矢量水聽器在水下滑翔機(jī)上的應(yīng)用研究

王文龍，王超，韓梅，孫芹東，張小川

(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)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

0 引言

水下滑翔機(jī)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型水下無人潛器，它是在自沉浮浮標(biāo)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，是一種介于浮標(biāo)和自主水下航行器之間的剖面測量設(shè)備[1]。水下滑翔機(jī)作為一種新型無動力無人海洋移動監(jiān)測平臺，具有在位時間長、航程距離遠(yuǎn)、噪聲水平低、隱蔽性能高、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，其平臺技術(shù)相對成熟，其工作原理是：通過改變自身浮力變化驅(qū)動，借助兩側(cè)水平翼產(chǎn)生水動力，改變水下滑翔機(jī)重心位置以調(diào)整運(yùn)動姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)滑翔運(yùn)動[2-7]。近年來，隨著平臺、傳感器技術(shù)及水聲信號處理的發(fā)展，水下滑翔機(jī)在水中目標(biāo)探測方面的應(yīng)用得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[8-13]。

矢量水聽器可以同步共點(diǎn)輸出聲壓標(biāo)量和質(zhì)點(diǎn)振速或質(zhì)點(diǎn)振動加速度等正交矢量，與聲壓水聽器相比提供了更加全面的聲場信息，大大提高了聲場分析的能力。矢量水聽器即具有與頻率無關(guān)的偶極子接收指向性，也具有一定的抗各向同性噪聲能力，利用單矢量水聽器可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)全空間無模糊測向，使得矢量水聽器在水聲探測領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢[14-17]。

在水下滑翔機(jī)平臺上搭載聲學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建新型水下聲學(xué)滑翔機(jī)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文通過在天津大學(xué)Petrel-Ⅱ型水下滑翔機(jī)平臺上集成矢量水聽器聲學(xué)系統(tǒng)，對聲學(xué)系統(tǒng)和滑翔機(jī)平臺各工況下自噪聲在消聲水池進(jìn)行測量，分析聲學(xué)系統(tǒng)自噪聲水平和平臺主要噪聲源，以期根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)平臺減震降噪處理，并對聲學(xué)系統(tǒng)工作模式進(jìn)行優(yōu)化。為檢驗(yàn)水下聲學(xué)滑翔機(jī)的目標(biāo)探測性能，于2018年5月，在南海海區(qū)組織了水下聲學(xué)滑翔機(jī)協(xié)同探測試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水下聲學(xué)滑翔機(jī)可作為一種潛在的優(yōu)勢水下無人移動探測平臺，用于對水中目標(biāo)進(jìn)行長期隱蔽探測。

1 水下滑翔機(jī)聲學(xué)探測系統(tǒng)

為提升矢量水聽器對水下弱目標(biāo)信號的檢測能力，對矢量水聽器各模塊進(jìn)行了電磁屏蔽處理，通過對加速度傳感器和壓電陶瓷圓管進(jìn)行單獨(dú)屏蔽，可實(shí)現(xiàn)整體電磁兼容性，從而降低矢量水聽器自噪聲[18-20]。

為完成矢量水聽器接收水聲信號的采集、存儲、處理和分析，本文研發(fā)了一種低功耗和小尺寸的四通道水聲信號處理機(jī)。水聲信號處理機(jī)整體功耗約6 W，總?cè)萘繛?4 GB，由電源板、模擬板、數(shù)字板以及上位機(jī)組成，其中還包括控制、船舶自動識別系統(tǒng)、姿態(tài)和調(diào)試4個RS232接口以及1個網(wǎng)口用以進(jìn)行信息傳輸，網(wǎng)口主要用于水聲信號處理機(jī)和上位機(jī)之間的連接，上位機(jī)連接信號處理機(jī)后便可對其進(jìn)行授時、格式化、數(shù)據(jù)下載和程序更新等操作[8-9]。

圖1給出了矢量水聽器和水聲信號處理機(jī)整個聲學(xué)系統(tǒng)4個通道在消聲水池測量得到的自噪聲結(jié)果，為了便于比較，同時給出了Knudsen曲線在海況0級(SS0)和6級(SS6)條件下的海洋環(huán)境噪聲譜級。由圖1可以看出：1)矢量水聽器聲壓通道自噪聲譜級在整個頻率范圍內(nèi)小于0級海況海洋環(huán)境噪聲；2)矢量水聽器3個矢量通道自噪聲譜級隨頻率的降低而增大，這是因?yàn)槭噶克犉魇噶客ǖ赖刃晧红`敏度隨頻率的降低而減小，頻率越低、矢量通道自噪聲譜級越大，從而使得矢量通道自噪聲在低頻段達(dá)到最大。

2 水下滑翔機(jī)平臺自噪聲測試

Petrel-Ⅱ型水下滑翔機(jī)主要用于海洋環(huán)境觀測任務(wù)，其對平臺自噪聲考慮較少，而聲學(xué)系統(tǒng)工作時對水下滑翔機(jī)的平臺自噪聲非常敏感，系統(tǒng)排油、姿態(tài)調(diào)節(jié)及螺旋槳轉(zhuǎn)動等均會產(chǎn)生較大的平臺自噪聲，并嚴(yán)重干擾矢量水聽器信號接收。為了更好地開展聲矢量水聽器在水下滑翔機(jī)平臺上的應(yīng)用工作，有必要對滑翔機(jī)平臺各工況下的輻射噪聲進(jìn)行測量，得到水下滑翔機(jī)的自噪聲源分布及其特性，這對滑翔機(jī)減振降噪措施的實(shí)施和性能改進(jìn)具有較好的指導(dǎo)意義[10-12]。

一般地，水下滑翔機(jī)的平臺噪聲主要分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲，水下滑翔機(jī)在剖面滑翔工作模式下最大水平滑翔速度約為1 kn，且矢量水聽器外面有聚氨酯導(dǎo)流罩保護(hù)，可將水流噪聲的影響控制到很小，因此機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是水下滑翔機(jī)的主要噪聲源。水下聲學(xué)滑翔機(jī)在水下進(jìn)行預(yù)警探測任務(wù)時，主要采用剖面滑翔工作模式，只有發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)緊急上浮報警以及遇到其他突發(fā)狀況時才會啟動螺旋槳，因此水下聲學(xué)滑翔機(jī)在進(jìn)行水下目標(biāo)探測時可忽略螺旋槳噪聲的貢獻(xiàn)。機(jī)械噪聲是水下滑翔機(jī)平臺噪聲的主要噪聲源，在整個滑翔機(jī)剖面滑翔工作階段，姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置和浮力調(diào)節(jié)裝置為主要機(jī)械噪聲源，其中姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置包括俯仰調(diào)節(jié)和橫滾調(diào)節(jié)兩部分?；铏C(jī)俯仰調(diào)節(jié)是通過沿平臺中軸線前后移動電池包進(jìn)行俯仰角調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)平臺上浮和下潛運(yùn)動，橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則通過繞平臺中軸線轉(zhuǎn)動電池包進(jìn)行橫滾角調(diào)節(jié)，當(dāng)滑翔機(jī)航向偏離計(jì)劃航向時來完成航向控制。水下滑翔機(jī)下潛至最大剖面工作深度時，油泵電機(jī)上電開始工作，并將液油排到油囊來增加平臺的浮力，使滑翔機(jī)完成由下潛到上浮的過渡控制。

為進(jìn)一步對Petrel-Ⅱ型水下滑翔機(jī)平臺自噪聲的基本特性進(jìn)行深入分析，定量描述平臺各噪聲源的貢獻(xiàn)，在國家深?；毓芾碇行南曀剡M(jìn)行水下滑翔機(jī)各工況條件下的自噪聲測試，消聲水池的尺寸：長×寬×深為16 m×8 m×8 m，自噪聲采集系統(tǒng)包括矢量水聽器和水聲信號處理機(jī)，矢量水聽器負(fù)責(zé)接收平臺噪聲信號，水聲信號處理機(jī)負(fù)責(zé)信號的采集、存儲、處理和分析。圖2給出了水下滑翔機(jī)電池滑動、油泵啟動、電池轉(zhuǎn)動和螺旋槳1 kn轉(zhuǎn)動4種工況條件下噪聲譜級與消聲水池背景噪聲級的比對結(jié)果，圖2中的處理結(jié)果是由安裝在滑翔機(jī)頭部的矢量水聽器接收各工況下噪聲數(shù)據(jù)并采用1/3倍頻程譜計(jì)算方法處理得到的。由圖2可以看出，滑翔機(jī)4種工況條件下產(chǎn)生的噪聲譜級均明顯大于消聲水池背景噪聲，且在800～1 000 Hz頻段范圍內(nèi)，由滑翔機(jī)油泵啟動產(chǎn)生的輻射噪聲存在一個很高的平臺峰，該平臺峰對應(yīng)的噪聲譜級在4種測試工況中最大。

圖2 水下滑翔機(jī)平臺噪聲譜級Fig.2 Noise levels of underwater glider platform

由圖2可知，水下滑翔機(jī)平臺上集成的矢量水聽器在滑翔機(jī)電池滑動、油泵啟動、電池轉(zhuǎn)動和螺旋槳轉(zhuǎn)動工況下均會受到嚴(yán)重的近場干擾，特別是在油泵啟動和螺旋槳轉(zhuǎn)動兩種工況下，弱目標(biāo)信號將被滑翔機(jī)平臺產(chǎn)生的自噪聲所掩蓋而無法正常進(jìn)行目標(biāo)探測，因此水下聲學(xué)滑翔機(jī)在水下進(jìn)行探測任務(wù)時俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、油泵電機(jī)和螺旋槳要停止工作。由于滑翔機(jī)需要實(shí)時調(diào)整航向，橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)無法停止工作，后續(xù)需要對滑翔機(jī)橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減振降噪處理來降低平臺自噪聲水平。在第3節(jié)滑翔機(jī)第4剖面試驗(yàn)過程中，設(shè)置滑翔機(jī)平臺橫滾電機(jī)不工作，即在滑翔機(jī)剖面滑翔過程中不對平臺航向進(jìn)行調(diào)節(jié)，來消除橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對聲學(xué)系統(tǒng)的噪聲影響。

3 南海試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)說明

圖3 試驗(yàn)期間海洋環(huán)境噪聲譜級Fig.3 Ambient noise level during the experiment

2018年5月，在南海某1 500 m海深區(qū)域開展了水下聲學(xué)滑翔機(jī)位置協(xié)同探測試驗(yàn)，滑翔機(jī)采用剖面滑翔方式工作，設(shè)置最大下潛深度600 m.試驗(yàn)海區(qū)海底為平坦的泥沙底質(zhì)，試驗(yàn)期間海況較好約為2級，海洋環(huán)境噪聲譜級約為54 dB@1 kHz，如圖3所示。圖4給出了用溫鹽深剖面儀測量得到的聲速剖面。

圖4 試驗(yàn)期間聲速剖面Fig.4 Sound velocity profile during the experiment

3.2 滑翔機(jī)橫滾電機(jī)工作

圖5給出了水下滑翔機(jī)剖面滑翔工作期間平臺深度隨時間的變化情況。由圖5可以看出，滑翔機(jī)平臺在9：00～21：00時間段內(nèi)工作4個剖面，其中，第1個工作剖面設(shè)置水下滑翔機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后上浮，第2、3、4個工作剖面設(shè)置水下滑翔機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后不上浮，全程采集聲學(xué)信號，水下滑翔機(jī)剖面滑翔工作期間平臺最大下潛深度約560 m，一個剖面時長約3 h，其中滑翔機(jī)排油調(diào)整姿態(tài)和浮力階段水下滑翔機(jī)聲學(xué)系統(tǒng)斷電停機(jī)約10 min.

圖5 滑翔機(jī)平臺深度隨時間變化Fig.5 Glider platform depth change over time

圖6 噪聲估計(jì)方位與目標(biāo)推算方位對比及距離歷程Fig.6 Comparison of estimated noise orientation and calculated target azimuth and distance over time

圖6給出了水下聲學(xué)滑翔機(jī)在11：48～12：40時間段內(nèi)接收到的附近水面航船(試驗(yàn)船和工程船)噪聲信號估計(jì)方位與推算方位對比圖，以及滑翔機(jī)平臺和水面航船在此時間段內(nèi)的距離歷程圖，其中12：15～12：25時間段內(nèi)滑翔機(jī)排油調(diào)整姿態(tài)和浮力階段聲學(xué)系統(tǒng)斷電停止工作。圖7為航船噪聲估計(jì)方位歷程偽彩圖。圖8給出了11：48～12：40時間段內(nèi)滑翔機(jī)平臺的姿態(tài)角隨時間變化情況，其中航向角0°為滑翔機(jī)平臺頭部指向正北方向，順時針轉(zhuǎn)1圈航向角從0°～360°；橫滾角0°為滑翔機(jī)水平放置，從滑翔機(jī)尾部朝頭部方向看，橫滾角向左滾轉(zhuǎn)到180°、向右滾轉(zhuǎn)到-180°；俯仰角0°也為滑翔機(jī)水平放置，滑翔機(jī)頭部向下俯仰角到90°，滑翔機(jī)頭部向上俯仰角到-90°.由圖8可以看出：航向角和橫滾角在整個11：48～12：40時間段內(nèi)不斷進(jìn)行調(diào)整，而姿態(tài)俯仰角只在滑翔機(jī)平臺最大工作深度處發(fā)生變化，其中航向角輸出對應(yīng)滑翔機(jī)平臺與矢量水聽器連線相對于正北方向的方位；姿態(tài)俯仰角輸出對應(yīng)滑翔機(jī)平臺的俯仰角變化，俯仰角為正值表示滑翔機(jī)平臺頭部朝下做剖面滑翔，俯仰角為負(fù)值表示滑翔機(jī)平臺頭部朝上做剖面滑翔；姿態(tài)橫滾角輸出對應(yīng)滑翔機(jī)平臺橫滾變化情況，當(dāng)滑翔機(jī)航向角偏離計(jì)劃航向時，滑翔機(jī)橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就會工作(電磁抱閘調(diào)節(jié)橫滾角)來調(diào)整滑翔機(jī)平臺航向角，這期間會產(chǎn)生較大的平臺噪聲干擾。圖9所示為11：48～12：40時間段內(nèi)試驗(yàn)船、工程船與滑翔機(jī)平臺相對位置態(tài)勢圖。圖10給出了滑翔機(jī)橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時矢量水聽器聲壓通道接收到的時域信號波形。從圖10中可以明顯看出由電磁抱閘而產(chǎn)生的噪聲脈沖干擾。

圖7 航船噪聲估計(jì)方位歷程偽彩圖Fig.7 Pseudo-color image of estimated ship noise azimuth

圖8 水下滑翔機(jī)平臺姿態(tài)角隨時間變化Fig.8 Change of underwear glider attitude angle with time

圖9 滑翔機(jī)與試驗(yàn)船和工程船的相對運(yùn)動態(tài)勢圖Fig.9 Relative motion among glider platform,trial ship and engineering ship

圖10 抱閘干擾時段時域信號Fig.10 Original signal during brake interference

從圖6和圖7中可以看出，11：48～12：40時間段內(nèi)，滑翔機(jī)聲學(xué)系統(tǒng)除了接收試驗(yàn)船和工程船噪聲信號外，還受到了滑翔機(jī)平臺間歇性抱閘噪聲干擾影響，嚴(yán)重影響了滑翔機(jī)聲學(xué)系統(tǒng)的探測性能。

3.3 滑翔機(jī)橫滾電機(jī)不工作

在航向調(diào)節(jié)過程中，由于水下滑翔機(jī)橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作會產(chǎn)生較大的間歇性抱閘噪聲，聲學(xué)系統(tǒng)受到嚴(yán)重平臺噪聲干擾影響，在滑翔機(jī)第4剖面試驗(yàn)過程中設(shè)置滑翔機(jī)平臺橫滾電機(jī)不工作，在剖面滑翔過程中不對航向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖11給出了水下聲學(xué)滑翔機(jī)在17：20～19：10時間段內(nèi)聲學(xué)系統(tǒng)計(jì)算輸出的航船噪聲估計(jì)方位歷程與推算方位歷程對比圖，以及試驗(yàn)船和工程船相對于滑翔機(jī)平臺距離歷程圖。圖12給出了航船噪聲估計(jì)方位歷程偽彩圖。通過查看船載船舶自動識別系統(tǒng)在17：20～19：10時間段接收到的水面航船信號，發(fā)現(xiàn)滑翔機(jī)平臺附近只有工程船和試驗(yàn)船兩艘航船，工程船在17：20～18：50時間段內(nèi)航速6.2 kn航向63°，在18：50～19：10時間段內(nèi)航速6.2 kn航向10°；試驗(yàn)船在17：20～17：46時間段內(nèi)停止，17：46～19：10時間段內(nèi)航速10 kn航向340°.圖13給出了17：20～19：10時間段內(nèi)試驗(yàn)船、工程船與滑翔機(jī)平臺相對位置態(tài)勢圖。

由圖11和圖12可以看出，在17：20～17：50時間段內(nèi)，水下滑翔機(jī)主要接收工程船噪聲信號，計(jì)算方位為工程船目標(biāo)方位，此時間段工程船距離滑翔機(jī)平臺最遠(yuǎn)達(dá)30 km.在17：50～19：05時間段內(nèi)(試驗(yàn)船航速10 kn航行)，水下滑翔機(jī)主要接收試驗(yàn)船航船噪聲信號，計(jì)算方位為試驗(yàn)船目標(biāo)方位，但受工程船噪聲干擾，以及滑翔機(jī)平臺推算位置不精確，試驗(yàn)船目標(biāo)計(jì)算方位與推算方位間存在一定偏差，此時間段內(nèi)試驗(yàn)船距離滑翔機(jī)平臺最遠(yuǎn)達(dá)14 km.在19：05～19：10時間段內(nèi)，由于航速6.2 kn的工程船(距離43.4 km)噪聲信號強(qiáng)度大于航速10 kn的試驗(yàn)船(距離16.3 km)噪聲信號，水下聲學(xué)滑翔機(jī)計(jì)算方位為工程船目標(biāo)，但此時工程船與滑翔機(jī)平臺距離較遠(yuǎn)，聲學(xué)系統(tǒng)接收航船目標(biāo)信噪比較低，因此目標(biāo)計(jì)算方位與推算方位間存在較大偏差。由以上分析可知，在無滑翔機(jī)平臺間歇性抱閘噪聲干擾影響情況下，水下滑翔機(jī)對航速6.2 kn的工程船目標(biāo)最遠(yuǎn)探測距離可達(dá)30 km，而對航速10 kn的試驗(yàn)船目標(biāo)最遠(yuǎn)探測距離大于14 km.

圖11 噪聲估計(jì)方位與目標(biāo)推算方位對比及距離歷程Fig.11 Comparison of estimated noise orientation and calculated target azimuth and distance over time

圖12 航船噪聲估計(jì)方位歷程偽彩圖Fig.12 The color map of ship noise estimation azimuth

圖13 滑翔機(jī)平臺與試驗(yàn)船和工程船的相對運(yùn)動態(tài)勢圖Fig.13 Relative motion among glider platform,trial ship and engineering ship

4 結(jié)論

本文將單個矢量水聽器與水下滑翔機(jī)平臺相結(jié)合，構(gòu)建了一種具有目標(biāo)探測能力的新型水下滑翔機(jī)，并定量測試分析了滑翔機(jī)聲學(xué)系統(tǒng)自噪聲水平和平臺主要噪聲源。2018年5月南海試驗(yàn)結(jié)果表明：1)水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行橫滾角調(diào)節(jié)完成平臺航向控制過程中，聲學(xué)系統(tǒng)會受到嚴(yán)重的間歇性抱閘噪聲干擾影響；2)在無滑翔機(jī)平臺噪聲干擾影響情況下，水下聲學(xué)滑翔機(jī)對航速10 kn的配合水面航船目標(biāo)最遠(yuǎn)探測距離大于14 km.本文工作對推動我國水下無人平臺用于目標(biāo)探測應(yīng)用具有顯著意義。