基于水下滑翔機的海洋聲學背景場觀測技術

尹云龍 , 楊 明 , 楊紹瓊,3, 劉玉紅,3, 牛文棟,4*

基于水下滑翔機的海洋聲學背景場觀測技術

尹云龍1,2, 楊 明1, 楊紹瓊1,2,3, 劉玉紅1,2,3, 牛文棟1,4*

(1. 天津大學 機械工程學院, 天津, 300350; 2. 天津大學 青島海洋技術研究院, 山東 青島, 266237; 3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室, 山東 青島, 266237; 4. 清華大學 機械工程學院, 北京, 100084)

水下滑翔機作為新型水下無人平臺,具有對海洋環(huán)境噪聲進行長時序,大范圍穩(wěn)定觀測能力。文中通過開展水聽器與水下滑翔機集成應用研究,設計完成了具備海洋環(huán)境噪聲測量能力的聲學觀測型水下滑翔機?；谒犉鞴ぷ髟砼c水下滑翔機運動約束, 并根據(jù)商用計算流體力學軟件對流體水動力參數(shù)的計算結果, 優(yōu)化了水聽器在水下滑翔機本體的安裝位置。通過建立聲學觀測型水下滑翔機動力學模型,進行了運動仿真并確定最優(yōu)運動參數(shù), 并于2019年5月在我國南海某海域進行了海上試驗應用,獲取了大量的水下滑翔機自噪聲與海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。海上試驗數(shù)據(jù)分析結果驗證了聲學觀測型水下滑翔機的運動穩(wěn)定性及其海洋聲學背景場的觀測能力。

水下滑翔機; 聲學觀測; 海洋環(huán)境噪聲; 自噪聲; 動力學模型

0 引言

海洋聲學背景場既存在海洋環(huán)境噪聲, 又受到聲信號的干擾, 從而限制了相關設備的聲通信能力。通過海洋聲學背景場的觀測可反演相關海洋現(xiàn)象, 具有重要的科學意義。海洋環(huán)境噪聲隨著時間、位置和海況的變化而變化, 對海洋環(huán)境噪聲進行長時間、大范圍的觀測是非常必要的[1]。常用的海洋聲學背景場的觀測方式主要有: 基于測量船的測量方法; 基于浮標、潛標的測量方法; 基于岸基聲吶的測量方法[2]。但是以上方法都無法滿足對海洋環(huán)境噪聲進行長時間、大范圍的連續(xù)觀測, 這就要求尋求新的觀測途徑。

水下滑翔機是一種新型水下無人平臺, 可集成搭載新型傳感器, 它依靠調節(jié)自身浮力, 可完成上浮與下潛運動, 具有長時序、大范圍、低功耗和高隱蔽性等特點[3]。與傳統(tǒng)觀測方式相比, 在海洋聲學背景場的觀測應用中, 集成搭載水聽器的水下滑翔機具有明顯的優(yōu)勢[4]。同時, 通過路徑規(guī)劃, 可讓其按照預設路徑進行觀測應用。因此, 聲學觀測型水下滑翔機已成為海洋聲學背景場觀測的研究熱點。

近年來, 國外已經開展了將聲學載荷與水下滑翔機進行集成的應用研究。聲學觀測型水下滑翔機搭載有水聽器和聲學數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng), 具有獨特的驅動方式, 以及低功耗、低噪聲的優(yōu)點, 在海洋聲場觀測方面優(yōu)勢明顯。例如, Ferguson 等[5]將單路水聽器與水下滑翔機進行集成, 并于2009年5月對水下滑翔機本體噪聲和海洋環(huán)境噪聲進行了海試測量, 通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn): 當水下滑翔機滑翔速度低于0.5 m/s時, 水動力產生的噪聲可以忽略。2010年5月, 美國Slocum水下滑翔機通過搭載水聽器,在West Mata進行海底火山檢測, 數(shù)據(jù)分析結果驗證了其觀測效果[6]。法國ACSA公司將水下聲學定位系統(tǒng)與Sea Explorer水下滑翔機進行集成[7], 實現(xiàn)了水下滑翔機的水下定位。2017年, 英國國家海洋學中心(national oc- eanography centre, NOC)利用集成搭載有水聽器的多臺水下滑翔機在蘇格蘭北部深海組成聲學觀測網, 成功觀測到海洋哺乳動物的聲音信號。

我國在水下滑翔機理論研究與技術開發(fā)方面雖然起步較晚, 但發(fā)展迅速。目前, 天津大學、中船重工第710研究所、中國科學院沈陽自動化研究所、浙江大學及上海交通大學等單位已陸續(xù)開展相關研究[3], 但是對面向海洋背景噪聲測量的聲學觀測型水下滑翔機的研究還較少。2016年, Liu等[1]將自噪聲采集系統(tǒng)與天津大學“海燕”水下滑翔機進行集成并進行了相關海試。文中以天津大學自主研發(fā)的Petrel-II水下滑翔機為主體, 開發(fā)設計出了面向海洋聲學背景場噪聲測量的聲學觀測型水下滑翔機, 并在我國南海進行了相關海上試驗研究, 獲得了水下滑翔機本體噪聲數(shù)據(jù)和重要的海洋環(huán)境背景噪聲數(shù)據(jù)。

1 水聽器與水下滑翔機集成布局優(yōu)化設計

聲學觀測型水下滑翔機是由雙路水聽器與水下滑翔機集成而成。由于水聽器具有指向性, 同時考慮水下滑翔機的整體水動力, 水聽器布局在水下滑翔機軸向前端與后端。當水聽器距離水下滑翔機本體越遠時, 水下滑翔機本體產生的流噪聲與本體機械噪聲對其的影響越小。但同時也對水下滑翔機的穩(wěn)定性影響越大, 所以需要采用商用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)軟件計算出水聽器在水下滑翔機上不同安裝距離時的流場信息, 得出水聽器距離水下滑翔機本體的最優(yōu)距離。

為了方便計算, 將聲學觀測型水下滑翔機進行簡化, 整體分為水下滑翔機主體、前水聽器、后水聽器、機翼和天線等5個部分, 其三維模型如圖1所示。

聲學觀測型水下滑翔機簡化模型所用的流體計算區(qū)域選擇為圓柱體, 水域入口距離水下滑翔機頭部為滑翔機總長的3倍; 流體區(qū)域出口距離水下滑翔機尾部為滑翔機總長的5倍; 水域直徑為水下滑翔機翼展展長的10倍。流體區(qū)域的入口設定為速度入口(inlet), 出口設定為自由流(out- flow), 邊界設定為對稱(symmetry), 聲學觀測型水下滑翔機主體表面設定為靜止的壁面(wall), 如圖2所示。

圖2 聲學觀測型水下滑翔機網格劃分示意圖

假設水聽器長度為, 前水聽器安裝位置由水下滑翔機本體前端與水聽器后端距離決定, 后水聽器安裝位置由水下滑翔機本體后端與水聽器前端距離決定。在設定滑翔速度=1 kn, 攻角= 5°時, 采用商用CFD軟件分析不同安裝位置下, 聲學觀測型水下滑翔機速度流場云圖, 結果如圖3所示。

圖3 不同安裝位置下聲學觀測型水下滑翔機局部速度場分布

圖3結果表明, 在水下滑翔機本體前端、后端與前水聽器和后水聽器的位置都出現(xiàn)了流速變化, 流動出現(xiàn)分離。當后水聽器與水下滑翔機后端距離變小(圖3(a)~(c)), 和前水聽器與水下滑翔機前端距離變大時(圖3(d)~(g)), 水聽器與水下滑翔機的流速變化區(qū)都呈現(xiàn)出分離加快的趨勢, 水下滑翔機對水聽器的影響降低。水聽器通過感知壓力的變化進行聲學信號采集, 因此, 為了降低水下滑翔機本體對水聽器信號采集的影響, 應將水聽器的流速變化區(qū)盡量與水下滑翔機分離, 所以, 水聽器的最佳集成位置是前水聽器距離水下滑翔機本體前端距離為3的位置, 后水聽器以在距離水下滑翔機本體后端距離為0.5的位置為宜(圖3(h))。

2 聲學觀測型水下滑翔機動力學建模

由于聲學觀測型水下滑翔機對其滑翔速度有一定的要求, 當其速度低于0.5 m/s時, 水動力產生的噪聲可以忽略。所以需通過建立動力學模型, 優(yōu)化控制參數(shù), 使其滑翔速度小于0.5 m/s。

根據(jù)動量定理和動量矩定理, 對聲學觀測型水下滑翔機進行六自由度動力學建模, 利用動力學模型分析其在縱平面內的運動行為。聲學觀測型水下滑翔機縱平面運動是指以其浮心為坐標原點的體坐標系-內圍繞軸轉動和平移運動的合運動[8]。忽略海流的干擾作用, 水下滑翔機的橫滾角為0, 潛航模式下的剖面運動即為縱平面運動。

建模時作如下假設: 1) 忽略地球的自轉及曲率, 視其為靜止的平面; 2) 假設海水是靜止的, 忽略海流等的作用。根據(jù)以上假設, 建立聲學觀測型水下滑翔機坐標系如圖4所示。

圖4 聲學觀測型水下滑翔機坐標系

圖4中共有2個坐標系: 與大地連在一起的地坐標系和與水下滑翔機本體連接在一起的體坐標系。水下滑翔機位置由體坐標原點在地坐標系中位置(,,)和體坐標系坐標軸相對地坐標系坐標軸的空間角(,,)共同決定。為了簡化分析, 可以將聲學觀測型水下滑翔機簡化成由可移動質量塊、浮力模塊內油囊、浮力模塊外油囊與其余質量4個部分組成[9], 簡化模型如圖5所示, 各參數(shù)含義見表1。

圖5 聲學觀測型水下滑翔機動力學簡化模型

表1 聲學觀測型水下滑翔機各參數(shù)含義

因此, 根據(jù)動量矩定理與動量定理, 推導出聲學觀測型水下滑翔機動力學方程[10](縱平面內)如下

聲學觀測型水下滑翔機的運動學方程如下

通過CFD計算和相關測量, 可得出聲學觀測型水下滑翔機的相關參數(shù)值, 如表2所示。

表2 聲學觀測型水下滑翔機物理與水動力學參數(shù)值

圖6 在不同凈浮力下聲學觀測型水下滑翔機滑翔速度與滑翔角的關系圖

3 海試試驗及數(shù)據(jù)分析

為了驗證聲學觀測型水下滑翔機的運動性能及其對海洋聲學背景場的觀測能力, 2019年5月, 天津大學在我國南海某海域進行了海上試驗, 如圖7所示。在海試過程中, 聲學觀測型水下滑翔機按預設軌跡進行鋸齒狀滑翔運動, 利用集成搭載在滑翔機本體上的水聽器, 可以采集到滑翔機下潛與上浮各個動作時的自噪聲和海洋環(huán)境背景噪聲。聲學觀測型水下滑翔機共無故障連續(xù)穩(wěn)定運行13天, 采集到93個剖面的聲學數(shù)據(jù)。文中選取其中第46~50共5個剖面, 對滑翔機的運動性能進行分析, 結果如圖8與圖9所示。

圖7 聲學觀測型水下滑翔機海試現(xiàn)場

圖8 選取第46~50剖面深度與時間關系的海上試驗與運動仿真結果對比曲線

圖8給出了聲學觀測型水下滑翔機深度與工作時間關系的海上試驗與仿真結果對比圖。通過對比可知, 文中建立的動力學模型可以很好反應水下滑翔機的運動狀態(tài)。從圖8中試驗數(shù)據(jù)的分析結果可知, 水下滑翔機滑翔過程平穩(wěn), 未出現(xiàn)深度方向上的震蕩現(xiàn)象, 下潛深度都在900 m以下, 最大下潛深度為955 m(第50剖面)。聲學觀測型水下滑翔機俯仰角與時間的關系圖(圖9(a))表明, 當把俯仰角設置為20°時, 水下滑翔機在穩(wěn)定滑翔過程中可以很好地將其俯仰角控制在20°左右。航向與時間的關系圖(圖9(b))表明, 聲學觀測型水下滑翔機可以很好地將航向保持在目標航向附近。進一步分析發(fā)現(xiàn), 聲學觀測型水下滑翔機在下潛階段航向調節(jié)比較頻繁, 航向總是朝大于目標航向的方向偏移, 該偏移可能是因為在航行過程中橫滾方向沒有平衡, 存在偏向力導致。因此, 可以通過內部的可移動質量塊在橫滾方向給一定的偏轉量補償, 使其在橫滾方向到達動平衡。圖9(c)是指垂直方向的速度與時間的關系圖, 可以發(fā)現(xiàn): 聲學觀測型水下滑翔機在穩(wěn)定滑翔階段, 垂直速度可以很好地保持在0.2 m/s左右, 滑翔速度較穩(wěn)定, 可以很好地進行海洋聲學背景場觀測。

圖9 聲學觀測型水下滑翔機第46~50剖面穩(wěn)定性分析結果

該次海上試驗通過機載的水聽器采集到了聲學觀測型水下滑翔機的自噪聲和海洋背景噪聲。水下滑翔機自噪聲的采集是通過水下滑翔機在滑翔過程中某一模塊單獨開啟時, 提取對應時段的聲學數(shù)據(jù)作為該模塊產生的自噪聲。聲學觀測型水下滑翔機的自噪聲來源主要包括: 用于航向調節(jié)的航向電機動作、用于俯仰調節(jié)的俯仰電機動作、用于排油的初級泵和高級泵動作4個部分。通過選取第50個剖面中各個動作對應的聲學數(shù)據(jù)分析各動作的頻譜圖, 同時選取該剖面對應深度無以上4部分動作時海洋背景場噪聲作對比, 水聽器采樣頻率為81 kHz, 如圖10所示。

圖10 聲學觀測型水下滑翔機自噪聲分析結果

圖10表明, 排油動作對聲學觀測型水下滑翔機的自噪聲貢獻最大, 尤其是高級泵開啟時; 同時也可看出, 高級泵噪聲是1個寬頻信號與線譜的組合, 該部分噪聲較大, 對背景聲場的采集具有較大影響, 所以在水下滑翔機開啟排油時, 建議關閉水聽器采集海洋環(huán)境噪聲。而當航向電機動作產生的噪聲大于100 Hz頻率時, 自噪聲大于背景噪聲, 但相對排油動作較小, 可以通過減少航向電機的動作頻率來降低該自噪聲的影響。此外, 當俯仰電機動作產生的噪聲在400~500 Hz時, 水下滑翔機自噪聲高于背景噪聲, 其他頻段與背景噪聲相當, 所以俯仰電機調節(jié)動作對自噪聲貢獻最小。

圖11為水下滑翔機第50個剖面下潛階段不同深度的海洋環(huán)境噪聲。在對應的深度, 水下滑翔機沒有任何動作時提取對應時間的聲學信號作為對應深度的海洋環(huán)境噪聲, 從圖中可知: 在500 Hz左右和1 050 Hz存在異常, 該異常值有可能是流噪聲或者是水下滑翔機上搭載的水下滑翔機專用溫鹽深測量儀(glider payload con- ductivity temperature-deph, GPCTD)傳感器在采集過程中產生。其他頻段都和海洋背景聲場能量級相同。通過不同深度的海洋環(huán)境噪聲對比可以發(fā)現(xiàn): 隨著深度的增加, 噪聲能量總體降低, 符合海洋環(huán)境噪聲規(guī)律, 因此, 該聲學觀測型水下滑翔機具備海洋背景聲場的觀測能力。

圖11 不同深度海洋環(huán)境噪聲

4 結束語

文中面向對海洋聲學背景場進行長時序、大范圍連續(xù)觀測的需求, 設計了一款聲學觀測型水下滑翔機。基于水聽器聲學測量與水下滑翔機運動性能相互約束的關系, 利用商用CFD計算水動力的方法, 給出了水聽器集成于水下滑翔機的最優(yōu)布局。同時, 通過建立聲學觀測型水下滑翔機的動力學模型, 并基于該模型進行了運動仿真分析, 得到了水下滑翔機最優(yōu)的滑翔控制參數(shù)。海試結果驗證了該水下滑翔機運動性能的穩(wěn)定性, 及其海洋背景聲場測量的有效性, 并獲取了大量的水下滑翔機平臺自噪聲和海洋背景聲場聲學數(shù)據(jù), 為未來對聲學觀測型水下滑翔機進一步的減振降噪提供了原始數(shù)據(jù)。

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Research on Observation Technology of Oceanic Acoustic Background Field Based on Underwater Glider

YIN Yun-long,YANG Ming,YANG Shao-qiong,LIU Yu-hong, NIU Wen-dong

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. Qingdao Institute for Ocean Engineering, Tianjin University, Qingdao 266237, China; 3. The Joint Laboratory of Ocean Observing and Detection, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China; 4. School of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Underwater glider can realize long-time and large-scale stable observation of oceanic ambient noise. This paper developed an acoustic observation underwater glider with the ability of oceanic ambient noise measurement through researching integrated application of hydrophone and underwater glider. Based on the working principle of hydrophone and the motion constraint of underwater glider, the computational fluid dynamics(CFD) software was used to calculate the hydrodynamic force for optimizing the installation position of hydrophone in underwater glider body. A dynamic model was further established for motion simulation and determination of the optimal motion parameters of the developed underwater glider. A large number of underwater glider self-noise and oceanic ambient noise data were obtained in the sea trial in the South China Sea in May 2019, and the motion stability of this underwater glider and its observation ability of oceanic acoustic background field were verified.

underwater glider; acoustic observation; oceanic ambient noise; self-noise; dynamic model

TJ630; U674.941; O427.5

A

2096-3920(2019)05-0555-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.011

尹云龍, 楊明, 楊紹瓊, 等. 基于水下滑翔機的海洋聲學背景場觀測技術[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(5): 555-561.

2019-08-01;

2019-08-21.

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0301100, 2017YFC0305902)和深圳市投資控股有限公司資金; 國家自然科學基金(51722508, 11902219); 天津市自然科學基金(18JCQNJC05100, 18JCJQJC46400); 青島海洋科學與技術國家實驗室主任基金(QNLM201705)和“鰲山人才”培養(yǎng)計劃(2017ASTCP-OS05, 2017ASTCP-OE01); 山東省支持青島海洋科學與技術試點國家實驗室重大科技專項(2018SDKJ0205).

*牛文棟(1988-), 男, 博士, 助理教授, 主要研究方向為水下航行器研制及其海上試驗應用.

(責任編輯: 楊力軍)