UUV平臺聲兼容問題研究

梁 鏡，董 毅，王 強

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水下無人航行器（underwater unmanned vehicle，UUV）是一種可在水下長時間潛航工作的海上無人裝備，具有自主控制、隱蔽性強、安全可靠、高效靈活等優點，在海底勘察、反水雷、反潛跟蹤、水下救援、情報監視與偵察等領域發揮著越來越重要的作用[1]。而聲吶設備是 UUV水下作業必不可少的載荷，例如“蛟龍”號載人深潛器便搭載有9種16部聲吶[2]。對于一型功能強大的偵察型 UUV，其至少需要配備以下聲吶設備：1）多普勒計程儀（DVL）作為輔助導航設備；2）前視聲吶作為水下航行的避碰設備或目標探測設備；3）側掃聲吶作為水底目標探測設備；4）水下通信聲吶作為UUV水下航行時與母船之間的通信設備；5）被動聲吶作為水下目標輻射噪聲偵聽設備。此外，往往還會配備1套超短基線定位聲吶作為UUV水下航行安全的保障設備，選配淺地層剖面儀或多波束測深聲吶等提升其水下目標偵察能力。因此，對于集成如此多聲吶設備的 UUV，若不經系統設計，極容易產生聲兼容問題。

文獻[3]對編隊反潛時各平臺聲吶之間產生干擾的原因進行了分析，文獻[4]對解決平臺聯合作戰時來自友艦聲吶信號的干擾問題進行了研究，文獻[5]從聲兼容的角度對主動聲吶的發射波形設計問題進行了討論，文獻[6]對多部主動聲吶之間的頻率間隔確定方法進行了研究。這些研究對某些特定場景下多臺聲吶之間的聲兼容問題進行了探討，得出了一些有益結論，但當前尚缺乏系統的針對UUV平臺特點的 UUV聲兼容設計的研究。鑒于UUV平臺聲兼容設計需求，本文通過工程實例對UUV平臺上容易產生的強聲信號干擾與諧波干擾2類聲兼容問題進行了分析，最后對UUV平臺的聲兼容設計提出了一套系統方案。

1 聲兼容問題的產生

主動聲吶設備有一定的工作頻率，當兩聲吶的工作頻率相近時就容易相互干擾，這一點在工程設計上已得到了充分的認識[2，4，6]。本文考慮 UUV平臺上聲吶設備的工作環境的復雜性，認為還有至少以下3點容易被忽視的聲兼容問題：1）平臺振動噪聲干擾；2）強信號干擾弱信號；3）諧波干擾。其中問題 1是指平臺運行時自身振動與振動帶來的輻射噪聲對聲學設備的干擾，該部分干擾隨平臺運行客觀存在；問題2與3則與聲學設備在平臺上工作的機制相關，可通過合理的設計進行規避。本文將重點對問題2與3開展討論。

1.1 強信號干擾弱信號

高頻成像聲吶是偵察型UUV常帶的一類目標探測載荷，其特點是依靠目標的回波信號實現對目標的探測、定位與成像，因此目標回波信號的信噪比是影響成像效果的關鍵因素。根據聲吶方程，成像聲吶的回聲信號級可以表示為

EL=SL–2TL+TS

式中：SL為高頻成像聲吶發射聲源級；TL為傳播損失；TS為目標的目標強度。考慮高頻信號聲吸收，150 m左右距離TL將大于50 dB；假設目標TS約為–30 dB（平坦泥或泥沙質海底），成像聲吶的聲源級SL為200 dB，則回聲信號EL約為70 dB。不考慮頻率因素，則該回聲信號級與一般條件下海洋環境噪聲的量級相近。而當存在其它聲學設備的直達波干擾時（即使直達波不在該發聲設備發射波束的中心方向），干擾信號的強度將大于 SL–TL′–DL，其中DL是受波束指向性影響，直達波干擾聲信號相對波束聲軸處聲信號強度的衰減量。由于UUV平臺整體尺寸較小（假設平臺上兩聲學設備相距 5 m），則干擾直達波信號的傳播損失 TL′≈14 dB，而一般條件下單波束發射換能器旁瓣相對聲軸處發射信號的衰減量DL不大于50 dB。當兩聲學設備發射源級相近時，直達波干擾信號強度將比成像聲吶回波信號的強度高66 dB以上。由此可見，主動聲吶的回波信號比較弱，極容易受污染，例如受電磁信號污染，即工程中常見的電磁兼容問題。該問題在工程設計中得到了很大的關注，也有大量相關研究，本文不再贅述，而將重點放在強聲信號對弱聲信號的干擾問題的討論上。

1.2 諧波干擾

由于非線性效應的存在，UUV平臺上工作頻段不重疊的 2部聲吶也有可能由于非線性效應產生的諧波導致其相互干擾，影響聲吶的工作性能。

根據文獻[7-8]的研究，由于換能器材料與傳播介質的非均勻性，聲波在換能器端與傳播過程中都可能由于非線性效應的存在而產生諧波，只是其諧波能量較弱，一般工程應用中可忽略其影響。工程應用中有2類產生諧波的途徑需引起我們關注，即發射端方波信號產生諧波與接收端限幅失真產生諧波。

1.2.1 發射端產生諧波

聲吶設備發射聲波一般是信號源根據設計產生目標頻率的信號，經過功率放大器后加載到換能器端，從而驅動換能器發射出聲波。工程實現中，為降低電路設計的復雜度，往往會使用更容易實現的方波作為信號的形式，此時若電路系統與發射換能器匹配不理想，很容易在工作頻率之外產生諧波分量。

圖1與圖2對2種不同占空比（分別為40%與50%）的方波信號（設計工作頻率為20 kHz）進行了仿真，可以看出除工作頻率 20 kHz外，2種占空比不同的方波產生了不同形式的諧波成分，40%占空比的方波偶次諧波與奇次諧波均明顯存在，而50%占空比的方波偶次諧波較弱，奇次諧波較強。

圖1 40%占空比方波時、頻域波形Fig.1 Time and frequency domain waveform of 40% duty ratio square wave

圖2 50%占空比方波時、頻域波形Fig.2 Time and frequency domain waveform of 50% duty ratio square wave

1.2.2 接收端幅度失真產生諧波

受采樣位數的限制，主動聲吶接收端AD采樣的動態范圍有限，強干擾信號進入接收端時可能導致主動聲吶接收信號限幅失真，不僅會影響聲吶信號處理，還會由于信號失真帶來更為復雜的諧波干擾問題[9]。

圖3仿真了工作頻率為20 kHz，帶寬2 kHz，脈沖寬度10 ms的LFM信號。當信號強度超出接受動態范圍6 dB時信號限幅失真后的頻譜，可以看出此時信號產生了一連串奇次諧波，其中 3次諧波的強度僅比基波低17 dB，總體上呈現出隨諧波的次數增加，諧波的強度下降，頻帶逐漸展寬的規律。

圖3 限幅失真信號諧波示意圖Fig.3 Harmonic schematic of limit distortion signal

2 實例分析

2.1 強信號干擾弱信號實例分析

工程應用中發現某UUV平臺上水下聲通信聲吶對平臺上的側掃聲吶圖像造成了干擾，其示例如圖4所示。圖中從右至左為單幀信號時延對應的距離，從下至上代表不同時間對應的信號幀，可以看出開啟通信聲吶后，側掃聲吶圖像中出現了長的條紋，而關閉通信聲吶后條紋消失。

圖4 通信聲吶直達聲干擾實例圖Fig.4 Direct interference example diagram of communication sonar

已知該側掃聲吶工作頻率為 300 kHz，帶寬40 kHz，脈沖寬度5 ms，聲源級 225 dB；該通信聲吶的工作周期為15 s，發射信號頻率為14 kHz，帶寬4 kHz，脈沖寬度2 s，試驗中通過在UUV平臺側掃聲吶安裝處吊放標準水聽器測得通信聲吶在該位置的信號強度約為165 dB。由前文分析可知側掃聲吶150 m左右距離，TS≈–30 dB的目標的回波強度EL約為95 dB。根據側掃聲吶換能器頻響曲線，該換能器在14 kHz的響應級比300 kHz的小約27 dB，則可評估150 m處側掃聲吶回波信號的強度比水下通信聲吶直達聲波的強度低約43 dB。

基于以上聲吶參數與試驗測試數據，對存在通信聲吶干擾情形下側掃聲吶的接收信號進行仿真，結果如圖5。圖5（a）是通信聲吶強干擾條件下側掃聲吶接收信號的頻譜，從頻譜上可以看出干擾信號強度遠高于目標回波信號強度；圖 5（b）是經過30階帶通濾波器（中心頻率300 kHz，帶寬40 kHz，帶外抑制大于50 dB）后接收信號的頻譜。可見經過該理想帶通濾波器后，干擾信號依然很強，這就解釋了為什么通信聲吶與側掃聲吶的工作頻率相差甚遠，仍能對側掃聲吶圖像造成干擾。

圖5 強聲干擾信號仿真結果圖Fig.5 Simulation results of strong sound interference signal

2.2 限幅失真諧波干擾實例分析

1.2節指出了 UUV平臺上聲吶設備被諧波干擾的可能性，其中發射端產生諧波問題可通過聲吶單機設備優化設計避免，而水介質中非線性傳播產生的諧波能量較小，在UUV的實際應用中影響較小，這里結合工程應用中聲吶的參數，重點對接收端幅度失真諧波干擾問題進行算例分析。

如圖6是某UUV平臺上DVL對側掃聲吶圖像的干擾示例圖，可以看到側掃聲吶圖像上存在周期性的細亮條紋。

圖6 限幅失真諧波干擾實例圖Fig.6 An example diagram of harmonic interference of limit distortion signal

本文側掃聲吶信號處理端采樣使用的是當前比較先進的16位AD采樣，有效動態量化范圍達85 dB。從上文的分析可知，由于傳播損失該側掃聲吶150 m距離上的回波與近處回波的強度可相差100 dB以上，因此為避免接收信號AD采樣時限幅失真，側掃聲吶信號處理中在AD采樣前先對接收信號進行固定增益與時變增益補償，從而降低接收信號強度的波動范圍。設計中本側掃聲吶信號處理固定增益為 10 dB，時變增益補償采用2*20lg(r)的形式（其中r為回波信號對應的距離）。AD采樣時有效量化的信號強度約為150～235 dB。

試驗中通過在UUV平臺側掃聲吶安裝處吊放標準水聽器，測得平臺上DVL的工作周期為1 s，發射信號頻率為105 kHz，帶寬3 kHz，脈沖寬度10 ms，無明顯諧波成分，在側掃聲吶安裝處測得DVL的信號強度約為168 dB。當無干擾信號時，從上文分析可知150 m距離上側掃聲吶回波信號余量約為95 dB，信號預處理端經過補償后信號強度約為192 dB，在AD采樣有效量化范圍內。根據側掃聲吶換能器頻響曲線，該換能器在105 kHz的響應級約比300 kHz的小22 dB，當DVL信號進入側掃聲吶的時間與側掃聲吶150 m處回波信號的時延重合時，該干擾信號經過固定增益時變增益補償將達到243 dB，超出側掃聲吶AD采樣有效量化的信號強度上限為8 dB。

基于以上聲吶參數與試驗測試數據，對是否存在DVL干擾情形下側掃聲吶單個工作周期接收信號處理（包括增益補償、AD采樣、帶通濾波）進行仿真，結果如圖7所示。可以看出當存在干擾時，不僅在105 kHz頻點上存在明顯干擾信號，而且由于限幅失真，在315 kHz頻段產生了明顯的3次諧波，而該諧波剛好在側掃聲吶工作頻段內，且該諧波幅度比無干擾情形下側掃聲吶回波信號強度大得多，這就解釋了圖6中開啟DVL時側掃聲吶圖像中出現周期性的細亮條紋的現象。

圖7 限幅失真干擾存在與否的對比圖Fig.7 Contrast diagram of simulation results between presence and absence of limited distortion interference

3 UUV平臺聲兼容問題解決方案

從上文的分析可以看出，諸如UUV這樣集成多套聲吶設備的平臺，要保證平臺上各聲吶設備的性能，已不是單個聲吶設備能解決的問題了，需平臺在設計之時就系統考慮聲吶設備的聲兼容問題。文獻[4，6，10–11]針對一些典型聲干擾場景提出了諸如頻分法、時分法和空間分置等處理聲兼容的方法，但未對UUV這樣的平臺聲兼容問題進行系統的考慮。本文結合UUV工程應用認為可以將UUV平臺聲兼容設計方法分為3個層次：首先從平臺總體設計上盡量降低聲吶設備工作時產生聲干擾的風險，可通過工作頻率設計與空間分置設計2種方法實現；其次是從UUV平臺聲吶設備的應用流程上處理聲兼容問題，可通過時間同步方法實現；最后是從單個聲吶設備設計優化上處理聲干擾問題：

3.1 從平臺總體設計上降低聲干擾風險

平臺總體設計時可充分考慮平臺上每個聲吶設備的頻率特性與波束指向性特性，通過頻率設計與空間設計來降低聲吶設備之間相互干擾的風險。

頻率設計是指在UUV平臺設計之時就設計出平臺上各個聲吶設備的工作頻段，讓每個聲吶工作在不同的頻段，這樣可以通過聲吶設備自身信號處理端的帶通濾波器降低其他頻段干擾聲的影響。在頻率設計時要考慮諧波干擾的復雜性，盡量使諧波頻率不在其它聲吶設備的工作頻帶范圍內。

空間設計是指對聲吶設備在 UUV平臺上的布局進行設計，設計中要充分考慮聲吶設備發射波束的指向性特性，盡量避免一個聲吶設備的發射波束主瓣、旁瓣指向另一個聲吶設備的接收波束范圍內，從而降低出現直達波強聲干擾的風險。當2個聲吶設備由于工作原理限制，無法避免主瓣直達波進入另一個聲吶設備接收波束范圍內時，要盡量的拉大兩者之間的直線距離，減少干擾影響；當一個聲吶設備發射波束旁瓣指向另一個聲吶接收波束范圍內的時候，可以考慮利用聲障板削弱直達波的強度[12]。

3.2 時間同步設計避免聲干擾

時間同步設計是指將多個聲吶設備發射信號的時序進行同步，這樣使得任一聲吶處于接收狀態時，不會受到另一聲吶發射信號的干擾。在時間同步設計中可根據待同步主動聲吶工作時發射信號的脈沖寬度、接收信號的最大時延（即最大作用距離處對應的回波信號的時延），或者主動聲吶的固定發射周期特征來設計，當2個待同步發射的主動聲吶工作時發射信號的周期差異較大時，可以結合軟件設計使長周期的主動聲吶發射一次，而利用軟件接收到的同步信號結合定時器使短周期的主動聲吶發射幾次，這樣可以在實現同步發射避免聲干擾的同時最大限度的不影響單個設備的性能。

如圖8是第2節實例分析中側掃聲吶與DVL經過同步設計后水池測試效果示意圖，從中可以看出當關閉同步發射時側掃聲吶圖像中明顯受到DVL發射信號（圖中表現為規律性的細亮條紋）的干擾，而當開啟同步發射時，由于側掃聲吶處于接收狀態，DVL不發射，此時干擾條紋明顯消失。

圖8 時間同步抗干擾效果圖Fig.8 Effect of time synchronous anti-interference

3.3 單聲吶設備優化處理聲干擾

除了從平臺的角度解決聲兼容問題，單聲吶設備還可以根據平臺上的聲環境，針對性地從聲吶自身工作原理與信號處理上削弱其他聲吶設備發射信號的干擾。例如針對2.1節通信聲吶強聲信號干擾問題，在側掃聲吶數字信號處理端增加陷波器抑制不在自身工作頻段范圍內的頻率特征確定的強干擾信號；針對2.2節中強干擾信號使側掃聲吶接收信號限幅失真的問題，可以從側掃聲吶接收信號處理電路上做優化，原信號處理流程是先對接收到的信號進行增益補償處理，再進行AD量化，最后進行帶通濾波，這樣干擾信號隨增益補償處理被放大使得接收信號在AD采樣時限幅失真。若在增益補償電路之前加一組模擬帶通濾波器，則由于干擾信號不在側掃聲吶工作頻帶內，會被明顯削弱，此時再經過增益補償處理，就會大大降低接收信號限幅失真的風險。此外還可以針對性地設計主動聲吶發射信號的波形，使其相對干擾信號具有顯著差異性特征，這樣有助于提高接收信號的信噪比，降低干擾對自身工作性能的影響。

4 結束語

本文對集成多個聲吶設備的UUV平臺的聲兼容問題進行了研究，指出了UUV平臺上容易忽略的2類聲兼容問題，并結合工程設計實例對其產生的機理進行了分析，最后提出了一套平臺聲兼容問題的系統解決方案。通過本文的研究可以得出如下結論：

1）對于聲吶設備集成度高的 UUV平臺，由于來自其它聲吶的直達聲干擾信號強度遠遠高于聲吶自身的回波信號，容易帶來強信號干擾弱信號的問題；

2）由于非線性現象的存在，聲波在產生、傳播、與接收端容易產生諧波，從而帶來諧波干擾的問題；

3）可以從 UUV平臺總體聲吶設備的工作頻率設計與空間設計、工作流程上的時間同步設計，及單聲吶設備針對性的優化設計這3個層次上系統的解決UUV平臺的聲兼容問題。