水下平臺聲學兼容性技術綜述

葛錫云，周宏坤，郭楊陽，魏檸陽

(中國船舶科學研究中心深海載人裝備國家重點實驗室，無錫 214082)

0 引 言

隨著國內外水下載人、無人平臺技術的發展，以探測作業為主要使命的水下平臺受到越來越多的關注。這一類水下作業平臺通常搭載大量的水下聲學設備，以實現探測、通信、導航等功能。當多型聲學設備同時工作時，會受到海洋環境噪聲、站體噪聲以及相互之間的聲干擾，包括同頻干擾和帶外干擾，從而造成探測數據跳變、誤報以及目標圖像無法識別。因此需要對全平臺聲學設備進行兼容性研究與統籌設計，包括聲學設備性能分析、聲學設備參數選型、聲學設備在水下平臺上的布置位置及聲學設備的工作時序等。聲學兼容性研究與設計的目的是最大限度地降低環境對設備、平臺對設備、設備對設備的影響，并將各聲學設備的性能發揮到最佳，提高水下平臺探測作業的效能。

1 概 述

聲學兼容性主要考慮的因素包括海洋環境噪聲、平臺輻射噪聲以及設備水聲兼容性。

1.1 海洋環境噪聲

海洋環境噪聲對聲學設備的影響不可忽略。雖然深海的噪聲水平要比淺海小得多，但是深海大型載人平臺時常需要和水面母船或作業潛器進行水聲通信、定位和探測，聲波經過近水面區域會受到較強烈噪聲干擾，這種干擾只能從信號處理的角度進行降噪處理。

在水聲學[1]中，噪聲聲壓是一個隨機量，與時間量之間不存在確定關系，因此分析噪聲聲壓幅值的頻譜沒有意義，而噪聲的功率譜函數是一個確定的統計量，反映了噪聲各頻率分量的平均強度。海洋環境噪聲級可表示為

(1)

式中：IN為水聽器工作帶寬內的噪聲總聲強；I0為參考聲強。

(2)

式中：f1，f2是水聽器工作帶寬上下限頻率；I為帶寬Δf=f1-f2內的總聲強。

假設在水聽器工作帶寬內噪聲譜S(f)和水聽器相應都是均勻的，則式(1)和式(2)可以表示為

IN=S·Δf

(3)

(4)

工程上，將水下噪聲場看作各向同性的，考慮到各種噪聲源本身具有指向性、噪聲源在海水介質中具有某種空間分布和海洋傳播條件等方面的原因，水下噪聲是具有指向性的。

1.2 平臺輻射噪聲

深海大型載人平臺所輻射的噪聲對聲學設備會產生干擾，包括典型水下航行體固有的三大噪聲(機械噪聲、推進噪聲、水動力噪聲)。深海大型載人平臺的推進器、水泵、液壓機構等設備的機械噪聲屬于輻射噪聲的主要來源。這些輻射噪聲首先會破壞深海大型載人平臺的隱蔽性，然后有可能引爆某些水中兵器，最后會嚴重對深海大型載人平臺上的聲學設備造成嚴重干擾，甚至使其無法正常工作。

輻射噪聲強弱一般用被動聲吶方程中的聲源級SL來描述，它定義為水聽器聲軸方向上據源的聲學中心1 m處的聲強與參考聲強之比的分貝數。

輻射噪聲是眾多噪聲源的綜合效應，這些源有推進器、轉動和往復式機械、各種泵等，它們產生噪聲的機理各不相同，因此輻射噪聲的譜線形狀也比較復雜。

1.3 設備的水聲兼容性

水下平臺上安裝了多型主被動聲學設備，如圖1所示。在水下航行和作業過程中，這些主被動型聲學設備需要同時工作。一部主動型聲學設備發射的聲脈沖會干擾其他聲學設備的接收，而且通常這種干擾是非常強烈的。

圖1 水下平臺聲學設備頻率分布圖

設備水聲兼容性特指水聲儀器設備之間的聲場兼容。在空間或時間上，水聲設備同時工作時，通過采取各種措施，使得它們相互不影響或者使其影響控制在不影響水聲設備使用效能達到所要求的標準之下，仍能有效協調地進行工作的能力。聲學設備兼容性研究內容如下： 編隊內部各平臺之間的水聲設備兼容；同一平臺上不同設備之間的聲場兼容；同一設備內部各個通道之間的兼容[2]。

聲學設備受到干擾時，輕者回波信號串入毛刺、尖刺，影響目標識別和目標特性研究；重者回波淹沒于干擾信號，無法進行信號分離；更嚴重的是，當干擾信號能量遠大于回波時，超出了聲學接收機的檢測閾，導致聲學設備停止工作[3]，如圖2和圖3所示。

(a) (b)

(a) (b)

當設備A同時接收到設備B發射的聲波和目標回波時，可通過經驗公式[4]計算兩者的傳播損失：

TL=60+18.6lgR+αR

(5)

式中：R為接收點和聲源之間的距離；α為吸收系數。

則設備B發射聲波和目標回波的傳播損失分別為

TLecho=60+18.6lgRecho+αARecho

(6)

TLdirect=60+18.6lgRdirect+αBRdirect

(7)

式中：Recho為設備A和目標之間的距離；Rdirect為設備A和設備B之間的距離；αA、αB為吸收系數，這里可以認為兩者相同。

從圖4中可以看到，當設備A和設備B發射同頻信號時，目標回波的傳播損失比設備B直達波的傳播損失大幾十甚至上百分貝。

圖4 兩設備發射同頻信號時目標回波和設備直達波的傳播損失

2 國內外研究現狀

2.1 聲學設備兼容性早期研究

國內外可查的聲學兼容性文獻數量有限，最早出現在20世紀90年代，主要研究內容包括聲學兼容性的產生、抗干擾措施等。

1) Thalassa Ⅱ考察船實驗

該實驗是由法國國家海洋研究機構和法國土倫大學聯合開展的一次聲學兼容實驗，實驗基于一艘新建的考察船Thalassa Ⅱ，研究目標是測量不同設備之間聲學兼容性。該實驗年代比較久遠，針對聲場不兼容采用的解決方法主要是濾波和分時工作，其實驗結果表明，40%的不兼容可通過濾波消除，85%的不兼容可通過分時工作消除[5]，如表1所示(橫表頭和列表頭均表示參與實驗的聲學設備，橫表頭為被干擾設備，列表頭為干擾設備)。

表1 標準設備間的聲場兼容性(有底紋表示聲場不兼容)

2) 國內某型監聽船實驗

某型監聽船裝備的聲學設備包括聲學海流剖面儀、普航測深儀、萬米測深儀、垂直發射陣、拖體發射陣、海底成像聲吶等，各個設備同時工作時會出現如下現象：

(1) 海流剖面儀、測深儀和低頻大功率換能器同時工作時，受到水中輻射和間接干擾導致設備不穩定。

(2) 普航測深儀和低頻大功率換能器同時工作時，干擾源級越高，測深儀越快達到滿量程。

(3) 海底成像聲吶和低頻大功率換能器同時工作時，回波信號發生調制，當指向性比較尖時，受到的干擾較小。

2.2 電磁兼容性與水聲兼容性的研究現狀

針對水下聲學設備間的相互干擾和兼容性，目前已開展很多研究，抑制相互干擾的方法主要有頻分法、時分法、波分法和空間分置法[6-8]。

在水聲兼容性中，供電干擾影響較小，可以忽略，主要為水聲信號相互干擾。電磁兼容性主要按照單個設備提出電磁兼容性要求，然后對系統電磁兼容性進行設計。在水聲兼容性中，多種設備均在頻帶有交疊情況下工作，無法參照電磁兼容性對單個設備提出的要求，只能在系統設計方面盡量減少相互干擾。電磁兼容性在抑制電磁信號干擾方面，要求頻帶沒有交疊，頻帶較窄，超出頻帶信號衰減較快[9-10]。在水聲兼容性中，各設備使用頻帶會有交疊現象，且出于水下環境復雜、水下環境噪聲與設備頻帶有交疊以及混響等多種原因，水聲設備頻帶外信號衰減較慢，與電磁兼容性差異較大。電磁兼容性對各個噪聲源數據進行分析，并進行兼容性設計的方法可以供水聲兼容性參考，應對水下主要噪聲源進行歸納，使用水聲信號應規避相應噪聲源頻帶。電磁兼容性對所用不兼容情況進行統計，并找出相應的解決方案，水聲兼容性肯定也存在不兼容情況，應對不兼容情況進行分析總結，并參照電磁兼容性標準制訂水聲兼容性檢測表。水聲兼容性對設備安裝位置敏感性較大，水聲兼容性系統設計應比電磁兼容性設計更合理地配置設備。

3 關鍵技術

聲學兼容性設計的重點內容是計算研究聲學設備的特性規律，對單臺聲吶的參數進行合理設計，使多部聲吶能夠同時工作且彼此的影響最小，提高聲學設備的探測作業效能。因此，聲學換能器基陣的安裝位置、工作頻率、優先級、啟閉時間等，都需要進行統籌考慮。

基于現有水面艦艇水聲兼容理論和電磁兼容理論，結合通過深海聲傳播特性，深海海底散射特性，以及聲吶基陣波束特性，建立聲吶設備時域、頻域、空域的工作模型，開展聲學設備關鍵參數測量，研究聲干擾機理以及抗干擾的技術途徑，聲學兼容性設計框架如圖5所示。

圖5 聲學兼容性設計框架

(1) 總體建模技術。

聲學設備不兼容現象一般是在設備使用和實驗過程中發現的，這種現象一般需要通過實驗進行研究。同樣，水聲抗干擾措施的有效性也需在設備使用和實驗過程中得到驗證，但考慮到購買大量水聲設備和開展海洋實驗需要耗費巨大的經濟成本，實驗之前可利用建模仿真方法進行充分的論證。

水下平臺聲學兼容性仿真涉及聲學設備本身的發射/接收特性、聲學設備的作用距離、海底聲散射特性，以及聲學設備的信號處理算法等，是一項涉及較多物理模型的模擬技術，對所涉及的各個物理模型的正確建模與對模型參數合理預估，決定了仿真的準確性，是需要突破的關鍵問題之一。

(2) 聲干擾現象識別與診斷技術。

聲兼容設計的首要任務是聲學干擾現象的識別與診斷。聲學設備受到干擾時，輕者回波信號串入毛刺、尖刺，影響目標識別和目標特性研究，如圖6所示；重者回波淹沒于干擾信號中，無法進行信號分離；更嚴重的是，當干擾信號能量遠大于回波時，超出了聲學接收機的檢測閾，導致聲學設備停止工作，因此聲干擾現象識別與診斷是聲兼容研究工作的基礎。

圖6 多普勒計程儀對側掃聲吶產生干擾

(3) 聲兼容模型試驗技術。

水下平臺可工作在深達千米的深海，深海環境下聲學設備聲學特性與淺水環境也不盡相同，因此如何使聲兼容模型湖上試驗的結果同樣適用于水下平臺是聲兼容設計試驗環境一個關鍵問題，如圖7所示。

圖7 高頻聲學兼容性試驗

(4) 聲學設備兼容性設計。

聲學設備兼容性研究內容包括水下平臺之間的水聲設備兼容，同一水下平臺上不同設備之間的聲場兼容，以及同一設備內部各個通道之間的兼容。聲學設備兼容性設計需要合理選擇聲學設備的指標參數，合理布置聲學設備的空間位置，合理分配聲學設備的工作時序。在計算仿真和湖上試驗數據的基礎上，建立聲學設備抗干擾技術和空配置優化方案，保證聲學設備在水下平臺上達到預期效能。

4 結 語

本文分析了水下平臺聲學兼容性主要的影響因素，對國內外聲學兼容性研究現狀及進展進行了梳理，提出了水下平臺聲學兼容性的關鍵技術。通過聲學兼容性總體建模技術研究，考慮水下聲學特性及水下搭載聲學設備性能特性，建立聲學設備兼容性設計技術。對單臺聲吶的參數進行合理設計，使多部聲吶能夠同時工作且相互間的影響最小；形成單臺/套聲學設備聲學特性測試評估方法，對聲學設備的兼容性提出具體技術要求。