科技前沿▏用于水声信号探测的水下声学滑翔机系统设计
“海燕”水下滑翔机，作为一种新型移动观测平台，可长时间、大范围在海洋中遨游，测量水面至数千米（可达到全海深）范围内的海洋多参量数据，并在海面通过卫星进行定位及数据传输，接收岸站剖面启动、参数设置等指令信息，“海燕”水下滑翔机平台技术相对成熟，已广泛应用于海洋水文环境、湍流、溶解氧等观测，为海洋和大气科学基础研究、深远海资源开发、海洋水文环境精细化测量等提供技术支持。矢量水听器可同时采集所在声场声压标量、三维质点加速度以及自身实时姿态信息，水声信号处理设备通过对水声及姿态信息的联合处理可直接得到目标相对于地理坐标系的方位信息。
在水下声学滑翔机系统设计方面，21世纪初，美国相关研究机构相继在Slocum，Seaglider，ZRay滑翔机平台集成声学传感器或其阵列用于海洋科学研究和目标探测任务。国内相关研究机构在这方面的研究工作基本与美国保持同步，初步具备对目标的探测能力。本文旨在发挥水下滑翔机平台大范围、长时续和三维复合同振式矢量水听器低频、高灵敏度、高可靠性等优势，设计一种具备海洋目标自主探测功能的水下声学滑翔机系统，为三维复合同振式矢量水听器在水下缓动声呐平台以及水下声学滑翔机系统在海洋移动目标自主探测领域的工程业务化应用方面奠定技术基础。
一、三维复合同振式矢量水听器设计
矢量水听器应用在水下滑翔机缓动声呐平台需要实时获取其姿态信息，目前的姿态测量系统有高精度的光纤陀螺或机械陀螺姿态测量系统，但其体积大、功耗大、成本高，无法安装应用在水下滑翔机平台上。成本较低的加速度电子罗盘姿态测量系统由于精度和动态响应太差，无法及时准确地感测矢量水听器的快速晃动。三维复合同振式矢量水听器针对水下滑翔机缓动声呐平台应用需求而设计，在常规矢量水听器技术基础上，依据姿态感知原理，在其内部集成微型MEMS姿态传感器，用于感知矢量水听器实时姿态信息。微型MEMS姿态传感器包含三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁力计，三轴MEMS陀螺仪用于解算矢量水听器姿态，利用三轴MEMS加速度计检测的重力加速度和三轴MEMS磁力计检测的磁北参数数据来对三轴MEMS陀螺仪解算姿态进行实时更新与校正。
为减小装配误差，姿态传感器选用九轴传感器作为敏感器件，在一个芯片上同时集成了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁力计，能够最大限度地减小轴间装配误差，其各角度动态测量范围和精度如表1所示，可满足三维复合同振式矢量水听器在水下滑翔机缓动声呐平台应用要求。
表1 姿态传感器参数列表
名称 | 测量范围 | 测量精度 |
航向角/(°) | 0～360 | 0.5 |
俯仰角/(°) | -85～85 | 0.1 |
横滚角/(°) | -180～180 | 0.1 |
三维复合同振式矢量外形为胶囊体，制作完成后水听器外形尺寸为Φ76×78mm，实际使用时用弹簧悬挂在刚性框架内。图1为在驻波管和消声水池测试的矢量水听器各通道工作频带内灵敏度结果（矢量水听器前置放大20倍），其中100～1000Hz频段在驻波管测试、1250～3150Hz频段在消声水池测试。图1为在驻波管测试的不同频点处矢量水听器各通道指向性结果。
图1 矢量水听器灵敏度测试结果
由图1测试结果可知，声压通道灵敏度级为166.2dB（0dB＝1V/μPa），测试频带内灵敏度起伏为±1.2dB，测试灵敏度值与理论值吻合较好；加速度通道灵敏度级为–173.3dB（@100Hz，0dB＝1V/μPa），3个加速度通道测试值与理论值基本吻合，且3个加速度通道灵敏度一致性较好。
由图2测试结果可知，声压通道具有全指向性，在500Hz频点处最大值不均匀性为0.9dB；加速度通道具有余弦指向性，分辨力均大于33.4dB，通道在630Hz频点处最大值不均匀性为0.7dB，通道在200Hz频点处最大值不均匀性为0.8dB，通道在800Hz频点处最大值不均匀性为1.3dB，3个加速度通道主轴方向灵敏度最大值对称性较好，与主轴垂直方向灵敏度最小值对称性方面x通道相比于另外两通道略差，可能是测试时悬挂不对称导致。
图2 矢量水听器指向性测试结果
二、水下声学滑翔机系统结构
水下声学滑翔机系统结构框图如图3所示，主要包括矢量水听器、水声信号滤波放大模块和A/D转换模块、FPGA主控和DSP信号处理模块、滑翔机主控系统；其整体结构采用模块化设计，通过在水下滑翔机平台前端伸出长杆集成矢量水听器探测单元，并设置信号处理机独立舱室，依次包括矢量水听器、信号处理机、主耐压壳体、浮力调节、姿态调节与能源、导航与控制、螺旋桨辅推、多频天线，能够完成剖面滑翔、动力滑翔机、定深直航等工作模式，耐压壳体可承受1300m耐压极限深度。矢量水听器单元和水下滑翔机平台之间采用连接杆固定，水下滑翔机平台前导流罩内部设置有水声信号处理机独立舱室，矢量水听器用弹性元件悬挂于加肋导流罩内部，导流罩采用聚氨酯透声材料，以降低系统工作时流噪声影响和确保声波的传播，矢量水听器单元和水声信号处理机单元间通过水密电缆实现信息传输。
图3 水下声学滑翔机系统结构框图
三、矢量水听器信号调理与采集电路
设计
在实际背景环境噪声的影响下，矢量水听器输出的模拟信号中包含高频和低频噪声，在数据处理前通常需要进行滤波处理，采用模拟带通滤波电路和高阶数字滤除器完成矢量水听器的滤波处理。矢量水听器输出信号通常在百毫伏级，为了与模数转换器的模拟通道输入信号幅值相匹配，在前端加入了放大器，同时采用1阶高通滤波器和2阶低通滤波器所组成的带通滤波器来滤除高频噪声。
放大电路主要采用AD8221精密仪表放大器，其输入电压范围在±12V，放大倍数可通过外接电阻调节。外接电阻选用200kΩ，将放大器的输出电压范围调节为±12.47V。然后利用阻值为2:1:2的电阻分压器将传向后端网络的输入电压范围调节为±2.5V，最后将ADS1278输出的2.5V偏置电压引入到OP2177的输入正极，同时将AD输入通道的电压调节到0～5V。
为了实现更高的分辨率，模数转化部分选用了采样精度24bit的ADS1278模数转换器，在高精度模式下采样率可到达2Msps，能够满足系统的功能需求。
输出方式采用SPI协议，在保证传输速率的前提下四线通信更有利于系统小型化布局。为了避免电源噪声的引入，在AD模数转换器的供电引脚处添加了多组去耦电容、旁路电容以及降压稳压器。在PCB设计中采用数字地和模拟地分开的方式降低数字电路对模拟电路的干扰影响。
四、数据处理模块设计
数据处理模块采用FPGA+DSP的系统架构，实现对矢量水听器的信号采集、数据存储、四路水声信息和姿态信息联合信号处理。
FPGA作为系统底层数据流核心控制器，主要控制矢量水听器的AD采集模块和移动平台的信息交互接口。核心控制器采用赛灵思的Spartan-7系列，其可配置IO接口以及内部的主要资源都满足设计要求，并且可为后期的功能拓展提供良好平台。在整个系统中，FPGA需要实时采集模拟板的AD转换数据、时间芯片的时间数据、平台发送的控制信息以及DSP的处理结果。FPGA内部通过控制逻辑完成各模块接口协议，利用RAM和FIFO寄存器缓存各个过程中的参数变量，实现各模块之间数据传输。
DSP对采集到的传感器信号进行目标跟踪算法处理，并通过人工智能对目标进行识别，通过判断目标的有无决定是否进行信息上报。同时将处理后的数据回传至FPGA，由FPGA负责将数据存储至板载存储单元。后期可通过以太网将存储数据上传至电脑，进行数据回放和场景重现。
五、海上试验验证
2018年，在南中国海海域，应用设计的水下声学滑翔机系统开展目标探测能力试验验证，水下声学滑翔机系统采用剖面滑翔方式采集舰船辐射噪声信号，设置水下声学滑翔机系统最大下潜深度为1200m。以下给出水下声学滑翔机在剖面滑翔工作模式下，对船舶自动识别系统（AIS）所接收水面航船目标（MMSI号为414350640，船长42m、船宽6m、航速8.4kn水面航船）的探测过程。
如图4（a）所示，水下声学滑翔机系统10:50时刻开始接收下潜指令，入水下潜，1054时刻开始采集舰船目标辐射噪声信号，13:49～13:59时间段水下声学滑翔机系统浮力驱动系统启动，挤压油囊，改变自身浮力，排油上浮，在13:49～13:59时间段由于水下声学滑翔机系统工况噪声较大，矢量水听器停止采集辐射噪声信号，13:59～14:50时间段继续采集辐射噪声信号，14:50时刻浮出水面。水下声学滑翔机系统试验期间设置最大下潜深度为1200m，实际最大下潜深度为1175m，单剖面水下连续工作时长约4h。
图4 水下声学滑翔机系统与下潜深度及姿态信息
如图4（b）所示，为12:54～13:49时间段内姿态传感器采集的矢量水听器姿态信息，由于矢量水听器悬挂支架和水下滑翔机平台刚性连接，其姿态也反映了水下滑翔机剖面滑翔时的姿态。航向角输出对应滑翔机平台相对磁北基准值的角度，俯仰角输出对应滑翔机平台俯仰角变化，俯仰角为正值表示滑翔机平台头部下倾做剖面滑翔运动、俯仰角为负值表示滑翔机平台头部朝上做剖面滑翔运动，姿态横滚角输出对应滑翔机平台横滚变化情况，如果水下声学滑翔机系统航向偏离计划航向时，滑翔机航向调节机构就会工作来调整滑翔机平台航向。航向角输出结果显示，12:54～13:49时间段水下声学滑翔机系统以约210°航向向西南方向移动，但如图5（b）所示，10:54～14:54时间段，水下声学滑翔机系统整体在向东北方向移动，说明在海流作用下，水下声学滑翔机系统在水下运动状态比较复杂，局部时间段内运动并不能反映其在整个时间段内的运动状态；横滚角输出结果显示，12:54～13:49时间段水下声学滑翔机横滚角数值在-20°～20°之间频繁变化，说明水下声学滑翔机系统在受海流影响下，通过频繁使用航向调节机构来调节航向，以保持水下声学滑翔机按照预定航向前行。
图5 水下声学滑翔机系统目标探测试验结果
图5（a）和图5（b）分别为12:54～13:49时间段水面航船相对水下声学滑翔机系统方位（转换到地理坐标系）、推算距离和水下声学滑翔机系统和水面航船态势信息。矢量水听器计算输出水面航船相对水下声学滑翔机系统的方位信息，显示了水面航船由远及近再到远的距离变化关系。12:54时刻，水面航船位水下声学滑翔机系统125°方位，以8.4kn航速、301°航向靠近水下声学滑翔机系统，13:49时刻，水面航船位水下声学滑翔机系统293°方位，水下声学滑翔机系统停止工作。12:54～13:49时间段，水面航船和水下声学滑翔机系统最近距离为0.8km、最远距离为7.8km，由于水下声学滑翔机系统在13:49时刻停机，未能检验水下声学滑翔机系统对水面航船的最远探测距离。
六、结语
本文依据矢量水听器姿态感知原理，设计制作三维复合同振式矢量水听器，采用FPGA＋DSP架构设计制作数据采集与实时分析单元，为充分发挥矢量水听器和水下滑翔机平台优势，研发可应用于水中移动目标水声信号探测的水下声学滑翔机系统。海上试验结果表明，三维复合同振式矢量水听器可在100～3000Hz范围内采集目标辐射噪声信号，姿态数据输出准确，水下声学滑翔机系统在剖面滑翔工作模式，对船长42m、船宽6m、航速8.4kn水面航船探测距离≥7.8km。本文相关研究对矢量水听器在水下缓动声呐平台以及水下声学滑翔机系统在水中移动目标水声信号探测领域的工程应用具有一定的指导意义。
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【作者简介】文/孙芹东 张林 孙巍 王文龙，分别来自海军潜艇学院和青岛海洋科学与技术试点国家实验室；第一作者孙芹东，1986年出生，硕士，助理研究员，研究方向为声矢量传感器及其应用技术、水下无人探测装备；本文为基金项目，国家自然科学基金资助项目（2019YFC030313）、青岛科译科学与技术试点国家实验室问海计划资助项目（2017WHZZB06）；文章来自《舰船科学技术》（2020年第7期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。
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