王洋東，鞏慶偉，陳耀武

(浙江大學(xué) 數(shù)字技術(shù)及儀器研究所，浙江 杭州310027)

0 引 言

目前，以浮標(biāo)、潛標(biāo)為水聽(tīng)器安裝平臺(tái)，國(guó)外最常見(jiàn)的是海洋環(huán)境噪聲監(jiān)聽(tīng)浮標(biāo)，主要用于對(duì)風(fēng)暴潮的監(jiān)聽(tīng)或?qū)δ承┨囟繕?biāo)噪聲的監(jiān)聽(tīng)，基于浮標(biāo)為安裝平臺(tái)的用于監(jiān)聽(tīng)海洋調(diào)查船、海洋資源勘探所發(fā)射的氣槍、電火花和低頻大功率聲源信號(hào)的水聲遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)軍方研制的聲納浮標(biāo)主要用于特定位置水下反潛作戰(zhàn)，是一種探測(cè)的距離范圍小、工作時(shí)間短的裝備，并不適合中國(guó)海監(jiān)對(duì)維權(quán)與執(zhí)法的應(yīng)用［1］。另一方面，近年來(lái)隨著全光纖線列陣的發(fā)展，岸基遠(yuǎn)程探測(cè)聲納在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也開(kāi)展了樣機(jī)研制和海上示范，這種聲納由于不受安裝條件限制因而規(guī)模較大，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)功能，但需要鋪設(shè)海底光纜和水聽(tīng)器陣列的水下掩埋，工程造價(jià)昂貴，設(shè)備維修艱難，除軍事用途外并不適合大規(guī)模應(yīng)用［2］。

本文提出一種基于水聲技術(shù)的非法作業(yè)船只遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)，可對(duì)進(jìn)入我國(guó)海域的非法作業(yè)船只進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷的遠(yuǎn)程探測(cè)、跟蹤及指示其活動(dòng)方位。此外，該裝備還具有對(duì)脈沖信號(hào)的遠(yuǎn)程偵測(cè)、識(shí)別功能，包括氣槍聲源、電火花聲源及低頻聲納大功率發(fā)射聲源，從而獲取非法侵權(quán)船只的實(shí)時(shí)作業(yè)活動(dòng)，使得國(guó)家海上維權(quán)與執(zhí)法具有更好的實(shí)時(shí)性和針對(duì)性。

1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

基于水聲技術(shù)的非法作業(yè)船只遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由水聲通信換能器、電子艙、水聽(tīng)器和基陣架四部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of system structure

水聽(tīng)器材料采用PZT—5 壓電陶瓷，其敏感的壓電效應(yīng)將接收聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)。單個(gè)水聽(tīng)器的工作頻段主要覆蓋20 ～1 000 Hz，接收靈敏度大于－197 dB，在工作頻段內(nèi)幅度起伏要求小于0.5 dB，耐壓大于5 MPa。低頻帶寬接收水聽(tīng)器基陣采用圓柱陣形式，水平維一圈4 個(gè)陣元，垂直維4 個(gè)并聯(lián)組成一列，形成在垂直方向具有一定指向性的陣列以抑制近海表面噪聲，同時(shí)水平維也可利用正交“十字”形狀的4 個(gè)接收水聽(tīng)器構(gòu)成1 個(gè)矢量水聽(tīng)器，用于測(cè)向［3］。

在換能器基陣中潛標(biāo)端MODEM 只用1 只收發(fā)合置換能器，而浮標(biāo)端MODEM 采用一條四元垂直短陣(孔徑1 m)，加上收發(fā)合置換能器，共5 個(gè)接收通道，如圖2 所示。

圖2 水聲MODEM 示意圖Fig 2 Diagram of underwater acoustic MODEM

電子艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)接收水聽(tīng)器基陣的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行同步A/D 采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換(discrete Fourier transformation，DFT)，最小方差無(wú)畸變響應(yīng)(minimum variance distortionless response，MVDR)測(cè)向和矢量測(cè)向等運(yùn)算，將處理結(jié)果和相應(yīng)的羅盤(pán)信息傳送到數(shù)據(jù)通信和控制模塊，通過(guò)水聲通信模塊傳送到數(shù)據(jù)中心。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于水聲技術(shù)的非法作業(yè)船只遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)主要由電子艙內(nèi)的低功耗信號(hào)處理板完成接收水聽(tīng)器基陣的聲學(xué)信號(hào)同步A/D 采集與處理，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸。

低功耗信號(hào)處理板如圖3 所示。低功耗信號(hào)處理板以XILINX 公司的ZYNQ—7000 為核心，該芯片是基于XILINX全可編程的可擴(kuò)展處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在單芯片內(nèi)集成雙核A9多核處理器的處理系統(tǒng)(processing system，PS)和XILINX可編程邏輯(programmable logic，PL)。在芯片內(nèi)部，通過(guò)AXI 總線方式實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)與可編程邏輯的互聯(lián)，在單芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)交互。低功耗信號(hào)處理板由電源管理、前置放大濾波、A/D 采集、檢測(cè)和測(cè)向處理、數(shù)據(jù)整理與存儲(chǔ)等模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)。

前置放大濾波電路包括時(shí)間增益(time versus gain，TVG)調(diào)節(jié)電路與四階帶通濾波電路。ZYNQ 系列芯片實(shí)時(shí)控制模擬前端芯片時(shí)間增益調(diào)節(jié)，每路調(diào)節(jié)范圍為0 ～－36 dB，共7 檔，每檔－(6±1)dB。帶通濾波實(shí)現(xiàn)50 ～800 Hz的帶通濾波，1 500 Hz 以上頻帶衰減20 dB 以上。每路放大電路放大量為(36±2)dB，在工作頻段內(nèi)放大增益起伏小于3 dB，短路噪聲小于40 μV。

圖3 信號(hào)處理板總體框架圖Fig 3 Overall block diagram of signal processing board

ZYNQ 系列芯片進(jìn)行4 路水聽(tīng)器聲學(xué)信號(hào)同步A/D 采集，一方面將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD 卡，以便后續(xù)分析處理;另一方面，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT，MVDR 測(cè)向和矢量測(cè)向等運(yùn)算處理，將處理結(jié)果按照數(shù)據(jù)模式傳輸至水聲通信模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸［4］。

水下遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)聲學(xué)系統(tǒng)采用電源管理模塊實(shí)現(xiàn)供電管理，并負(fù)責(zé)對(duì)水下潛標(biāo)電子艙部分和水聲通信模塊進(jìn)行省電管理［5］，在工作模式下，系統(tǒng)總功耗為2.0 W，省電模式下，系統(tǒng)總功耗為0.2 W。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

水下接收預(yù)處理前端接收4 路水聽(tīng)器的數(shù)據(jù)，后端將整理好的數(shù)據(jù)送至水聲通信模塊，并能接收水聲通信模塊發(fā)送的指令，進(jìn)行工作模式選擇，其數(shù)據(jù)流程框圖如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程框圖Fig 4 Block diagram of data flow

2.3 DFT

DFT 如式(1)所示，其中，x(n)為各陣元接收信號(hào)的采樣點(diǎn)，X(k)為頻域離散譜線

2.4 MVDR 測(cè)向

MVDR 自適應(yīng)波束形成測(cè)向技術(shù)，它是一種在輸出端最小化干擾加噪聲功率情況下使觀察方向上信號(hào)無(wú)失真響應(yīng)輸出的高分辨力波束形成技術(shù)［6］。其空間加權(quán)向量可表示為

測(cè)向輸出為

式中 fL，fH分別是處理頻段的上限和下限，處理頻段范圍為50 ～800 Hz，fL=50 Hz，fH=800 Hz，處理頻率間隔為Δf=0.98 Hz。

2.5 矢量測(cè)向

矢量測(cè)向方法是基于4 個(gè)正交布置的標(biāo)量水聽(tīng)器［7］，水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 目標(biāo)與水聽(tīng)器位置關(guān)系Fig 5 Position relationship of target and hydrophone

在平面波傳播假設(shè)條件下，4 路陣元輸出信號(hào)可表示為

矢量水聽(tīng)器測(cè)向算法如下:

矢量水聽(tīng)器聲壓輸出可表示為

矢量水聽(tīng)器水平方向上的振速響應(yīng)可表示為

矢量水聽(tīng)器垂直方向上的振速響應(yīng)可表示為

分別對(duì)上述3 個(gè)聲壓通道求DFT，然后在頻域上分別求出指定處理頻帶內(nèi)P，Vx的相關(guān)系數(shù)Ix和P，Vy的相關(guān)系數(shù)Iy，再進(jìn)行方位解算矢量測(cè)向方法需結(jié)合象限判定，輸出目標(biāo)具體方位值。

3 測(cè)試結(jié)果

水下遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)聲學(xué)系統(tǒng)采用兩種不同的測(cè)向方式，即MVDR 測(cè)向與矢量測(cè)向，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位的識(shí)別，從而提高目標(biāo)識(shí)別的正確性。

3.1 MVDR 測(cè)向驗(yàn)證

在單目標(biāo)監(jiān)測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)探測(cè)目標(biāo)為靜止目標(biāo)，模擬空間單目標(biāo)反射波束角度為α=45°，采用MVDR 算法實(shí)現(xiàn)測(cè)量方向，Matlab 仿真得到的波束形成結(jié)果如圖6 所示。

假設(shè)探測(cè)目標(biāo)為靜止目標(biāo)，模擬空間單目標(biāo)反射波束角度為α=45°，采用常規(guī)波束形成算法得到的結(jié)果如圖7所示。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了MVDR 測(cè)向能有效識(shí)別目標(biāo)所在的方向。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比常規(guī)波束形成的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，MVDR測(cè)向有效抑制噪聲干擾，提取方向信息，指向性好。

圖6 MVDR 測(cè)向仿真結(jié)果Fig 6 MVDR estimation simulation result

圖7 常規(guī)波束形成仿真結(jié)果Fig 7 Conventional beamforming simulation result

3.2 矢量測(cè)向驗(yàn)證

在單目標(biāo)監(jiān)測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)探測(cè)目標(biāo)為靜止目標(biāo)，模擬空間單目標(biāo)反射波束角度為0°～90°，增量為1°，采用矢量測(cè)向算法實(shí)現(xiàn)91 個(gè)角度的測(cè)向，Matlab 仿真得到理論值，將理論值與實(shí)際值對(duì)比，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 矢量測(cè)向一致性結(jié)果Fig 8 Vector direction consistency result

對(duì)矢量測(cè)向曲線進(jìn)行回歸分析，得到線性回歸關(guān)系為y=0.983 1 x，矢量測(cè)向的理論值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)為R2=0.999 6，吻合度高。因此，矢量測(cè)向能準(zhǔn)確識(shí)別到目標(biāo)的方位。

3.3 功能測(cè)試

目標(biāo)船沿線路作業(yè)時(shí)，換能器陣接收的信號(hào)的信噪比如圖9 所示。

圖9 目標(biāo)在0 ～100 km 處接收的信噪比Fig 9 SNR of target in 0 ～100 km

由圖9 可知，在實(shí)際遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)中，對(duì)于70 km 以內(nèi)換能器接收的信號(hào)有高的信噪比，能有效提取信號(hào)，滿足測(cè)向距離指標(biāo)0 ～50 km。

針對(duì)氣槍聲源信號(hào)進(jìn)行錄取實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，其頻譜圖如圖10 所示。

圖10 單脈沖與噪聲頻譜圖Fig 10 Single pulse and noise frequency spectrum

水下遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)聲學(xué)系統(tǒng)對(duì)位于不同方位的目標(biāo)所產(chǎn)生的聲源信號(hào)進(jìn)行處理，得到不同的測(cè)向結(jié)果。將結(jié)果與實(shí)際方位比較，測(cè)向誤差保持在2°以內(nèi)，滿足測(cè)向指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于水聲技術(shù)的非法作業(yè)船只遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于低功耗設(shè)計(jì)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT，MVDR 測(cè)量和矢量測(cè)向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非法目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)效果良好，并且系統(tǒng)功耗低，重量輕，能夠適應(yīng)復(fù)雜的海洋工作環(huán)境，發(fā)現(xiàn)非法海洋調(diào)查船、海洋資源勘探船作業(yè)等，對(duì)于海上維權(quán)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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