適用于水下滑翔機平臺的聲矢量傳感器設(shè)計

孫芹東, 張小川*, 王文龍

適用于水下滑翔機平臺的聲矢量傳感器設(shè)計

孫芹東1,2, 張小川1,2*, 王文龍1,2

(1. 海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島, 266199; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室, 山東 青島, 266237)

針對水下滑翔機緩動平臺應(yīng)用聲矢量傳感器用于水中移動目標探測時, 傳感器姿態(tài)不能準確測量導(dǎo)致目標方位輸出精度低的問題, 文中設(shè)計了一種具有姿態(tài)感知能力的聲矢量傳感器。首先, 將姿態(tài)傳感器集成應(yīng)用于聲矢量傳感器設(shè)計, 并對其進行參數(shù)測試; 其次, 將聲矢量傳感器集成在水下滑翔機平臺, 并在消聲水池對聲矢量傳感器進行等效噪聲聲源級測量; 最后, 利用水下滑翔機平臺搭載聲矢量傳感器開展目標探測試驗, 試驗時以科考試驗船為配合目標, 檢驗聲矢量傳感器在水下滑翔機平臺應(yīng)用時對噪聲源的目標方位估計能力。海試結(jié)果表明, 經(jīng)姿態(tài)校正后, 目標方位估計結(jié)果與全球定位系統(tǒng)推算方位結(jié)果基本吻合, 滿足測向精度要求。文中研究可為聲矢量傳感器在水下滑翔機平臺上的工程應(yīng)用提供參考。

水下滑翔機; 聲矢量傳感器; 姿態(tài); 目標探測

0 引言

水下滑翔機利用油囊改變自身凈浮力在海洋中實現(xiàn)上浮下潛, 平臺本身只在海面衛(wèi)星定位、通信以及到達預(yù)設(shè)深度反轉(zhuǎn)時消耗攜載電池能量, 具有低功耗、長時序、長航程、低維護成本等特點, 已廣泛應(yīng)用于海洋水文環(huán)境觀測等領(lǐng)域[1-2]。聲矢量傳感器可同時測量海洋移動目標輻射噪聲場的聲壓和質(zhì)點加速度信息, 在發(fā)現(xiàn)目標的同時即可測定目標方位, 因此, 通過在滑翔機平臺集成聲矢量傳感器, 可用于執(zhí)行長時序、大范圍海洋環(huán)境噪聲測量和移動目標探測等任務(wù)[3]。

聲矢量傳感器的優(yōu)點是可測量低頻、遠距離、弱信號目標[4], 然而, 其在水下滑翔機等水下緩動無人聲吶平臺應(yīng)用時, 自身姿態(tài)由于受海洋環(huán)境影響, 相對地理坐標系存在角度變化[5], 會對聲矢量傳感器水中目標方位估計產(chǎn)生不利影響[6]。為此, 文中設(shè)計了一種具有姿態(tài)感知能力的聲矢量傳感器, 將聲矢量傳感器所在坐標系轉(zhuǎn)換到地理坐標系下, 以期提高目標測向精度。海上試驗結(jié)果表明, 經(jīng)姿態(tài)校正后, 目標方位估計結(jié)果與全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)推算方位結(jié)果基本吻合, 滿足測向精度要求。

1 聲矢量傳感器姿態(tài)測量原理

2 聲矢量傳感器設(shè)計與集成

2.1 聲學(xué)設(shè)計

由聲矢量傳感器設(shè)計理論基礎(chǔ)可知, 如果滿足聲學(xué)剛性, 圓柱形聲接收器的最大線性尺寸遠小于入射聲波波長, 且圓柱形聲接收器平均密度與水介質(zhì)密度近似相等, 則有以下公式成立[8]

由式(2)可知, 如果滿足聲學(xué)剛性、圓柱形聲接收器平均密度與水介質(zhì)密度近似相等, 則在水中聲波作用下, 其振動速度與其等效聲中心所在處水質(zhì)點振速值幅值相等、相位一致。因此, 在圓柱形聲接收器內(nèi)部放置質(zhì)點振速傳感器, 且保證制作完成后尺寸和密度滿足上述條件, 即可制作復(fù)合同振式聲矢量傳感器。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下滑翔機平臺設(shè)計的聲矢量傳感器在結(jié)構(gòu)上包含聲壓通道和3個正交的加速度通道, 為實時準確感知聲矢量傳感器姿態(tài)信息, 在聲矢量傳感器內(nèi)部封裝姿態(tài)傳感器, 二者用剛性支架固定, 其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

2.3 姿態(tài)傳感器選取與測試

聲矢量傳感器實際制作時, 需要將姿態(tài)傳感器作為姿態(tài)感知敏感元件封裝在其內(nèi)部。由于受到小體積要求的限制, 姿態(tài)傳感器尺寸不宜過大, 考慮到設(shè)計的聲矢量傳感器為膠囊體結(jié)構(gòu), 姿態(tài)傳感器選用自主設(shè)計、制作的微機電系統(tǒng)(micro electromechanical system, MEMS)姿態(tài)傳感器, 其尺寸為25 mm×25 mm×3 mm、功率為0.25 W, 實物如圖2所示。

MEMS姿態(tài)傳感器橫滾角、俯仰角和航向角的測量范圍和精度如表1所示。由于洋流、浪涌以及潮汐等因素的影響, 聲矢量傳感器會隨著水介質(zhì)產(chǎn)生晃動, 即要求姿態(tài)傳感器動態(tài)特性需要滿足一定的指標, 文獻[9]顯示晃動頻率主要集中在0.2 Hz以下的低頻段, 因此本次動態(tài)跟隨特性測試分別測量了橫滾角、俯仰角以及航向角在0.1 Hz、0.3 Hz、0.5 Hz、0.7 Hz、0.9 Hz、1 Hz和2 Hz頻率下的動態(tài)特性。在測試時, 低頻段給定振幅為20°, 隨著頻率升高振幅逐漸減小, 在2 Hz頻點處振幅為3.6°, 動態(tài)跟隨特性試驗結(jié)果如圖3所示。

表1 MEMS姿態(tài)傳感器參數(shù)

圖3 MEMS姿態(tài)傳感器動態(tài)跟隨相對誤差曲線

由圖3可知, MEMS姿態(tài)傳感器動態(tài)跟隨特性測試結(jié)果為: 隨著頻率升高, 橫滾角、俯仰角及航向角相對誤差有逐漸增大的趨勢; 在1 Hz以下頻段, 相對誤差均小于3%。

2.4 聲矢量傳感器參數(shù)測試

圖4 聲矢量傳感器靈敏度測試曲線

在駐波管中, 通過選擇測試頻率, 保持發(fā)射機的發(fā)射功率不變, 旋轉(zhuǎn)裝置控制聲矢量傳感器旋轉(zhuǎn)一周, 記錄聲矢量傳感器被測量通道在不同角度時的輸出電壓值, 通過數(shù)據(jù)處理得到指向性圖, 這里給出63 Hz頻點處聲壓通道和加速度通道指向性測試結(jié)果, 如圖5所示。

圖5 63 Hz頻點處聲矢量傳感器各通道接收指向性

從圖5可知: 聲壓通道無指向性, 最大值不均勻性分別為1.3 dB; 加速度通道均具有“余弦”方向性, 各通道分辨力均不小于33.6 dB, 主軸最大值不均勻性不大于0.4 dB。

2.5 聲矢量傳感器等效噪聲聲源級測量

在實際工程應(yīng)用中, 安裝聲矢量傳感器的平臺作為障板會對入射水聲信號產(chǎn)生近場聲散射, 嚴重影響聲矢量傳感器測向精度。因此, 聲矢量傳感器集成在水下滑翔機平臺上時, 為降低聲散射影響, 仿真分析了水下滑翔機平臺對矢量水聽器測向影響[11], 在水下滑翔機平臺前端集成聲矢量傳感器探測單元, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 聲矢量傳感器在滑翔機集成結(jié)構(gòu)示意圖

理論上, 作為一種目標檢測設(shè)備, 接收點直流輸出信噪比大于環(huán)境背景噪聲級的時候就能夠檢測到目標, 完成目標測向, 但實際工程上受敏感元件自噪聲、濾波放大電路、采集系統(tǒng)以及電磁干擾和屏蔽接地的影響, 目標監(jiān)測設(shè)備自噪聲會大于背景噪聲, 當信號強度和背景噪聲相當時, 并不能完成對目標的有效檢測。因此, 為檢驗聲矢量傳感器目標測向能力, 有必要對接收系統(tǒng)等效噪聲聲源級進行測量。水池實驗時, 以高斯白噪聲為信號, 聲源功率放大器增益旋鈕調(diào)到最大, 慢慢調(diào)大高斯白噪聲電壓幅值, 矢量傳感器剛好能對聲源信號進行測向時, 接收系統(tǒng)輸出端噪聲級即為接收系統(tǒng)等效噪聲聲源級。

圖7顯示了聲矢量傳感器對聲源的目標方位估計結(jié)果, 可以看出: 隨著時間增加, 即隨著聲源發(fā)射聲信號譜級的增加, 聲矢量傳感器對目標的檢測結(jié)果經(jīng)歷了從無到有再到目標逐漸清晰的過程。

圖7 目標方位估計

圖8為1 000 Hz頻點聲信號譜級隨時間的變化曲線, 可以看出: 隨著時間增加, 聲信號譜級逐漸增大, 圖中實橫線和曲線交點為聲矢量傳感器剛好能完成測向時, 1000Hz頻點所對應(yīng)聲壓級, 對應(yīng)譜級為55 dB, 即在消聲水池中接收系統(tǒng)等效噪聲聲源級為55dB@1 000 Hz。

圖8 1 000 Hz頻點處聲信號譜級變化曲線

3 海上試驗

2018年, 利用集成聲矢量傳感器及其信號處理設(shè)備的水下滑翔機在南海北部海域開展目標探測能力驗證海上試驗, 600 t科考試驗船作為配合目標開展試驗。試驗時, 水下滑翔機采用剖面滑翔方式采集科考試驗船輻射噪聲信號, 科考試驗船以10 kn速度直線航行。

圖9給出了目標探測能力驗證海上試驗結(jié)果。如圖9(a)所示, 09:31時刻滑翔機開始剖面滑翔, 09:35時刻聲矢量傳感器開始采集科考試驗船輻射噪聲信號, 10:01~10:15時間段水下滑翔機浮力驅(qū)動系統(tǒng)啟動, 擠壓油囊, 改變自身浮力, 排油上浮, 在10:01~10:15時間段由于水下滑翔機平臺工況噪聲較大, 聲矢量傳感器停止采集科考試驗船輻射噪聲信號, 10:15~10:35時間段繼續(xù)采集科考試驗船輻射噪聲信號。圖9(b)為09:35~10:01時間段姿態(tài)傳感器輸出聲矢量傳感器姿態(tài)信息, 由于聲矢量傳感器懸掛支架和水下滑翔機平臺固定連接, 其姿態(tài)也反映了水下滑翔機剖面滑翔時的姿態(tài)。如圖所示, 俯仰角數(shù)值介于20o~30o之間, 表示水下滑翔機頭部向下傾斜, 處在下潛階段。圖9(c)和圖9(d)分別為09:35~10:01時間段, 科考試驗船相對水下滑翔機平臺的推算距離和聲矢量傳感器計算輸出科考試驗船相對水下滑翔機平臺的方位信息(轉(zhuǎn)換到地理坐標系), 顯示了科考試驗船由遠及近再到遠的距離變化關(guān)系。

圖9 目標探測能力驗證海上試驗結(jié)果

圖9(d)顯示, 聲矢量傳感器在采集科考試驗船輻射噪聲信號時, 還采集了存在的其他噪聲信號, 導(dǎo)致其解算科考試驗船目標方位不清晰, 方位精度低, 僅能大致給出噪聲信號的方位歷程。經(jīng)對比分析, 該噪聲信號為水下滑翔機平臺航向調(diào)節(jié)過程中, 電池滾動到左右極限, 抱閘開關(guān)啟停時產(chǎn)生的噪聲。圖10給出了水下滑翔機平臺航向調(diào)節(jié)過程中聲矢量傳感器采集的時域噪聲信號, 可明顯看出由航向調(diào)節(jié)機構(gòu)而產(chǎn)生的噪聲脈沖干擾。水下滑翔機平臺航向調(diào)節(jié)過程中, 航向調(diào)節(jié)機構(gòu)通過電磁抱閘來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)自鎖, 從而完成橫滾角調(diào)節(jié), 而抱閘開關(guān)會對航向調(diào)節(jié)機構(gòu)產(chǎn)生較強的脈沖激勵從而引起較強的振動噪聲。圖9(b)也顯示了抱閘開關(guān)啟停時, 振動噪聲引起的橫滾角數(shù)值變化。

圖10 聲矢量傳感器時域信號

此次海上試驗結(jié)果表明: 09:35~10:01時間段聲矢量傳感器計算輸出科考試驗船相對水下滑翔機平臺的方位信息, 經(jīng)姿態(tài)校正后, 與GPS推算方位結(jié)果基本吻合; 由于水下滑翔機平臺航向調(diào)節(jié)機構(gòu)抱閘噪聲干擾, 未能檢驗聲矢量傳感器在水下滑翔機平臺應(yīng)用時對科考試驗船的最遠探測距離。

4 結(jié)束語

文中將MEMS姿態(tài)傳感器集成應(yīng)用于聲矢量傳感器設(shè)計, 研制了小體積、高靈敏度姿態(tài)自感知聲矢量傳感器, 測試了其靈敏度、指向性等參數(shù), 并在消聲水池測試了聲矢量傳感器等效噪聲聲源級。同時利用集成聲矢量傳感器及其信號處理設(shè)備的水下滑翔機平臺在南海北部海域開展目標探測能力海上試驗, 試驗結(jié)果表明, 在航向調(diào)節(jié)機構(gòu)抱閘噪聲干擾下, 聲矢量傳感器可對航速10 kn、距離5 km的600 t級科考試驗船完成目標測向?；谒侣晫W(xué)滑翔機的目標探測技術(shù)是未來水下安防體系建設(shè)中水下無人移動探測體系的重要組成部分, 而包括聲矢量傳感器在內(nèi)的目標載荷設(shè)計以及適應(yīng)性集成應(yīng)用是其重要研究內(nèi)容, 未來還需進一步加強這方面的研究工作。

[1] 段桂林, 何希盈．無人水下航行器[M]. 北京: 海潮出版社, 2013.

[2] 沈新蕊, 王延輝, 楊紹瓊, 等. 水下滑翔機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(2): 89-106. Shen Xin-rui, Wang Yan-hui, Yang Shao-qiong, et al. Development of Underwater Gliders : An Overview and Pro- spect[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(2): 89-106.

[3] 蒲勇, 袁富宇. UUV群探測系統(tǒng)仿真設(shè)計[J]. 計算機仿真, 2012, 29(1): 143-147. Pu Yong, Yuan Fu-yu. Designed of Cooperative Detection Simulation System of UUV Group[J]. Computer Simulation, 2012, 29(1): 143-147.

[4] 許嬌, 張國軍, 石歸雄, 等. 纖毛式矢量水聽器新型封裝結(jié)構(gòu)的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2011, 24(4): 517-521.Xu Jiao, Zhang Guo-jun, Shi Gui-xiong, et al. Advancements in Encapsulation of Hair Vector Hydrophone[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2011, 24(4): 517-521.

[5] 牛嗣亮, 張振宇, 胡永明, 等. 單矢量水聽器的姿態(tài)修正測向問題探討[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報, 2011, 33(6): 105-110.Niu Si-liang, Zhang Zhen-yu, Hu Yong-ming, et al. Direction of Arrival Estimation from a Single Vector Hydrophone with Attitude Correction[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2011, 33(6): 105-110.

[6] 尹天宮．運動小平臺近場干擾抑制技術(shù)研究[D]．哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2013.

[7] 孫芹東, 笪良龍, 侯文姝, 等. 一種新型姿態(tài)實時修正矢量水聽器的設(shè)計[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2015, 34(2): 304-307.Sun Qin-dong, Da Liang-long, Hou Wen-shu, et al. Design of a New Real-Time Gesture Correction Vector Hydrophones[J]. Technical Acoustics, 2015, 34(2): 304-307.

[8] 王文龍. 單矢量水聽器目標方位估計研究[D]. 青島: 海軍潛艇學(xué)院, 2015.

[9] 陳宇中. 開環(huán)光纖陀螺性能改進及其在光纖矢量水聽器姿態(tài)測量上的應(yīng)用研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[10] 范繼祥. 矢量水聽器校準裝置研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007.

[11] 張小川, 王超, 孫芹東, 等. 水下滑翔機對矢量水聽器測向影響研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2017, 36(5): 327-328.Zhang Xiao-chuan, Wang Chao, Sun Qin-dong, et al. In- fluences by Underwater Glider on Measuring Direction of Vector Hydrophone[J]. Technical Acoustics, 2017, 36(5): 327-328.

1. 孫芹東, 蘭世泉, 王超, 等. 水下聲學(xué)滑翔機研究進展及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(1).

2. 尹云龍, 楊明, 楊紹瓊, 等. 基于水下滑翔機的海洋聲學(xué)背景場觀測技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(5).

3. 錢洪寶, 盧曉亭. 我國水下滑翔機技術(shù)發(fā)展建議與思考[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(5).

4. 劉來連, 閔強利, 張光明. “海鱘4000”水下滑翔機水動力特性與滑翔性能研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(5).

5. 沈新蕊, 王延輝, 楊紹瓊, 等. 水下滑翔機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(2).

6. 桑宏強, 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數(shù)定量分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(1).

7. 孫春亞, 宋保維, 王鵬. 翼身融合水下滑翔機外形優(yōu)化設(shè)計[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(2).

Acoustic Vector Sensor Design for Underwater Glider Platform

SUN Qin-dong1,2, ZHANG Xiao-chuan1,2*, WANG Wen-long1,2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China; 2. Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China)

In view of the fact that as current underwater glider slow-moving platform applies acoustic vector sensor to moving target detection in water, the sensor posture cannot be accurately measured to result in low-precision output of target azimuth, this study designed an acoustic vector sensor with attitude awareness capacity. First, the attitude sensor was integrated into the design of acoustic vector sensor, and parameter testing was performed; Second, the acoustic vector sensor was integrated into the underwater glider platform, and its equivalent noise source level was measured in an anechoic pool; Finally, target detection test was carried out with the acoustic vector sensor mounted on the underwater glider platform, in which a scientific research and test ship was taken as the target to evaluate the noise source azimuth estimation ability of the acoustic vector sensor which was applied to the underwater glider platform. Sea trial shows that, after the attitude correction, the estimation result of the target azimuth is basically consistent with that of the global positioning system, and meets the accuracy requirement of the direction finding. This research may provide reference for the engineering application of acoustic vector sensor to underwater glider platform.

underwater glider; acoustic vector sensor; attitude; target detection

TJ630.1; TB565.1

A

2096-3920(2020)03-0309-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.011

2019-10-12;

2020-01-02.

國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目; 國家重點研發(fā)計劃(2019YFC0311700); 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB0601).

*張小川(1990-), 男, 碩士, 講師, 主要研究方向為水聲換能器與基陣技術(shù).

孫芹東, 張小川, 王文龍. 適用于水下滑翔機平臺的聲矢量傳感器設(shè)計[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(3): 309-314.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)