國外 UUV 拖曳聲吶試驗(yàn)情況分析

李佳橦，陳 強(qiáng)，王連文

(中國人民解放軍 92537 部隊(duì)，北京 100161)

國外 UUV 拖曳聲吶試驗(yàn)情況分析

李佳橦，陳 強(qiáng)，王連文

(中國人民解放軍 92537 部隊(duì)，北京 100161)

本文描述了 SLITA 和微型 SLITA 接收聲信號試驗(yàn)和噪聲分析過程及結(jié)果，并繪制接收聲信號模塊圖。同時(shí)，描述了 TOSSA 收發(fā)聲信號試驗(yàn)及分析過程和結(jié)果，并繪制發(fā)射聲信號模塊圖和建立聲信號單程傳輸基本模型。

UUV；聲吶；拖曳陣；接收和發(fā)射聲信號；試驗(yàn)

0 引 言

經(jīng)過長時(shí)間的探索和分析，人們發(fā)現(xiàn)聲波在海水中的傳播能力為最佳，其他輻射形式例如電磁波和光波在海水中的衰減都比聲波大得多[1]。長期以來，為了保障潛艇使命任務(wù)的完成，配備了多種聲吶，在這種配置下，潛艇的作戰(zhàn)行動得到了保證[2]。

現(xiàn)如今由潛艇搭載拖曳聲吶進(jìn)行探測任務(wù)已成國內(nèi)外反潛戰(zhàn)發(fā)展趨勢。拖曳線列陣聲吶簡稱“拖曳陣聲吶”，它是將水聽器安置在電纜上形成線列陣，由拖曳電纜拖在潛艇后部水中探測目標(biāo)的聲吶[3]。其主要應(yīng)用于測量潛艇輻射噪聲，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、測向和識別，有的也可用于測距。拖曳陣聲吶優(yōu)點(diǎn)是：基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測，能遠(yuǎn)距離隱蔽地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；基陣入水較深，通過控制拖纜長度可調(diào)節(jié)基陣入水深度，以工作于有利水層；基陣遠(yuǎn)離平臺，受平臺噪聲干擾小，作用距離遠(yuǎn)；基陣可隨時(shí)收回，維修方便。缺點(diǎn)是：基陣、拖纜和收放裝置占用運(yùn)載空間大。

UUV 的高頻前視聲吶、側(cè)掃聲吶和下視聲吶主要探測水下靜止目標(biāo)，探測距離比較近； 舷側(cè)陣聲吶、拖曳陣聲吶和垂直陣聲吶主要探測水下機(jī)動目標(biāo)，探測距離較遠(yuǎn)，可測出目標(biāo)的方位[4]。由于拖曳聲吶離UUV 艇體較遠(yuǎn)，受其噪聲影響小，因此應(yīng)用拖曳聲吶進(jìn)行 UUV 探潛任務(wù)得到了廣泛關(guān)注，主要采取被動接收聲信號和收發(fā)合置處理聲信號 2 種方式。

北約水下研究中心（NURC）從 2007 年開始進(jìn)行新型被動拖曳陣 SLITA[5]（SlimLine Towed Array）和微型 SLITA 試驗(yàn)，并進(jìn)行降噪處理。在 2008 年底，完成并分析了主動發(fā)射聲源 TOSSA[6]（Towed Sound Source for AUV）接收和發(fā)射聲信號系統(tǒng)。由于 AUV是 UUV 的一個(gè)分支，本文針對這些試驗(yàn)進(jìn)行 UUV 接收和發(fā)射聲系統(tǒng)的情況分析。

1 UUV 接收聲信號系統(tǒng)試驗(yàn)及原理分析

該試驗(yàn)通過采用 SLITA 和微型 SLITA 兩種新型拖曳陣進(jìn)行接收外聲源信號的工作，將接收的聲信號通過 k-f 圖和 V 型能量圖的形式顯示出來。由于接收信號的過程中因?yàn)樾旁氡群艿蚚2]，且有旁瓣效應(yīng)，所以受環(huán)境噪聲的影響較大，需要降噪處理。

1.1 波頻圖理論

用波頻圖區(qū)別聲噪聲和非聲噪聲（如機(jī)械噪聲），波頻圖是源于時(shí)間和空間的雙重傅里葉變換，其中 Y軸為時(shí)間頻率，X 軸為空間頻率 k，其中的正負(fù)值是區(qū)分由拖曳陣的 2 個(gè)聲波束面產(chǎn)生的信號。

假定 d 為陣間距，則 k 的最大值為：

假定聲速為 C，則波頻 f 和到達(dá)角θ的變換如下：

f 的變換會產(chǎn)生經(jīng)典的 V 型能量波。k-f 圖中的 V區(qū)域確定了聲能。V 區(qū)域外主要是非聲能（如機(jī)械振動、流噪聲等）或其他陣。V 型能量波邊界表示聲波束能，該聲能來自于 UUV 推進(jìn)器。

圖1 線陣和平面聲波Fig. 1 Linear array and planar acoustic waves

圖2 k-f 圖和 V 型能量波Fig. 2 k-f diagramand V-shape

1.2 SLITA 試驗(yàn)

1.2.1 SLITA

SLITA 是一個(gè)直徑為 31mm的試驗(yàn)型拖曳陣，共有 48 個(gè)水聽器，SLITA 具有持續(xù)采集信息和自處理信息的良好性能。圖3 為其機(jī)械設(shè)計(jì)圖。

1.2.2 SLITA 試驗(yàn)設(shè)備和方法

該試驗(yàn)采用的外置聲源有：聲調(diào)制解調(diào)器、聲定位系統(tǒng)、UUV 聲學(xué)多普勒流速剖面儀及李奧吶多回聲測深器。

該試驗(yàn)于 2007 年 11 月初開始在帕爾馬利亞島前的 30m水深的區(qū)域進(jìn)行。拖曳陣在高度為 10m的海床上進(jìn)行試驗(yàn)。UUV 分別以靜止和航行的狀態(tài)接收聲源信號，且在這 2 種狀態(tài)下以 2 種不同頻率孔徑的拖曳陣進(jìn)行接收聲信號試驗(yàn)以達(dá)到定位的目的。

1.2.3 SLITA 試驗(yàn)結(jié)果及分析

真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波頻圖沒有顯示出任何由于機(jī)械振動和拖曳陣變形產(chǎn)生的明顯特征。圖4 為 UUV 靜止時(shí)的 k-f 圖。該能量在 V-型曲線中沒有匯聚到一點(diǎn)。圖5 為 UUV 航行時(shí)的 k-f 圖，它很好地形成了 V 型曲線，按預(yù)期噪聲達(dá)到 30 dB。由于旁瓣效應(yīng)的影響，余能量在 V 區(qū)域外（中頻孔徑大致 3 500 Hz，低頻孔徑大致 1 750 Hz）。

圖3 SLITA 機(jī)械設(shè)計(jì)圖Fig. 3 SLITA arraymechanical drawings

圖4 UUV 靜止時(shí) k-f 圖Fig. 4 k-f diagrams when AUV was not navigating

1.3 噪聲原因

該試驗(yàn)采用的是 BenthosAQ-4 水聽器（Sh=–201 dBV，1 μPa ± 1 dB）用來消除拖曳陣移動產(chǎn)生的噪聲，即加速噪聲。它的降噪實(shí)質(zhì)上是通過在航行器內(nèi)將有源元件均勻化的過程。在工程試驗(yàn)中，采用被動方式所產(chǎn)生的噪聲很大。全面分析發(fā)現(xiàn)噪聲源來自李奧納多噪聲本身。低至 15～20 kHz 的異?？张菰肼暿峭七M(jìn)器自旋產(chǎn)生的寬帶白噪聲。目前技術(shù)水平只能測出 UUV 在水面上航行時(shí)的推進(jìn)器噪聲，并不能測出其在水下航行的推進(jìn)器噪聲。

在這種條件下，由于 UUV 的自噪聲是主要原因，詳細(xì)評估拖曳陣的噪聲便有一定難度。然而，由于李奧納多噪聲的寬頻譜，在功率譜中可明顯看出水聽器的共振在 17 kHz 處（見圖6）。

圖6 李奧納多湍流和噪聲譜（距 UUV 約 30m）Fig. 6 Leonardo turbulence and noise spectra（ship distance around 30m）

圖6 中的噪聲不僅來自推進(jìn)器自身，還包括由空泡產(chǎn)生的噪聲和李奧納多噪聲，甚至在低速條件下產(chǎn)生的水流噪聲，圖中表明該噪聲有較寬頻譜。

1.4 微型 SLITA 試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

微型 SLITA 是 1 個(gè)直徑為 12mm的試驗(yàn)型拖曳陣，陣總長 14m。包括 20 個(gè)水聽器，1 個(gè)測深計(jì)和 1個(gè)傾斜傳感器，其中有 1 個(gè)接口連接 SLITA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該試驗(yàn)于 2008 年開始。UUV 以 3～7 kn 航速范圍變化，大致平行于意大利海岸線直線航行。

1.4.2 微型 SLITA 試驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)分析如下：

1）在聲數(shù)據(jù)中沒有可識別的被動湍流信號。

2）傾斜和壓力傳感器工作運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)顯示這源于好的拖曳環(huán)境。數(shù)據(jù)中觀察到的大部分聲能都由李奧納多噪聲產(chǎn)生。

3）沒有湍流能量明顯在 6～13.5 kHz 頻率范圍內(nèi)。R/V 李奧納多機(jī)械噪聲控制聲能在這個(gè)頻率以下。R/V李奧納多電磁噪聲控制水聽器聲能在這個(gè)頻率以上。

1.5 UUV 接收聲信號系統(tǒng)試驗(yàn)小結(jié)

在接收聲信號進(jìn)行定位試驗(yàn)的過程中，當(dāng)聲源置于端射附近，延遲的二次項(xiàng)可忽略，因此確定水聽器的定位誤差很容易。然而，當(dāng)聲源離舷側(cè)很近時(shí)，分離附近區(qū)域近似值的二次項(xiàng)和拖曳陣本身曲率產(chǎn)生的二次項(xiàng)很困難，所以無法準(zhǔn)確計(jì)算出水聽器的定位誤差。在處理噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，無論是哪種拖曳陣其主要噪聲源都是 UUV 本身的李奧納多噪聲，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 SLITA 和微型 SLITA 拖曳陣具有良好的聲隱蔽性。

由該試驗(yàn)過程來看，接收聲信號系統(tǒng)最根本的任務(wù)是對聲吶接收水聽器所收到的信號進(jìn)行接收和處理，并對該信號作出信號“有”或“無”的判斷[7]。經(jīng)過接收基陣收到的波束在聲信道中產(chǎn)生波頻圖，“動態(tài)范圍壓縮和歸一化”和“信號處理”模塊任務(wù)是把接收的信息以視覺方式顯示出來，“動態(tài)范圍壓縮和歸一化”模塊還需消除聲傳輸通道加給被傳播信號的空間和時(shí)間特性[2]。

圖7 接收聲信號系統(tǒng)模塊圖Fig. 7 Model of receiving acoustic signal system

2 UUV 收發(fā)聲信號系統(tǒng)試驗(yàn)及原理分析

2.1 UUV 收發(fā)聲信號系統(tǒng)試驗(yàn)

NURC 在 2008 年底在 UUV 上安裝 1 個(gè)發(fā)射聲源TOSSA，以完成底層描述和反潛任務(wù)。反潛戰(zhàn)基本內(nèi)容是對潛艇進(jìn)行探測、識別、跟蹤、定位和攻擊[8]。該試驗(yàn)的特點(diǎn)是發(fā)射聲源和接收聲信號裝置不在一起，這和傳統(tǒng)的潛艇接收和發(fā)射信號合置的裝置構(gòu)成不同。

2.1.1 試驗(yàn)對象

底層描述對象為海床附近雜波的地聲特性（聲速、密度、衰減等），這需要聲吶單程傳輸模型的支撐。該方法采用的是帶有拖曳源和水平陣的 UUV。

由圖8 可看出，TOSSA 分為尾繩、BENS 拖曳陣、拖曳源和 OEX-C 航行器 4 個(gè)部分。其中，BENS拖曳陣是被動聲吶陣，專用于接收聲信號，包括低頻、中頻和高頻；拖曳源是一個(gè)發(fā)射聲源，其帶寬范圍是從 800～3 400 Hz；OEX-C 航行器采用定制傳感器。拖曳系統(tǒng)包括尾繩、BENS 拖曳陣以及拖曳源 3個(gè)部分。

圖8 TOSSA 機(jī)械設(shè)計(jì)圖Fig. 8 Towed sound source AUV

2.1.2 試驗(yàn)過程

該試驗(yàn)于 2009 年 4 月初開始，OEX-C 航行器搭載BENS 拖曳陣和拖曳源，航行速度為 2 kn，且運(yùn)行正常。試驗(yàn)采用回聲中繼器模擬了一個(gè)潛艇聲信號，以達(dá)到有效測試 UUV 探潛的目的。航行器搭載 TOSSA航行的過程中，TOSSA 根據(jù)周圍海洋環(huán)境及潛艇模擬信號進(jìn)行自主判決發(fā)射高、中或低頻聲信號，echo 接收機(jī)置于聲源外進(jìn)行接收聲信號任務(wù)，收發(fā)信號產(chǎn)生的波束在處理顯示屏上匯總，從而得到收發(fā)聲信號試驗(yàn)結(jié)果。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖9 顯示了 UUV 收發(fā)合置聲吶的工作，在處理顯示屏上可以觀察到清晰的探測過程。

從圖中可看出，隨著引腳數(shù)的增加，聲波到達(dá)時(shí)間基本維持一致，這說明此 UUV 接收和發(fā)射聲信號系統(tǒng)十分穩(wěn)定，該系統(tǒng)可以作為一個(gè)中堅(jiān)力量應(yīng)用于未來的探潛任務(wù)當(dāng)中。

2.2 UUV 收發(fā)聲信號系統(tǒng)試驗(yàn)小結(jié)

TOSSA 發(fā)射出的聲源被 echo 接收機(jī)連續(xù)接收，收發(fā)信號處理顯示沒有斷點(diǎn)，探測試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。該試驗(yàn)不考慮噪聲問題。

2.2.1 UUV 發(fā)射聲信號系統(tǒng)

由該試驗(yàn)過程來看，在 UUV 執(zhí)行任務(wù)過程中，UUV 發(fā)射聲信號系統(tǒng)是采用主動聲吶判斷周邊環(huán)境并分析特定情況形成波束，在全向或一個(gè)扇面空間內(nèi)發(fā)射聲信號的系統(tǒng)。

圖9 OEX-C 航行器 + 聲源 + echo 接收機(jī)：拖曳陣波束顯示Fig. 9 OEX-C AUV + Sound source+echo repeater: beamdisplay fromtowed array

圖10 發(fā)射聲信號系統(tǒng)模塊圖Fig. 10 Model of transmitting acoustic signal system

圖11 聲信號單程傳輸基本模型Fig. 11 The basicmodel for acoustic signal one-way receiving and transmitting

2.2.2 發(fā)射聲信號系統(tǒng)模塊圖

程序控制特定系統(tǒng)，信號發(fā)生器的輸出到“波束成形系統(tǒng)”，為了給信號一個(gè)合適的加權(quán)和延時(shí)，使發(fā)射基陣在聲信道產(chǎn)生一個(gè)波束圖。該圖決定了發(fā)射的聲能如何集中和分布在空間[3]。

根據(jù)試驗(yàn)對象的需要以及過程，構(gòu)建聲信號單程傳輸基本模型如圖11 所示[9]：

聲源發(fā)射聲信號傳送給接收機(jī)的基陣模型，環(huán)境噪聲對基陣模型有一定的影響，基陣模型將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理，再將分析后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成聲信號接收。

3 結(jié) 語

本文分析工作對于我國 UUV 拖曳陣聲吶試驗(yàn)過程和結(jié)果分析具有重要借鑒意義。今后將深入研究 UUV搭載拖曳陣聲吶在不同海洋環(huán)境條件下以不同航速、航跡進(jìn)行不同探潛任務(wù)試驗(yàn)，以對 UUV 在實(shí)際作戰(zhàn)中發(fā)揮作用予以支撐。

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Analysis of UUV towed array experiments

LI Jia-tong, CHEN Qiang, WANG Lian-wen

(No.92537 Unit of PLA, Beijing 100161, China)

The paper describes receiving acoustic systems experiments for SLITA andmicro-SLITA, whose results are used to analysis noise, and sets receivingmodel.meanwhile, the paper also describes and analysis receiving and transmitting acoustic systems for TOSSA, and sets transmittingmodel and receiving and transmittingmodel for one way.

UUV；sonar；towed array；receiving and transmitting acoustic signal；experiments

TB567

A

1672–7619(2016)10–0150–04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.10.031

2016–05–25；

2016–06–31

李佳橦(1991–)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗聼o人航行器效能評估。