一種基于錨系垂直陣列的水下移動(dòng)目標(biāo)警戒方法

鄧秀華，劉 飛，梅新華

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000；2.重慶前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司，重慶 401121；3.中船重工鵬力大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

潛艇、水下無(wú)人潛器等水下移動(dòng)目標(biāo)由于隱蔽性，其攜帶的先進(jìn)水下設(shè)備，可對(duì)其他國(guó)家領(lǐng)海進(jìn)行偵測(cè)和調(diào)查。各臨海國(guó)家紛紛推出海洋發(fā)展戰(zhàn)略和海洋科技發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)警戒裝備[1]。

聲波是目前唯一能在水下遠(yuǎn)距離傳播的物理場(chǎng)信號(hào)，聲吶是利用水下聲波判斷海洋中目標(biāo)是否存在及其類型與位置的設(shè)備，在水下移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)中具有獨(dú)特的作用。水下移動(dòng)目標(biāo)輻射或反射的聲波比較微弱，且處于復(fù)雜的海洋環(huán)境背景下，因此，通過(guò)水聲換能器組成陣列和陣列信號(hào)處理，以提高目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)概率。

從近海到深海，海深變化大，平均深度從幾十米到數(shù)千米，艦船拖曳聲吶、布放于海底或海面的聲吶面臨的水聲環(huán)境復(fù)雜，使用維護(hù)成本較高。而錨系方式可適應(yīng)大水深變化范圍，將聲吶布設(shè)于任意深度。聲吶水聲環(huán)境較好，布放迅速簡(jiǎn)單，可長(zhǎng)周期、定點(diǎn)、大范圍監(jiān)測(cè)水下移動(dòng)目標(biāo)[2]。

本文提出了一種基于錨系垂直陣列的水下移動(dòng)目標(biāo)警戒方法，接收水聲換能器組成垂直接收陣列，陣列懸掛于錨系潛標(biāo)的系留纜或直接作為潛標(biāo)的系留纜。系統(tǒng)全工作周期進(jìn)行不間斷被動(dòng)聽聲警戒與值守，高可靠性立體全方位發(fā)現(xiàn)、搜索瞬態(tài)可疑噪聲，探測(cè)經(jīng)過(guò)控制區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)，提取目標(biāo)特征信息，目標(biāo)確認(rèn)后，釋放衛(wèi)星通訊浮標(biāo)到水面，實(shí)時(shí)傳輸信息與報(bào)警。

1 水聲陣列設(shè)計(jì)

聲吶的檢測(cè)能力是由水聲陣列、水聲環(huán)境與目標(biāo)特征共同決定的，水聲陣列的設(shè)計(jì)必須充分考慮到其工作環(huán)境與目標(biāo)特征。錨系陣列特別是錨系垂直陣列的顯著特點(diǎn)是其孔徑僅受水深限制，并可選擇在有利的深度工作，背景干擾大為減小，傳播條件相對(duì)有利，低頻仍可有較高的空間增益，適合在低頻工作[3]。

1.1 工作水深的選擇

根據(jù)海深變化大的實(shí)際情況，聲吶必須能有效適應(yīng)很淺或深的海區(qū)。水聲信號(hào)在深水區(qū)的相干性比沿海海區(qū)更大，在信號(hào)不產(chǎn)生相互作用的情況下尤為如此。這就提供了利用相干性大幅度增大探測(cè)距離的機(jī)會(huì)。

深海傳播條件受海面、海底影響較小，具有特殊的會(huì)聚區(qū)效應(yīng)。聲波在深海聲道中可以遠(yuǎn)距離傳播，深海聲道軸所處水深隨緯度不同而不同，深海聲道軸水深范圍大約是200～4 500 m。為了利用深海聲道和可靠聲道取得良好的探測(cè)效果，需要將聲吶布放到盡可能深的位置[4]。

1.2 頻段選擇

俄羅斯學(xué)者M(jìn)iasnikov把現(xiàn)代潛艇的水下輻射噪聲分為 3級(jí)：“嘈雜的”、“安靜的”、“非常安靜的”，并指出這3種噪聲在30 Hz處的譜級(jí)分別為140 dB、120 dB和100 dB?，F(xiàn)代潛艇的噪聲已大幅減弱，但低頻段降噪困難。對(duì)于安靜型潛艇的檢測(cè)，無(wú)論是現(xiàn)代的主動(dòng)聲吶還是被動(dòng)聲吶，所使用的頻率都在向低端移動(dòng)。

一般將孔徑在-1～5 m 量級(jí)基陣所使用的1 kHz左右的聲吶稱為中頻聲吶，頻率在-100 Hz～1 kHz的稱為低頻聲吶，頻率范圍低于100 Hz的稱為甚低頻聲吶。美國(guó)從20世紀(jì)80年代開始研制用于探測(cè)低噪聲、安靜型潛艇的低頻主被動(dòng)拖線陣聲吶。這是一種專門用于遠(yuǎn)程警戒低噪聲、安靜型潛艇的甚低頻聲吶，工作頻率可低至100 Hz以下，被動(dòng)檢測(cè)時(shí)使用2條長(zhǎng)達(dá)1 500 m的聲陣，作用距離可達(dá)100 km以上。

1.3 陣列設(shè)計(jì)

垂直線列陣對(duì)噪聲進(jìn)行同步的空間采樣，在不同深度上接收多個(gè)中心頻段的寬帶噪聲。垂直線列陣懸掛在潛標(biāo)主浮體下部，主要由減振結(jié)構(gòu)和聲學(xué)系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。減振結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度根據(jù)布放環(huán)境和布放使用需要來(lái)確定，垂直線列兩端各有一段減振結(jié)構(gòu)。水聽器陣受到海浪、海流的影響容易發(fā)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生低頻噪聲，減振結(jié)構(gòu)作用是盡量消除這種噪聲。

聲學(xué)系統(tǒng)可制作成一整段或者數(shù)段，可以根據(jù)布放水深的要求選擇需要的陣列段數(shù)量，各陣列段組合成完整的垂直陣列。聲學(xué)模塊含水聽器基元、前置放大器以及各種支撐件，外部由聚氨酯材料軟管密封，管內(nèi)填充與海水密度相當(dāng)?shù)亩栊杂?。聲學(xué)系統(tǒng)的承力件為高強(qiáng)度的Kevlar繩，延展性很小，可以有效保證基元的確定位置，并且耐擠壓、抗拉伸，具有靈活的收放特性，可承受凈重2 t以上的拉力。水聽器以徑向極化的壓電陶瓷圓管作為振子，結(jié)構(gòu)上為圓柱形，在全頻段內(nèi)為無(wú)方向性，振子耐壓大且靈敏度高，是陣列的關(guān)鍵部件。各水聽器基元在不同水深條件下，靈敏度基本一致。與水聽器匹配的前置放大器具有低噪聲、低功耗的特點(diǎn)，還具有高通濾波功能，能夠滿足在水下長(zhǎng)期工作、寬帶接收噪聲信號(hào)的使用需求。水聽器基元按照處理最低頻率，采用半波長(zhǎng)間距排列。圖1為垂直陣列實(shí)物圖。

圖1 垂直陣列實(shí)物Fig.1 Real object of vertical array

2 水下移動(dòng)目標(biāo)警戒信號(hào)處理

2.1 總體信號(hào)流程

信號(hào)處理的主要任務(wù)是利用各種技術(shù)手段提高輸出信噪比，將目標(biāo)信號(hào)從噪聲和干擾中區(qū)分開來(lái)，實(shí)現(xiàn)水下移動(dòng)目標(biāo)警戒。

基于錨系垂直陣列的水下移動(dòng)目標(biāo)警戒系統(tǒng)要求，可在水下長(zhǎng)周期自主工作，高可靠立體全方位發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。潛艇等水下移動(dòng)目標(biāo)與潛標(biāo)遭遇態(tài)勢(shì)不可知，且探測(cè)距離要求遠(yuǎn)，可靠性要求高，系統(tǒng)總體工作流程如下。

1）系統(tǒng)布放于特殊海域，記錄布放大地坐標(biāo)。

2）低功耗的垂直線列陣及前置調(diào)理器，全工作周期進(jìn)行不間斷被動(dòng)聽聲警戒與值守，進(jìn)行遠(yuǎn)程低頻段時(shí)頻瞬態(tài)特性探測(cè)。

3）時(shí)頻瞬態(tài)特性探測(cè)不能在較遠(yuǎn)處及時(shí)發(fā)現(xiàn)水下移動(dòng)目標(biāo)，目標(biāo)繼續(xù)靠近時(shí)，垂直陣列利用空間相關(guān)性在近處形成的立體警戒網(wǎng)可再次探測(cè)到目標(biāo)，探測(cè)距離與工作水深相關(guān)，垂直陣列布設(shè)得越深，探測(cè)距離越遠(yuǎn)。

4）發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，啟動(dòng)寬帶時(shí)頻特征識(shí)別，判斷是否為水下移動(dòng)目標(biāo)，同時(shí)可啟動(dòng)空間特性估計(jì)算法，估計(jì)目標(biāo)航行深度。

5）各個(gè)功能模塊的啟動(dòng)、工作時(shí)長(zhǎng)和循環(huán)數(shù)等參數(shù)根據(jù)上一功能模塊是否為水下目標(biāo)的可信程度輸出，智能決策變化，直至目標(biāo)確認(rèn)。

6）目標(biāo)確認(rèn)后，通過(guò)衛(wèi)星通信實(shí)時(shí)將特征信息傳送到陸地通信接收站。接收站結(jié)合布放點(diǎn)處水面信息，進(jìn)一步確認(rèn)目標(biāo)。

功能實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 功能實(shí)現(xiàn)框圖Fig.2 Block diagram of functional realization

2.2 低頻段時(shí)頻瞬態(tài)特性探測(cè)

瞬態(tài)特性探測(cè)含時(shí)域和頻域2種，包括：聲級(jí)突然增大和頻譜結(jié)構(gòu)突然變化。利用噪聲時(shí)頻瞬態(tài)特性的變化來(lái)探測(cè)目標(biāo)，將目標(biāo)探測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為自適應(yīng)模式識(shí)別問(wèn)題[5]。

按照噪聲源的不同，海洋環(huán)境噪聲大致可分為：1）海洋動(dòng)力噪聲，它與風(fēng)浪有關(guān)，是海水和大氣中湍流產(chǎn)生的噪聲，還包括海浪拍擊噪聲、雨噪聲、氣泡噪聲等；2）生物噪聲，是海洋中各種生物（魚、蝦）發(fā)出的噪聲；3）地震噪聲，是地震、火山活動(dòng)和海嘯產(chǎn)生的噪聲；4）冰噪聲，是由冰層的形成和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲；5）熱噪聲，是由海水分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。降雨會(huì)顯著增加環(huán)境噪聲，但噪聲譜級(jí)隨頻率變化非常平坦。大量的海洋生物產(chǎn)生生物噪聲，除了有海洋哺乳動(dòng)物的特殊聲音之外，成群結(jié)隊(duì)的跳蝦是顯著的噪聲源。

海洋環(huán)境噪聲干擾場(chǎng)一般都是彌漫的混響聲場(chǎng)，經(jīng)多次反射后，聲音從各方向入射到接收陣列的幾率相同。在低頻段，形成非常平坦的噪聲譜，即使在淺水區(qū)和接近于海面的水域，其低頻不連續(xù)譜偏離平均譜級(jí)也不特別明顯。

安靜型潛艇等水下移動(dòng)目標(biāo)的輻射噪聲雖已得到大幅度降低，但由于在低頻段降噪比較困難，目前其螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的低頻線譜仍然是難以消除的。潛艇為了自我隱蔽，一般在低于臨界航速下航行，其螺旋槳空化不充分[6]，連續(xù)譜較弱，低頻線譜卻突出。頻譜結(jié)構(gòu)中低頻譜與高頻譜平均能量比一般應(yīng)遠(yuǎn)高于水面艦船，基于這一點(diǎn)，構(gòu)造潛艇等水下移動(dòng)目標(biāo)頻段全覆蓋的不同分頻段能量比，特別是低頻段能量比的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)水下移動(dòng)目標(biāo)。

瞬態(tài)特性探測(cè)分2步：時(shí)頻特性提取和人工智能決策[7]。設(shè)計(jì)多通道程控自動(dòng)增益放大濾波提取水下移動(dòng)目標(biāo)瞬態(tài)時(shí)頻特性及噪聲寬帶、窄帶能量，構(gòu)造比值序列描述噪聲寬帶頻譜結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確提取噪聲的譜結(jié)構(gòu)特征，壓縮信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，并訓(xùn)練自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造水下移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)器。

為提高處理增益與輸出信噪比，被動(dòng)接收信號(hào)處理一般從以下3方面入手。

1）利用空間濾波處理提高空間增益。信號(hào)與干擾的空間相關(guān)性不同，可以采用波束形成或互相關(guān)接收來(lái)控制環(huán)境噪聲，提高信噪比。對(duì)N個(gè)基元構(gòu)成的垂直線陣，采用各基元直接相加作空間處理。

2）頻域?yàn)V波提取線譜分量。窄帶信號(hào)處理已成為被動(dòng)聲吶信號(hào)處理的重要手段，水下目標(biāo)噪聲低頻段的線譜包含豐富的信息，不僅可應(yīng)用于目標(biāo)檢測(cè)，還可用于目標(biāo)的跟蹤與識(shí)別，核心是窄帶譜分析。

3）時(shí)間積分處理獲得時(shí)間增益。時(shí)域處理本質(zhì)上是利用信號(hào)和噪聲時(shí)間波形在統(tǒng)計(jì)特性上的差異，來(lái)改善被動(dòng)聲吶的性能。

瞬態(tài)時(shí)頻特性提取步驟如圖3所示。1～M為垂直陣列基元號(hào)，X、Y、Z分別為濾波輸出、平方輸出、積分輸出。

圖3 瞬態(tài)時(shí)頻特性提取Fig.3 Extraction of time-frequency characteristics

圖4給出了16基元的垂直陣列每個(gè)基元接收到的某水下移動(dòng)目標(biāo)通過(guò)時(shí)的原始噪聲信號(hào)。各基元接收信號(hào)通過(guò)特征明顯，同時(shí)，各基元接收信號(hào)的時(shí)延差非常清晰地反映了不同基元的不同空間位置。圖5是按圖3所示方法提取的海洋環(huán)境噪聲譜和某水下移動(dòng)目標(biāo)的三維功率譜。

圖4 陣列原始噪聲信號(hào)Fig.4 Original noise signals of array

圖5 三維功率譜Fig.5 Three-dimensional power spectrum

三維譜圖中，Z軸是功率譜值，X軸是頻率值，Y軸是時(shí)間。可以直觀看出，海洋環(huán)境噪聲在1 kHz頻率范圍內(nèi)，功率譜幅度都起伏不大，噪聲譜級(jí)隨頻率變化非常平坦；而水下移動(dòng)目標(biāo)噪聲的功率譜卻存在明顯的起伏，有的可以觀察到持續(xù)數(shù)十秒的穩(wěn)定線譜，噪聲譜級(jí)隨頻率和時(shí)間的變化而變化。

利用海洋環(huán)境噪聲與水下移動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲的這種固有而本質(zhì)的差異，進(jìn)行人工智能的自適應(yīng)模式識(shí)別，可以較為可靠地進(jìn)行遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)。

2.3 空間相關(guān)性探測(cè)

合理選擇垂直陣列上的其中 2個(gè)基元與處理器頻段，對(duì)兩基元接收的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，可使得從遠(yuǎn)方目標(biāo)來(lái)的聲信號(hào)其互相關(guān)系數(shù)較大，而本地干擾互相關(guān)系數(shù)很小，進(jìn)而探測(cè)是否存在目標(biāo)。

相干多途信道用線性時(shí)不變?yōu)V波器來(lái)描述。點(diǎn)源聲場(chǎng)時(shí)空相關(guān)的理論模型如圖6所示。

圖6 相干信道互相關(guān)模型Fig.6 Cross-correlation model of coherent channel

從聲信道理論的觀點(diǎn)看，在聲源和接收點(diǎn)1之間的海洋被看作一個(gè)濾波器，它的沖擊響應(yīng)函數(shù)為h（r，t）和H（r，f）[8]，在聲源和接收點(diǎn) 2之間的海洋信道被看作另一個(gè)濾波器，它的沖擊響應(yīng)函數(shù)為h（r+ρ，t）和H（r+ρ，f），r與r+ρ為信號(hào)到接收點(diǎn)矢徑。

在相干多途信道[9]中，信道的沖擊響應(yīng)函數(shù)為

式中：Ai為第i途徑到達(dá)的信號(hào)幅度；τoi為第i途徑到達(dá)的信號(hào)時(shí)延；Aj為第j途徑到達(dá)的信號(hào)幅度；τoj為第j途徑到達(dá)的信號(hào)時(shí)延。

相干信道中2個(gè)點(diǎn)之間的互相關(guān)就是2個(gè)濾波器輸出的互相關(guān)，關(guān)系如下。

則互相關(guān)函數(shù)為

圖7是以垂直線列陣為中心，形成從垂直線列陣到水面和垂直線列陣到水底的2個(gè)探測(cè)圓錐面示意圖。

圖7 互相關(guān)探測(cè)圓錐面示意圖Fig.7 Conical plane diagram of cross-correlation detection

聲源輻射聲波傳輸?shù)酱怪标嚵械慕邮拯c(diǎn)1、接收點(diǎn)2，存在延遲時(shí)間τ。當(dāng)延遲時(shí)間為0時(shí)，互相關(guān)函數(shù)值最大。處理系統(tǒng)預(yù)先將接收點(diǎn)2信號(hào)延遲時(shí)間τ，再與接收點(diǎn) 1的信號(hào)求互相關(guān)，τ的設(shè)定公式為

式中：d為基元間距；c為聲速；θ是以接收點(diǎn) 2為頂點(diǎn)，接收點(diǎn)1與接收點(diǎn)2的連線與接收點(diǎn)2與形成的探測(cè)圓環(huán)的連線的夾角，簡(jiǎn)稱為仰角。

水下移動(dòng)目標(biāo)在接近此圓錐面的過(guò)程中，互相關(guān)函數(shù)值會(huì)越來(lái)越大，直到觸碰圓錐面，互相關(guān)函數(shù)值達(dá)到最大值。設(shè)定動(dòng)作門限，即可可靠地進(jìn)行水下移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。

為提高信噪比增益，進(jìn)行遠(yuǎn)距離低噪聲水下移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，有必要采取分裂波束法形成指向性波束。將垂直線列陣分成2個(gè)子陣，子陣信號(hào)相加，各自形成波束再求互相關(guān)，基陣增益近似：DI=10lgN，N為形成一個(gè)子陣的水聽器基元數(shù)。2N個(gè)基元等間隔排列，等效基陣孔徑：L=Nd，d為垂直陣列基元間隔[10]。

利用垂直陣列波束預(yù)形成技術(shù)[11]，原理上仰角θ從90°變?yōu)?，即目標(biāo)從無(wú)窮遠(yuǎn)到正橫時(shí)，均可以形成探測(cè)錐面，設(shè)定系列不同的延遲時(shí)間τ，則可形成一個(gè)個(gè)不同仰角的探測(cè)圓錐面，相當(dāng)于形成了一道道警戒網(wǎng)，對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行可靠的警戒探測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)外水聲技術(shù)與水下導(dǎo)航技術(shù)水平的不斷提高，使得潛艇等水下移動(dòng)目標(biāo)的水下航行隱蔽性越來(lái)越高。錨系垂直陣列水下移動(dòng)目標(biāo)警戒系統(tǒng)布放回收機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)水深范圍廣。時(shí)頻瞬態(tài)特性探測(cè)和空間相關(guān)性探測(cè)，提取和利用了環(huán)境與目標(biāo)在時(shí)域頻域及空間上的差異，探測(cè)概率高，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，是對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警的有力手段。錨系垂直陣列也可用于海洋環(huán)境水聲數(shù)據(jù)資料收集，用于水下水聲信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[12]。