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基于双基地声呐的港口航道水深实时监测技术研究

侯朋  
【摘要】: 我国大陆海岸线长达18000多公里,其中淤积质海岸占4000多公里,大多数港口都是建立在淤泥质地的海岸之上,部分航道具有航程较长、宽度狭窄、水深受限、淤积严重等特点。由于缺乏实时的水深监测手段,并且没有从根本上掌握泥沙流和水深变化等动态规律,所以经常会发生船舶装载量过少而造成经济损失,有时也发生过装载量过多而导致船舶搁浅、航道阻塞等问题。为此,本文根据港口航道的声道特点及声传播特性,展开了基于双基地声呐的港口航道水深实时监测技术研究。论文所进行的主要研究工作如下: 1.讨论了港口航道中水声信道的多径传播特性,建立了双基地声呐信号传输模型,深入分析了港口航道中的噪声与混响干扰,着重研究了浅海与其边界条件对声波传播所产生的影响,并仿真分析了声波在港口航道中的传播衰减、反射损失及散射损失等特性。研究表明:在短时间内,港口航道中声速变化极小,声线轨迹基本为直线;在远场小掠射角情况下,不管海底底质如何,海底的前向反射损失都很小,此时,多径的时域扩展相对较短且有规律;采用高频、小波束开角声源有利于抑制海面混响的干扰。 2.在经典的APL-UW模型基础上,通过利用小斜率近似求解粗糙海底界面散射的方法改进了APL-UW模型,得到了“小斜率-体积”模型。该模型避免了APL-UW模型应用中所受到的声波频率限制(10-100kHz),可应用于更高的频率及小掠射角情况。针对几种典型的海底类型对模型进行了数值仿真,并将仿真结果与APL-UW模型进行了对比。以典型淤泥质港口航道为例,仿真分析了小掠射角情况下海底散射强度与模型中各参数之间的关系。研究表明:在10-100kHz声波频率范围内,小斜率-体积模型与APL-UW模型仿真结果差值的相对值小于3%,可见两者吻合程度较高;海底散射强度对角度配置具有很强的依赖性,对于平面内海底散射情况,散射强度在镜面反射方向附近出现极值;在高频小掠射角情况下,镜面反射方向散射强度较大(不低于5dB),并且受频率和声速影响不大,因此,在港口航道中利用小掠射角进行水深监测具有一定优势。 3.针对目前港口航道水深实时监测的需求和所存在的问题,提出了一种基于双基地声呐的港口航道水深实时监测方法。该方法利用水声信道的多径传播特性,通过求解直达路径声信号和海底反射最短路径声信号的相对时延来计算港口航道的水深,解决了在不影响航道船舶正常航行的前提下,实时地监测航道水深变化情况的难题。 4.将用于阵列信号方位估计的MODEX算法和带惩罚函数的NLS算法结合起来,提出了一种解决单频水声信号高分辨率多径时延估计的混合算法。通过仿真和实验验证了该算法的有效性,结果表明:在低信噪比情况下,混合算法的性能优于传统的匹配滤波方法和WRELAX算法,具有很强的处理重叠多径信号以及抗噪声干扰的能力,时延估计精度达到微秒量级,对应的水深测量精度可完全满足工程上的要求。 5.研制了一套基于双基地声呐实现港口航道水深实时监测的实用化系统。该系统主要由水下声呐发射单元、水下声呐接收单元和陆上监控中心组成。系统采用一对收发分置的高频、小波束开角换能器实现声信号的发射与接收,利用GPS同步技术实现声呐发射与接收单元的精确同步,采用单片机与FPGA相结合的电路设计方案实现对水声信号的延时采集与处理。在室内游泳池内对系统原理样机进行了性能测试,结果表明:系统工作稳定、可靠性高,测深精度小于0.04m,峰-峰值稳定度可达到0.084m。 最后,在大连海域某港池内对系统原理样机进行了性能验证。结果表明:当收发换能器的水平距离l固定时,换能器俯角a越小,系统测量误差越大;当收发换能器距海底的高度h固定时,收发换能器的水平距离l越大,系统测量误差亦越大;系统的测量误差随淤积厚度的增加而逐渐增大,当淤积厚度变化范围为0-0.83m时,系统的测量误差小于0.16m,能够满足工程要求。系统安装简单,实时性好,尤其对狭窄航道水深的实时监测具有很高的应用价值和广泛的应用前景。


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