基于水下滑翔機平臺的海洋聲學探測技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望

劉子琪，蘭世泉，楊紹瓊，，呂光偉，吳尚尚，王 超

（1.天津大學機械工程學院，天津 300350；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237）

0 引言

海洋占據(jù)了地球71%的表面積，擁有豐富的生物資源、礦產資源和化學資源，是人類社會共有的巨大寶庫。海洋對于全球氣候變化、生態(tài)循環(huán)、地質變遷有著重要的影響，與人類生存發(fā)展息息相關。在海洋安全方面，由于其天然的地理格局，成為沿海各國重要的國防屏障；拓展生存和發(fā)展空間，開發(fā)藍色海洋，已成為世界各國的重要國家戰(zhàn)略[1]。響應國家號召，“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”，建設綜合國力強大的海洋強國離不開海洋探測與海洋高新技術的大力發(fā)展，國家必須要大力發(fā)展具有自主知識產權的海洋高新技術裝備[2]。

在海洋中，光波和無線電波衰減都非常大，導致傳播距離十分的有限，難以滿足人類海洋活動，如水下目標探測、通信、導航、制導和定位的需要。與光波和無線電波相比，聲波在水中的傳播性能要好得多，采用海洋聲學技術研發(fā)的許多海洋聲學裝備已成為人類在海洋調查、海洋資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、氣象觀測與預報、海洋科學研究和軍事活動等方面的重要技術手段[3-4]。

水下滑翔機是一種新型的無人水下潛行器，作為可長時續(xù)和大范圍應用的無人平臺，在海洋聲學探測方面具有很大的應用前景。水下滑翔機依靠自身浮力驅動，具有觀測范圍大、功耗低和隱蔽性高等特點[5-6]。搭載聲學傳感器及信號處理系統(tǒng)的水下滑翔機，具備海洋環(huán)境噪聲采集、水聲信號采集、聲紋識別記錄、數(shù)據(jù)處理及上浮通信等功能，可用于完成特定海域內移動目標自主探測、特征識別和信息回傳等任務[7]。

1 水下滑翔機聲學探測系統(tǒng)

1.1 國外研究現(xiàn)狀

水下滑翔機的概念是1989年由美國海洋學家Henry Stommel首次提出[8]。1991年誕生的第一臺Slocum水下滑翔機在美國佛羅里達州完成了深度為20 m的鋸齒剖面運動。基于水下滑翔機平臺的聲學傳感器的集成研究，國外開始的比較早且成果顯著。2010年5月7日，搭載水聽器的Slocum水下滑翔機在西太平洋勞盆地（Lau Basin）北部布放，目標是利用搭載聲學探測器的水下滑翔機（如圖1），通過機載傳感器探測與火山和熱液羽流相關的化學和水聲信號，搜尋附近其它的火山噴發(fā)地點，監(jiān)測西馬塔（West Mata）的海下火山。監(jiān)測期間記錄了隨距離變化的聲波的振幅，證明了地質變化可以引起該地區(qū)噪聲水平上升，試驗結果表明了基于水下滑翔機平臺的水聲監(jiān)測效果可以與水下自主水聲測量系統(tǒng)相媲美[9]。

圖1 搭載水聽器的 Slocum[9]Fig.1 Slocum with hydrophone[9]

美國ANT公司在美國海軍研究局（Office of Naval Research，ONR）的資助下開發(fā)了一種水下滑翔機，專門用于近海岸環(huán)境下的作業(yè) ANT Littoral Glider（如圖2，后被美國Exocetus Coastal公司收購），這款水下滑翔機最大的特點就是能夠從淡水到全海水進行自動壓載，并具有變速能力，使其能夠處理高達2 kn（1 m/s）速度的近岸洋流。機體上搭載有 Reson公司的 TC-4033型水聽器和Wilcoxon的矢量水聽器，以其獨特的設計進行淺海的海洋聲學探測工作[10]。

圖2 ANT公司的淺海滑翔機Fig.2 Littoral glider of ANT

美國斯克里普斯海洋學研究所（Scripps Institution of Oceanography，SIO）和華盛頓大學應用物理實驗室（Applied Physics Laboratory，University of Washington，APL），在2003年，聯(lián)合開發(fā)了Liberdade級翼身融合水下聲學滑翔機（X-Ray和Z-Ray，如圖3）[11]。采用翼身融合結構設計最大程度地實現(xiàn)了功率消耗最小化和翼展水平距離最大化，最大限度地提高了其定位和探測能力[12]。

圖3 X-ray 和 Z-ray 水下聲學滑翔器Fig.3 Underwater acoustic gliders of X-ray and Z-ray

Z-Ray是X-Ray的升級版，由于體積比較大，可用于搭載戰(zhàn)術有關的聲學傳感器，使其適合于警戒和其他跟蹤和探測任務。Z-Ray搭載了一個沿機翼前緣放置的低功率32元素水聽器陣列，該陣列由太平洋空間和海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)中心設計和建造，并配備1個來自伍茲霍爾海洋研究所的3通道低（0.01～7.5 kHz）、中（0.1～50 kHz）、高（1～160 kHz）頻數(shù)字監(jiān)控自主檢測分類系統(tǒng)。據(jù)報道，該水下聲學滑翔機可以以1～3 kn（0.5～1.5 m/s）的航速續(xù)航6個月，其設計初衷是用來跟蹤和自動識別海洋哺乳動物，具有良好的姿態(tài)控制和航行能力，已應用于圣地亞哥海底被動聲學自主監(jiān)測海洋哺乳動物項目（Passive acoustic autonomous monitoring of marine mammals program）[13-14]。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

國內對水下滑翔機的相關理論研究和技術研發(fā)相對較晚，主要研究科研院所有天津大學、中國科學院沈陽自動化研究所、中國海洋大學、華中科技大學、中國船舶第710所和第702所、國家海洋技術中心、浙江大學、上海交通大學、西北工業(yè)大學和大連海事大學等[15-16]，各單位都研制出了海上試驗樣機并進行了湖海試驗。其中，天津大學的“海燕”、中國科學院沈陽自動化研究所“海翼”已實現(xiàn)產品化，但基于水下滑翔機平臺與水聽器的集成研究相對還比較少。

中國科學院聲學研究所（簡稱“中科院聲學所”）聯(lián)合中國海洋大學研制了一款基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)，已先后開展了消聲水池、湖上及海上試驗（如圖4）。該型水下滑翔機系統(tǒng)設計的最大工作深度1 500 m，懸停或坐底時，最低工作頻率10 Hz；滑翔時，最低工作頻率500 Hz。設計指標為在良好水文條件下，對水下聲源譜級大于 125 dB的目標，單節(jié)點探測作用距離不小于3 km[17]。

圖4 水下滑翔機海試[17]Fig.4 Sea trial of an underwater glider [17]

中科院聲學所依托天津大學的水下滑翔機平臺，設計和實現(xiàn)了大深度水聽器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。水聽器經過60 MPa的高靜水壓力實驗測試，驗證了其耐高靜水壓和高靈敏度的特點。2016年1月，中科院聲學所在國家海洋技術中心水池進行了測試，驗證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性能。同年 8月，天津大學的水下滑翔機平臺搭載的聲學測量系統(tǒng)在某海域進行了海洋背景聲場的剖面測量（如圖5）。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作數(shù)天，自動記載了水下滑翔機所處深度處的海水溫度、鹽度、自身深度以及水下滑翔機本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并獲取了1 000 m深度范圍內的海洋噪聲實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析結果表明，相關海上試驗驗證了基于水下滑翔機平臺的聲學測量系統(tǒng)用于海洋環(huán)境噪聲測量方案的可行性及聲學測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可為海洋環(huán)境噪聲時空特性實驗進一步的研究提供平臺和關鍵技術支持[18]。

圖5 水下滑翔機設備布放[18]Fig.5 Launching of an underwater glider in experiment [18]

海軍潛艇學院和天津大學聯(lián)合研究了基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)，由于聲學特征需要，進行了電磁兼容性優(yōu)化和減振降噪設計，目前已經成功研制出了具有水下目標警戒與探測功能的“海豚號”水下聲學滑翔機[19]（如圖6）。

圖6 “海豚號”水下聲學滑翔機平臺系統(tǒng)示意圖[19]Fig.6 Compositional diagram of “Dolphin” underwater acoustic glider system [19]

2018年5月，海軍潛艇學院在南海某海域進行了水下無人移動平臺協(xié)同探測試驗，此次試驗包括6臺“海豚號”水下聲學滑翔機和6臺水下聲學智能浮標，試驗期間基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)無故障連續(xù)工作時間超70 h。由于水下滑翔機浮力系統(tǒng)油泵的工作會產生較大的平臺自噪聲，所以水下聲學滑翔機在回油排油以及姿態(tài)調整期間，聲學系統(tǒng)斷電停止工作。海試數(shù)據(jù)分析處理得到：深海良好水文條件下，“海豚號”水下聲學滑翔機對航速10 kn（5 m/s）的試驗船目標最遠探測距離大于 12.8 km；對航速 6.2 kn（3.2 m/s）的工程船（MMSI412461570）目標最遠探測距離大于30 km；“海豚號”水下聲學滑翔機整個探測流程無需人工干預，初步具備對目標的自主探測能力[19]。

此外，西北工業(yè)大學研發(fā)了基于飛翼滑翔機平臺的多元聲壓陣列聲學探測系統(tǒng)，并進行了湖上測試。哈爾濱工程大學借助天津大學的水下滑翔機，研究了4元聲學感知單元探測系統(tǒng)（如圖7），4個聲壓水聽器分別裝在水下滑翔機左翼、右翼、前導流罩和尾翼上，并于南海某海域進行了海上試驗[20]。

圖7 聲學觀測儀系統(tǒng)[20]Fig.7 Acoustic observation system [20]

2 基于水下滑翔機平臺的海洋聲學探測關鍵技術

基于水下滑翔機平臺的聲學探測技術可靠應用需要突破一些關鍵技術才能更好地發(fā)展，包括大深度聲學傳感器技術、水聲目標噪聲識別分類技術、基于水下滑翔機平臺的聲學減振降噪技術、水下滑翔機航行控制技術，以及多水下滑翔機協(xié)同/協(xié)作組網技術[21]等。

2.1 大深度聲學傳感器技術

聲學傳感器實現(xiàn)大深度工作，才能真正實現(xiàn)基于水下滑翔機平臺的聲學探測技術長時效、大航程隱蔽偵察，尤其是深度比較深的南海海區(qū)，實現(xiàn)弱信號目標的遠距離偵察。

海軍潛艇學院的王文龍學者針對當前矢量水聽器工作深度小，無法在水下滑翔機等大深度水下無人平臺上應用的問題，設計了一種大深度同振式矢量水聽器的耐壓結構。采用膠囊形鋁合金薄殼方案設計耐壓結構，并對其進行了理論計算和有限元仿真，在海試試驗中，該同振式矢量水聽器搭載在“海燕-Ⅱ”水下滑翔機平臺上，進行了大深度聲學探測任務，在水下目標探測等領域具有重大的應用價值[22]。

2.2 水聲目標噪聲識別分類技術

傳統(tǒng)的水聲信號目標識別方法需要人工干預提取目標數(shù)據(jù)特征，這一過程需要技術人員具有豐富的水聲信號處理知識和專業(yè)經驗，才有可能提取出有價值的目標特征數(shù)據(jù)，并在此基礎上進行更深層次的分析處理。然而，目前基于水下滑翔機平臺、浮標等無人平臺的聲學探測系統(tǒng)，信號處理都是自主完成，因此，目標噪聲識別分類技術需要具備更加智能化的水平。

2016年，哈爾濱工程大學的馬俊對循環(huán)自相關分析、Gammatone倒譜系數(shù)和人工神經網絡在艦船輻射噪聲的特征提取與分類技術中的應用進行了研究，通過仿真數(shù)據(jù)和實際艦船輻射噪聲的處理，驗證其目標特征提取和分類方法的高效性[23]。2019年，東南大學的徐萍提出了畸變復合陣下水聲目標輻射噪聲的特征提取方法，并且研究了基于深度學習的艦船目標分類識別，提出了一種基于深度學習的輻射噪聲信號時頻譜識別新方法。利用卷積神經網絡對不同水聲目標信號的時間-頻率聯(lián)合域特征進行分類，設計并搭建相應的卷積神經網絡，通過仿真驗證了其目標特征提取和分類方法的有效性[24]。

2.3 基于水下滑翔機平臺的聲學減振降噪技術

基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)，噪聲來源主要是水下滑翔機的自噪聲。水下滑翔機結構復雜，包含較多的結構件與執(zhí)行單元，且各種自噪聲聲源相互交錯，傳播途徑多變，很難準確測量水下滑翔機平臺的自噪聲。因此，如何精確地測量自噪聲，確定自噪聲的傳播途徑以及各自噪聲的耦合情況，并據(jù)此開展有效的減振降噪，是目前基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)亟待解決的關鍵問題。

通常意義上講，水下滑翔機的自噪聲主要分為螺旋槳噪聲、水動力噪聲和機械噪聲3大類。水下滑翔機在設定的鋸齒剖面滑翔工作模式下最大的水平滑翔速度約為1 kn（0.5 m/s），且大多數(shù)的聲學傳感器都有導流罩保護，因此可將水動力噪聲的影響控制到很小。基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)進行水下目標探測任務時，主要是采用的剖面滑翔工作模式，只有在遇到突發(fā)狀況時才會啟動螺旋槳，所以螺旋槳噪聲對于聲學探測的影響也可以忽略。因此，機械噪聲是水下滑翔機平臺噪聲的主要噪聲源。

海軍潛艇學院通過在國家深海基地管理中心消聲水池對現(xiàn)有“海燕-II”水下滑翔機進行的自噪聲測試試驗，定量分析了電池滑動、電池轉動、油泵啟動和螺旋槳轉動 4種不同工況下平臺噪聲對矢量水聽器各通道接收信號的影響，后續(xù)針對水下滑翔機平臺自噪聲測量結果，從多個方面進行了減振降噪處理和優(yōu)化[25]。中科院聲學所以其2016年8月南海某海域1 000 m深度范圍內的觀測數(shù)據(jù)為研究對象，也進行了水下滑翔機平臺的自噪聲分析，并得到水下滑翔機在滑翔工作模式狀態(tài)下機械噪聲對自噪聲的貢獻最大。500 Hz以上的高頻段時自噪聲與浮力調節(jié)單元工作密切相關，并且于1 kHz達到峰值[26]。

因此，對水下滑翔機平臺各工況下條件下的噪聲進行有效測量，得到其自噪聲源分布及其特性，是指導減振降噪措施實施和平臺優(yōu)化的前提，同時也是保證基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)可以進行水下有效及高效探測的關鍵。

2.4 水下滑翔機航行控制技術

水下滑翔機作為一個復雜的多體系統(tǒng)，由殼體、浮力驅動系統(tǒng)、姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等部分組成[27]。水下滑翔機的航向調節(jié)系統(tǒng)作為姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)的一部分，大致可分為外部尾舵結合內部姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)（尾舵可調節(jié)的水下滑翔機）、內部姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)（尾舵不可調節(jié)的水下滑翔機）等。水下滑翔機的航向控制是指水下滑翔機利用自身傳感器采集到的航向信息，在航向調節(jié)系統(tǒng)的作用下使實際航向實時逼近目標航向的過程。

基于水下滑翔機平臺的聲學探測技術中的航向控制技術是水下滑翔機控制系統(tǒng)中的一項關鍵控制技術，而由于水下滑翔機動力學模型非線性的特點與海洋環(huán)境的復雜多變，主要是由于海流的影響，將導致其無法按照預設航向進行運動。因此，研究與設計較為可靠的水下滑翔機航向跟蹤控制方法，能夠保證水下滑翔機實際航向過程中的穩(wěn)定性，確保水下滑翔機搭載的聲學傳感器測量數(shù)據(jù)的準確[28]。

因此，為了使基于水下滑翔機平臺的聲學探測系統(tǒng)按照預設航線在復雜的海洋環(huán)境中有目的、準確地進行目標數(shù)據(jù)采集，必須對水下滑翔機的航行控制技術進行深入研究，這也是當前研究的熱點問題之一。

2.5 多水下滑翔機協(xié)同/協(xié)作組網觀測技術

近年來，水下聲學組網應用逐漸擴展，水下滑翔機作為重要的聲學節(jié)點被納入其中。由此帶來的復雜海洋環(huán)境組網觀測技術、水下定位與通訊、智能化控制等水下滑翔機的關鍵技術亟待研究。

基于水下滑翔機平臺的聲學探測技術，利用水聲通訊，將水下滑翔機平臺和其它聲學通訊節(jié)點組成聲學跟蹤網絡，能夠更精確地獲取相關移動平臺定位信息。2010年 7月，美國華盛頓大學借助Seaglider水下滑翔機平臺在蘇珊港通過三個位于水面的聲學通訊應答器組成了一個移動長基線系統(tǒng)（Moving Long-baseline System，MLBS），以高精度跟蹤水下滑翔機的路徑。參試 Seaglider水下滑翔機平臺搭載了一款聲波探測器，能在低頻帶（7～15 kHz）對水面節(jié)點的聲波詢問做出應答[29]。美國沿海海底監(jiān)視網絡（Persistent Littoral Undersea Surveillance Network，PLUSNet）通過水聲通訊交互信息，實現(xiàn)了海洋水文參數(shù)立體觀測與水下潛航器的聲學探測與跟蹤，旨在提高沿海監(jiān)視的技術水平[30]，如圖8。

圖8 持久性沿海海底監(jiān)視網絡Fig.8 Persistent Littoral Undersea Surveillance Network

多水下滑翔機協(xié)同/協(xié)作組網可以使其具有協(xié)同/協(xié)作作業(yè)行為，即根據(jù)環(huán)境和目標任務自行調整航行方式以滿足海洋觀測與探測要求，實現(xiàn)海洋觀測與探測的高分辨率，同時也是實現(xiàn)一定區(qū)域目標探測的有效手段之一，目前國內外很多海洋觀測與探測任務中都有多水下滑翔機協(xié)同/協(xié)作網絡的應用[31-33]。

3 結束語

水下滑翔機作為一種新型移動海洋監(jiān)測平臺，具有大航程、長時序、高隱蔽性、低成本等優(yōu)點。綜合國內外水下滑翔機平臺技術主要研究進展，國內基于水下滑翔機平臺的海洋聲學探測技術有了一定的發(fā)展，但是在水聲目標噪聲識別分類和自主協(xié)同/協(xié)作組網探測方面和國外先進技術水平還存在一定差距，這些方面也必將是未來研究的重點。相信伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等學科的快速發(fā)展，基于水下滑翔機平臺的海洋聲學探測系統(tǒng)，會在未來海洋勘測與探測、國家海洋安全、海洋環(huán)境監(jiān)測體系建設中發(fā)揮著更加重要的作用。