水下信息感知系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

陳韶華，張 恒

（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 443003）

0 引言

在信息化時(shí)代，人類要認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋，首先要研究海洋，感知海洋水下信息，發(fā)現(xiàn)海洋科學(xué)規(guī)律[1]。

水下信息的范圍非常廣泛。從信號(hào)與信息處理的角度，水下信息可分為水下目標(biāo)信息與海洋環(huán)境信息。水下目標(biāo)信息通過聲、光、磁、電等物理場(chǎng)攜帶，遠(yuǎn)程信息感知常用的是聲場(chǎng)信息。海洋環(huán)境信息主要包括海洋環(huán)境噪聲、海水的溫-鹽-深剖面、海流剖面、渦流、內(nèi)波、鋒面、海水密度、海水水質(zhì)、海底底質(zhì)等。

海洋水下信息感知對(duì)于海洋安全、海洋物理學(xué)與海洋氣候的研究有非常重要的價(jià)值。本文討論水下信息感知系統(tǒng)組成、分布式水下信息感知網(wǎng)絡(luò)與水下信息感知的關(guān)鍵技術(shù)。

1 水下信息感知系統(tǒng)

水下信息感知系統(tǒng)包括岸基、船基、海床基、潛標(biāo)、浮標(biāo)、UUV、水下滑翔機(jī)、波浪滑翔器與水面無人艇等，能搭載傳感器進(jìn)行水下觀測(cè)的載體都可構(gòu)成水下信息感知系統(tǒng)。

在大時(shí)空跨度內(nèi)對(duì)一定的區(qū)域進(jìn)行海洋觀測(cè)和信息采集，是當(dāng)前海洋信息感知的重要發(fā)展趨勢(shì)。水下無人系統(tǒng)的快速發(fā)展，為大范圍海洋水下信息感知提供了有效途徑[2]。水下無人系統(tǒng)可分為移動(dòng)式與固定式2種。移動(dòng)式系統(tǒng)主要包括水下無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）、水下滑翔機(jī)等，固定式系統(tǒng)主要包括錨系潛標(biāo)與海床基等。這2種系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)式系統(tǒng)有自主動(dòng)力，執(zhí)行任務(wù)更靈活機(jī)動(dòng)，可潛入危險(xiǎn)區(qū)域或敏感區(qū)域進(jìn)行接近觀測(cè)；固定式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不因運(yùn)動(dòng)而耗能，可支持長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，不會(huì)產(chǎn)生有源噪聲，可進(jìn)行隱蔽觀測(cè)。

1.1 水下信息感知系統(tǒng)組成

水下信息感知系統(tǒng)主要包括載體、中心控制單元、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)記錄儀與電源。對(duì)數(shù)據(jù)有實(shí)時(shí)處理要求時(shí)包括數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)信息有實(shí)時(shí)傳輸要求時(shí)還包括通信模塊。組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下信息感知系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of underwater information perception system

水下信息感知系統(tǒng)搭載的傳感器種類繁多，感知聲信號(hào)的包括水聽器、矢量水聽器等。為了形成空間上的指向性，提高對(duì)弱信號(hào)的感知能力，感知目標(biāo)與噪聲信息的傳感器通常以陣列形式存在，如水聽器陣、磁場(chǎng)傳感器陣、電場(chǎng)傳感器陣等。感知平臺(tái)姿態(tài)的傳感器有磁羅盤，感知平臺(tái)深度的傳感器有壓力傳感器等。感知海洋環(huán)境的傳感器包括海水電導(dǎo)率、溫度與深度傳感器CTD，聲速度、溫度與壓力傳感器SVTP，聲學(xué)多普勒流剖面儀ADCP，水質(zhì)傳感器（溶解氧DO，pH，硝酸鹽，pCO2，濁度、環(huán)境特征感光ECO），核輻射（伽瑪射線）監(jiān)測(cè)傳感器等。

信號(hào)調(diào)理電路用于將傳感器微弱信號(hào)濾波放大，大容量數(shù)據(jù)記錄儀用于記錄采集的信號(hào)，記錄能長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月之久。數(shù)字信號(hào)處理器用于對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析、提取聲源信號(hào)特征、計(jì)算聲源的空間分布與運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)、提取海洋環(huán)境或目標(biāo)特征、識(shí)別聲源的屬性。通信模塊用于水下分布式節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息，此時(shí)采用水聲通信。有時(shí)需要把水下信息發(fā)送給空中無線數(shù)據(jù)鏈，則采用水聲/無線電模塊，或釋放有纜/無纜通信浮標(biāo)。移動(dòng)載體如UUV或水下滑翔機(jī)可以上浮到水面，通過無線電模塊發(fā)送信息。

1.2 固定式信息感知系統(tǒng)

固定式信息感知系統(tǒng)通過錨系或座底方式監(jiān)測(cè)水下目標(biāo)與環(huán)境信息。

圖2是中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所研制的實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)，它是一種單點(diǎn)錨系海洋信息感知系統(tǒng)。如圖2（a）所示，該潛標(biāo)由流線型主浮體、錨泊系留系統(tǒng)、測(cè)量傳感器、多套通信浮標(biāo)、綜合控制中心等組成，可搭載ADCP、CTD、垂直線列陣、矢量水聽器等多種傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)包括ADCP剖面測(cè)流數(shù)據(jù)、多點(diǎn)溫度、鹽度、深度、海洋噪聲等數(shù)據(jù)。潛標(biāo)布放后，通信浮標(biāo)定時(shí)浮出水面，將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳輸回岸站，圖2（b）是釋放通信浮標(biāo)的示意圖，潛標(biāo)的尾部是溫度鏈。

實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)既可進(jìn)行深海水文環(huán)境要素長(zhǎng)期連續(xù)、定點(diǎn)多層隱蔽監(jiān)測(cè)，又可及時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心，具有系統(tǒng)集成度高、觀測(cè)隱蔽、不易遭受破壞、數(shù)據(jù)時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，具備進(jìn)行海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)和軍事預(yù)警的能力。

主要性能指標(biāo)如下：

1）布放水域深度4 000 m，主浮體布放深度80～300 m；

2）測(cè)流剖面范圍0～500 m（雙ADCP觀測(cè)），鹽溫剖面測(cè)量深度800 m；

3）主浮體意外浮水后能自動(dòng)報(bào)警（實(shí)時(shí)GPS位置及觀測(cè)數(shù)據(jù)）；

4）水下工作期限為12個(gè)月。

圖2 實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)Fig. 2 Real-time transmission sub-buoy

圖3是法國(guó)的MIR 2000便攜式多種物理場(chǎng)感應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量交直流磁場(chǎng)、交直流電場(chǎng)、聲感應(yīng)場(chǎng)、水壓/水深、地震感應(yīng)場(chǎng)、磁場(chǎng)梯度。

圖3 MIR 2000便攜式多物理場(chǎng)感應(yīng)系統(tǒng)Fig. 3 MIR 2000 portable multi-fields sensing system

主要性能指標(biāo)：

1）自主工作時(shí)間為4 h；

2）操作深度＜50 m；

3）多芯同軸電纜長(zhǎng)100 m；

4）內(nèi)載設(shè)備重100 kg。

1.3 移動(dòng)式信息感知系統(tǒng)

移動(dòng)式水下信息感知系統(tǒng)包括AUV、水下滑翔機(jī)等。以中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所的“海鱘”水下滑翔機(jī)為例（如圖4所示），它是一種能對(duì)中遠(yuǎn)海多種海洋要素進(jìn)行自主、實(shí)時(shí)、機(jī)動(dòng)測(cè)量的新型平臺(tái)，可搭載觀測(cè)儀器包括CTD傳感器和ADCP。主要性能指標(biāo)如下：

1）總重量＜90 kg，總長(zhǎng)度＜2.2 m （不含天線），殼體直徑＜0.24 m；

2）觀測(cè)要素：溫度、鹽度、壓力、海流；

3）探測(cè)深度1 200 m；

4）續(xù)航力低速（0.5 kn）航程≥1 500 km，高速（1.2 kn）航程≥500 km；

5）最大水平滑翔速度為1.5 kn；

6）通信定位：北斗＋無線電或銥星＋無線電。

圖4 “海鱘”滑翔機(jī)Fig. 4 C-Glider

圖5是水下滑翔機(jī)搭載CTD與聲壓水聽器陣收集的聲速剖面與聲脈沖信號(hào)[3]。

圖5 水下滑翔機(jī)收集的聲速剖面數(shù)據(jù)和脈沖聲信號(hào)Fig. 5 SVP and pulse signal collected by a glider

2 分布式水下信息感知網(wǎng)絡(luò)

隨著水下傳感器技術(shù)、自主處理技術(shù)、無人航行器技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，采用自主式無人傳感器節(jié)點(diǎn)并組網(wǎng)形成區(qū)域水下信息感知網(wǎng)絡(luò)是未來水下信息感知的發(fā)展趨勢(shì)。無人傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是低成本、無人值守、可廣域和長(zhǎng)時(shí)間獲取水下信息。

分布式水下信息感知網(wǎng)絡(luò)一般由傳感器節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成[4]，如圖6所示。

1）傳感器節(jié)點(diǎn)。

主要包含傳感器與水聲Modem。傳感器節(jié)點(diǎn)用于海洋環(huán)境信息獲取，對(duì)傳感器陣列信號(hào)進(jìn)行處理，把信息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。

圖6 分布式信息感知網(wǎng)絡(luò)組成示意圖Fig. 6 Composition of distributed underwater information perception network

2）主節(jié)點(diǎn)。

主節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的核心。主要用于接收探測(cè)節(jié)點(diǎn)傳來的信息，對(duì)信息進(jìn)行融合處理，還要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，每個(gè)主節(jié)點(diǎn)可控制幾十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)把信息融合處理結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳遞來的上一級(jí)指控中心的指令。

3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)指網(wǎng)絡(luò)與上一級(jí)指控中心傳輸信息的節(jié)點(diǎn)，一般用水聲-無線電浮標(biāo)或有纜通信浮標(biāo)、AUV、水下滑翔機(jī)等可上浮到水面的移動(dòng)載體。上級(jí)指控中心接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并與其他情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）系統(tǒng)的情報(bào)相結(jié)合，融合處理，獲得海洋環(huán)境與目標(biāo)態(tài)勢(shì)比較完整的圖像。

從邏輯功能看，水聲網(wǎng)絡(luò)主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層主要解決數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)膯栴}，包括信道特性的利用和調(diào)制方法的選擇。數(shù)據(jù)鏈路層解決多個(gè)用戶怎樣合理有效利用信道（媒體訪問控制MAC），主要包括媒體訪問方式和糾錯(cuò)控制。網(wǎng)絡(luò)層解決路由問題，研究信源與信宿之間的路徑，而這又取決于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。

分布式水下信息感知網(wǎng)絡(luò)平時(shí)可作為收集信息的有效手段，擔(dān)負(fù)情報(bào)、監(jiān)視和偵察（包括聲場(chǎng)海洋數(shù)據(jù)獲取）等任務(wù)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、分類、定位和跟蹤[6]。

一個(gè)典型的水下信息感知網(wǎng)絡(luò)是美國(guó)的海網(wǎng)（Seaweb）[7]，如圖7所示。Seaweb是一種海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過用水聲通信鏈路將固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（水面浮標(biāo)）連接成網(wǎng)。固定節(jié)點(diǎn)是一組駐留水下的自治節(jié)點(diǎn)，包括可部署傳感器節(jié)點(diǎn)和水聲中繼節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)指潛艇、無人水下航行器等。水聲通信接口實(shí)現(xiàn)與Seaweb網(wǎng)絡(luò)的水聲通信鏈接，無線通信接口提供Seaweb網(wǎng)絡(luò)與岸基、飛機(jī)或衛(wèi)星的無線鏈接。到目前為止，Seaweb是規(guī)模最大的在研實(shí)用水聲網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已達(dá)17個(gè)。已具有較強(qiáng)的自組織能力，如自動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)識(shí)別、時(shí)鐘同步（0.1～1.0 s量級(jí)）、節(jié)點(diǎn)自定位（100 m量級(jí)）、節(jié)點(diǎn)更新和失效后的網(wǎng)絡(luò)重新配置等。

圖7 Seaweb示意圖Fig. 7 Sketch map of Seaweb

3 水下信息感知的關(guān)鍵技術(shù)

水下信息感知系統(tǒng)采集海洋環(huán)境與目標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征分析、信號(hào)檢測(cè)與分類識(shí)別等處理，從復(fù)雜海洋背景中提取目標(biāo)信息。主要關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）目標(biāo)信息獲取。

聲信息獲取的常用方法是采用傳感器陣列接收信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大與動(dòng)態(tài)范圍控制，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行波束形成、寬帶分析與窄帶分析處理，檢測(cè)信號(hào)并估計(jì)目標(biāo)參數(shù)。

不同于人在回路的聲吶探測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)自主獲取目標(biāo)信息面臨3方面的限制：①固定節(jié)點(diǎn)或移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的尺度都比較小，一般只有幾米量級(jí)，難以布設(shè)大規(guī)模基陣提高空間增益；②海洋環(huán)境背景非常復(fù)雜，除了海洋環(huán)境噪聲會(huì)掩蓋微弱信號(hào)外，近海存在大量相干干擾源，如果探測(cè)系統(tǒng)不具備多目標(biāo)分辨能力，很難在這些復(fù)雜干擾背景中分辨出微弱目標(biāo)信號(hào)，特別是對(duì)于無人系統(tǒng)；③能源的限制，需要考慮系統(tǒng)復(fù)雜性與功耗不能太大。

水下平臺(tái)載體上還可集成磁、電場(chǎng)、地震波等傳感器獲取目標(biāo)多物理場(chǎng)信息。艦船磁場(chǎng)包括靜態(tài)磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)傳播距離較遠(yuǎn)。艦船的腐蝕和防腐電流經(jīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)制后在海水中會(huì)產(chǎn)生極低頻電場(chǎng)（ELFE），成為一種重要的特征信號(hào)源[8]。但是，微弱目標(biāo)的交流磁場(chǎng)與極低頻電場(chǎng)信號(hào)提取是個(gè)需要解決的問題。地震波場(chǎng)傳播距離遠(yuǎn)，但需要解決干擾背景復(fù)雜的問題[9-10]。

2）目標(biāo)分類和識(shí)別。

目標(biāo)分類仍是被動(dòng)探測(cè)最為困難的方面，尤其是在嘈雜和地形復(fù)雜的淺海區(qū)域。人在回路的情況下，分類是由良好訓(xùn)練的聲情報(bào)操作員完成的。目前能自動(dòng)完成這一功能的計(jì)算機(jī)算法還不完善，通?？梢蕴崛⌒盘?hào)的波形特征、功率譜特征（包括連續(xù)譜和線譜）、調(diào)制譜特征、倒譜特征、空間分布特征、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征等，對(duì)這些特征進(jìn)行提煉壓縮，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等工具訓(xùn)練和測(cè)試。分布式系統(tǒng)通過提供多角度的視野和增強(qiáng)的特征，應(yīng)該可以有所幫助，但是還有很多關(guān)鍵問題沒有解決。在不太遠(yuǎn)的距離上，利用聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、地震波場(chǎng)等多物理場(chǎng)特征信息進(jìn)行融合識(shí)別，是提高目標(biāo)分類能力的有效途徑。

3）水下通信。

網(wǎng)絡(luò)化水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各傳感器節(jié)點(diǎn)之間通常采用水聲通信傳輸信息，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般采用水聲-無線電浮標(biāo)。水聲通信的數(shù)據(jù)率與誤碼率等性能指標(biāo)嚴(yán)重受限于水聲信道，水聲信道最顯著的特征是可用帶寬窄、多徑擴(kuò)展長(zhǎng)、信道起伏快、多普勒效應(yīng)強(qiáng)，使得通信速率低、誤碼率高、中斷概率大、傳播時(shí)延長(zhǎng)。在有些水文條件下，接收端可能處于發(fā)射端的聲影區(qū)導(dǎo)致無法通信。水聲通信的另一個(gè)問題是很難隱蔽。采用指向性波束和寬譜編碼能降低被截獲概率，但能量探測(cè)仍是相當(dāng)有可能的。使用電纜傳輸存在如何部署的問題。

4）水下組網(wǎng)。

多節(jié)點(diǎn)互連形成網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)大數(shù)據(jù)傳輸距離和監(jiān)測(cè)覆蓋范圍，更好地實(shí)現(xiàn)信息共享。MAC協(xié)議主要解決多個(gè)用戶共享信道的問題，這是由于水聲信道傳播延時(shí)大、通信速率低，多用戶時(shí)沖突嚴(yán)重。小規(guī)模水聲網(wǎng)絡(luò)一般采用輪流分配時(shí)隙的TDMA主從式MAC協(xié)議，1個(gè)6節(jié)點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)分鐘才能輪到機(jī)會(huì)發(fā)送信息，效率較低。混合型協(xié)議綜合不同的多址接入方式與接入?yún)f(xié)議，是目前水聲網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究的熱點(diǎn)[11]。

惡劣的水聲傳播條件也為路由選擇帶來很大困難。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，海洋環(huán)境的嚴(yán)酷性使水聲通信易出現(xiàn)故障或短暫失效，導(dǎo)致水下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈邉?dòng)態(tài)性，引發(fā)路由變化，需要定期維護(hù)。水聲鏈路不穩(wěn)定、丟包率高，使路由建立和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)效率均不高，可能需要反復(fù)重傳。這2個(gè)特點(diǎn)使路由維護(hù)能耗高。

5）分布式網(wǎng)絡(luò)探測(cè)。

從表面上看，分布式目標(biāo)探測(cè)的概念有許多優(yōu)越性，由廣泛分布的聲傳感器實(shí)現(xiàn)的各式各樣的探測(cè)機(jī)會(huì)是很吸引人的。然而，被動(dòng)探測(cè)基本上受到信號(hào)水平、噪聲水平和可用陣列及處理增益的限制。那么，許多個(gè)具有小增益的分布式傳感器，與高陣列增益的大型傳感器相比，是如何實(shí)現(xiàn)觀察和探測(cè)的？能否像蟻群或蜂群那樣，由大量的個(gè)體行為發(fā)掘出某種群體智能？

分布式水下信息感知網(wǎng)絡(luò)所關(guān)注的是傳感器網(wǎng)絡(luò)的綜合探測(cè)能力，而不是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)能力。在單個(gè)傳感器性能測(cè)量有明顯不確定性的情況下，需要有某種形式的度量方法，用來優(yōu)化傳感器的配置，使分布式網(wǎng)絡(luò)得到有效利用和控制[6]。

4 結(jié)束語

分布式水下無人信息感知網(wǎng)絡(luò)是未來海洋水下信息感知的發(fā)展趨勢(shì)。發(fā)展低成本水下信息感知傳感器節(jié)點(diǎn)，提高水下自主探測(cè)識(shí)別與信息傳輸能力，是分布式水下信息感知系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。