一種水下聲學(xué)探測(cè)浮標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

諶啟偉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

近年來，日、美等國(guó)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)第一島鏈附近海域的有效監(jiān)控，防止中國(guó)海軍突破島鏈，建立起了一套復(fù)雜的水面、水下情報(bào)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。該情報(bào)監(jiān)測(cè)網(wǎng)通過無纜的水聲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探測(cè)重點(diǎn)是大陸的潛艇及各型水面艦艇的電磁特征和通信信號(hào)[1]。為了改變水下探測(cè)力量嚴(yán)重不對(duì)稱的現(xiàn)狀，需要大力發(fā)展對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)發(fā)現(xiàn)的便攜式裝備，在已有情報(bào)的指導(dǎo)下，對(duì)關(guān)鍵水道等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行篩查，找出敵水下探測(cè)網(wǎng)的具體布設(shè)位置，以便干擾、破壞其網(wǎng)絡(luò)，確保為我潛艇出航安全[2]。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于國(guó)產(chǎn)北斗 Argo浮標(biāo)，搭載水聲探測(cè)載荷的水下聲學(xué)探測(cè)浮標(biāo)，能夠進(jìn)行快速部署并有效監(jiān)測(cè)水聲通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)及分布情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下聲學(xué)探測(cè)浮標(biāo)主要由自沉浮浮標(biāo)平臺(tái)、四陣元聲基陣、姿態(tài)及方位測(cè)量單元等組成，如圖1所示。浮標(biāo)平臺(tái)用于搭載四陣元聲基陣、姿態(tài)及方位測(cè)量單元；四陣元聲基陣用于測(cè)量可疑目標(biāo)相對(duì)于浮標(biāo)平臺(tái)的方位和距離估算，并記錄水聲通信信號(hào)樣本信息；姿態(tài)及方位測(cè)量單元用于檢測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)的姿態(tài)和相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向[3-4]。監(jiān)控中心用于接收探測(cè)數(shù)據(jù)并顯示探測(cè)結(jié)果。

根據(jù)使用需求，浮標(biāo)可以采用定深漂流探測(cè)和原位探測(cè)2種工作模式，對(duì)水下聲通信信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，記錄水聲通信信號(hào)樣本。探測(cè)到目標(biāo)后，通過北斗衛(wèi)星將相關(guān)探測(cè)信息數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控中心。其典型工作模式如圖1所示。

圖1 探測(cè)浮標(biāo)典型工作模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection buoy in typical operation modes

浮標(biāo)在水下設(shè)定深度漂流探測(cè)或原位探測(cè)，通過聲基陣探測(cè)水下聲通信信號(hào)頻帶。探測(cè)到水下聲通信信號(hào)后，立即啟動(dòng)記錄聲通信信號(hào)樣本，并通過聲基陣對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離估算，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)于浮標(biāo)的方位。浮標(biāo)上安裝有姿態(tài)及方位測(cè)量單元，與聲基陣的相對(duì)位置固定，通過檢測(cè)到的浮標(biāo)航向和水聲測(cè)量數(shù)據(jù)，浮標(biāo)自動(dòng)解算可疑目標(biāo)的地磁方向。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離估算并定向后，浮標(biāo)上浮，上浮過程中保持探測(cè)狀態(tài)。上浮至水面后，浮標(biāo)控制模塊將出水 GPS坐標(biāo)發(fā)送給聲學(xué)信號(hào)處理器，同時(shí)發(fā)送詢問指令給聲學(xué)信號(hào)處理器，要求將聲學(xué)測(cè)量相關(guān)特征信息傳送給浮標(biāo)的控制模塊。浮標(biāo)控制模塊接收完相關(guān)聲學(xué)測(cè)量信息后，通過衛(wèi)星將相關(guān)信息（包括當(dāng)前浮標(biāo)坐標(biāo)、目標(biāo)方位、相對(duì)估算距離、時(shí)間、信號(hào)持續(xù)時(shí)間、信號(hào)是否停止、探測(cè)信號(hào)中心頻率、信號(hào)頻帶寬度、平均聲壓級(jí)、信噪比）發(fā)往監(jiān)控中心。衛(wèi)星通信結(jié)束后，浮標(biāo)接收監(jiān)控中心指令，按照設(shè)定的工作模式繼續(xù)探測(cè)。若在設(shè)定工作時(shí)間周期內(nèi)，浮標(biāo)未探測(cè)到可疑聲通信信號(hào)，浮標(biāo)上浮出水，發(fā)送心跳報(bào)文至監(jiān)控中心后，下潛到一定深度漂流到下一探測(cè)區(qū)域，根據(jù)使用需求采用合適的工作模式繼續(xù)探測(cè)[5-6]。如圖2。

圖2 目標(biāo)探測(cè)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the target detection

2 自沉浮浮標(biāo)平臺(tái)

浮標(biāo)平臺(tái)主要由5個(gè)部分組成，包括：殼體模塊、浮力調(diào)節(jié)模塊、控制模塊、通信采集模塊、電源模塊。浮標(biāo)平臺(tái)組成框圖如圖3所示。殼體模塊主要用來承受外部水壓，保證設(shè)備密封耐壓；浮力調(diào)節(jié)模塊主要用于調(diào)節(jié)浮標(biāo)浮力；控制模塊用于控制液壓裝置、采集深度信息、控制浮標(biāo)漂流深度、與聲基陣通信、系統(tǒng)電源管理；通信模塊用于北斗衛(wèi)星通信定位；電源模塊用于系統(tǒng)供電。

圖3 浮標(biāo)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of the buoy platform

3 聲學(xué)探測(cè)模塊設(shè)計(jì)

聲學(xué)探測(cè)模塊由四元聲基陣、放大濾波預(yù)處理電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理單元和通信供電接口等組成，其組成框圖如圖4所示。聲基陣由4個(gè)水聽器組成，安裝在模塊底部。4個(gè)水聽器陣元處于一個(gè)水平面內(nèi)，構(gòu)成正方形陣。其余電子部分置于水密電子艙內(nèi)，電子艙通過水密電纜與模塊主體相連，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)探測(cè)模塊的供電及與平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信[7]。

圖4 聲學(xué)探測(cè)模塊組成框圖Fig.4 Composition diagram of acoustic detection module

系統(tǒng)通過 4個(gè)十字正交的水聽器實(shí)現(xiàn)聲學(xué)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波等預(yù)處理，通過數(shù)字采集電路完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)參數(shù)估計(jì)、目標(biāo)方位估計(jì)及作用距離估算等，將信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)等結(jié)果輸出給浮標(biāo)平臺(tái)[8]。

1）信號(hào)檢測(cè)方法。

聲學(xué)探測(cè)模塊信號(hào)檢測(cè)技術(shù)采用傳統(tǒng)的能量檢測(cè)方法。由于待檢測(cè)的信號(hào)是主動(dòng)聲吶信號(hào)或水聲通信信號(hào)，這2種信號(hào)的脈寬都比較長(zhǎng)，時(shí)域的擴(kuò)展引起頻域的聚集，因此本系統(tǒng)采用的是頻域能量檢測(cè)的方法。即先對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜計(jì)算，然后判斷工作頻段內(nèi)是否存在過門限的幅度譜，存在即判斷為有信號(hào)，然后再對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行信號(hào)參數(shù)估計(jì)。由于系統(tǒng)的工作頻段比較寬，而在該頻段內(nèi)海洋環(huán)境噪聲的幅度譜起伏比較大，特別是在低頻時(shí)起伏更大，如果是對(duì)全頻段內(nèi)的噪聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的話，則可能丟失高頻信號(hào)，因此不能用單一的門限在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。本系統(tǒng)采用倍頻程的頻帶劃分方法，將系統(tǒng)的整個(gè)工作頻帶劃分成若干個(gè)子頻帶，在每個(gè)子頻帶內(nèi)分別進(jìn)行門限計(jì)算并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。

2）信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法。

由于是在頻域進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，因此信號(hào)的中心頻率、帶寬、等效聲源級(jí)和信噪比均可結(jié)合信號(hào)檢測(cè)的過程進(jìn)行估計(jì)。在每一幀當(dāng)中，不進(jìn)行信號(hào)脈寬計(jì)算，僅根據(jù)連續(xù)過門限的幀數(shù)和幀長(zhǎng)度計(jì)算信號(hào)的脈寬。根據(jù)信號(hào)的帶寬進(jìn)行信號(hào)來源判斷，當(dāng)信號(hào)帶寬超過1.5 kHz時(shí)，即認(rèn)為是通信信號(hào)。

3）目標(biāo)方位估計(jì)方法。

設(shè)基陣的4個(gè)陣元構(gòu)成的左手直角坐標(biāo)系為基陣坐標(biāo)系，其中1號(hào)和3號(hào)陣元在x軸上，2號(hào)和4號(hào)陣元在y軸上，陣的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，陣元間距為D（指1、3陣元間距和2、4陣元間距），如圖5所示。設(shè)目標(biāo)位于S處，其在基陣坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（x，y，z）。目標(biāo)徑矢為OS，α為目標(biāo)徑矢與x軸的夾角，β為目標(biāo)徑矢與y軸的夾角，R為目標(biāo)斜距。

圖5 目標(biāo)方位估計(jì)原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the target bearing estimation

設(shè)S′為S在xoy平面上的投影，它與x軸的夾角θ為目標(biāo)水平方位角，可得：

式中，a、β和R為測(cè)量值，測(cè)得這3個(gè)值即可按上式計(jì)算目標(biāo)的方位參數(shù)?；嚨某叽绾苄?，在平面波近似下，有：

式中：c為水中聲速；τx為x軸兩陣元接收信號(hào)時(shí)延差；τy為y軸兩陣元接收信號(hào)時(shí)延差。將式（2）和式（3）代入式（1），得到：

式（4）為基陣坐標(biāo)系下的目標(biāo)方位估計(jì)公式。由此可見，要得到目標(biāo)方位需要先測(cè)量信號(hào)到達(dá)兩兩陣元之間的時(shí)延差，目標(biāo)方位估計(jì)精度取決于時(shí)延差估計(jì)誤差。根據(jù)基陣坐標(biāo)系與“北東天”大地坐標(biāo)系之間的方位姿態(tài)偏差角，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以獲得目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的方位。

4）時(shí)延差估計(jì)方法。

本系統(tǒng)的時(shí)延差估計(jì)方法采用廣義相關(guān)法，空間分離的2個(gè)水聽器接收到遠(yuǎn)處聲源的輻射信號(hào)，可以用以下數(shù)學(xué)模型來描述：

式中：s(t)為聲源輻射的信號(hào)；n1(t)和n2(t)為互不相關(guān)的、平穩(wěn)的高斯隨機(jī)過程；τ為兩路接收信號(hào)間的相對(duì)時(shí)延，簡(jiǎn)稱為時(shí)延差。

時(shí)延差估計(jì)可歸結(jié)為是式（5）中τ的求取。由于n1(t)、n2(t)的存在以及處理過程中所引入的偏差，實(shí)際上只能得到τ的估計(jì)量。一種基本的估計(jì)方法是計(jì)算x1(t)和x2(t)的互相關(guān)函數(shù)：

由于s(t)和s(t-)τ是相關(guān)的，而背景噪聲n1(t)和n2(t)是不相關(guān)的（或相關(guān)性較小的），因此互相關(guān)處理后包絡(luò)峰值對(duì)應(yīng)的τ就是時(shí)延差的估計(jì)量。為提高的估計(jì)精度，在互相關(guān)處理前還可以分別對(duì)x1(t)、x2(t)進(jìn)行預(yù)濾波處理。

4 仿真及試驗(yàn)結(jié)果

1）作用距離分析。

目標(biāo)在不同距離處時(shí)水聲模塊接收機(jī)輸出端的信號(hào)電壓級(jí)和背景噪聲等效電壓級(jí)如圖6所示，其中細(xì)實(shí)線曲線代表接收機(jī)輸出端的信號(hào)電壓級(jí)（已經(jīng)由接收到的聲壓級(jí)轉(zhuǎn)換為電壓級(jí)），粗實(shí)線代表接收機(jī)輸出端的背景噪聲電壓級(jí)。系統(tǒng)假設(shè)水聲通信信號(hào)聲源級(jí)為180 dB，由圖中結(jié)果可看出，在5 km處的接收信噪比約為12 dB。主動(dòng)聲吶信號(hào)聲源級(jí)很高，通常超過 230 dB，系統(tǒng)將在更遠(yuǎn)距離上（大于40 km）予以探測(cè)。本文仿真條件以水聲通信信號(hào)為輸入樣本，因此目標(biāo)參數(shù)估計(jì)誤差分析均基于接收信噪比為12 dB。

圖6 作用距離預(yù)報(bào)曲線Fig.6 Forecast curve of operating distance

2）時(shí)延差估計(jì)誤差分析。

最優(yōu)時(shí)延差估計(jì)的克拉美羅下限為

式中：B為信號(hào)帶寬，Hz；T為觀測(cè)時(shí)間，s；S/N為接收信噪比，dB。設(shè)定信號(hào)帶寬為5 kHz，觀測(cè)時(shí)間T為10 ms，接收信噪比為12dB，可求得時(shí)延差估計(jì)的克拉美羅下限為σ2≥ 5 .277× 1 012，則時(shí)延差估計(jì)誤差滿足 Δτ≥ 2 .3× 1 0-6s 。實(shí)際系統(tǒng)中，基于互相關(guān)峰值檢測(cè)的時(shí)延差估計(jì)誤差要大于克拉美羅下限。結(jié)合已有項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取時(shí)延差估計(jì)誤差為5μs進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)誤差分析。

3）目標(biāo)方位估計(jì)誤差分析。

在不考慮聲速誤差和陣元間距誤差的情況下，整理上述式子得到目標(biāo)方位估計(jì)誤差公式為

當(dāng) 時(shí) 延 差 估 計(jì) 誤 差 Δτ= 5 μs， 聲 速c= 1 500m/s，θ=90°，β=45°時(shí)，若要滿足Δθ≤5°，則陣元間距需滿足：D≥ 0 .122m?？紤]預(yù)留余量，本系統(tǒng)中的陣元間距取0.15 m。

圖7給出了方位角為40°情況下的目標(biāo)方位多次仿真結(jié)果。具體的仿真參數(shù)為：信號(hào)為9～14 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)，信噪比為12dB，C=1 480 m/s，D=0.15m。由圖中結(jié)果可看出，在上述的仿真條件下，目標(biāo)方位估計(jì)誤差小于5°。

圖7 方位估計(jì)誤差仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of target bearing estimation

4）海上試驗(yàn)。

為驗(yàn)證浮標(biāo)功能及指標(biāo)的有效性，開展了相關(guān)的湖上及海上驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)通過使用模擬信號(hào)源，模擬輸出多類型水聲通信信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后輸出至換能器，使用船載移動(dòng)聲源，浮標(biāo)錨系上浮方式，測(cè)試不同方位、不同距離發(fā)射時(shí)，浮標(biāo)觸發(fā)上浮報(bào)警的性能指標(biāo)摸底，試驗(yàn)設(shè)備關(guān)系如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test result of the target detection

試驗(yàn)表明，該浮標(biāo)能夠準(zhǔn)確探測(cè)到各類型水聲通信信號(hào)和主動(dòng)聲吶信號(hào)，相關(guān)聲信號(hào)的特征值亦可獲取，并能夠初步測(cè)量目標(biāo)方位，方位誤差不超過 5°。試驗(yàn)中拉距測(cè)試過程，最大探測(cè)距離超過6 km。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種水下聲學(xué)探測(cè)浮標(biāo)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，該浮標(biāo)基于Argo浮標(biāo)搭載水聲探測(cè)載荷，能夠在水中自主沉浮，并實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲通信信號(hào)的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后能通過北斗衛(wèi)星傳輸目標(biāo)的相關(guān)特征信息。通過仿真試驗(yàn)和湖試、海試，驗(yàn)證了水聲測(cè)量模塊的測(cè)向功能和測(cè)向指標(biāo)，以及浮標(biāo)系統(tǒng)樣機(jī)全部功能要求。該浮標(biāo)在探測(cè)距離、檢測(cè)概率指標(biāo)上滿足或超過設(shè)計(jì)要求，可提供水聲通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)及分布情況，為我重要軍事行動(dòng)提供決策依據(jù)。