一種新型水下聲學(xué)浮標(biāo)在目標(biāo)探測中的應(yīng)用

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)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237

長期以來, 受國內(nèi)技術(shù)水平和認(rèn)識上的制約, 水下目標(biāo)搜索、探測和監(jiān)視能力相對薄弱, 水下空間成為我國所有國防領(lǐng)域中設(shè)防最薄弱的部分。目前, 我國深海大洋區(qū)的水下目標(biāo)探測方式主要還是依靠傳統(tǒng)的水面艦艇和航空聲納, 效費(fèi)比極低且受惡劣海況影響嚴(yán)重, 水下監(jiān)視預(yù)警能力嚴(yán)重滯后于新形勢下我國海洋安全面臨的嚴(yán)峻威脅和挑戰(zhàn)(周宏坤, 2016; 袁華 等, 2016; 尹云龍 等, 2019)。

近年來, 水下無人緩動平臺憑借其噪聲水平低、隱蔽性能高、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn), 在海洋參數(shù)測量和水中目標(biāo)探測方面的應(yīng)用受到了各國廣泛的關(guān)注和重視(Holmes et al, 2005; 路振, 2013; 李峰, 2013; Jiang et al, 2013; 楊燕 等, 2015; 沈新蕊 等, 2018)。國外在水下無人平臺集成聲學(xué)測量系統(tǒng)研制與應(yīng)用方面起步較早, 在水下無人航行器(Unmanned Undersea Vehicle, UUV)探測方面, 美國2013 年公布的“海底偵察兵”UUV, 頭部可以安裝兩個(gè)負(fù)載, 通過搭載不同傳感器可在水下200m 執(zhí)行反潛任務(wù); 在水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用方面, 美國先后研發(fā)成功搭載水聽器陣列的Xray、Zray、Slucum 等典型樣機(jī), 用于巡航偵察海洋中的安靜型水下目標(biāo)。國內(nèi)在水下無人平臺與聲學(xué)系統(tǒng)集成應(yīng)用方面的研究相對較少且起步較晚(劉璐 等, 2017; Liu et al, 2018), 西北工業(yè)大學(xué)基于飛翼滑翔機(jī)和沈陽自動化所共同研發(fā)了搭載多元聲壓陣列的飛翼滑翔機(jī)聲學(xué)探測系統(tǒng); 哈爾濱工程大學(xué)用“海燕”滑翔機(jī)平臺共裝載了4 只聲壓水聽器構(gòu)成聲學(xué)探測系統(tǒng), 并在南海海域進(jìn)行了海上試驗(yàn); 中科院聲學(xué)所通過在水下滑翔機(jī)平臺艏部艙段安裝聲矢量探測系統(tǒng), 該系統(tǒng)要求指標(biāo)為對聲源級不小于125dB@1kHz 的目標(biāo)探測距離大于3km, 并在2014 年完成了湖上和海上測試試驗(yàn), 但試驗(yàn)只進(jìn)行了聲學(xué)系統(tǒng)對單頻信號的探測性能, 測試效果不理想且測試內(nèi)容不完善; 海軍潛艇學(xué)院從2013 年開始通過對現(xiàn)有“海燕”水下滑翔機(jī)平臺進(jìn)行全新優(yōu)化設(shè)計(jì), 目前已成功研制出了具有海洋環(huán)境噪聲觀測和目標(biāo)探測能力的水下聲學(xué)滑翔機(jī)平臺, 并開展了多次海上試驗(yàn), 相關(guān)指標(biāo)得到了充分驗(yàn)證(王超 等, 2018; 王文龍 等, 2019)。

Argo 浮標(biāo)作為一種技術(shù)相對成熟的水下無人移動平臺, 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域, 在“透明海洋”工程立體觀測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用(陳鹿 等, 2017)。Argo 浮標(biāo)上浮和下潛主要采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制, 依靠改變浮標(biāo)體積實(shí)現(xiàn)沉浮, 可通過岸基甲板單元設(shè)置浮標(biāo)平臺下潛深度、定深工作時(shí)長等參數(shù), 到達(dá)設(shè)定時(shí)間后, 浮標(biāo)平臺會自動上浮, 上浮過程中利用搭載的各種傳感器進(jìn)行海洋環(huán)境剖面測量, 到達(dá)海面后, 通過衛(wèi)星將測量數(shù)據(jù)上傳至岸基指揮所。水下聲學(xué)浮標(biāo)作為一種新型水下無人移動探測平臺, 是集浮標(biāo)平臺技術(shù)和聲學(xué)探測技術(shù)于一體, 通過在現(xiàn)有Argo 浮標(biāo)平臺基礎(chǔ)上集成聲學(xué)測量系統(tǒng), 可對水中目標(biāo)進(jìn)行信號采集和預(yù)警探測(王超 等, 2019)。雖然水下聲學(xué)浮標(biāo)不具有自身航行控制能力, 難以實(shí)現(xiàn)對水中目標(biāo)連續(xù)跟蹤, 但其體積小、重量輕、成本低、便于布放回收, 且只有在水面下潛階段和水下準(zhǔn)備上浮階段油泵電機(jī)工作時(shí)才會產(chǎn)生短暫的平臺噪聲, 搭載的聲學(xué)系統(tǒng)除受海洋環(huán)境噪聲外而無其他噪聲干擾, 根據(jù)水文條件可把水下聲學(xué)浮標(biāo)設(shè)置到最佳工作深度, 且其觀測成本低, 多枚浮標(biāo)成陣組網(wǎng)使用即可形成大面積區(qū)域覆蓋, 實(shí)現(xiàn)對指定海域水下目標(biāo)的隱蔽偵察與探測, 與航空聲納浮標(biāo)相比, 水下聲學(xué)浮標(biāo)工作時(shí)間更長, 能夠長時(shí)間、大范圍進(jìn)行水中目標(biāo)隱蔽探測。

總體而言, 水下聲學(xué)浮標(biāo)在海洋方面的應(yīng)用仍在適應(yīng)性驗(yàn)證階段, 針對水下聲學(xué)浮標(biāo)對海上目標(biāo)探測方面的評估研究比較少, 該文旨在利用2019 年8 月在南海某海域開展的多臺水下聲學(xué)浮標(biāo)海上試驗(yàn), 進(jìn)一步驗(yàn)證研制的水下聲學(xué)浮標(biāo)在南海深水區(qū)對海上目標(biāo)探測能力。

1 海上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

1.1 水下聲學(xué)浮標(biāo)

圖1 搭載聲學(xué)測量系統(tǒng)的水下聲學(xué)浮標(biāo)示意圖 Fig. 1 Underwater acoustic buoy integrated with acoustic monitoring system

水下聲學(xué)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示, 主要由北斗天線、矢量水聽器、水聲信號處理機(jī)、主殼體、驅(qū)動轉(zhuǎn)置、主控系統(tǒng)、電池、尾殼和油囊護(hù)罩組成。矢量水聽器為兩端帶半球帽的同振式矢量水聽器(孫芹東 等, 2015, 2016), 其工作頻帶20Hz～5kHz, 矢量通道自噪聲≤46dB@1kHz, 指向性分辨力≥30dB, 矢量通道聲壓靈敏度級≥-180dB@1kHz, 聲壓通道自噪聲≤38dB@1kHz, 聲壓通道聲壓靈敏度級≥-192dB, 最大耐壓深度為1500m。工作過程中矢量水聽器根據(jù)任務(wù)要求采集水聲信號, 水聲信號處理機(jī)完成對采集信號的實(shí)時(shí)處理分析和早期預(yù)警判別。

圖2 給出了水下聲學(xué)浮標(biāo)水中目標(biāo)探測流程圖, 其可多次上浮和下潛, 具備原位坐底和定深漂流兩種工作模式, 其海上連續(xù)工作時(shí)長則與目標(biāo)探測工作策略和自動上浮通信周期有關(guān)。水下聲學(xué)浮標(biāo)平臺功耗最大的系統(tǒng)裝置為水聲信號處理機(jī), 其功耗約為6W, 在平臺上浮下潛周期為1d 且聲學(xué)測量系統(tǒng)不工作情況下, 聲學(xué)浮標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)海上連續(xù)工作時(shí)長多達(dá)300d; 而在聲學(xué)測量系統(tǒng)全時(shí)工作情況下, 聲學(xué)浮標(biāo)一般僅能工作十幾天。

圖2 水下聲學(xué)浮標(biāo)目標(biāo)監(jiān)測流程圖 Fig. 2 Flowchart of underwater acoustic buoy detecting target

1.2 試驗(yàn)簡介

青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室自2013 年開展矢量水聽器在水下無人平臺上應(yīng)用研究以來, 共開展了30 多次消聲水池和海上試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證研制的水下聲學(xué)浮標(biāo)在南海深水區(qū)對海上目標(biāo)探測能力, 2019 年8 月開展了包含8 臺水下聲學(xué)浮標(biāo)的南海試驗(yàn), 本文以1#浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。試驗(yàn)海區(qū)位于北緯16°59′至17°31′, 東經(jīng)110°37′至110°59′之間, 試驗(yàn)海域深度約為1500m, 離三亞港約 160km。試驗(yàn)海區(qū)浪高 1～1.5m, 海表流速約0.5m·s–1, 海況2～3 級, 溫躍層70m 以淺, 70m 以深負(fù)梯度。圖3 給出了聲源深度5m, 接收深度200m, 頻率1kHz 頻點(diǎn)處, 利用測量得到的聲速剖面計(jì)算得到的傳播損失隨距離變化情況。

1.3 目標(biāo)方位估計(jì)方法

基于單矢量水聽器的目標(biāo)方位估計(jì)算法有很多, 但總體上可以根據(jù)測向原理分為兩大類: 一是基于聲能流的方位估計(jì), 如平均聲強(qiáng)器、互譜聲強(qiáng)器、直方圖法以及加權(quán)直方圖法等; 二是將矢量水聽器的各通道看作是多元陣列, 各陣元在空間同一點(diǎn), 利用單矢量水聽器自身具有陣列流型的特點(diǎn), 將現(xiàn) 有的陣列信號處理方法應(yīng)用于單矢量水聽器(方爾正 等, 2005; 吳艷群 等, 2010; 梁國龍 等, 2011; 李崢 等, 2012; 宋德樞 等, 2014; Wang et al, 2014; Najeem et al, 2017; Aktas et al, 2018)。本文選用更適用于工程應(yīng)用、魯棒性和穩(wěn)健性較好的加窗直方圖方位估計(jì)算法, 通過采用時(shí)間加窗可提高矢量水聽器的處理增益, 增強(qiáng)矢量水聽器對水下弱目標(biāo)信號的檢測能力。

圖3 頻率1kHz 傳播損失 Fig. 3 Transmission loss at 1 kHz

然而由于海洋中洋流、內(nèi)波、潮汐等復(fù)雜環(huán)境影響, 矢量水聽器搭載在浮標(biāo)平臺上進(jìn)行水中目標(biāo)探測時(shí), 矢量水聽器會產(chǎn)生俯仰、翻轉(zhuǎn)和橫滾等姿態(tài)變化, 矢量水聽器探測到的是相對于自身坐標(biāo)系的目標(biāo)方位, 在實(shí)際工程應(yīng)用中我們往往希望得到的是目標(biāo)相對統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系方位, 因此必須提供矢量水聽器相對于地理坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息, 再通過姿態(tài)校正得到待測目標(biāo)的準(zhǔn)確方位。本文通過在浮標(biāo)平臺聲學(xué)測量系統(tǒng)耐壓艙內(nèi)集成一種微型姿態(tài)傳感器, 用于測量浮標(biāo)平臺在工作期間的實(shí)時(shí)

圖4 浮標(biāo)姿態(tài)角定義示意圖 a. 航向角; b. 俯仰角; c. 橫滾角 Fig. 4 Diagram of attitude angle definition. (a) heading angle, (b) pitch angle, and (c) roll angle

一般來講, 影響水下聲學(xué)浮標(biāo)目標(biāo)測向精度的誤差源主要有3 個(gè): 矢量水聽器內(nèi)部加速度計(jì)裝配誤差、姿態(tài)傳感器測向誤差以及矢量水聽器與姿態(tài)傳感器的對準(zhǔn)誤差, 其中所用姿態(tài)傳感器的測向精度為1°, 而矢量水聽器內(nèi)部加速度計(jì)裝配誤差和矢量水聽器與姿態(tài)傳感器的對準(zhǔn)誤差為固定誤差, 且可以通過提高加工精度和裝配工藝來盡量減小該誤 差, 目標(biāo)測向精度的整體誤差可控制在2°以內(nèi)。

2 試驗(yàn)處理結(jié)果與分析

2.1 目標(biāo)探測結(jié)果分析

試驗(yàn)期間, 水下聲學(xué)浮標(biāo)采用定深漂流工作模式探測海上目標(biāo), 浮標(biāo)設(shè)置定漂深度為200m, 容差±100m, 即浮標(biāo)平臺在100m～300m 深度范圍內(nèi)電機(jī)不工作, 聲學(xué)系統(tǒng)在浮標(biāo)平臺深度大于100m 后開始上電采集水聲信號, 船舶自動識別系統(tǒng)和雷達(dá)設(shè)備實(shí)時(shí)接收試驗(yàn)海區(qū)水面航船信息, 目標(biāo)方位采用直方圖算法進(jìn)行計(jì)算, 加窗長度 5s, 處理頻段為200Hz～3kHz。以下選用1#浮標(biāo)第2 天試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 圖5a 給出了1#浮標(biāo)平臺在12:33—14:02 時(shí)間段內(nèi)平臺深度隨時(shí)間變化情況。由圖5a 可以看出, 1#浮標(biāo)該時(shí)間段內(nèi)平臺深度基本穩(wěn)定在220m 左右。圖5b 給出了1#浮標(biāo)平臺姿態(tài)角隨時(shí)間變化, 可以看出, 浮標(biāo)平臺在整個(gè)定深漂流工作期間橫滾角為–180°, 俯仰角為0°, 而航向角則不斷發(fā)生變化, 表示浮標(biāo)在工作時(shí)姿態(tài)正立但平臺發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖5c 給出了該時(shí)間段內(nèi)浮標(biāo)聲學(xué)系統(tǒng)接收的水面航船(船舶識別號: 414350640, 船長42m, 船寬6m, 航速8.4kn, 航向 301°)噪聲信號估計(jì)方位歷程偽彩圖, 圖5d 為浮標(biāo)平臺和水面航船在該時(shí)間段內(nèi)距離歷程圖。由圖5c 和5d 可以看出, 12:33—14:02 時(shí)間段內(nèi)水面航船距離浮標(biāo)平臺最近距離約為1.9km, 最遠(yuǎn)距離為13.8km, 在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)1#浮標(biāo)可全程探測水面航船方位。

圖5 試驗(yàn)處理結(jié)果 a. 浮標(biāo)平臺深度隨時(shí)間變化; b. 平臺姿態(tài)角隨時(shí)間變化; c. 噪聲信號估計(jì)方位歷程偽彩圖; d. 平臺與水面航船距離隨時(shí)間變化 Fig. 5 Experiment results. (a) platform’s depth with time, (b) 1# attitude’s angle change with time, (c) bearing time recordings (BTRs), and (d) distance between 1# and surface vessel

圖6 給出了12:33—14:02 時(shí)間段內(nèi)1#浮標(biāo)對水面航船估計(jì)方位與真實(shí)方位間的均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)和估計(jì)方位的標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation, SD)隨時(shí)間變化曲線, 其中 RMSE 表示浮標(biāo)對水面航船目標(biāo)的方位估計(jì)值與GPS 真實(shí)方位之間的誤差, 在真實(shí)方位準(zhǔn)確情況下RMSE 代表方位估計(jì)偏差; SD 表示估計(jì)方位歷程的清晰度, 其為方位估計(jì)值與方位估計(jì)歷程擬合值的偏差, SD 越小目標(biāo)方位估計(jì)歷程圖越清晰, 更能準(zhǔn)確反映目標(biāo)航行軌跡。圖5 和圖6 可以看出, 在浮標(biāo)平臺與水面航船距離較遠(yuǎn)時(shí), RMSE 和SD 大小基本一致, 在4°～10°之間; 在浮標(biāo)平臺與水面航船距離較近時(shí), SD 則相對較小, 在水面航船距離浮標(biāo)平臺1.9km 時(shí), SD 可達(dá)2°, 而RMSE 則相對較大, 這是由于浮標(biāo)平臺水下推算位置點(diǎn)存在偏差導(dǎo)致距離較近時(shí)浮標(biāo)與水面航船間真實(shí)方位相對較大造成的。圖7 給出了12:33—14:02 時(shí)間段內(nèi)1#浮標(biāo)和水面航船相對位置態(tài)勢圖, 結(jié)合圖5c、圖6 和圖7 可以看出, 當(dāng)水面航船由遠(yuǎn)及近靠近浮標(biāo)平臺時(shí), 1#浮標(biāo)與水面航船的探測距離為10.2km, 而水面航船由近及遠(yuǎn)遠(yuǎn)離浮標(biāo)平臺時(shí), 浮標(biāo)對水面航船的探測距離則為13.8km, 即浮標(biāo)對遠(yuǎn)離水面航船的目標(biāo)的探測性能更優(yōu), 這是由于水面航船遠(yuǎn)離浮標(biāo)時(shí)螺旋槳朝向浮標(biāo), 浮標(biāo)聲學(xué)系統(tǒng)接收信號信噪比相對較大引起的。

圖6 目標(biāo)方位估計(jì)均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差 R 表示浮標(biāo)與航船之間的距離; 箭頭表示距離變化; 垂直虛線表示距離分隔線 Fig. 6 RMSE and SD of target estimation direction

圖7 浮標(biāo)平臺與水面航船位置態(tài)勢圖 紅色線段表示浮標(biāo)航跡; 藍(lán)色線段表示水面航船航跡; 紅色時(shí)間表示浮標(biāo)出水時(shí)間; 藍(lán)色時(shí)間表示該時(shí)間對應(yīng)的水面航船位置 Fig. 7 Relative positional situation of buoy platform and surface vessel

2.2 噪聲譜級變化分析

圖8 時(shí)域信號隨時(shí)間變化 a. P 通道; b. Vx 通道; c. Vy 通道; d. Vz 通道 Fig. 8 The original signal change with time. (a) P channel, (b) Vx channel, (c) Vy channel, and (d) Vz channel

為定量分析水面航船經(jīng)過浮標(biāo)平臺過程中浮標(biāo)聲學(xué)系統(tǒng)4 個(gè)通道接收信號時(shí)域變化和頻譜變化, 采集12:33—14:02 時(shí)間段內(nèi)1#浮標(biāo)聲學(xué)系統(tǒng)聲壓通道(P 通道)、矢量X 通道(Vx通道)、矢量Y 通道(Vy通道)和矢量Z 通道(Vz通道)的時(shí)域噪聲信號(圖8)。因?yàn)?/3 倍頻程譜可很好的反應(yīng)海洋環(huán)境噪聲頻譜特性, 圖9 給出了聲學(xué)系統(tǒng)4 個(gè)通道采集信號在20Hz、60Hz、100Hz、200Hz、1kHz 和3kHz 頻點(diǎn)處1/3 倍頻程譜級隨時(shí)間變化曲線。圖10 給出了聲學(xué)系統(tǒng) 4 個(gè)通道采集信號處理得到的頻譜圖。 從圖9 和圖10 可以看出: 1) 水面航船距離浮標(biāo)平臺約4.8km 時(shí), 聲學(xué)系統(tǒng)聲壓通道噪聲譜級在200Hz以上的高頻段出現(xiàn)突然升高的現(xiàn)象, 在 200Hz、1kHz 和3kHz 3 個(gè)頻點(diǎn)處噪聲譜級分別升高了約7dB、6dB 和4dB; 在水面航船距離浮標(biāo)平臺6.2km時(shí), 聲學(xué)系統(tǒng)聲壓通道噪聲譜級在1kHz 和3kHz 兩個(gè)頻點(diǎn)處卻出現(xiàn)噪聲譜級突然下降的現(xiàn)象, 而水面航船距離靠近對聲壓通道100Hz 以下的低頻段卻基本沒有影響, 這是由于聲壓通道自噪聲在100Hz 以下低頻段相對較大造成的; 2) 在水面航船靠近浮標(biāo)(距離4.8km)和遠(yuǎn)離浮標(biāo)(距離6.2km)這個(gè)由遠(yuǎn)及近再由近及遠(yuǎn)的過程中, 聲學(xué)系統(tǒng)3 個(gè)矢量通道噪聲譜級在60Hz 以上的高頻段都有不同程度的升高, 其中X 通道60Hz 以上頻段噪聲譜級在水面航船距離較近時(shí)變化較劇烈, 這可能是由于X 通道“8”字形最大值指向水面航船所致, 而Y 通道和Z 通道噪聲譜級在整個(gè)頻段范圍內(nèi)變化則相對平穩(wěn), 在60Hz和100Hz 兩個(gè)頻點(diǎn)處Z 通道噪聲譜級分別升高了約4dB 和6dB, 而在200Hz、1kHz 和3kHz 3 個(gè)頻點(diǎn)處Z 通道噪聲譜級則均升高了約8dB; 3) 在200Hz 以下的低頻段, 矢量通道噪聲譜級比聲壓通道噪聲譜級大, 這是由于矢量通道自噪聲在低頻段相對較大造成的; 4) 水面航船在靠近浮標(biāo)距離4.8km 和遠(yuǎn)離浮標(biāo)距離6.2km 這個(gè)由遠(yuǎn)到近再由近及遠(yuǎn)的過程中, 聲學(xué)系統(tǒng)4 個(gè)通道噪聲譜級在這兩個(gè)距離處噪聲譜級突然升高和降低也驗(yàn)證了水面航船船尾部方向聲源級較高的結(jié)論。

圖10 各通道接收信號頻譜圖 a. P 通道; b.Vx 通道; c. Vy 通道; d Vz 通道。R: 浮標(biāo)與航船之間的距離; 箭頭表示距離變化; 垂直虛線表示距離分隔線(無特殊含義) Fig. 10 Signal spectrogram. (a) P channel, (b) Vx channel, (c) Vy channel, and (d) Vz channel

3 結(jié)果與結(jié)論

本文利用2019 年8 月份在南海海域開展的水下聲學(xué)浮標(biāo)海水試驗(yàn), 進(jìn)一步驗(yàn)證了水下聲學(xué)浮標(biāo)對海上目標(biāo)的探測性能, 試驗(yàn)結(jié)果分析表明: 1) 南海良好水文環(huán)境條件下, 水下聲學(xué)浮標(biāo)對航速8.4kn 的水面航船目標(biāo)最遠(yuǎn)探測距離可達(dá)13.8km, 在水面航船距離浮標(biāo)平臺 1.9km 時(shí), 方位估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)2°; 2) 水面航船距離水下聲學(xué)浮標(biāo)平臺某個(gè)距離處, 聲學(xué)系統(tǒng)各通道噪聲譜級在 200Hz以上的高頻段存在突然增大和減小現(xiàn)象, 但各通道譜級變化存在差異。水下聲學(xué)浮標(biāo)是具備高隱蔽和低成本優(yōu)點(diǎn)的無人平臺, 是未來水下無人探測手段的重要組成部分, 下一步將重點(diǎn)加強(qiáng)多平臺協(xié)同探測技術(shù)。