基于矢量水聽器的水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計*

孫芹東，馬士全，孫 巍1，，王文龍1，

(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)試點國家實驗室，山東 青島266237)

“HM-2000”剖面浮標(biāo)，依靠平臺底部油囊調(diào)節(jié)浮力實現(xiàn)升沉，只在水面通信和調(diào)整凈浮力時消耗少量能源，具有低功耗、高效率、長時續(xù)、低成本等特點，浮標(biāo)可以在海洋中多次沉浮，測量2 000 m 以淺范圍內(nèi)的海洋溫度、鹽度及深度數(shù)據(jù)[1]，并在海面通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位及數(shù)據(jù)傳輸[2]，接收岸站剖面啟動、參數(shù)設(shè)置等指令信息，“HM-2000”剖面浮標(biāo)平臺技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于海洋和大氣科學(xué)基礎(chǔ)研究、深遠(yuǎn)海資源開發(fā)、海戰(zhàn)場環(huán)境保障等領(lǐng)域[3]。

姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器具有低頻、小尺寸的特點，可同時獲取所在聲場聲中心處聲壓和二維質(zhì)點加速度、以及矢量水聽器實時姿態(tài)信息，通過信號處理得到目標(biāo)相對于地理坐標(biāo)系的方位信息[4-5]。 本文旨在發(fā)揮浮標(biāo)平臺低功耗、長時續(xù)和矢量水聽器低頻、小尺寸、高可靠性等優(yōu)勢[6-8]，設(shè)計一種用于海洋目標(biāo)水聲信號探測的水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自主完成水聲信號采集、目標(biāo)探測、跟蹤、屬性自主判別、與浮標(biāo)主控系統(tǒng)信息交互的工作流程，具有低噪聲、小體積、低成本、高效率、低維護(hù)費(fèi)用、可重復(fù)使用、布放回收方便等特點，本文研究對姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器在水下緩動聲吶平臺的應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

1 水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計

水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括矢量水聽器、水聲信號濾波放大模塊和A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FPGA 主控和DSP 信號處理模塊、浮標(biāo)主控系統(tǒng)；其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用模塊化設(shè)計，矢量水聽器固定于浮標(biāo)基礎(chǔ)平臺上部連接桿頂端，連接桿另一端固定在浮標(biāo)基礎(chǔ)平臺頂部，矢量水聽器用彈性元件懸掛于加肋導(dǎo)流罩內(nèi)部，導(dǎo)流罩采用聚氨酯透聲材料，以降低系統(tǒng)工作時流噪聲影響[9-10]和確保聲波的傳播，矢量水聽器和水聲信息實時采集與分析單元間通過水密電纜實現(xiàn)信息傳輸。

圖1 水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

矢量水聽器的輸出信息包括三路水聲信息和自身實時姿態(tài)信息，其工作時序受水聲信息實時采集與分析單元FPGA 控制，四路水聲信息經(jīng)過濾波放大、A/D 轉(zhuǎn)換后到達(dá)DSP 數(shù)據(jù)處理模塊，DSP 完成水聲信息和姿態(tài)信息的聯(lián)合信號處理，給出目標(biāo)連續(xù)方位和被探測目標(biāo)的屬性信息，完成與浮標(biāo)主控系統(tǒng)的信息交互。

1.1 姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器設(shè)計

姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器是在常規(guī)矢量水聽器技術(shù)基礎(chǔ)上，依據(jù)姿態(tài)感知原理，選取MEMS姿態(tài)傳感器作為其姿態(tài)感知元件[11]。 MEMS 姿態(tài)傳感器內(nèi)置三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計和三軸MEMS 磁力計，重力加速度方向和地磁北方向正交，從而唯一確定一個三維空間的姿態(tài)，利用三軸MEMS 加速度計檢測的重力加速度和三軸MEMS 磁力計檢測的磁北參數(shù)數(shù)據(jù)來對三軸MEMS陀螺儀解算姿態(tài)進(jìn)行實時更新與校正。

為減小裝配誤差，盡量使三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計和三軸MEMS 磁力計的觀測中心和觀測軸重合，選用了MPU9150 傳感器作為敏感器件。 MPU9150 在一個芯片上同時集成了三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計和三軸MEMS磁力計，能夠最大限度地減小裝配誤差，且其測量精度在微型MEMS 慣性器件中是最好的。 圖3 為制作完成后的MEMS 姿態(tài)傳感器，其各角度動態(tài)測量范圍和精度如表1 所示，可滿足姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器應(yīng)用要求。

圖3 MEMS 姿態(tài)傳感器

表1 姿態(tài)傳感器參數(shù)列表

姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量外形為圓柱體兩端帶半球帽的不規(guī)則圓柱體，水聽器外形尺寸為Φ66×78 mm，工作頻帶20 Hz～1 000 Hz，實際使用時用彈簧或橡皮筋懸掛在剛性框架內(nèi)。 圖4 給出了在駐波管測試的矢量水聽器各通道工作頻帶內(nèi)靈敏度結(jié)果，圖5 給出了在駐波管測試的不同頻點處矢量水聽器各通道指向性結(jié)果。

由圖4 矢量水聽器靈敏度測試結(jié)果可知，聲壓通道靈敏度級為163.2 dB(0 dB ＝1 V/μPa)，測試頻帶內(nèi)靈敏度起伏為±0.6 dB，測試靈敏度值與理論值吻合較好；矢量通道靈敏度級為-173.3 dB(＠100 Hz，0 dB ＝1 V/μPa)，兩個矢量通道測試值與理論值基本吻合，且兩個矢量通道靈敏度一致性較好。

由圖5 矢量水聽器各通道不同頻點處指向性測試結(jié)果可知，聲壓通道具有全指向性，在400 Hz 頻點處最大值不均勻性為0.5 dB；矢量通道具有余弦指向性，x 通道在250 Hz 頻點處最大值不均勻性為1.0 dB、凹點深度36.8 dB，y 通道在800 Hz 頻點處最大值不均勻性為0.3 dB、凹點深度35.2 dB，兩矢量通道主軸方向靈敏度最大值對稱性較好，與主軸垂直方向靈敏度最小值對稱性方面y 通道相比于x通道略差，可能是測試時懸掛不對稱導(dǎo)致。

圖4 矢量水聽器靈敏度測試結(jié)果

圖5 矢量水聽器指向性測試結(jié)果

1.2 矢量水聽器信號調(diào)理與采集電路設(shè)計

由于矢量水聽器在實際工作中易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，在進(jìn)行模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換時，需對矢量水聽器的信號進(jìn)行預(yù)處理。 首先通過低噪聲放大器進(jìn)行微弱信號的放大，然后使用五階貝塞爾濾波器進(jìn)行高頻噪聲信號的濾除。 由于高精度ADC 的模擬輸入接口通常為差分輸入，所以需要將濾波器的單端信號通過單端轉(zhuǎn)差分電路進(jìn)行處理。 最后通過高精度的ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

本文選用的ADC 為24 位的AD7768，該芯片動態(tài)范圍最高可達(dá)115 dB，功耗最低可達(dá)9 mW/通道，同時其積分非線性、偏移誤差和增益誤差都非常小，是一款非常理想的音頻采集芯片。 選取TI 公司生產(chǎn)的具有超低噪聲、超低失真度、單位增益穩(wěn)定的電壓反饋型運(yùn)算放大器OPA4140，搭建貝塞爾結(jié)構(gòu)型五階低通濾波電路，該濾波電路的設(shè)計使用可降低信號的失真度以及壓縮噪聲帶寬。

圖6 模擬信號調(diào)理結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊以FPGA 和高性能DSP 為主要核心，實現(xiàn)對矢量水聽器的信號采集、數(shù)據(jù)存儲、目標(biāo)屬性判別等功能。

圖7 數(shù)據(jù)處理平臺原理框圖

矢量水聽器信號經(jīng)模擬信號調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后，通過FPGA 控制，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號按照一定的數(shù)據(jù)格式傳輸至DSP。 DSP 對采集到的水聲信息以及姿態(tài)信息進(jìn)行聯(lián)合處理，獲取目標(biāo)方位信息，并通過人工智能算法對探測目標(biāo)屬性進(jìn)行判別，決定是否進(jìn)行預(yù)警上報。 同時將處理后的數(shù)據(jù)回傳至FPGA，由FPGA 負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)存儲至板載存儲單元。 后期可通過以太網(wǎng)將存儲數(shù)據(jù)上傳至電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和場景重現(xiàn)。

2 海上試驗結(jié)果

2018 年，在南海北部海域，應(yīng)用設(shè)計的水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)開展目標(biāo)探測能力試驗驗證，600 t 級科考船作為配合目標(biāo)，水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)采用定深漂流方式采集配合目標(biāo)輻射噪聲信號，設(shè)置定漂深度為(100±50)m。

圖8 水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)與科考船位置及矢量水聽器姿態(tài)信息

如圖8(a)所示，水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)06:07 時刻入水下潛、14:21 時刻浮出水面，水下連續(xù)工作時長約8 h，并沿327°方向漂離布放位置點8 km，定漂速度約為0.5 節(jié)，系統(tǒng)09:01 時刻開始采集科考船輻射噪聲信號。 科考船09:01 時刻位S1 點，以10 節(jié)航速、340°航向駛向S2 點；09:15 時刻位S2 點轉(zhuǎn)向、距離S3 點(為水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)推算位置點)約7.1 km，相對水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)方位為333°，轉(zhuǎn)向完畢后以10 節(jié)航速、160°航向駛向S4 點；09:40 時刻位S3 點，與水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)推算位置近似重合；10:14 時刻位S4 點停船，S4 點距離S3 點約10.3 km，相對水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)方位為163°。 如圖8(b)所示，為09:01 ～10:14時間段內(nèi)姿態(tài)傳感器采集的矢量水聽器姿態(tài)信息，也間接反映了水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)姿態(tài)信息，航向角輸出結(jié)果說明，水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)在海流作用下存在緩慢轉(zhuǎn)動；俯仰角和橫滾角輸出數(shù)值，說明水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)水平姿態(tài)比較穩(wěn)定。

如圖9(a)所示，為矢量水聽器姿態(tài)校正前水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)解算輸出科考船目標(biāo)方位與GPS 推算方位歷程圖。 如圖9(b)所示，為矢量水聽器姿態(tài)校正后水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)解算輸出科考船目標(biāo)方位與GPS 推算方位歷程圖。 如圖9(c)所示，為科考船相對水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)距離歷程圖。 結(jié)果顯示:(1)姿態(tài)校正前，水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)解算科考船目標(biāo)方位與GPS 推算方位差別較大，姿態(tài)校正后解算方位與GPS推算方位基本吻合；(2)09:01 時刻，科考船位S1 點、距離S3 點約3.0 km、相對水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)方位為333°，09:15 時刻，科考船位S2 點、距離S3 點約7.1 km、相對水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)方位為333°，09:40 時刻，科考船與S3 點基本重合，10:14 時刻，科考船位S4點、距離S3 點10.3 km、相對水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)方位為163°，均與圖8(a)所示相吻合；(3)10:14 時刻，科考船位S4 點停機(jī)，未能檢驗水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)對其最遠(yuǎn)探測距離。

圖9 水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)目標(biāo)探測試驗結(jié)果

3 結(jié)束語

本文依據(jù)矢量水聽器姿態(tài)感知原理，設(shè)計制作姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器，采用FPGA+DSP 架構(gòu)設(shè)計制作數(shù)據(jù)采集與實時分析單元，為充分發(fā)揮矢量水聽器和浮標(biāo)平臺優(yōu)勢，研發(fā)可應(yīng)用于海洋目標(biāo)水聲信號探測的水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)。 海上試驗結(jié)果表明，姿態(tài)感知復(fù)合同振式矢量水聽器可在20 Hz ～1 000 Hz 范圍內(nèi)采集目標(biāo)輻射噪聲信號，姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)確，水下聲學(xué)浮標(biāo)系統(tǒng)在定深漂流工作模式，對600 t 級、10 節(jié)航速航行科考船探測距離≥10.3 km。本文相關(guān)研究對矢量水聽器在水下緩動聲吶平臺工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。