水下平臺聲學(xué)兼容性技術(shù)綜述

葛錫云，周宏坤，郭楊陽，魏檸陽

(中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室，無錫 214082)

0 引 言

隨著國內(nèi)外水下載人、無人平臺技術(shù)的發(fā)展，以探測作業(yè)為主要使命的水下平臺受到越來越多的關(guān)注。這一類水下作業(yè)平臺通常搭載大量的水下聲學(xué)設(shè)備，以實現(xiàn)探測、通信、導(dǎo)航等功能。當(dāng)多型聲學(xué)設(shè)備同時工作時，會受到海洋環(huán)境噪聲、站體噪聲以及相互之間的聲干擾，包括同頻干擾和帶外干擾，從而造成探測數(shù)據(jù)跳變、誤報以及目標(biāo)圖像無法識別。因此需要對全平臺聲學(xué)設(shè)備進行兼容性研究與統(tǒng)籌設(shè)計，包括聲學(xué)設(shè)備性能分析、聲學(xué)設(shè)備參數(shù)選型、聲學(xué)設(shè)備在水下平臺上的布置位置及聲學(xué)設(shè)備的工作時序等。聲學(xué)兼容性研究與設(shè)計的目的是最大限度地降低環(huán)境對設(shè)備、平臺對設(shè)備、設(shè)備對設(shè)備的影響，并將各聲學(xué)設(shè)備的性能發(fā)揮到最佳，提高水下平臺探測作業(yè)的效能。

1 概 述

聲學(xué)兼容性主要考慮的因素包括海洋環(huán)境噪聲、平臺輻射噪聲以及設(shè)備水聲兼容性。

1.1 海洋環(huán)境噪聲

海洋環(huán)境噪聲對聲學(xué)設(shè)備的影響不可忽略。雖然深海的噪聲水平要比淺海小得多，但是深海大型載人平臺時常需要和水面母船或作業(yè)潛器進行水聲通信、定位和探測，聲波經(jīng)過近水面區(qū)域會受到較強烈噪聲干擾，這種干擾只能從信號處理的角度進行降噪處理。

在水聲學(xué)[1]中，噪聲聲壓是一個隨機量，與時間量之間不存在確定關(guān)系，因此分析噪聲聲壓幅值的頻譜沒有意義，而噪聲的功率譜函數(shù)是一個確定的統(tǒng)計量，反映了噪聲各頻率分量的平均強度。海洋環(huán)境噪聲級可表示為

(1)

式中：IN為水聽器工作帶寬內(nèi)的噪聲總聲強；I0為參考聲強。

(2)

式中：f1，f2是水聽器工作帶寬上下限頻率；I為帶寬Δf=f1-f2內(nèi)的總聲強。

假設(shè)在水聽器工作帶寬內(nèi)噪聲譜S(f)和水聽器相應(yīng)都是均勻的，則式(1)和式(2)可以表示為

IN=S·Δf

(3)

(4)

工程上，將水下噪聲場看作各向同性的，考慮到各種噪聲源本身具有指向性、噪聲源在海水介質(zhì)中具有某種空間分布和海洋傳播條件等方面的原因，水下噪聲是具有指向性的。

1.2 平臺輻射噪聲

深海大型載人平臺所輻射的噪聲對聲學(xué)設(shè)備會產(chǎn)生干擾，包括典型水下航行體固有的三大噪聲(機械噪聲、推進噪聲、水動力噪聲)。深海大型載人平臺的推進器、水泵、液壓機構(gòu)等設(shè)備的機械噪聲屬于輻射噪聲的主要來源。這些輻射噪聲首先會破壞深海大型載人平臺的隱蔽性，然后有可能引爆某些水中兵器，最后會嚴(yán)重對深海大型載人平臺上的聲學(xué)設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，甚至使其無法正常工作。

輻射噪聲強弱一般用被動聲吶方程中的聲源級SL來描述，它定義為水聽器聲軸方向上據(jù)源的聲學(xué)中心1 m處的聲強與參考聲強之比的分貝數(shù)。

輻射噪聲是眾多噪聲源的綜合效應(yīng)，這些源有推進器、轉(zhuǎn)動和往復(fù)式機械、各種泵等，它們產(chǎn)生噪聲的機理各不相同，因此輻射噪聲的譜線形狀也比較復(fù)雜。

1.3 設(shè)備的水聲兼容性

水下平臺上安裝了多型主被動聲學(xué)設(shè)備，如圖1所示。在水下航行和作業(yè)過程中，這些主被動型聲學(xué)設(shè)備需要同時工作。一部主動型聲學(xué)設(shè)備發(fā)射的聲脈沖會干擾其他聲學(xué)設(shè)備的接收，而且通常這種干擾是非常強烈的。

圖1 水下平臺聲學(xué)設(shè)備頻率分布圖

設(shè)備水聲兼容性特指水聲儀器設(shè)備之間的聲場兼容。在空間或時間上，水聲設(shè)備同時工作時，通過采取各種措施，使得它們相互不影響或者使其影響控制在不影響水聲設(shè)備使用效能達到所要求的標(biāo)準(zhǔn)之下，仍能有效協(xié)調(diào)地進行工作的能力。聲學(xué)設(shè)備兼容性研究內(nèi)容如下： 編隊內(nèi)部各平臺之間的水聲設(shè)備兼容；同一平臺上不同設(shè)備之間的聲場兼容；同一設(shè)備內(nèi)部各個通道之間的兼容[2]。

聲學(xué)設(shè)備受到干擾時，輕者回波信號串入毛刺、尖刺，影響目標(biāo)識別和目標(biāo)特性研究；重者回波淹沒于干擾信號，無法進行信號分離；更嚴(yán)重的是，當(dāng)干擾信號能量遠大于回波時，超出了聲學(xué)接收機的檢測閾，導(dǎo)致聲學(xué)設(shè)備停止工作[3]，如圖2和圖3所示。

(a) (b)

(a) (b)

當(dāng)設(shè)備A同時接收到設(shè)備B發(fā)射的聲波和目標(biāo)回波時，可通過經(jīng)驗公式[4]計算兩者的傳播損失：

TL=60+18.6lgR+αR

(5)

式中：R為接收點和聲源之間的距離；α為吸收系數(shù)。

則設(shè)備B發(fā)射聲波和目標(biāo)回波的傳播損失分別為

TLecho=60+18.6lgRecho+αARecho

(6)

TLdirect=60+18.6lgRdirect+αBRdirect

(7)

式中：Recho為設(shè)備A和目標(biāo)之間的距離；Rdirect為設(shè)備A和設(shè)備B之間的距離；αA、αB為吸收系數(shù)，這里可以認(rèn)為兩者相同。

從圖4中可以看到，當(dāng)設(shè)備A和設(shè)備B發(fā)射同頻信號時，目標(biāo)回波的傳播損失比設(shè)備B直達波的傳播損失大幾十甚至上百分貝。

圖4 兩設(shè)備發(fā)射同頻信號時目標(biāo)回波和設(shè)備直達波的傳播損失

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 聲學(xué)設(shè)備兼容性早期研究

國內(nèi)外可查的聲學(xué)兼容性文獻數(shù)量有限，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，主要研究內(nèi)容包括聲學(xué)兼容性的產(chǎn)生、抗干擾措施等。

1) Thalassa Ⅱ考察船實驗

該實驗是由法國國家海洋研究機構(gòu)和法國土倫大學(xué)聯(lián)合開展的一次聲學(xué)兼容實驗，實驗基于一艘新建的考察船Thalassa Ⅱ，研究目標(biāo)是測量不同設(shè)備之間聲學(xué)兼容性。該實驗?zāi)甏容^久遠，針對聲場不兼容采用的解決方法主要是濾波和分時工作，其實驗結(jié)果表明，40%的不兼容可通過濾波消除，85%的不兼容可通過分時工作消除[5]，如表1所示(橫表頭和列表頭均表示參與實驗的聲學(xué)設(shè)備，橫表頭為被干擾設(shè)備，列表頭為干擾設(shè)備)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備間的聲場兼容性(有底紋表示聲場不兼容)

2) 國內(nèi)某型監(jiān)聽船實驗

某型監(jiān)聽船裝備的聲學(xué)設(shè)備包括聲學(xué)海流剖面儀、普航測深儀、萬米測深儀、垂直發(fā)射陣、拖體發(fā)射陣、海底成像聲吶等，各個設(shè)備同時工作時會出現(xiàn)如下現(xiàn)象：

(1) 海流剖面儀、測深儀和低頻大功率換能器同時工作時，受到水中輻射和間接干擾導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定。

(2) 普航測深儀和低頻大功率換能器同時工作時，干擾源級越高，測深儀越快達到滿量程。

(3) 海底成像聲吶和低頻大功率換能器同時工作時，回波信號發(fā)生調(diào)制，當(dāng)指向性比較尖時，受到的干擾較小。

2.2 電磁兼容性與水聲兼容性的研究現(xiàn)狀

針對水下聲學(xué)設(shè)備間的相互干擾和兼容性，目前已開展很多研究，抑制相互干擾的方法主要有頻分法、時分法、波分法和空間分置法[6-8]。

在水聲兼容性中，供電干擾影響較小，可以忽略，主要為水聲信號相互干擾。電磁兼容性主要按照單個設(shè)備提出電磁兼容性要求，然后對系統(tǒng)電磁兼容性進行設(shè)計。在水聲兼容性中，多種設(shè)備均在頻帶有交疊情況下工作，無法參照電磁兼容性對單個設(shè)備提出的要求，只能在系統(tǒng)設(shè)計方面盡量減少相互干擾。電磁兼容性在抑制電磁信號干擾方面，要求頻帶沒有交疊，頻帶較窄，超出頻帶信號衰減較快[9-10]。在水聲兼容性中，各設(shè)備使用頻帶會有交疊現(xiàn)象，且出于水下環(huán)境復(fù)雜、水下環(huán)境噪聲與設(shè)備頻帶有交疊以及混響等多種原因，水聲設(shè)備頻帶外信號衰減較慢，與電磁兼容性差異較大。電磁兼容性對各個噪聲源數(shù)據(jù)進行分析，并進行兼容性設(shè)計的方法可以供水聲兼容性參考，應(yīng)對水下主要噪聲源進行歸納，使用水聲信號應(yīng)規(guī)避相應(yīng)噪聲源頻帶。電磁兼容性對所用不兼容情況進行統(tǒng)計，并找出相應(yīng)的解決方案，水聲兼容性肯定也存在不兼容情況，應(yīng)對不兼容情況進行分析總結(jié)，并參照電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)制訂水聲兼容性檢測表。水聲兼容性對設(shè)備安裝位置敏感性較大，水聲兼容性系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)比電磁兼容性設(shè)計更合理地配置設(shè)備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

聲學(xué)兼容性設(shè)計的重點內(nèi)容是計算研究聲學(xué)設(shè)備的特性規(guī)律，對單臺聲吶的參數(shù)進行合理設(shè)計，使多部聲吶能夠同時工作且彼此的影響最小，提高聲學(xué)設(shè)備的探測作業(yè)效能。因此，聲學(xué)換能器基陣的安裝位置、工作頻率、優(yōu)先級、啟閉時間等，都需要進行統(tǒng)籌考慮。

基于現(xiàn)有水面艦艇水聲兼容理論和電磁兼容理論，結(jié)合通過深海聲傳播特性，深海海底散射特性，以及聲吶基陣波束特性，建立聲吶設(shè)備時域、頻域、空域的工作模型，開展聲學(xué)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)測量，研究聲干擾機理以及抗干擾的技術(shù)途徑，聲學(xué)兼容性設(shè)計框架如圖5所示。

圖5 聲學(xué)兼容性設(shè)計框架

(1) 總體建模技術(shù)。

聲學(xué)設(shè)備不兼容現(xiàn)象一般是在設(shè)備使用和實驗過程中發(fā)現(xiàn)的，這種現(xiàn)象一般需要通過實驗進行研究。同樣，水聲抗干擾措施的有效性也需在設(shè)備使用和實驗過程中得到驗證，但考慮到購買大量水聲設(shè)備和開展海洋實驗需要耗費巨大的經(jīng)濟成本，實驗之前可利用建模仿真方法進行充分的論證。

水下平臺聲學(xué)兼容性仿真涉及聲學(xué)設(shè)備本身的發(fā)射/接收特性、聲學(xué)設(shè)備的作用距離、海底聲散射特性，以及聲學(xué)設(shè)備的信號處理算法等，是一項涉及較多物理模型的模擬技術(shù)，對所涉及的各個物理模型的正確建模與對模型參數(shù)合理預(yù)估，決定了仿真的準(zhǔn)確性，是需要突破的關(guān)鍵問題之一。

(2) 聲干擾現(xiàn)象識別與診斷技術(shù)。

聲兼容設(shè)計的首要任務(wù)是聲學(xué)干擾現(xiàn)象的識別與診斷。聲學(xué)設(shè)備受到干擾時，輕者回波信號串入毛刺、尖刺，影響目標(biāo)識別和目標(biāo)特性研究，如圖6所示；重者回波淹沒于干擾信號中，無法進行信號分離；更嚴(yán)重的是，當(dāng)干擾信號能量遠大于回波時，超出了聲學(xué)接收機的檢測閾，導(dǎo)致聲學(xué)設(shè)備停止工作，因此聲干擾現(xiàn)象識別與診斷是聲兼容研究工作的基礎(chǔ)。

圖6 多普勒計程儀對側(cè)掃聲吶產(chǎn)生干擾

(3) 聲兼容模型試驗技術(shù)。

水下平臺可工作在深達千米的深海，深海環(huán)境下聲學(xué)設(shè)備聲學(xué)特性與淺水環(huán)境也不盡相同，因此如何使聲兼容模型湖上試驗的結(jié)果同樣適用于水下平臺是聲兼容設(shè)計試驗環(huán)境一個關(guān)鍵問題，如圖7所示。

圖7 高頻聲學(xué)兼容性試驗

(4) 聲學(xué)設(shè)備兼容性設(shè)計。

聲學(xué)設(shè)備兼容性研究內(nèi)容包括水下平臺之間的水聲設(shè)備兼容，同一水下平臺上不同設(shè)備之間的聲場兼容，以及同一設(shè)備內(nèi)部各個通道之間的兼容。聲學(xué)設(shè)備兼容性設(shè)計需要合理選擇聲學(xué)設(shè)備的指標(biāo)參數(shù)，合理布置聲學(xué)設(shè)備的空間位置，合理分配聲學(xué)設(shè)備的工作時序。在計算仿真和湖上試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立聲學(xué)設(shè)備抗干擾技術(shù)和空配置優(yōu)化方案，保證聲學(xué)設(shè)備在水下平臺上達到預(yù)期效能。

4 結(jié) 語

本文分析了水下平臺聲學(xué)兼容性主要的影響因素，對國內(nèi)外聲學(xué)兼容性研究現(xiàn)狀及進展進行了梳理，提出了水下平臺聲學(xué)兼容性的關(guān)鍵技術(shù)。通過聲學(xué)兼容性總體建模技術(shù)研究，考慮水下聲學(xué)特性及水下搭載聲學(xué)設(shè)備性能特性，建立聲學(xué)設(shè)備兼容性設(shè)計技術(shù)。對單臺聲吶的參數(shù)進行合理設(shè)計，使多部聲吶能夠同時工作且相互間的影響最小；形成單臺/套聲學(xué)設(shè)備聲學(xué)特性測試評估方法，對聲學(xué)設(shè)備的兼容性提出具體技術(shù)要求。