淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測系統(tǒng)設(shè)計

劉 洋， 杜敬林， 李 然

(大連測控技術(shù)研究所， 遼寧 大連 116013)

0 引 言

海洋背景噪聲場的時空相關(guān)結(jié)構(gòu)、 空間方向性等特性是影響水聽器及其陣列輸出增益的主要因素之一， 也是影響水中弱信號提取的主要因素. 矢量水聽器具有自然指向性， 且與頻率無關(guān). 近年來， 隨著對矢量水聽器、 矢量聲場及矢量信號處理等課題的研究逐漸深入， 矢量水聽器應(yīng)用已成為水聲領(lǐng)域中一種新的發(fā)展趨勢， 主要應(yīng)用于海洋背景噪聲研究及目標(biāo)探測等領(lǐng)域.

矢量水聽器的優(yōu)勢突出體現(xiàn)在低頻聲學(xué)探測中， 但限制條件也較多， 如流噪聲干擾、 機(jī)械振動干擾等， 針對實際測試環(huán)境需對導(dǎo)流、 減振及姿態(tài)監(jiān)控等系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計. 本文針對淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測的需求， 重點對座底式矢量接收系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與研制， 為淺海背景噪聲矢量特征觀測提供支撐. 系統(tǒng)針對復(fù)雜海況下長時間系統(tǒng)性觀測的需求， 設(shè)計了滿足大容量存儲和高速無線網(wǎng)絡(luò)傳輸需求的電聲觀測系統(tǒng).

淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測系統(tǒng)基于矢量潛標(biāo)形式， 系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示. 潛標(biāo)基于低頻同振組合傳感器， 利用多級減振機(jī)構(gòu)和姿態(tài)監(jiān)控設(shè)計減弱低頻振動和海流的影響， 應(yīng)用與海水介質(zhì)密度相當(dāng)、 透聲性能良好的碳纖維材料外殼， 減少流噪聲干擾并保證潛標(biāo)的透聲率. 潛標(biāo)內(nèi)置信號采集和數(shù)據(jù)傳輸模塊， 數(shù)據(jù)和控制指令可通過自持式通訊浮標(biāo)， 發(fā)送給岸基站或測量船， 潛標(biāo)與通訊浮標(biāo)纜連接端進(jìn)行減振設(shè)計， 減小浮標(biāo)運(yùn)動對矢量傳感器的干擾.

圖 1 淺海環(huán)境噪聲矢量特征觀測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of vector characteristic observation system of ambient noise in shallow sea

1 矢量潛標(biāo)設(shè)計與研究

矢量潛標(biāo)作為一種重要的矢量傳感器載體， 其結(jié)構(gòu)設(shè)計對于減小海流和振動影響， 發(fā)揮矢量傳感器聲學(xué)性能具有至關(guān)重要的作用. 矢量傳感器對低頻震動與水動力噪聲具有較高的靈敏度， 潛標(biāo)所處海底附近的水流會產(chǎn)生偽聲或真聲， 并對殼體產(chǎn)生振動使矢量接收通道受到強(qiáng)烈干擾， 需要在潛標(biāo)外形、 傳感器安裝方式及懸掛系統(tǒng)設(shè)計中著重考慮. 另外， 矢量傳感器對方向指向也有要求， 需要潛標(biāo)結(jié)構(gòu)在水中穩(wěn)定布放， 并對傳感器姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)視.

矢量傳感器對低頻振動與水動力噪聲具有較高的靈敏度， 在不利情況下， 矢量傳感器通道輸出端的干擾級要比聲壓通道輸出端的干擾級高出30～40 dB. 尤其是在100 Hz以下頻段， 始終存在較高干擾， 分析及抑制這種干擾十分復(fù)雜， 通常這種干擾與流速、 聲接收器及導(dǎo)流罩形狀、 接收系統(tǒng)懸掛系統(tǒng)等有關(guān).

1.1 流噪聲分析

由于介質(zhì)擾流時的紊流特性， 接收系統(tǒng)會產(chǎn)生振動， 這種振動沿著結(jié)構(gòu)元件傳遞到傳感器成為干擾. 此外， 除了振動產(chǎn)生的干擾， 傳感器還會接收到水流中紊流產(chǎn)生的偽聲和真聲.

當(dāng)擾流速度變化時， 不同流速范圍內(nèi)會使自振、 靜止帶和擺動接收器的擾流狀態(tài)發(fā)生改變. 在一定的迎面流速范圍內(nèi)， 擾流體將發(fā)生穩(wěn)定振動. 研究發(fā)現(xiàn)： 物體的振動頻率接近它的固有頻率， 并從物體分離漩渦的頻率向物體振動頻率調(diào)整. 因此， 聲接收器懸掛諧振頻率設(shè)計尤為重要. 很低的諧振頻率會引起漩渦分離頻率加倍， 而懸掛頻率與漩渦分離頻率一致時， 則會導(dǎo)致諧振現(xiàn)象.

在估算自然流對固定不動接收系統(tǒng)的作用時， 將噪聲形成的機(jī)理歸結(jié)為漩渦從殼體上分離并形成卡爾曼漩渦. 漩渦分離頻率在很大程度上與迎流面流速有關(guān)， 可以用一致的斯特勞哈爾表達(dá)式來描述

(1)

式中： 2a為物體的特征尺寸；Sh為斯特勞哈爾數(shù). 式(1)確定了作用于聲接收器上的聲波波長.

于是可以用頻率為ω=2πf和體積速度為Q0的位于球極點的聲源產(chǎn)生的聲壓來估計分離漩渦對接收器的作用：

(2)

增大接收器直徑時， 聲接收器對擾流噪聲近場的敏感性急劇下降. 例如， 柱形聲壓接收器尺寸增大2倍， 接收器輸出端擾流噪聲相對減少6 dB， 球形聲壓接收器直徑增大2倍， 擾流噪聲減小9 dB.

1.2 懸掛系統(tǒng)分析

由同振水聽器的工作原理可知： 實際應(yīng)用中傳感器需要采用彈性元件將其懸置于大質(zhì)量框架中， 再將框架置于水下聲場中. 在水中， 帶懸掛裝置的同振式矢量傳感器可看做彈簧-質(zhì)量機(jī)械振動系統(tǒng).

圖 2 懸掛裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of suspension structure

圖 3 懸掛裝置對振速影響的計算Fig.3 The calculation of the effect of the suspension device on the speed of vibration

假設(shè)矢量水聽器在水中為中性浮力， 對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行受力分析， 得到

(3)

式中：

(4)

懸掛系統(tǒng)對矢量水聽器振速通道的影響取決于γ的值，γ是關(guān)于懸掛系統(tǒng)幾何與物理參數(shù)的函數(shù)，γ越大， 懸掛系統(tǒng)對振速通道影響越大. 典型參數(shù)的計算如圖 3 所示.

根據(jù)機(jī)械振動理論， 計算出水中帶懸掛裝置的傳感器諧振頻率為

(5)

可見， 水中帶懸掛裝置的傳感器諧振頻率不僅與接收器參數(shù)有關(guān)， 還與懸掛系統(tǒng)參數(shù)有關(guān). 選擇較小的彈簧勁度系數(shù)可以獲得較低的諧振頻率. 結(jié)合理論計算， 設(shè)計出圖4中的懸掛框架結(jié)構(gòu)， 再選用一定彈性系數(shù)的橡皮筋構(gòu)成矢量傳感器懸掛系統(tǒng)， 可有效降低機(jī)械振動帶來的干擾.

1.3 潛標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖 5 矢量潛標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 A schematic diagram of the structure of a vector submersible

潛標(biāo)主體如圖 5 所示， 包括： ① 基座與支架; ② 水下電子艙; ③ 鉛墜; ④ 矢量傳感器框架組(包括低頻矢量傳感器框架和高頻矢量傳感器框架); ⑤ 低頻矢量傳感器; ⑥ 高頻矢量傳感器； ⑦ 低頻傳感器二級阻尼減震系統(tǒng); ⑧ 低頻傳感器一級阻尼減震系統(tǒng); ⑨ 標(biāo)準(zhǔn)水聽器; ⑩ 導(dǎo)流罩;羅經(jīng).

低頻矢量傳感器采用低頻傳感器一級阻尼減震及低頻傳感器二級阻尼減震， 安裝在低頻矢量傳感器框架中， 框架間及框架與外殼固定處加入隔震用硬質(zhì)橡膠阻尼材料.

標(biāo)準(zhǔn)水聽器、 低頻矢量傳感器均布設(shè)于導(dǎo)流罩內(nèi)， 導(dǎo)流罩經(jīng)過流體力學(xué)設(shè)計， 確保消除海底附近傳感器周圍水流的運(yùn)動， 導(dǎo)流罩固定于支架上， 并通過隔震材料與基礎(chǔ)連接固定于海底附近， 消除從底部傳導(dǎo)到傳感器的振動.

1.4 采集傳輸模塊設(shè)計

信號采集模塊以ADSP-BF548系列Blackfin處理器為核心， 融合了基于多模態(tài)的低功耗設(shè)計、 程控信號調(diào)理設(shè)計等技術(shù)手段.

為滿足長時間系統(tǒng)性觀測的需求， 設(shè)計了包括待機(jī)、 指令通信、 數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)據(jù)采集、 實時采集傳輸?shù)榷喾N工作模態(tài)， 可通過遠(yuǎn)程指令控制設(shè)定或預(yù)設(shè)方案執(zhí)行， 結(jié)合電量監(jiān)視和光伏充電技術(shù)， 有效保證系統(tǒng)續(xù)航性能.

為提高接收信號的信噪比和擴(kuò)展采集量程動態(tài)范圍， 系統(tǒng)采用基于可編程放大器的動態(tài)增益控制設(shè)計. ANAlOG DEVICES公司的AD8231型零漂移數(shù)字可編程儀表放大器可配置1～128倍增益， 提供80～110 dB的電源抑制比， 滿足海洋環(huán)境噪聲觀測要求.

2 通訊浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通訊浮標(biāo)用于接收來至岸基的控制指令和回傳數(shù)據(jù)， 滿足潛標(biāo)的供電和續(xù)航要求. 控制指令通過無線數(shù)傳設(shè)備， 采用RS-232通信協(xié)議實現(xiàn)信號采集模塊工作模式、 采樣參數(shù)設(shè)置， 以及羅經(jīng)、 風(fēng)速、 流速、 工作狀態(tài)等信息的回傳. 采樣數(shù)據(jù)可通過無線網(wǎng)橋設(shè)備， 采用以太網(wǎng)通信協(xié)議上傳至岸基端(默認(rèn)保存在水下本地， 需要時進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取)， 同時可實現(xiàn)水下程序的遠(yuǎn)程升級.

天線需架離水面并盡量保持姿態(tài)穩(wěn)定， 然而實際觀測中遇到高海況環(huán)境時， 浮標(biāo)系統(tǒng)在受風(fēng)力作用及波浪激勵下發(fā)生橫搖擺動， 另外， 水下部分受海浪作用也會影響浮標(biāo)系統(tǒng)的姿態(tài)， 天線的搖擺運(yùn)動會直接導(dǎo)致天線通訊質(zhì)量下降， 造成通訊誤碼， 縮短通訊距離. 如何設(shè)計浮標(biāo)結(jié)構(gòu)， 對高海況下天線的姿態(tài)進(jìn)行有效穩(wěn)定， 減小風(fēng)浪影響是發(fā)揮浮標(biāo)通訊性能的關(guān)鍵技術(shù). 浮標(biāo)總體示意圖如圖 6 所示， 浮標(biāo)標(biāo)桿結(jié)構(gòu)圖如圖 7 所示. 圖 6、 圖 7 中： 1標(biāo)桿、 2浮球安裝點、 3浮球、 4太陽能板、 5電子艙、 6轉(zhuǎn)接法蘭、 7標(biāo)桿、 8萬向節(jié)、 9天線固定架、 10天線.

利用標(biāo)體下端電子艙的自身重力對浮標(biāo)的橫搖作用進(jìn)行抵消， 保持天線穩(wěn)定， 滿足高海況下的遠(yuǎn)距離傳輸需求. 圖 7 中， 萬向節(jié)設(shè)計將起到關(guān)鍵作用.

圖 6 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Buoy structure diagram

3 試驗結(jié)果分析

實際觀測中， 系統(tǒng)布放于距離觀測站約3.5 km距離處， 采用間歇式工作方式(如每小時采集20 min)， 獲取不同水文條件、 氣候條件以及多個季節(jié)的海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù).

圖 8 淺海環(huán)境噪聲矢量特征觀測系統(tǒng)布放示意圖Fig.8 Sketch map of vector observation system for environmental noise in shallow sea

通過分析實測中獲取的20～1 000 Hz海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)， 用功率譜估計的方法給出高低頻矢量傳感器的聲壓及振速正交分量的自譜估計， 得到海洋環(huán)境噪聲聲壓譜級Sp2(f)和海洋環(huán)境噪聲振速譜級SVx2(f),SVy2(f),SVz2(f)， 見圖 9 (譜級量值以某一參考級給出).

圖 9 20～1 000 Hz海洋環(huán)境噪聲聲壓與振速1/3Oct譜級Fig.9 20～1 000 Hz ocean ambient noise pressure and vibration velocity 1/3Oct spectrum

4 結(jié) 論

本文針對淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測的需求， 對座底式矢量接收系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與研制. 理論分析了矢量傳感器在擾流環(huán)境下的平臺噪聲產(chǎn)生機(jī)理， 重點針對實際測試環(huán)境需求對導(dǎo)流、 減震及姿態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計， 針對復(fù)雜海況下長時間系統(tǒng)性觀測的需求對大容量高速無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電聲觀測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計， 為淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測提供技術(shù)手段.