用于水聲信號(hào)探測(cè)的水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫芹東，張 林，孫 巍，王文龍

(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(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266237)

0 引 言

“海燕”水下滑翔機(jī)，作為一種新型移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，可長(zhǎng)時(shí)間、大范圍在海洋中遨游，測(cè)量水面至數(shù)千米（可達(dá)到全海深）范圍內(nèi)的海洋多參量數(shù)據(jù)[1]，并在海面通過衛(wèi)星進(jìn)行定位及數(shù)據(jù)傳輸[2]，接收岸站剖面啟動(dòng)、參數(shù)設(shè)置等指令信息，“海燕”水下滑翔機(jī)平臺(tái)技術(shù)相對(duì)成熟，已廣泛應(yīng)用于海洋水文環(huán)境、湍流、溶解氧等觀測(cè)，為海洋和大氣科學(xué)基礎(chǔ)研究、深遠(yuǎn)海資源開發(fā)、海洋水文環(huán)境精細(xì)化測(cè)量等提供技術(shù)支持[3]。矢量水聽器可同時(shí)采集所在聲場(chǎng)聲壓標(biāo)量、三維質(zhì)點(diǎn)加速度以及自身實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，水聲信號(hào)處理設(shè)備通過對(duì)水聲及姿態(tài)信息的聯(lián)合處理可直接得到目標(biāo)相對(duì)于地理坐標(biāo)系的方位信息[4-5]。

在水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，21 世紀(jì)初，美國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼在Slocum[6]，Seaglider，ZRay[7-8]滑翔機(jī)平臺(tái)集成聲學(xué)傳感器或其陣列用于海洋科學(xué)研究和目標(biāo)探測(cè)任務(wù)。國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在這方面的研究工作基本與美國保持同步，初步具備對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力[9-10]。本文旨在發(fā)揮水下滑翔機(jī)平臺(tái)大范圍、長(zhǎng)時(shí)續(xù)和三維復(fù)合同振式矢量水聽器低頻、高靈敏度、高可靠性等優(yōu)勢(shì)[11-13]，設(shè)計(jì)一種具備海洋目標(biāo)自主探測(cè)功能的水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)，為三維復(fù)合同振式矢量水聽器在水下緩動(dòng)聲吶平臺(tái)以及水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)在海洋移動(dòng)目標(biāo)自主探測(cè)領(lǐng)域的工程業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 三維復(fù)合同振式矢量水聽器設(shè)計(jì)

矢量水聽器應(yīng)用在水下滑翔機(jī)緩動(dòng)聲吶平臺(tái)需要實(shí)時(shí)獲取其姿態(tài)信息，目前的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)有高精度的光纖陀螺或機(jī)械陀螺姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，但其體積大、功耗大、成本高，無法安裝應(yīng)用在水下滑翔機(jī)平臺(tái)上。成本較低的加速度電子羅盤姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)由于精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)太差，無法及時(shí)準(zhǔn)確地感測(cè)矢量水聽器的快速晃動(dòng)。三維復(fù)合同振式矢量水聽器針對(duì)水下滑翔機(jī)緩動(dòng)聲吶平臺(tái)應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)，在常規(guī)矢量水聽器技術(shù)基礎(chǔ)上，依據(jù)姿態(tài)感知原理，在其內(nèi)部集成微型MEMS 姿態(tài)傳感器，用于感知矢量水聽器實(shí)時(shí)姿態(tài)信息[14]。微型MEMS 姿態(tài)傳感器包含三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計(jì)和三軸MEMS 磁力計(jì)，三軸MEMS 陀螺儀用于解算矢量水聽器姿態(tài)，利用三軸MEMS 加速度計(jì)檢測(cè)的重力加速度和三軸MEMS 磁力計(jì)檢測(cè)的磁北參數(shù)數(shù)據(jù)來對(duì)三軸MEMS 陀螺儀解算姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新與校正。

為減小裝配誤差，姿態(tài)傳感器選用九軸傳感器作為敏感器件，在一個(gè)芯片上同時(shí)集成了三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計(jì)和三軸MEMS 磁力計(jì)，能夠最大限度地減小軸間裝配誤差，其各角度動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和精度如表1 所示，可滿足三維復(fù)合同振式矢量水聽器在水下滑翔機(jī)緩動(dòng)聲吶平臺(tái)應(yīng)用要求。

表1 姿態(tài)傳感器參數(shù)列表Tab.1 Parameter list of attitude sensor

三維復(fù)合同振式矢量外形為膠囊體，制作完成后水聽器外形尺寸為Φ76×78 mm，實(shí)際使用時(shí)用彈簧懸掛在剛性框架內(nèi)。圖1 為在駐波管和消聲水池測(cè)試的矢量水聽器各通道工作頻帶內(nèi)靈敏度結(jié)果（矢量水聽器前置放大20 倍），其中100～1 000 Hz 頻段在駐波管測(cè)試、1 250～3 150 Hz 頻段在消聲水池測(cè)試。圖1 為在駐波管測(cè)試的不同頻點(diǎn)處矢量水聽器各通道指向性結(jié)果。

由圖1 測(cè)試結(jié)果可知，聲壓通道靈敏度級(jí)為166.2 dB（0 dB=1 V/μPa），測(cè)試頻帶內(nèi)靈敏度起伏為±1.2 dB，測(cè)試靈敏度值與理論值吻合較好；加速度通道靈敏度級(jí)為-173.3 dB（@100 Hz，0 dB=1 V/μPa），3 個(gè)加速度通道測(cè)試值與理論值基本吻合，且3 個(gè)加速度通道靈敏度一致性較好。

圖1 矢量水聽器靈敏度測(cè)試結(jié)果Fig.1 Sensitivity test results of vector hydrophone

圖2 矢量水聽器指向性測(cè)試結(jié)果Fig.2 Directivity test results of vector hydrophone

由圖2 測(cè)試結(jié)果可知，聲壓通道具有全指向性，在500 Hz 頻點(diǎn)處最大值不均勻性為0.9 dB；加速度通道具有余弦指向性，分辨力均大于33.4 dB，x通道在630 Hz 頻點(diǎn)處最大值不均勻性為0.7 dB，y通道在200 Hz頻點(diǎn)處最大值不均勻性為0.8 dB，z通道在800 Hz 頻點(diǎn)處最大值不均勻性為1.3 dB，3 個(gè)加速度通道主軸方向靈敏度最大值對(duì)稱性較好，與主軸垂直方向靈敏度最小值對(duì)稱性方面 x 通道相比于另外兩通道略差，可能是測(cè)試時(shí)懸掛不對(duì)稱導(dǎo)致。

圖3 水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of underwater acoustic glider system

2 水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，主要包括矢量水聽器、水聲信號(hào)濾波放大模塊和A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FPGA 主控和DSP 信號(hào)處理模塊、滑翔機(jī)主控系統(tǒng)；其整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過在水下滑翔機(jī)平臺(tái)前端伸出長(zhǎng)桿集成矢量水聽器探測(cè)單元，并設(shè)置信號(hào)處理機(jī)獨(dú)立艙室，依次包括矢量水聽器、信號(hào)處理機(jī)、主耐壓殼體、浮力調(diào)節(jié)、姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源、導(dǎo)航與控制、螺旋槳輔推、多頻天線，能夠完成剖面滑翔、動(dòng)力滑翔機(jī)、定深直航等工作模式，耐壓殼體可承受1 300 m 耐壓極限深度。矢量水聽器單元和水下滑翔機(jī)平臺(tái)之間采用連接桿固定，水下滑翔機(jī)平臺(tái)前導(dǎo)流罩內(nèi)部設(shè)置有水聲信號(hào)處理機(jī)獨(dú)立艙室，矢量水聽器用彈性元件懸掛于加肋導(dǎo)流罩內(nèi)部，導(dǎo)流罩采用聚氨酯透聲材料，以降低系統(tǒng)工作時(shí)流噪聲影響[15-16]和確保聲波的傳播，矢量水聽器單元和水聲信號(hào)處理機(jī)單元間通過水密電纜實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

3 矢量水聽器信號(hào)調(diào)理與采集電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際背景環(huán)境噪聲的影響下，矢量水聽器輸出的模擬信號(hào)中包含高頻和低頻噪聲，在數(shù)據(jù)處理前通常需要進(jìn)行濾波處理，采用模擬帶通濾波電路和高階數(shù)字濾除器完成矢量水聽器的濾波處理。矢量水聽器輸出信號(hào)通常在百毫伏級(jí)，為了與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬通道輸入信號(hào)幅值相匹配，在前端加入了放大器，同時(shí)采用1 階高通濾波器和2 階低通濾波器所組成的帶通濾波器來濾除高頻噪聲。

放大電路主要采用AD8221 精密儀表放大器，其輸入電壓范圍在±12 V，放大倍數(shù)可通過外接電阻調(diào)節(jié)。外接電阻選用200 kΩ，將放大器的輸出電壓范圍調(diào)節(jié)為±12.47 V。然后利用阻值為2∶1∶2 的電阻分壓器將傳向后端網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓范圍調(diào)節(jié)為±2.5 V，最后將ADS1278 輸出的2.5 V 偏置電壓引入到OP2177 的輸入正極，同時(shí)將AD 輸入通道的電壓調(diào)節(jié)到0～5 V。

為了實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，模數(shù)轉(zhuǎn)化部分選用了采樣精度24 bit 的ADS1278 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在高精度模式下采樣率可到達(dá)2 Msps，能夠滿足系統(tǒng)的功能需求。輸出方式采用SPI 協(xié)議，在保證傳輸速率的前提下四線通信更有利于系統(tǒng)小型化布局。為了避免電源噪聲的引入，在AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的供電引腳處添加了多組去耦電容、旁路電容以及降壓穩(wěn)壓器。在PCB 設(shè)計(jì)中采用數(shù)字地和模擬地分開的方式降低數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾影響。

4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊采用FPGA+DSP 的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量水聽器的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、四路水聲信息和姿態(tài)信息聯(lián)合信號(hào)處理。

FPGA 作為系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)流核心控制器，主要控制矢量水聽器的AD 采集模塊和移動(dòng)平臺(tái)的信息交互接口。核心控制器采用賽靈思的Spartan-7 系列，其可配置IO 接口以及內(nèi)部的主要資源都滿足設(shè)計(jì)要求，并且可為后期的功能拓展提供良好平臺(tái)。在整個(gè)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 需要實(shí)時(shí)采集模擬板的AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、時(shí)間芯片的時(shí)間數(shù)據(jù)、平臺(tái)發(fā)送的控制信息以及DSP 的處理結(jié)果。FPGA 內(nèi)部通過控制邏輯完成各模塊接口協(xié)議，利用RAM 和FIFO 寄存器緩存各個(gè)過程中的參數(shù)變量，實(shí)現(xiàn)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸。

DSP 對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤算法處理，并通過人工智能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，通過判斷目標(biāo)的有無決定是否進(jìn)行信息上報(bào)。同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)回傳至FPGA，由FPGA 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至板載存儲(chǔ)單元。后期可通過以太網(wǎng)將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳至電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和場(chǎng)景重現(xiàn)。

5 海上試驗(yàn)驗(yàn)證

2018 年，在南中國海海域，應(yīng)用設(shè)計(jì)的水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)開展目標(biāo)探測(cè)能力試驗(yàn)驗(yàn)證，水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)采用剖面滑翔方式采集艦船輻射噪聲信號(hào)，設(shè)置水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)最大下潛深度為1 200 m。以下給出水下聲學(xué)滑翔機(jī)在剖面滑翔工作模式下，對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）所接收水面航船目標(biāo)（MMSI 號(hào)為414350640，船長(zhǎng)42 m、船寬6 m、航速8.4 kn水面航船）的探測(cè)過程。

圖4 水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)與下潛深度及姿態(tài)信息Fig.4 Underwater acoustic glider system and dive depth and attitude information

如圖4（a）所示，水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)10:50 時(shí)刻開始接收下潛指令，入水下潛，1 054 時(shí)刻開始采集艦船目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)，13:49～13:59 時(shí)間段水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)，擠壓油囊，改變自身浮力，排油上浮，在13:49～13:59 時(shí)間段由于水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)工況噪聲較大，矢量水聽器停止采集輻射噪聲信號(hào)，13:59～14:50 時(shí)間段繼續(xù)采集輻射噪聲信號(hào)，14:50 時(shí)刻浮出水面。水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)期間設(shè)置最大下潛深度為1 200 m，實(shí)際最大下潛深度為1 175 m，單剖面水下連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)約4 h。如圖4（b）所示，為12∶54～13∶49 時(shí)間段內(nèi)姿態(tài)傳感器采集的矢量水聽器姿態(tài)信息，由于矢量水聽器懸掛支架和水下滑翔機(jī)平臺(tái)剛性連接，其姿態(tài)也反映了水下滑翔機(jī)剖面滑翔時(shí)的姿態(tài)。航向角輸出對(duì)應(yīng)滑翔機(jī)平臺(tái)相對(duì)磁北基準(zhǔn)值的角度，俯仰角輸出對(duì)應(yīng)滑翔機(jī)平臺(tái)俯仰角變化，俯仰角為正值表示滑翔機(jī)平臺(tái)頭部下傾做剖面滑翔運(yùn)動(dòng)、俯仰角為負(fù)值表示滑翔機(jī)平臺(tái)頭部朝上做剖面滑翔運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)橫滾角輸出對(duì)應(yīng)滑翔機(jī)平臺(tái)橫滾變化情況，如果水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)航向偏離計(jì)劃航向時(shí)，滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就會(huì)工作來調(diào)整滑翔機(jī)平臺(tái)航向。航向角輸出結(jié)果顯示，12:54～13:49 時(shí)間段水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)以約210°航向向西南方向移動(dòng)，但如圖5（b）所示，10:54～14:54 時(shí)間段，水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)整體在向東北方向移動(dòng)，說明在海流作用下，水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)在水下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，局部時(shí)間段內(nèi)運(yùn)動(dòng)并不能反映其在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；橫滾角輸出結(jié)果顯示，12:54～13:49 時(shí)間段水下聲學(xué)滑翔機(jī)橫滾角數(shù)值在-20°～20°之間頻繁變化，說明水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)在受海流影響下，通過頻繁使用航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)航向，以保持水下聲學(xué)滑翔機(jī)按照預(yù)定航向前行。

圖5 水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of underwater acoustic glider system target detection test

圖5（a）和圖5（b）分別為12∶54～13∶49 時(shí)間段水面航船相對(duì)水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)方位（轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系）、推算距離和水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)和水面航船態(tài)勢(shì)信息。矢量水聽器計(jì)算輸出水面航船相對(duì)水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)的方位信息，顯示了水面航船由遠(yuǎn)及近再到遠(yuǎn)的距離變化關(guān)系。12:54 時(shí)刻，水面航船位水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)125°方位，以8.4 kn 航速、301°航向靠近水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)，13:49 時(shí)刻，水面航船位水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)293°方位，水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)停止工作。12:54～13:49 時(shí)間段，水面航船和水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)最近距離為0.8 km、最遠(yuǎn)距離為7.8 km，由于水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)在13:49 時(shí)刻停機(jī)，未能檢驗(yàn)水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)對(duì)水面航船的最遠(yuǎn)探測(cè)距離。

6 結(jié) 語

本文依據(jù)矢量水聽器姿態(tài)感知原理，設(shè)計(jì)制作三維復(fù)合同振式矢量水聽器，采用FPGA+DSP 架構(gòu)設(shè)計(jì)制作數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)分析單元，為充分發(fā)揮矢量水聽器和水下滑翔機(jī)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，研發(fā)可應(yīng)用于水中移動(dòng)目標(biāo)水聲信號(hào)探測(cè)的水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)。海上試驗(yàn)結(jié)果表明，三維復(fù)合同振式矢量水聽器可在100～3 000 Hz范圍內(nèi)采集目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)，姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)確，水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)在剖面滑翔工作模式，對(duì)船長(zhǎng)42 m、船寬6 m、航速8.4 kn 水面航船探測(cè)距離≥7.8 km。本文相關(guān)研究對(duì)矢量水聽器在水下緩動(dòng)聲吶平臺(tái)以及水下聲學(xué)滑翔機(jī)系統(tǒng)在水中移動(dòng)目標(biāo)水聲信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。