并且受頻率和聲速影響不大，因此，在港口航道中利用小掠射角進行水深監(jiān)測具有一定優(yōu)勢。
　　

5、3.針對目前港口航道水深實時監(jiān)測的需求和所存在的問題，提出了一種基于雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測方法。該方法利用水聲信道的多徑傳播特性，通過求解直達路徑聲信號和海底反射最短路徑聲信號的相對時延來計算港口航道的水深，解決了在不影響航道船舶正常航行的前提下，實時地監(jiān)測航道水深變化情況的難題。
　　 4.將用于陣列信號方位估計的MODEX算法和帶懲罰函數(shù)的NLS算法結(jié)合起來，提出了一種解決單頻水聲信號高分辨率多徑時延估計的混合算法

6、。通過仿真和實驗驗證了該算法的有效性，結(jié)果表明：在低信噪比情況下，混合算法的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的匹配濾波方法和WRELAX算法，具有很強的處理重疊多徑信號以及抗噪聲干擾的能力，時延估計精度達到微秒量級，對應(yīng)的水深測量精度可完全滿足工程上的要求。
　　 5.研制了一套基于雙基地聲吶實現(xiàn)港口航道水深實時監(jiān)測的實用化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水下聲吶發(fā)射單元、水下聲吶接收單元和陸上監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)采用一對收發(fā)分置的高頻、小波束開角換能器實現(xiàn)聲信號

7、的發(fā)射與接收，利用GPS同步技術(shù)實現(xiàn)聲吶發(fā)射與接收單元的精確同步，采用單片機與FPGA相結(jié)合的電路設(shè)計方案實現(xiàn)對水聲信號的延時采集與處理。在室內(nèi)游泳池內(nèi)對系統(tǒng)原理樣機進行了性能測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠性高，測深精度小于0.04m，峰-峰值穩(wěn)定度可達到0.084m。
　　 最后，在大連海域某港池內(nèi)對系統(tǒng)原理樣機進行了性能驗證。結(jié)果表明：當(dāng)收發(fā)換能器的水平距離ι固定時，換能器俯角α越小，系統(tǒng)測量誤差越大；當(dāng)收發(fā)換能器距海底