極地水聲信號處理研究

尹 力 王 寧 殷敬偉 李啟虎,4＊

1 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190

2 中國海洋大學(xué) 青島 266100

3 哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱 150001

4 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

1 水聲信號處理在開發(fā)利用極區(qū)海域中的重要性

極地水聲信號處理主要是針對極區(qū)海域，開展特殊海洋環(huán)境水聲環(huán)境效應(yīng)領(lǐng)域的適配處理理論與方法研究[1,2]。雖然高緯度地區(qū)的水聲相關(guān)研究一般都被視為極地水聲信號處理的一部分，但由于大部分國家地處北半球，更因目前國際上對北極開發(fā)極為關(guān)注，所以極地水聲信號處理研究的焦點(diǎn)、熱點(diǎn)通常集中在北極海域。

北極通常是指以北極點(diǎn)為中心，北緯 66o34' 以北包括整個(gè)北冰洋（及其島嶼）、北美洲、亞洲以及歐洲大陸的邊緣海、邊緣陸地所在的一片區(qū)域。世界上環(huán)繞北極的國家有 8 個(gè)，即加拿大、冰島、美國、俄羅斯、丹麥、瑞典、芬蘭、挪威。

北極地區(qū)是全球氣候變化最為劇烈的地區(qū)之一，隨著海水變暖造成的北極冰蓋融化，北極的戰(zhàn)略地位日益突出，也使其成為美、俄等大國博弈的焦點(diǎn)。我國于 2013 年成為北極理事會正式觀察員國[3]。2018 年 1 月 26 日發(fā)布的《中國的北極政策》白皮書中，明確指出中國是近北極國家，是北極地區(qū)的利益攸關(guān)方，中國愿和有關(guān)國家共建“冰上絲綢之路”。白皮書中強(qiáng)調(diào)：“要提高北極的科學(xué)研究水平和能力，不斷深化對北極的科學(xué)認(rèn)識和了解，探索北極變化和發(fā)展的客觀規(guī)律”。

聲波是水下信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行лd體，海洋聲學(xué)是監(jiān)測海洋生態(tài)環(huán)境的重要技術(shù)手段。在氣候寒冷、大部分區(qū)域被海冰覆蓋的復(fù)雜環(huán)境下，水聲信號處理相關(guān)技術(shù)研究及聲吶設(shè)備研發(fā)在開發(fā)利用北極的活動中，如冰下通信、導(dǎo)航、定位以及海洋環(huán)境、氣候聲學(xué)觀探測等，具有不可替代的重要作用[1]。

2 極地水聲環(huán)境

極地地理位置獨(dú)特氣候寒冷，海洋表面的浮冰不僅影響衛(wèi)星通信，同時(shí)也隔絕了大氣與海水的熱交換，因此形成了特殊的聲場環(huán)境。北冰洋的海冰覆蓋面積通常在每年的 3 月份達(dá)到最大值，在 9 月份達(dá)到最小值。近 30 年間，由于全球變暖，使北極海冰覆蓋面積逐年遞減，厚度變薄。研究表明，北冰洋中心地帶的多年海冰在 20 年內(nèi)，厚度由 3.1 米減小至 1.8 米[4,5]。

海冰對冰下聲傳播的影響，主要體現(xiàn)為 2 個(gè)方面：① 海冰作為彈性介質(zhì)，會有一部分聲能透射其中，導(dǎo)致海水中聲能量的損失；② 海冰-海水粗糙界面對聲波具有散射作用。通常低頻段聲波傳播損失主要來源于第一種原因；而隨著頻率升高，第二種原因的影響逐漸凸顯。研究表明[6]，當(dāng)聲波頻率達(dá)到 900 Hz 以上時(shí)，冰層的散射成為影響冰下聲傳播的主要因素。

北冰洋海冰密集區(qū)水下聲速剖面結(jié)構(gòu)呈正梯度，聲道軸位于冰層覆蓋的海面或其附近。向上折射的聲線在冰層下表面處產(chǎn)生反射，形成了具有較強(qiáng)的頻率選擇性的半聲道波導(dǎo)，優(yōu)勢傳播頻段為 15—30 Hz。由于北冰洋航運(yùn)噪聲較低，且冰層隔絕風(fēng)的影響，冰下噪聲較開闊海域零級海況低。但冰塊之間的碰撞和冰脊破裂使冰下噪聲劇烈起伏[7]。

2000 年以后，由于氣候變暖，北冰洋夏季海冰的范圍和厚度迅速減少。北極地區(qū)多年冰的比例大幅下降，只占北冰洋冰的 30%，初年冰的比例上升[4]。氣候變暖不僅影響海冰分布，同樣引起冰下水體結(jié)構(gòu)變化。由于暖水團(tuán)的侵入，在表層冷暖混合水和中層冷水之間形成了“波弗特海透鏡”，因此在經(jīng)典的半波導(dǎo)聲道下，100—200 米深度之間形成了新的穩(wěn)定聲信道[8]，該聲信道可以使中頻聲吶作用距離由 100 千米提高到 400 千米以上。

3 國外研究進(jìn)展

極地水聲信號處理較其他水聲研究起步晚，主要服務(wù)于北極海域的軍事活動。美國對北極冰下水聲理論與軍事應(yīng)用的研究始于二戰(zhàn)結(jié)束的 1946 年。美國海軍北極潛艇實(shí)驗(yàn)室建立了北極聲學(xué)野外工作站，相關(guān)冰下聲吶技術(shù)研究成果幫助鸚鵡螺號核潛艇于 1958 年成功由冰下到達(dá)北極點(diǎn)。而蘇聯(lián)和北極水聲探測有關(guān)的活動，則開始于 20 世紀(jì) 50 年代末。60 多年來，北極被譽(yù)為“天然棱堡”，其冰層成為戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的天然掩體。

早期極地水聲學(xué)研究依托建立在漂流冰面上的觀測站開展，主要目的是了解北冰洋的水聲環(huán)境，從而支持潛艇的冰下活動。冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國和俄羅斯曾于 1994—2001 年合作開展北極氣候變化觀測的 ACOUS（Arctic Climate Observations using Underwater Sound）試驗(yàn)（圖 1）。自 2007 年俄羅斯北極海底“插旗”宣誓主權(quán)事件后，美國及西方盟友開始實(shí)施新的北極戰(zhàn)略以確保其在北極事務(wù)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。美國相繼推出了“海軍北極戰(zhàn)略目標(biāo)”（2010 年）、“北極地區(qū)國家戰(zhàn)略”（2013 年）、“國防部北極戰(zhàn)略”（2013 年）、“北極地區(qū)國家戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃”（2014 年）和“美國海軍北極路線圖2014—2030”（2014 年）系列北極戰(zhàn)略計(jì)劃，并針對全球氣候變化中的北極環(huán)境開展了大規(guī)模研究。鑒于水聲環(huán)境對開發(fā)利用北極的重要性，同時(shí)冷戰(zhàn)時(shí)期所獲取的北極聲學(xué)規(guī)律已“過時(shí)”，美國推出了加拿大海盆聲傳播試驗(yàn) CANAPE 等相應(yīng)的研究計(jì)劃，力求通過對水聲環(huán)境效應(yīng)適配處理理論與方法的長期研究，確定“新”北極海域冰-海作用下水聲及聲吶信號處理的新模式及新參數(shù)（圖 2）。研究成果主要集中在北極長期聲學(xué)監(jiān)測、冰下導(dǎo)航以及通信組網(wǎng)等技術(shù)領(lǐng)域。

3.1 北極聲學(xué)觀測

通過 ACOUS 項(xiàng)目中首次完成的“跨北極聲傳播”TAP 試驗(yàn)，充分證明了聲傳播對北冰洋的測溫能力。進(jìn)而開展的一系列聲層析試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了流域尺度海水變暖的測量[10]。始于 2008 年并仍在持續(xù)二期研究的 ACOBAR（Acoustic technology for observing the interior of Acoustic Ocean）計(jì)劃[11]，是由歐盟支持的北冰洋聲學(xué)觀測項(xiàng)目。為實(shí)現(xiàn)長期環(huán)境變化觀測的目標(biāo)，該計(jì)劃分別集成了兩類試驗(yàn)平臺：依托海底系泊潛標(biāo)的聲層析平臺，以及由冰基漂流浮標(biāo)與滑翔機(jī)組成的冰上系泊聲學(xué)平臺（AITP）。

美國海軍研究辦公室于 2012 年制定了“北極科學(xué)計(jì)劃”（Arctic Science Program，ASP），旨在通過觀測手段改善北冰洋海洋環(huán)境預(yù)報(bào)能力。前面提到的CANAPE 項(xiàng)目作為該計(jì)劃的重要組成部分，取得了聲傳播、噪聲、物理海洋等研究領(lǐng)域的重要成果。

3.2 冰層測量探查

圖1 美俄聯(lián)合ACOUS試驗(yàn)

圖2 2016—2017年加拿大海盆聲學(xué)傳播試驗(yàn)及所使用的DLVA陣列

不同于水面船只，潛艇具有不受海冰覆蓋和天氣條件影響的優(yōu)勢，可以長時(shí)間、大范圍地采集北冰洋區(qū)域有關(guān)數(shù)據(jù)，美軍自 20 世紀(jì) 70 年代開始使用安裝于核潛艇的測深側(cè)掃仰視聲吶測量北極冰層。SCICEX（the Science Ice Exercise）項(xiàng)目是美國軍民融合開展的科學(xué)研究項(xiàng)目，旨在利用美軍核動力潛艇去獲取北冰洋地區(qū)有關(guān)海冰、水文、海深的復(fù)雜測量數(shù)據(jù)。美軍曾多次使用鱘魚級核動力潛艇開展試驗(yàn)，為美國全面掌握北冰洋區(qū)域情況提供了大量數(shù)據(jù)。1998 年后，該任務(wù)名稱改為科學(xué)適應(yīng)任務(wù)（Science Accommodation Missions，SAM）。隨著水下無人航行器 （AUV）以及水下滑翔機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，搭載 AUV 平臺的小型仰視聲吶取代潛艇執(zhí)行了大量的冰下探查任務(wù)[9]。同時(shí)用于坐底式、錨錠式的定點(diǎn)仰視聲吶起到了重要作用。

3.3 極區(qū)通信導(dǎo)航

冰原演習(xí)（ICE Exercise，ICEX）是美國海軍在北冰洋進(jìn)行的系列演習(xí)，旨在測試美潛艇在北冰洋環(huán)境下操作性和作戰(zhàn)能力。2011 年 3 月，在 ICEX 2011 中，美軍高調(diào)推出 Deep Siren 低頻遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)，聲稱其具備在北極冰層下為潛艇提供實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)和緊急情況信息的能力。在此次試驗(yàn)中，Deep Siren 作為信標(biāo)，將美軍兩艘潛艇由最遠(yuǎn) 150 海里處，成功地引導(dǎo)到 Deep Siren 所在的浮冰基地，通信距離估計(jì)超過 150 海里（圖 3）。

2014 年，美國伍茲霍爾海洋學(xué)研究所（WHOI）與華盛頓大學(xué)在北冰洋波弗特海進(jìn)行了冰下遠(yuǎn)程水聲移動通信定位試驗(yàn)。試驗(yàn)中通過在冰面上鉆孔的方式將換能器吊放在水下 100 米，水下滑翔機(jī)在距離 100—400 千米距離范圍冰下低速航行。試驗(yàn)中通信距離超過 400 千米時(shí)的通信速率仍可達(dá)每秒數(shù)比特，成功地解決了滑翔機(jī)水下通信和定位的問題[8,12]。

4 國內(nèi)研究突破

作為近北極國家，我國科技界對北極地區(qū)的事務(wù)始終非常關(guān)注，1999—2018 年，我國已對北極進(jìn)行了 9 次科學(xué)考察，內(nèi)容涉及物理海洋與海洋氣象、海冰、海洋地質(zhì)、海洋地球物理、海洋化學(xué)、海洋生物與生態(tài)等學(xué)科，并取得了一系列成果（圖 4）。2014 年刊出的《北極水聲學(xué)：一門引人關(guān)注的新型學(xué)科》[1]，在國內(nèi)率先提出針對北極及其毗鄰海域開展聲場特性及水聲效應(yīng)基礎(chǔ)研究，填補(bǔ)我國北極聲學(xué)研究空白，從而應(yīng)對國家開發(fā)利用北極的利益需求。同時(shí)指出北極水聲學(xué)研究存在著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，應(yīng)在大氣-冰-海-聲耦合機(jī)理、低頻聲傳播及最佳接收、冰下信道的頻率選擇特性、混響限制下的主動聲吶信號檢測、水聲環(huán)境適應(yīng)性等方向同時(shí)進(jìn)行深入研究。

圖3 Deep Siren 低頻遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)浮標(biāo)工作示意圖

在原國家海洋局極地辦公室和極地中心的大力支持下，2014 年 7 月開始的我國第六次北極科學(xué)考察首次設(shè)立了水聲學(xué)的科考內(nèi)容，這對推動我國在北極聲學(xué)方面的研究工作起到開創(chuàng)性的作用[2]；2016 年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所科考人員第一次搭乘雪龍?zhí)柨瓶即氨睒O進(jìn)行了聲學(xué)試驗(yàn)；2017、2018 年的北極科考，繼續(xù)設(shè)置了水聲學(xué)的考察內(nèi)容，特別是我國第九次北極科學(xué)考察，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、原國家海洋局第三海洋研究所、哈爾濱工程大學(xué)等單位在北緯 79°—84°、西經(jīng) 154°—168° 區(qū)域內(nèi)，共同開展了為期 15 天的北極及其毗鄰海域聲學(xué)綜合觀測實(shí)驗(yàn)（圖 5）。實(shí)驗(yàn)完成了中低頻聲傳播、聲源定位、水聲通信、冰區(qū)噪聲和混響等項(xiàng)觀測任務(wù)，最長連續(xù)觀測時(shí)間 17 小時(shí)，最遠(yuǎn)工作距離 8 千米，并在北極首次使用了爆炸聲源進(jìn)行聲學(xué)試驗(yàn)。

自 2014 年，中國科學(xué)院以“率先行動”的前瞻性戰(zhàn)略眼光部署了北極聲學(xué)的研究計(jì)劃。由中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局、前沿科學(xué)與教育局、國際合作局統(tǒng)籌安排了相關(guān)系列項(xiàng)目，并與國家海洋局簽署了在海洋領(lǐng)域進(jìn)行全面深入合作的戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。2016 年，哈爾濱工程大學(xué)獲得國家自然科學(xué)基金委“冰下水聲信道特性及水聲通信技術(shù)研究”項(xiàng)目資助，并在 2018 年?duì)款^承擔(dān)科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“極地海冰區(qū)聲學(xué)特性研究與信息傳輸技術(shù)”，項(xiàng)目參加單位包括中國海洋大學(xué)、原國家海洋局第三海洋研究所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等國內(nèi)多家相關(guān)研究機(jī)構(gòu)。目前國內(nèi)已在以下方面取得初步進(jìn)展[14-16]。

（1）極地冰區(qū)海域水聲環(huán)境特性研究。首先分別根據(jù)聲能量進(jìn)入作為彈性介質(zhì)的海冰造成的反射損失，以及海冰-海水粗糙界面對聲能量的散射作用，建立空氣-冰-水邊界反射系數(shù)模型，就海冰對中、低頻段聲波導(dǎo)的影響進(jìn)行了理論分析，進(jìn)而提出了改進(jìn)的聲場算法，力求準(zhǔn)確描述海冰對聲傳播的影響。極地冰區(qū)混響模型同樣考慮海水-冰面交界面不平整引起的散射和冰面介質(zhì)分布不均勻性引起的散射，利用簡正波的非相干疊加來獲得混響平均強(qiáng)度關(guān)系。北極海域海冰活動導(dǎo)致的冰源噪聲頻譜特性和帶寬受海冰活動過程變化影響，且具有較大的“瞬時(shí)”特性。

圖4 “雪龍?zhí)枴睒O地考察船

圖5 我國第九次北極科考作業(yè)區(qū)

（2）極地冰區(qū)目標(biāo)聲特性研究。初步建立冰區(qū)目標(biāo)源特性模型和極地環(huán)境聲信道模型?；跇O地冰區(qū)目標(biāo)輻射噪聲時(shí)空特性分析，開展目標(biāo)輻射噪聲譜特征遠(yuǎn)近程空間演變、時(shí)間演化模型建模。針對主動聲吶探測的目標(biāo)回波處理，分析冰層介質(zhì)的界面虛源干涉與聲反射衰減對目標(biāo)的回波影響，解決冰層界面與目標(biāo)回波特性的耦合問題。

（3）典型冰區(qū)水下聲信道信息傳輸研究。針對冰水界面反射形成的冰下水聲信道稀疏特性，以及浮冰區(qū)冰下水聲信道動態(tài)變化的信道特點(diǎn)，研究收斂性能更快且穩(wěn)態(tài)誤差更小的稀疏水聲信道估計(jì)方法。針對北極冰下水聲移動通信中由于冰層界面空間起伏產(chǎn)生的非均勻多普勒干擾，研究多級級聯(lián)的多普勒估計(jì)與補(bǔ)償方案。針對冰層破裂、融化和撞擊產(chǎn)生的脈沖噪聲所具有的重尾特性，研究非高斯脈沖干擾環(huán)境下的信道估計(jì)方法。

另外，國內(nèi)就海冰物理特性及其聲學(xué)測量方法研究與設(shè)備研制、極區(qū)跨介質(zhì)通信技術(shù)研究及設(shè)備研制、冰下無人航行器聲導(dǎo)引及水聲定位方法研究等北極科考亟待解決的技術(shù)問題取得了初步進(jìn)展。

5 結(jié)語

目前，我國極地水聲信號處理研究剛剛起步，既缺乏在北極地區(qū)開展聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，也缺乏常規(guī)觀測系統(tǒng)。但由于近年來建設(shè)“冰上絲綢之路”的國家發(fā)展需求，相關(guān)研究正迎來良好的發(fā)展機(jī)遇期，未來亟待加強(qiáng)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究，如極地海洋環(huán)境綜合觀測及參數(shù)獲取、極地海洋水聲波導(dǎo)效應(yīng)及應(yīng)用，進(jìn)一步開展極地環(huán)境下水聲信號處理和聲吶設(shè)備的適應(yīng)性研究等。