矢量聲吶技術(shù)理論基礎(chǔ)及應(yīng)用發(fā)展趨勢

楊德森, 朱中銳, 田迎澤

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矢量聲吶技術(shù)理論基礎(chǔ)及應(yīng)用發(fā)展趨勢

楊德森1,2,3, 朱中銳1,2,3, 田迎澤1,2,3

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 2. 哈爾濱工程大學(xué) 海洋信息獲取與安全工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 3. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱, 150001)

相較于傳統(tǒng)聲吶, 矢量聲吶可獲得更為豐富的聲場信息, 因此該技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。文章從物理、數(shù)學(xué)、信號處理、信息量、低頻探測性能以及目標(biāo)定位方面給出了矢量聲吶技術(shù)優(yōu)勢的理論基礎(chǔ), 回顧了矢量聲吶在自由場條件下的成功推廣應(yīng)用情況, 重點(diǎn)介紹了作者團(tuán)隊(duì)在艦載矢量聲吶應(yīng)用中所取得的突破性進(jìn)展, 理論上解決了典型聲障板條件下矢量聲吶的應(yīng)用基礎(chǔ)問題, 技術(shù)上突破了矢量聲吶的適裝性問題, 同時(shí)展望了矢量聲吶未來的發(fā)展趨勢。

矢量聲吶; 聲障板; 信號處理

0 引言

聲波是目前水下唯一可以遠(yuǎn)距離傳播的輻射形式[1-2]。兩次世界大戰(zhàn)使人們認(rèn)識到潛艇在海戰(zhàn)中的巨大作用, 隨著潛艇技術(shù)的不斷進(jìn)步, 水聲工程在國家的水下防務(wù)體系中越來越不可替代, 在潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)中具有重要作用。同時(shí), 水聲工程在海洋資源開發(fā)方面也發(fā)揮著巨大作用。

目前水下噪聲水平的基本態(tài)勢為: 一方面, 為追求隱蔽性, 避免被發(fā)現(xiàn), 世界各國潛艇的噪聲水平不斷降低[3]; 另一方面, 由于人類海洋活動(dòng)日益頻繁, 海洋噪聲水平不斷增加。這種態(tài)勢下, 傳統(tǒng)聲吶的窘狀也逐漸凸顯: 一方面, 傳統(tǒng)聲吶只能利用聲壓的高低, 標(biāo)量探測越來越困難; 另一方面, 傳統(tǒng)聲吶裝備為了保持對水中目標(biāo)的探測能力, 工作頻率不斷降低, 導(dǎo)致基陣孔徑不斷增大, 龐大的體積和質(zhì)量也為水中兵器的使用安裝和機(jī)動(dòng)性帶來困難。傳統(tǒng)聲吶探測能力提升受到了限制, 迫切需要水下目標(biāo)探測新原理、新技術(shù)的出現(xiàn)。

矢量聲吶技術(shù)可以空間共點(diǎn)同步拾取聲場一點(diǎn)處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速矢量, 突破了聲吶設(shè)備獲取水下聲信號長期依靠標(biāo)量聲壓水聽器的限制, 為我國聲吶技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑。矢量聲吶具有設(shè)備簡單、質(zhì)量輕、可靠性高、目標(biāo)探測能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn), 該項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)被諸多水聲專家譽(yù)為21世紀(jì)水聲領(lǐng)域的一場革命。矢量聲吶技術(shù)是聲吶技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展方向。

1 矢量聲吶技術(shù)理論基礎(chǔ)

3) 信號處理方面: 在傳統(tǒng)聲吶中, 要不斷進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算以提高目標(biāo)探測能力。而利用標(biāo)量聲壓和矢量振速后, 可獲得聲波的強(qiáng)度量, 利用聲波強(qiáng)度即可得到標(biāo)量與矢量的相關(guān)量。由于聲壓和振速是同時(shí)共點(diǎn)獲取, 是相關(guān)的, 而噪聲是不相關(guān)的, 這也提高了聲強(qiáng)信號的檢測信噪比。多年研究數(shù)據(jù)表明, 探測信噪比可提高10 dB以上。

4) 信息量更為豐富: 根據(jù)海洋環(huán)境和目標(biāo)特性, 可分別或組合對聲壓、振速、振動(dòng)加速度、位移、聲波強(qiáng)度等信息進(jìn)行檢測, 由于信息量的豐富, 對目標(biāo)探測能力已非僅有聲壓信號可比, 同時(shí)檢測結(jié)果簡潔而準(zhǔn)確。

5) 低頻探測性能優(yōu)越: 矢量探測有3個(gè)方向的正交通道。每個(gè)通道具有偶極子指向性, 這種指向性是天然的, 因此是寬帶的, 且與頻率無關(guān), 甚至可在次聲頻工作。對于追求遠(yuǎn)距離探測采用低頻工作的聲吶, 面對大波長、不需要大的尺度即可得到指向性, 這點(diǎn)優(yōu)勢在工程上十分重要。

由以上各方面分析可知, 矢量聲吶具有多方面巨大優(yōu)勢, 使傳統(tǒng)聲吶在水下目標(biāo)探測能力長期徘徊的局面得到改變。

1997年, 楊德森研究團(tuán)隊(duì)完成了矢量探測基本理論的建立, 研制成功了我國第一只水下3D矢量傳感器。1998年, 在突破這一核心技術(shù)后, 進(jìn)行了首次矢量探測試驗(yàn)。圖1和圖2是湖試和海試的部分試驗(yàn)結(jié)果[10-11]。

2 矢量聲吶技術(shù)的應(yīng)用

2.1 矢量聲吶技術(shù)的國內(nèi)推廣應(yīng)用情況

2002年以后, 矢量聲吶技術(shù)得到迅速推廣應(yīng)用, 如新型拖曳陣矢量聲吶[12-13]。采用矢量聲吶技術(shù)后, 探測距離大幅提高, 并徹底解決了原有的左右舷模糊問題[14-15]。再如岸基警戒聲吶以及增添和改進(jìn)的多型聲吶設(shè)備, 建立了我國自主研發(fā)的新型聲吶浮標(biāo)系列、水下彈道聲吶、噪聲測量聲吶、目標(biāo)識別聲吶、水下通信聲吶等[16-18], 為部隊(duì)添置了多項(xiàng)急需的聲吶設(shè)備。

矢量聲吶技術(shù)為我國聲吶技術(shù)帶來多方面進(jìn)步, 我國水下預(yù)警技術(shù)躍入世界先進(jìn)水平, 聲吶探測性能明顯改善, 出現(xiàn)了多型水下警戒聲吶。為海上防務(wù)(深遠(yuǎn)海)提供了先進(jìn)的水下探測技術(shù), 提升了我國海軍水下武器的監(jiān)測與保障能力。在水下聲靶、彈道測量、噪聲監(jiān)測等方面形成了海軍系列裝備。矢量方法實(shí)現(xiàn)了對艇外聲頻散互作用區(qū)的感知, 在潛艇聲隱身新技術(shù)方面也發(fā)揮了重要作用。

2.2 艦載矢量聲吶技術(shù)——聲障板條件下矢量信號處理

矢量聲吶已經(jīng)成功應(yīng)用于低噪聲測量系統(tǒng)、海上浮標(biāo)聲吶等水聲設(shè)備中。然而這些矢量聲吶成功應(yīng)用的原因在于其使用場合為開闊水域, 設(shè)備遠(yuǎn)離海底和海面, 聲場條件近似自由場。理論和試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證明, 在海洋中對于相干源遠(yuǎn)場, 聲壓和水平方向質(zhì)點(diǎn)振速在聲傳播過程中的幅度起伏平均不超過0.5 dB, 相位起伏約3°~5°[21]。矢量聲吶在自由場條件的成功應(yīng)用, 使得人們在研究和發(fā)掘矢量聲吶的應(yīng)用范圍時(shí), 自然地要求盡快把矢量聲吶能在水面艦船和水下航行器上使用。但是當(dāng)矢量聲吶安裝于水面和水下平臺時(shí), 由于聲障板的存在, 使其工作環(huán)境嚴(yán)重偏離了自由場條件, 會導(dǎo)致矢量聲吶的性能失效。

早在本世紀(jì)初, 研究團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)了矢量聲吶“聲障板效應(yīng)”引起的矢量探測異常的情況, 如圖3所示。楊德森團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十余年努力, 對典型聲障板條件下矢量探測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 取得了突破性的進(jìn)展, 初步解決了艦載矢量聲吶的應(yīng)用基礎(chǔ)問題[22-27]。

2.2.1 典型聲障板水下聲散射

以工程實(shí)際中經(jīng)常使用的矩形空氣腔聲障板和圓柱形空氣腔聲障板為例, 探討聲障板水下聲散射矢量場特性。

1)圓柱形空氣腔殼體障板水下聲散射

金屬密閉的圓柱形空氣腔殼體障板是聲吶常用的聲障板, 如圖4所示。對于無限長圓柱殼體, 可以根據(jù)殼體運(yùn)動(dòng)方程理論, 結(jié)合邊界條件, 得到聲場的嚴(yán)格解析解。對于有限長圓柱殼體, 在聲場的形式解中, 存在著如何書寫入射聲和剛性背景項(xiàng)的問題, 如果寫成有限長剛性背景項(xiàng), 則無法求解; 如果寫成無限長剛性背景項(xiàng), 隱含著觀察點(diǎn)的聲場值與圓柱殼體長度外的無限長剛性圓柱體的散射聲關(guān)系不大, 即要求觀察點(diǎn)靠近圓柱殼體中部表面。殼體運(yùn)動(dòng)采用Donnell方程

圓柱殼體外部流體中的聲壓場

在自由場條件下, 目標(biāo)輻射聲的聲壓和振速是同相的, 且聲強(qiáng)方向與聲源方位一致。由圖5和圖6可見, 圓柱殼體表面附近聲壓場表現(xiàn)為圓弧狀的復(fù)雜干涉結(jié)構(gòu), 等相位面不再是一個(gè)平面, 質(zhì)點(diǎn)振速方向與聲源方位也不再一致。

2) 矩形空氣腔殼體障板水下聲散射

矩形空氣腔殼體障板也是聲吶常用的聲障板，其外形結(jié)構(gòu)如圖7所示。針對金屬密閉的矩形空氣腔水下聲散射特性研究, 有2種典型分析方法: 彈性層系統(tǒng)和數(shù)值方法。2種方法各有局限性: 彈性層系統(tǒng)把障板假設(shè)為無限大, 忽略了障板有限尺寸的影響, 也就忽略了與障板尺寸有關(guān)的模態(tài)諧振的影響, 這些諧振峰恰恰大多位于聲吶工作頻帶內(nèi); 數(shù)值方法無法進(jìn)行物理機(jī)理分析, 不易進(jìn)行規(guī)律總結(jié), 不能夠?qū)β曊习逶O(shè)計(jì)和優(yōu)化給出指導(dǎo)意見等。針對上述2種典型分析方法的不足, 提出了一種金屬密閉的矩形空氣腔水下聲散射的近似分析模型, 給出了解析解, 并且驗(yàn)證了模型的有效性[27]。

考慮如下物理實(shí)際: 矩形空氣腔聲障板前蓋板在入射聲波作用下進(jìn)行振動(dòng), 二次輻射的能量分別向水和空氣中(聲障板內(nèi)部)輻射, 由于水和空氣波阻抗的巨大差異, 二次輻射的能量會主要返回水中, 只有極少部分能量進(jìn)入聲障板內(nèi)部。進(jìn)入聲障板內(nèi)部的能量極少, 其后續(xù)的一系列復(fù)雜的物理過程可不予考慮。因此, 可將3層結(jié)構(gòu)矩形空氣腔聲障板(鋼-空氣-鋼)簡化為單層結(jié)構(gòu)聲障板, 板的兩側(cè)流體分別為水和空氣, 如圖8所示。利用分離變量法給出了近似模型的解析解。

不失一般性, 考慮2D情況, 取入射平面波聲壓為

剛性時(shí), 反射波聲壓為

由惠更斯第一積分公式, 可得

最后, 經(jīng)過略顯復(fù)雜的推導(dǎo), 可得板下方(介質(zhì)I)的聲壓場為

則介質(zhì)I中總的質(zhì)點(diǎn)振速可表示為

根據(jù)復(fù)聲強(qiáng)定義, 復(fù)聲強(qiáng)可表示為

圖9為矩形空氣腔障板表面附近的聲場分布圖?？梢? 障板表面附近為干涉場, 聲壓空間分布不均勻, 振速方向不反映信號入射方位, 并且不同位置處的振速方向也不一致。自由場時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為直線, 并且直線的方向與目標(biāo)方位一致, 這是自由場時(shí)單矢量水聽器目標(biāo)方位估計(jì)的物理基礎(chǔ)。而在平面障板下, 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不再是直線, 不能直接用來估計(jì)目標(biāo)方位。

綜上所述, 無論是圓柱形障板還是矩形平面障板, 由于聲障板的聲散射, 聲壓與振速、振速與振速之間的幅度大小、相位結(jié)構(gòu)都與自由場不再相同, 障板的存在顯著改變了聲場的矢量相位結(jié)構(gòu)。自由場假設(shè)的信號處理方法顯然不再適用, 需要建立非自由場下的矢量探測基本理論。

2.2.2 典型障板下矢量信號處理

經(jīng)典的雷達(dá)/聲吶最佳時(shí)空處理的相關(guān)理論表明, 典型條件下的時(shí)空最佳接收機(jī)皆對時(shí)域和空域信號進(jìn)行匹配處理。對于非自由場條件下的矢量探測問題, 只要能夠確定聲場中聲壓和振速的幅度和相位信息, 就能夠進(jìn)行空域信號匹配。

矢量圓柱陣的陣列模型如圖10所示。對于圓柱形障板表面的干涉場, 可以將近場干涉圖案分解為規(guī)則的相位模態(tài)域圖案, 在相位模態(tài)域聲壓和振速具有確定的相位和幅度關(guān)系, 從而實(shí)現(xiàn)了圓柱形障板條件下聲壓振速的聯(lián)合處理。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明, 矢量聲吶可用于圓柱形障板條件下, 并且可將矢量聲吶的抗噪能力與陣列系統(tǒng)的分辨能力有機(jī)結(jié)合起來。

平面障板下矢量線列陣模型如圖11所示。矩形空氣腔障板聲散射的聲壓場和質(zhì)點(diǎn)振速場的表達(dá)式比較復(fù)雜, 不利于后續(xù)的信號處理, 為此可做一定簡化, 將障板的反聲特性用一個(gè)等效的反射系數(shù)來刻畫。這樣就可以建立起反射系數(shù)所表征的矢量舷側(cè)陣陣列模型?；谠撃Ｐ偷氖噶啃盘柼幚砭妥匀坏匕崖暽⑸浼{入考慮內(nèi)。

開展了平面障板下三元矢量線列陣(見圖12)和矢量圓柱陣(見圖13)的原理樣機(jī)湖試試驗(yàn), 得到了預(yù)期結(jié)果, 驗(yàn)證了方法的有效性。由圖14可見, 和相同陣型的聲壓陣相比, 平面障板下三元矢量線列陣能夠得到更清晰的目標(biāo)軌跡, 并且沒有方位模糊。由圖15可知, 由于在相位模態(tài)域?qū)崿F(xiàn)了聲壓和振速的相干信號處理, 使得矢量陣能夠得到清晰的軌跡。

3 水聲技術(shù)的發(fā)展趨勢

歐美等軍事強(qiáng)國正在積極拓展矢量聲吶的應(yīng)用范圍, 比如艦載矢量聲吶和岸基矢量聲吶。有資料披露, 美國海軍在第2批次的新型戰(zhàn)略核潛艇“弗吉尼亞”級(SSN-778, 新罕布什爾號, 2008年服役)上開始采用輕型寬孔徑陣(the light wei- ght wide aperture array, LWWAA)的舷側(cè)陣聲吶, 該聲吶即為矢量舷側(cè)陣聲吶。另據(jù)報(bào)道, 英國正在研發(fā)應(yīng)用于核潛艇舷側(cè)陣聲吶的新型薄板基陣, 該薄板基陣?yán)眯滦拖鹉z基的防護(hù)面板和矢量聲吶技術(shù), 基陣厚度將比原來減少30%, 安裝空間減少50%。英國將在第5艘“機(jī)敏”級核潛艇上使用矢量舷側(cè)陣技術(shù)。美、英等海洋軍事強(qiáng)國矢量聲吶發(fā)展趨勢表明, 矢量聲吶工程化進(jìn)入了新的階段。

目前, 對于非自由場下矢量聲吶的使用有了全新的認(rèn)識, 在理論上解決了典型聲障板條件下矢量聲吶的應(yīng)用基礎(chǔ)問題, 技術(shù)上突破了矢量傳感器的適裝性問題, 應(yīng)加快新型矢量聲吶發(fā)展步伐, 充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢, 盡快形成聲吶裝備, 改善和提升我國聲吶裝備的技術(shù)水平。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Theoretical Bases and Application Development Trend of Vector Sonar Technology

YANG De-sen1,2,3, ZHU Zhong-rui1,2,3, TIAN Ying-ze1,2,3

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security Industry and Information Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The vector sonar can obtain more abundant sound field information compared with the traditional sonar, so it achieves wide application. In this paper, the theoretical bases of the advantages of vector sonar technology are summarized from the aspects of physics, mathematics, signal processing, information content, low frequency detection performance and target location. The successful application of vector sonar in free field is reviewed, and the breakthrough made by the authors team in shipborne vector sonar application is emphatically introduced. The basic problem in the application of vector sonar under typical sound baffle condition is solved theoretically, and the suitability of vector sonar is also solved technically. In addition, the development trend of vector sonar in the future is predicted.

vector sonar; sound baffle; signal processing

楊德森, 朱中銳, 田迎澤. 矢量聲吶技術(shù)理論基礎(chǔ)及應(yīng)用發(fā)展趨勢[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 185-192.

TJ67; U666.7

A

2096-3920(2018)03-0185-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.001

2018-04-28;

2018-05-25.

楊德森(1957-), 男, 教授, 博導(dǎo), 中國工程院院士, 研究方向?yàn)樗抡駝?dòng)噪聲測量控制、矢量聲學(xué)理論及應(yīng)用.