深海甚低頻水聲與地震波場的聯(lián)合探測試驗

董海濤，王海燕，申曉紅，馬石磊

(1.西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072；2.海洋聲學信息感知工業(yè)和信息化部重點實驗室(西北工業(yè)大學), 陜西 西安 710072; 3.陜西科技大學 電子信息與人工智能學院，陜西 西安 710021)

深遠海對于我國的主權(quán)、安全與發(fā)展等有著全方位的特殊意義，南海兼具近海和遠海的特征，是我國海軍打破島鏈閉鎖、走向遠洋的關(guān)鍵，同時也是我國國家安全的天然戰(zhàn)略縱深，其戰(zhàn)略地位和軍事價值日益顯著，伴隨我國海軍航母編隊走向深藍的步伐，對加快發(fā)展深遠海水中兵器以及遠程預警探測能力的需求也愈發(fā)迫切。

探測是水下作戰(zhàn)中的首要環(huán)節(jié)，其中被動探測系統(tǒng)能夠保證接收平臺的隱蔽性，是現(xiàn)代信息戰(zhàn)中取得戰(zhàn)爭優(yōu)勢并形成強有力海上軍事威懾的關(guān)鍵。水中航行的艦艇是很大的能量載體，可以通過船體對水體的擾動、船體的固有頻率振動、船上的機械振動輻射噪聲、螺旋槳噪聲以及水動力噪聲等方式將能量釋放到水體中向外傳播[1-4]。其中甚低頻段輻射聲信息具有難抑制、傳播衰減小等特點，能夠為實現(xiàn)水中目標遠程被動探測帶來大的增益“窗口”。由于甚低頻信號具有強的穿透性，因此艦艇輻射噪聲甚低頻段能量容易經(jīng)由水體耦合至海底形成艦艇地震波場，其能夠反映艦艇發(fā)動機、螺旋槳運行狀態(tài)，適用于對水中艦艇目標的被動探測。艦艇地震波具有縱向衰減快、橫向衰減慢，頻率低等特點，可作為沉底水雷引信、火箭上浮水雷等水中兵器的接收物理場，其直接感知目標低頻特征成分，有利于在遠距離發(fā)現(xiàn)和探測艦船目標，且不易受水文條件的影響，將是水聲引信的一種有效補充。

事實上，圍繞甚低頻聲場與地震波的被動探測一直是各海洋強國的研究熱點。從20世紀40年代至今，國外先后開展了一系列水下低頻和甚低頻聲/地聲傳播的理論與試驗研究[5-8]。2016年，俄羅斯報道在日本海利用激光應(yīng)變計進行了水中航行艦船的超遠程探測試驗，對航行渡輪的最遠探測距離可達290 km[9]。文獻[10]報道了美、俄等國家水中兵器水聲場與地震波場聯(lián)合引信，如美國的DST(36、40、41型)水雷、MK(58、62、63、64、65、67型)水雷、DSTMK117D型“破壞者”水雷、DSTMK114 A型錨雷以及俄羅斯的995型水雷等。由于艦艇地震波包含艦艇航行時的連續(xù)寬帶能量耦合，尤其是大型水面艦船的能量耦合，一般的掃雷具難以模擬出等量級的震動信號，因此相應(yīng)設(shè)定引信閾值的地震波水雷具有較好的抗掃性，是一種理想的水雷值更引信。

我國近10年有關(guān)艦艇甚低頻聲場與地震波場的研究逐步增多，各高校及研究所開展了一定的理論及試驗初探，研究表明艦船地震波場信號有明顯的譜特性，其作為水雷聯(lián)合引信具有可行性[10-16]，在沉底水雷引信和安靜型潛艇遠程預警等軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，相關(guān)理論及試驗研究主要集中在淺海與近海，對于深海的航船引起海底地震波的試驗研究未見報道。考慮我國發(fā)展深海水中兵器引信的必要性，獲取并認知深海實船甚低頻聲與地震波特性具有重要的實際意義。

1 水中目標特性描述

對于大型水中艦艇目標聲場特性國內(nèi)外已開展了大量的研究，其中Ross等[2]和Urick等[3]給出的艦船輻射噪聲在不同頻段上的縱向分布特性統(tǒng)計規(guī)律最為典型。艦船輻射噪聲源可分為三大類：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲，其中機械噪聲和螺旋槳噪聲是目標被動探測的主要特征源。

機械噪聲是指航行或作業(yè)艦船上的各種機械的振動，通過船體向水中輻射而形成的噪聲，其主要來源是主機(柴油機、主電動機、減速器)和輔機(發(fā)電機、泵、空調(diào)設(shè)備)，主要成分是振動基頻及它的諧波分量。主機和輔機系統(tǒng)會產(chǎn)生與其航行狀態(tài)及機械工作狀態(tài)密切相關(guān)的周期頻率，其振動產(chǎn)生的線譜通常會與每一個氣缸的點火頻率以及總體點火頻率相關(guān)。由于點火頻率和發(fā)動機的尺度成反比，因此大型發(fā)動機通常產(chǎn)生的振動頻率主要為較低頻率段(<10 Hz)，而小型發(fā)動機產(chǎn)生的振動頻率往往在較高頻段(10～200 Hz)。螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所產(chǎn)生的，包括螺旋槳空化噪聲和葉片振動時產(chǎn)生的噪聲。螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時，葉片尖上和表面上會產(chǎn)生負壓區(qū)，隨著其旋轉(zhuǎn)至不同深度所帶來的壓力梯度變化使氣泡進入水中，這些不穩(wěn)定氣泡破裂時會發(fā)出尖的聲脈沖，是艦船輻射噪聲高頻段的主要部分?？栈潭扰c水壓有關(guān)，隨深度和尾流場的非均勻性而變化，隨著螺旋槳葉片在不同的水深旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生調(diào)制，即螺旋槳噪聲是一種調(diào)制周期類似于螺旋槳頻率的幅度調(diào)制的空化成分。這種被調(diào)制的噪聲稱為“唱音”，又稱旋轉(zhuǎn)噪聲，其頻譜是與葉片數(shù)及螺旋槳轉(zhuǎn)速直接相關(guān)的“葉片速率”譜，是聲吶系統(tǒng)目標識別和目標速度估計的重要依據(jù)。通過檢測與提取艦船發(fā)動機和螺旋槳基頻信息可以有效獲取艦船的相關(guān)物理參數(shù)(目標發(fā)動機機軸轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)以及螺旋槳轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)等)物理參數(shù)[17]，比較發(fā)動機和螺旋槳基頻信息可以進一步推導出目標的運行參數(shù)?，F(xiàn)有的噪聲包絡(luò)解調(diào)分析(detection envelope modulation on noise，DEMON)[18]、循環(huán)譜分析等調(diào)制譜分析方法[4]主要是解調(diào)水聽器接收的高頻段螺旋槳空化噪聲，進而得到螺旋槳的軸轉(zhuǎn)速及葉片旋轉(zhuǎn)頻率信息，是目前水中目標被動探測與識別最有效的手段。

2 傳感系統(tǒng)及試驗概況

考慮深海環(huán)境下的物理場傳感問題，需要關(guān)注以下幾個方面：1)高靈敏傳感問題，深海地震波傳感系統(tǒng)布放水深通常在千米以上深度，即目標近場通過時距離也在千米量級，為有效捕獲目標近場通過特性，需要采用高靈敏的傳感器；2)深海自容式實時同步傳感的問題，在深海傳統(tǒng)有纜連接的方式實施難度大、靈活性差，因此電子系統(tǒng)需要實現(xiàn)對多通道數(shù)據(jù)的實時同步采集與存儲，同時需要考慮低功耗的問題；3)耐壓結(jié)構(gòu)的耦合問題，在千米深海布放需要考慮殼體的耐壓材料與結(jié)構(gòu)，而這也同時帶來結(jié)構(gòu)耦合的問題，因此傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是需要考慮的一個問題。

圍繞上述問題，設(shè)計并研制了深海自容式三分量地震波傳感系統(tǒng)，包括傳感模塊、電池模塊、電子模塊以及耐壓殼體，耐壓深度大于2 000 m，系統(tǒng)采用高靈敏加速度型傳感器，靈敏度60 V/g，工作頻帶0.05～250 Hz，采樣頻率500 Hz，具備水下20 d以上的自主持續(xù)工作能力，可實時采集并存儲三通道地震波場信息。水聲場信息由水聽器獲取，工作頻帶5～5 kHz，接收靈敏度大于等于-192 dB。

試驗在南海東沙某海域開展，潛標記錄布放水深1 825 m。如圖1(a)所示地震波傳感系統(tǒng)通過硬連接加裝于深海坐底潛標上。該潛標的海底工作狀態(tài)示意如圖1(c)所示，潛標整體與配重錨設(shè)計為緊連接狀態(tài)以確保海底地震波能夠耦合至傳感系統(tǒng)。由于地震波傳感系統(tǒng)與潛標為一個整體，且實際入水時潛標外層存在浮力材在一定程度上也會起到隔絕水聲信號的作用，因此相比于水聲信號其對海底振動應(yīng)更加敏感。水聽器通過減震裝置連接于潛標頂部，與水體直接接觸，距離地震波傳感系統(tǒng)約1 m距離，可作為地震波傳感信息的參考對照。

圖1 系統(tǒng)加裝及海上試驗

傳感系統(tǒng)布放完畢后，以布放船為目標獲取航行艦船聲場與地震波場信息，測線設(shè)置如圖2所示：19°21.694′N/115°5.30′E—19°27.903′N/115°E。x、y分別表示三分量地震比傳感系統(tǒng)的2個水平方向，由潛標系統(tǒng)羅經(jīng)測得。目標試驗船為4葉螺旋槳船，試驗中該船由V1～V2沿測線以9 kn速度勻速航行，發(fā)動機轉(zhuǎn)速RPM約為850 r/min?？梢酝扑闫渲饕卣鲄?shù)如下：機軸轉(zhuǎn)動頻率fCR約為14.16 Hz；氣缸點火頻率fCF約為7.08 Hz；螺旋槳軸頻fSR約為3.1 Hz；螺旋槳葉頻fBR約為12.4 Hz。

圖2 目標走航測線

3 目標水聲場與地震波場特性分析

3.1 目標聲場與地震波場通過特性

圖3(a)～(d)分別為目標正橫通過前后共1 h的4通道(P、X、Y、Z)時域信號波形。聲壓通道的時域總能量變化相對較平穩(wěn)，而三分量地震波場時域通過特性的能量變化比較明顯，尤其是Y通道和Z通道在正橫附近表現(xiàn)出強的近場強能量耦合特性，可以明顯觀測到40 min以上的艦船通過行為。由此可知，目標甚低頻地震波傳感系統(tǒng)對艦船輻射的振動能量更加敏感，相比聲場更有利于水雷引信的近場能量檢測，可以成為聲引信的有效補充。

圖3 目標通過聲場與地震波場時域信號

圖4給出了目標甚低頻聲場與地震波場的時頻通過特性分析。能夠看出聲壓通道完整的通過信息，在50 Hz以上頻段能夠包含更多窄帶信息，對于50 Hz以下特征不明顯且伴有連續(xù)強寬帶能量干擾，說明甚低頻段的環(huán)境噪聲級較高，這可以與經(jīng)典Wenz譜相吻合。三軸地震波通道信息相比聲場有聲壓通道有共同亦有明顯的差異性，體現(xiàn)為窄帶信息不完整，寬帶能量更強。X通道在100 Hz以上的高頻段能夠觀測到連續(xù)的多線譜成分，部分譜線如237 Hz其存在時間多于聲壓通道約10～15 min，且還可以觀測到聲壓通道中未存在的譜線如246 Hz譜線。50 Hz以下無連續(xù)強寬帶能量干擾，說明甚低頻段的環(huán)境地震波單通道噪聲級相比聲場較低。Y通道和Z通道從10 min開始可以觀測到持續(xù)存在的強寬帶能量，其或可反映目標船只噸位信息，從抗掃性的角度來看值得深入研究。兩通道窄帶譜線成分稀少，但是Y通道能夠直接觀測到持續(xù)存在的50 Hz窄帶譜，認知為船載交流電機的工頻，這一特征在聲通道中已完全淹沒在背景噪聲中?？紤]國際船載交流電機的工頻定義有2大類(50 Hz與60 Hz)，這一特征在一定程度上可以用于區(qū)分敵我。此外，Y通道154 Hz處的窄帶譜線在10 min前相比聲通道更加清晰，其產(chǎn)生機理及原因在此無法作出確切解釋，有待后續(xù)深入研究。

綜上所述，艦艇通過輻射聲場與地震波場信息存在共性亦有差異性，其主要表現(xiàn)為：1)艦船地震波場通過特性的變化量強于聲場，更有利于近場檢測，成為聲引信判別目標船只噸位信息、掃雷具虛假聲源等的有效補充；2)甚低頻聲場能夠包含更多窄帶信息，但是地震波場往往能提前觀測到目標部分譜線，甚至在聲場中未存在獨特的譜線。因此，聯(lián)合聲場與地震波場不僅能夠獲取更多的目標信息，同時還能夠提升對目標船只噸位信息、掃雷具虛假聲源等的判別，相比單一聲場能夠取得更好的檢測性能及抗掃性能。

3.2 目標聲場與地震波場包絡(luò)譜特性分析

由上節(jié)可知目標地震波場具有明顯的通過特性，且伴有強寬帶噪聲。截取12～14 min目標地震波場試驗數(shù)據(jù)，選取全頻帶信息，利用希爾伯特變換分別求聲壓通道以及三分量地震波通道的包絡(luò)譜，圖5(a)～(d)分別給出四通道歸一化功率譜(0～50 Hz)。從聲壓通道的包絡(luò)譜中可以快速找到機軸轉(zhuǎn)動頻率、氣缸點火頻率 以及螺旋槳葉頻，但是對于螺旋槳軸頻未能得到。對5 Hz以下頻率放大，可以在0.01～1 Hz窗口觀測到一組基頻為0.088 Hz的諧波族，其頻率與艦艇發(fā)動機和螺旋槳基頻頻率無關(guān)，其產(chǎn)生機理有待后續(xù)認知，但可以預期有利于目標識別。三分量地震波包絡(luò)譜中均可以清晰地觀測到螺旋槳的軸頻和葉頻，其4倍頻關(guān)系與四葉螺旋槳對應(yīng)。對于X通道，能夠?qū)?yīng)出機軸轉(zhuǎn)動頻率、氣缸點火頻率。在有強寬帶噪聲的Y通道和Z通道包絡(luò)譜中可以發(fā)現(xiàn)更加完整的螺旋槳特征頻率，其中葉頻尤為突出。

綜上所述，艦艇通過輻射水聲場與地震波場包絡(luò)譜信息亦存在共性和差異性，其主要表現(xiàn)為：1)聲壓包絡(luò)譜分析往往難以有效獲取軸頻，而三分量地震波包絡(luò)譜分析能夠更清晰的提取螺旋槳軸頻和葉頻，其完整的螺旋槳特征頻率能夠更有利于推理目標發(fā)動機的相關(guān)物理特征；2)在甚低頻聲壓包絡(luò)譜中能夠在0.01～1 Hz以下窗口觀測到與艦艇發(fā)動機和螺旋槳基頻頻率無關(guān)的諧波族，其產(chǎn)生機理有待后續(xù)認知，但可以預期有利于目標識別。

4 結(jié)論

1)艦船地震波場通過特性的變化量強于聲場，更有利于近場檢測，成為聲引信判別目標船只噸位信息、掃雷具虛假聲源等的有效補充；

2)甚低頻聲場能夠包含更多窄帶信息，但是地震波場往往能提前觀測到目標部分譜線，甚至在聲場中未存在獨特的譜線；

3)聲壓包絡(luò)譜分析往往難以有效獲取軸頻，而三分量地震波包絡(luò)譜分析能夠更清晰地提取螺旋槳軸頻和葉頻；

4)在甚低頻聲壓包絡(luò)譜中能夠在0.01～1 Hz以下窗口觀測到與艦艇發(fā)動機和螺旋槳基頻頻率無關(guān)的諧波族，其產(chǎn)生機理有待后續(xù)認知，但可以預期有利于目標識別。

由此可見，艦船甚低頻聲場與地震波場通過特性及其反映艦艇發(fā)動機、螺旋槳狀態(tài)等關(guān)鍵特征存在共性與差異性，表明了發(fā)展深海水中兵器甚低頻聲場與地震波場聯(lián)合引信技術(shù)是必要且可行的。