二維矢量水聽器及其在Argo浮標(biāo)平臺(tái)上的應(yīng)用技術(shù)

孫芹東，王超，張小川，王文龍

(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(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

0 引言

同振式矢量水聽器最早由美國(guó)學(xué)者Leslie等[1]于1956年提出，作為一種水聲測(cè)量設(shè)備，由于其本身不產(chǎn)生明顯的聲場(chǎng)畸變，且具有體積小、指向性優(yōu)異、靈敏度高、抗各向同性噪聲干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，測(cè)量水聲信息有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用于水聲工程各領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各學(xué)科交叉融合發(fā)展，聲學(xué)傳感器在Argo浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)等水下緩動(dòng)平臺(tái)集成應(yīng)用，以用于執(zhí)行海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)及移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)任務(wù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[5-8]。

Argo浮標(biāo)是一種依靠油囊改變自身凈浮力、實(shí)現(xiàn)上浮下潛的剖面觀測(cè)設(shè)備，具有長(zhǎng)時(shí)序、低噪聲、高效費(fèi)比的優(yōu)點(diǎn)，是海洋環(huán)境精細(xì)化觀測(cè)、海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障、海洋環(huán)境噪聲測(cè)量、海洋目標(biāo)監(jiān)測(cè)的重要有效手段，其經(jīng)濟(jì)效益和軍事意義顯著[9]。當(dāng)前Argo浮標(biāo)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋水文環(huán)境觀測(cè)領(lǐng)域，在集成聲學(xué)傳感器方面，2014年中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第710研究所在深海型Argo剖面浮標(biāo)平臺(tái)底部集成聲壓傳感器，研制了一型偵察定位浮標(biāo)和記錄浮標(biāo)，初步認(rèn)定了其工作原理和性能指標(biāo)。海軍潛艇學(xué)院依托中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第710研究所Argo浮標(biāo)技術(shù)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)聲學(xué)載荷，通過對(duì)浮標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行電磁兼容性與聲學(xué)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了水下聲學(xué)浮標(biāo)樣機(jī)，并開展了消聲水池、淺海、深海海域目標(biāo)探測(cè)性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

本文針對(duì)水下聲學(xué)浮標(biāo)研制要求，設(shè)計(jì)一種小體積、高靈敏度、具備姿態(tài)測(cè)量功能的二維復(fù)合同振式矢量水聽器，并對(duì)矢量水聽器各通道靈敏度、指向性參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。2018年，在南海某海域開展了水下聲學(xué)浮標(biāo)目標(biāo)探測(cè)能力驗(yàn)證試驗(yàn)，為同振式矢量水聽器在Argo浮標(biāo)平臺(tái)應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 矢量水聽器姿態(tài)測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)

1.1 矢量水聽器姿態(tài)測(cè)量與校正原理

矢量水聽器直接測(cè)量目標(biāo)方位信息是相對(duì)于自身載體坐標(biāo)系(b系)的目標(biāo)方位，該載體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于矢量水聽器幾何中心處(幾何中心和質(zhì)心重合)，xb、yb、zb坐標(biāo)軸所在方向分別指向右、前、上方向。矢量水聽器所測(cè)目標(biāo)方位信息最終要轉(zhuǎn)化到地理坐標(biāo)系(n系)下，由于受海洋內(nèi)波、洋流等復(fù)雜環(huán)境的影響，矢量水聽器自身所在載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系存在姿態(tài)變化，為求得載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角，對(duì)地理坐標(biāo)系定義為：原點(diǎn)位于矢量水聽器幾何中心處，3個(gè)坐標(biāo)軸xn、yn、zn分別指向東、北、天方向。

假設(shè)矢量水聽器所在載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)所得姿態(tài)角為航向角α、俯仰角β、橫滾角γ，那么載體坐標(biāo)系Oxbybzb中某一點(diǎn)(xb，yb，zb)T通過姿態(tài)角可以轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系Oxnynzn下，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(1)

1.2 姿態(tài)傳感器選取與測(cè)試

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)姿態(tài)傳感器采用了數(shù)字式三軸MEMS陀螺儀來測(cè)量矢量水聽器的運(yùn)動(dòng)角速度、三軸MEMS加速度計(jì)來測(cè)量矢量水聽器的運(yùn)動(dòng)加速度以及三軸MEMS磁力計(jì)來測(cè)量矢量水聽器所在環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度(傳感器參數(shù)見表1)，采用基于ARM-Cortex內(nèi)核的高性能單片機(jī)作為運(yùn)算處理單元，用來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)傳感器的自主控制、數(shù)據(jù)采集及姿態(tài)解算功能。MEMS姿態(tài)傳感器制作完成后，其姿態(tài)解算速率達(dá)540 Hz，解算輸出的姿態(tài)歐拉角通過RS232串口總線傳輸至上位機(jī)[11]。MEMS姿態(tài)傳感器尺寸為25 mm×25 mm×3 mm，功耗為0.25 W.

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameters

在國(guó)防科技工業(yè)第一計(jì)量測(cè)試研究中心開展了MEMS姿態(tài)傳感器的性能參數(shù)測(cè)試工作[12]，測(cè)試科目包括橫滾角、航向角及俯仰角靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度測(cè)試。在動(dòng)態(tài)精度測(cè)試時(shí)，由于矢量水聽器用于水下Argo浮標(biāo)平臺(tái)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)受海洋中洋流、內(nèi)波、潮汐、浪涌等影響的頻率主要集中在0.2 Hz以下的低頻段，因此分別測(cè)試了3個(gè)軸向在不同頻率下的動(dòng)態(tài)精度，這里給出航向角動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果(見表2)。由測(cè)試結(jié)果可知：MEMS姿態(tài)傳感器在振幅小于20°、頻率低于2.0 Hz時(shí)，航向角動(dòng)態(tài)誤差小于0.5°，動(dòng)態(tài)相對(duì)誤差為振幅的3.6%以內(nèi)；橫滾角的動(dòng)態(tài)誤差小于0.5°，動(dòng)態(tài)相對(duì)誤差為振幅的2.8%以內(nèi)；俯仰角動(dòng)態(tài)誤差小于0.4°，動(dòng)態(tài)相對(duì)誤差為振幅的2.9%以內(nèi)[13]。

表2 航向角動(dòng)態(tài)精度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of dynamic accuracy of heading angle

2 矢量水聽器設(shè)計(jì)與制作

矢量水聽器同時(shí)包含一個(gè)聲壓通道和兩個(gè)相互正交的矢量通道，可以同步共點(diǎn)測(cè)量聲場(chǎng)空間中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速，具有靈敏度高、指向性好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工程應(yīng)用中普遍采用的一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在Argo浮標(biāo)平臺(tái)上集成單個(gè)矢量水聽器即可實(shí)現(xiàn)水中目標(biāo)的全空間無模糊測(cè)向，降低了平臺(tái)的搭載負(fù)擔(dān)和集成復(fù)雜度。

2.1 聲壓通道設(shè)計(jì)

矢量水聽器聲壓通道敏感元件為壓電陶瓷圓管，圓管沿徑向極化。該類型敏感元件具有相對(duì)較高的靈敏度，且指向性沿半徑方向均勻分布，其實(shí)測(cè)參數(shù)如表3所示。

表3 壓電陶瓷元件實(shí)測(cè)參數(shù)Tab.3 Measured parameters of piezoelectricceramic element

實(shí)際制作時(shí)，采用環(huán)氧樹脂和玻璃微珠按一定比例混合的復(fù)合泡沫材料填充于壓電陶瓷圓管內(nèi)部，聚氨酯密封材料包裹在陶瓷圓管外部。使用時(shí)，可假設(shè)壓電陶瓷圓管內(nèi)表面和端部不受力，外部聲場(chǎng)壓力p均勻作用于外表面，聲壓通道開路電壓接收靈敏度級(jí)Mp[14]為

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式中:V為聲壓通道開路電壓；i=ri/ro，i為壓電陶瓷圓管內(nèi)外半徑之比。將表3中聲壓通道敏感元件參數(shù)代入(2)式中，可得到聲壓通道開路電壓接收靈敏度級(jí)隨材料參數(shù)變化曲線，如圖1所示。

圖1 聲壓通道靈敏度級(jí)特性曲線Fig.1 Sensitivity curves of sound pressure channel

由圖1可知，根據(jù)壓電陶瓷詳細(xì)參數(shù)可以計(jì)算得出矢量水聽器聲壓通道靈敏度級(jí)Mp=-191.7 dB(0 dB參考值為1 V/μPa)，且陶瓷元件靈敏度隨著管壁厚度的增大而減小、隨著外半徑的增大而增大[14]。

2.2 矢量通道設(shè)計(jì)

由矢量水聽器設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)可知，如果滿足聲學(xué)剛性、圓柱形聲接收器的最大線性尺寸遠(yuǎn)小于入射聲波波長(zhǎng)，且圓柱形聲接收器平均密度與水介質(zhì)密度近似相等，則有以下(3)式[15]成立：

(3)

由(3)式可知，如果滿足聲學(xué)剛性、圓柱形聲接收器平均密度與水介質(zhì)密度近似相等，則在水中聲波作用下，其振動(dòng)速度與其等效聲中心所在處水質(zhì)點(diǎn)振速值幅值相等、相位一致。因此，在圓柱形聲接收器內(nèi)部放置質(zhì)點(diǎn)振速傳感器，且保證制作完成后尺寸、密度滿足上述條件，即可制作同振式矢量水聽器。

2.3 矢量水聽器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

本文為Argo浮標(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì)的矢量水聽器在結(jié)構(gòu)上包含聲壓通道、兩個(gè)正交的矢量通道，為實(shí)時(shí)感知矢量水聽器姿態(tài)信息在其內(nèi)部封裝姿態(tài)傳感器，為保證姿態(tài)傳感器測(cè)量矢量水聽器姿態(tài)信息的準(zhǔn)確性，二者用裝配支架固定，其結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 矢量水聽器剖面圖Fig.2 Section of vector hydrophone

如圖2所示，制作完成后二維加速度計(jì)和壓電陶瓷敏感元件分別構(gòu)成矢量水聽器矢量通道和聲壓通道，姿態(tài)傳感器用來拾取矢量水聽器相對(duì)地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，聚氨酯密封材料起到透聲和水密作用，復(fù)合材料為環(huán)氧樹脂和玻璃微珠混合而成、調(diào)節(jié)整體密度的低密度復(fù)合泡沫材料。在使用時(shí)，用彈性元件將矢量水聽器通過懸掛孔懸置在剛性框架上，隨聲波作等幅、同相振動(dòng)。

2.4 矢量水聽器參數(shù)測(cè)試

矢量水聽器參數(shù)測(cè)試工作在國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站完成，測(cè)試參數(shù)包括各通道靈敏度和指向性。靈敏度測(cè)試在駐波管中進(jìn)行，通過在駐波管中形成低頻平面波，采用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)[15]，其測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 矢量水聽器靈敏度級(jí)測(cè)試曲線Fig.3 Sensitivity curves of vector hydrophone

從靈敏度級(jí)測(cè)試結(jié)果可知：聲壓通道靈敏度級(jí)為-191.5 dB±0.5 dB，在頻帶范圍內(nèi)基本為平坦曲線，測(cè)試結(jié)果較為理想；矢量通道聲壓靈敏度級(jí)在1 kHz頻點(diǎn)處為-179.5 dB(0 dB參考值為1 V/μPa)，且隨著頻率增加靈敏度逐漸增大，每倍頻程靈敏度值增加約6 dB，x、y兩個(gè)矢量通道靈敏度值一致性好，能夠滿足工程應(yīng)用。

在駐波管中，通過選定測(cè)試頻率，在發(fā)射器發(fā)射功率保持不變情況下，通過控制回轉(zhuǎn)裝置從被測(cè)矢量水聽器軸向?qū)?zhǔn)發(fā)射換能器開始，旋轉(zhuǎn)一周，并同時(shí)記錄被測(cè)通道在不同角度時(shí)開路輸出電壓值，通過歸一化處理得到指向性圖，這里給出800 Hz頻點(diǎn)處各通道指向性測(cè)試結(jié)果(見圖4)。

圖4 在800 Hz頻點(diǎn)處矢量水聽器指向性Fig.4 Directivity pattern of vector hydrophone at 800 Hz

由矢量水聽器在800 Hz頻點(diǎn)處各通道的指向性測(cè)試結(jié)果可知：聲壓通道無指向性，最大值不均勻性為0.2 dB；矢量通道均具有“8”字形指向性，主軸最大靈敏度值與主軸垂直方向最小靈敏度值之差均不小于36.1 dB，主軸最大值不均勻性不大于1.9 dB.

3 海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文研制的二維矢量水聽器經(jīng)過了高靜水壓力試驗(yàn)、消聲水池等效噪聲壓級(jí)測(cè)量試驗(yàn)，聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)消聲水池、淺海目標(biāo)探測(cè)能力驗(yàn)證試驗(yàn)等。2018年，在南海某海域應(yīng)用集成矢量水聽器的Argo浮標(biāo)(以下稱水下聲學(xué)浮標(biāo))開展目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)，主要檢驗(yàn)水下聲學(xué)浮標(biāo)定深漂流模式下姿態(tài)傳感器對(duì)矢量水聽器姿態(tài)感知與校正能力、矢量水聽器目標(biāo)探測(cè)能力。試驗(yàn)海區(qū)水深約1 550 m，海底平坦為泥沙底質(zhì)，試驗(yàn)期間水下聲學(xué)浮標(biāo)采用定深漂流方式搜索目標(biāo)，為避免浮力調(diào)節(jié)單元工作時(shí)噪聲對(duì)目標(biāo)測(cè)向的影響，設(shè)置水下聲學(xué)浮標(biāo)定漂深度為200 m，容差±50 m，即水下聲學(xué)浮標(biāo)深度在150～250 m區(qū)間深度時(shí)浮力調(diào)節(jié)單元不工作，試驗(yàn)期間試驗(yàn)船作為目標(biāo)配合試驗(yàn)。

圖5給出了試驗(yàn)期間水下聲學(xué)浮標(biāo)矢量水聽器測(cè)試的海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)，由測(cè)試結(jié)果可以看出，試驗(yàn)期間海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)約為60.0 dB@1 kHz.

水下聲學(xué)浮標(biāo)06：59時(shí)刻布放入水，14：19時(shí)刻上浮至水面，圖6(a)給出了09：06～14：01時(shí)間段水下聲學(xué)浮標(biāo)定深漂流工作模式下，其深度隨時(shí)間變化曲線，在整個(gè)定深漂流工作階段深度穩(wěn)定在150～185 m區(qū)間范圍。設(shè)定水下聲學(xué)浮標(biāo)聲學(xué)系統(tǒng)09：06時(shí)刻上電啟動(dòng)開始工作，此時(shí)深度150 m，水下聲學(xué)浮標(biāo)由水面下潛到150 m用時(shí)127 min；聲學(xué)系統(tǒng)14：01時(shí)刻斷電停止工作，此時(shí)水下聲學(xué)浮標(biāo)深度187 m，之后便排油上??；14：19時(shí)刻上浮至水面，上浮用時(shí)18 min，聲學(xué)系統(tǒng)連續(xù)工作296 min. 試驗(yàn)船作為配合目標(biāo)，09:32時(shí)刻開始以10 kn航速、340°航向航行，10:55時(shí)刻停止，圖6(b)給出了09：32～10：55時(shí)間段矢量水聽器姿態(tài)角隨時(shí)間變化曲線。由圖6(b)可以看出：橫滾角基本保持在-180°，俯仰角基本保持在0°，航向角在0°～360°緩慢變化，由于矢量水聽器懸掛裝置與水下聲學(xué)浮標(biāo)平臺(tái)采用剛性連接，說明水下聲學(xué)浮標(biāo)在定深漂流模式下能夠保持水平狀態(tài)，但由于受到海流的影響，在定深隨流漂的過程中自身在緩慢旋轉(zhuǎn)。圖6(c)給出了09：32～10：55時(shí)間水下聲學(xué)浮標(biāo)與配合試驗(yàn)船態(tài)勢(shì)信息(MMSI表示水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼)，水下聲學(xué)浮標(biāo)06：59時(shí)刻入水、14：19時(shí)刻出水，在該時(shí)間段內(nèi)，水下聲學(xué)浮標(biāo)沿351°方向漂離布放位置點(diǎn)8 km，水下聲學(xué)浮標(biāo)定漂速度約為0.6 kn.

圖5 海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)Fig.5 Noise spectrum levels in marine environment

圖6 浮標(biāo)深度、矢量水聽器姿態(tài)及浮標(biāo)與 試驗(yàn)船態(tài)勢(shì)信息Fig.6 Buoy depth, vector hydrophone attitude, and buoy and test ship situation information

圖7(a)給出了09：32～10：55時(shí)間段，水下聲學(xué)浮標(biāo)矢量水聽器姿態(tài)校正前解算試驗(yàn)船方位與經(jīng)全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)推算方位信息；圖7(b)給出了該時(shí)間段，水下聲學(xué)浮標(biāo)矢量水聽器姿態(tài)校正后解算試驗(yàn)船方位與經(jīng)GPS推算方位信息；圖7(c)給出了該時(shí)間段，水下聲學(xué)浮標(biāo)與試驗(yàn)船經(jīng)GPS推算距離信息。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：1)姿態(tài)校正前，水下聲學(xué)浮標(biāo)矢量水聽器解算輸出的噪聲信號(hào)估計(jì)方位為相對(duì)矢量水聽器自身載體坐標(biāo)系的方位，同GPS推算試驗(yàn)船方位偏差較大。2)姿態(tài)校正后，水下聲學(xué)浮標(biāo)矢量水聽器解算輸出的噪聲信號(hào)估計(jì)方位為相對(duì)地理坐標(biāo)系的方位，基本同GPS推算試驗(yàn)船方位相吻合。3)試驗(yàn)期間，水下聲學(xué)浮標(biāo)矢量水聽器主要接收試驗(yàn)船輻射噪聲信號(hào)，解算方位主要為試驗(yàn)船目標(biāo)，但試驗(yàn)期間船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)顯示附近有工程船作業(yè)，如圖6(c)所示，工程船MMSI為412 461 570，此工程船09：32時(shí)刻以航速6.2 kn、航向63°航行，方位為水下聲學(xué)浮標(biāo)73°方向、距離26.8 km；此工程船10：32時(shí)刻轉(zhuǎn)向，10：55時(shí)刻，方位為水下聲學(xué)浮標(biāo)66°方向、距離41.3 km. 所得工程船目標(biāo)方位信息，與圖7(b)吻合較好。4)受工程船噪聲干擾，以及水下聲學(xué)浮標(biāo)推算位置存在偏差，因此試驗(yàn)船目標(biāo)解算方位與GPS推算方位間存在一定偏差，此時(shí)間段內(nèi)試驗(yàn)船距離水下聲學(xué)浮標(biāo)最遠(yuǎn)達(dá)14.4 km.

圖7 水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Target detection test results of underwater acoustic buoy system

4 結(jié)論

為解決矢量水聽器在Argo浮標(biāo)平臺(tái)應(yīng)用時(shí)其姿態(tài)變化難以準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)致目標(biāo)測(cè)向精度低的難題，本文設(shè)計(jì)、制作了基于MEMS姿態(tài)傳感器的矢量水聽器樣機(jī)，并應(yīng)用集成矢量水聽器的Argo浮標(biāo)開展目標(biāo)探測(cè)性能海上試驗(yàn)。MEMS姿態(tài)傳感器測(cè)試結(jié)果表明，其精度能滿足矢量水聽器測(cè)量需求，矢量水聽器各通道指向性、靈敏度性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。海上試驗(yàn)結(jié)果表明，矢量水聽器在Argo浮標(biāo)平臺(tái)使用經(jīng)姿態(tài)校正后，目標(biāo)方位估計(jì)值和GPS信息推算值吻合較好，深海良好水文條件下對(duì)航速10 kn的試驗(yàn)船目標(biāo)最遠(yuǎn)探測(cè)距離大于14.4 km. 本研究對(duì)矢量水聽器在Argo浮標(biāo)平臺(tái)上的工程應(yīng)用具有重要的參考意義。