楊德森, 朱中銳, 田迎澤

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矢量聲吶技術理論基礎及應用發(fā)展趨勢

楊德森1,2,3, 朱中銳1,2,3, 田迎澤1,2,3

(1. 哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 2. 哈爾濱工程大學 海洋信息獲取與安全工業(yè)和信息化部重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱, 150001; 3. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱, 150001)

相較于傳統(tǒng)聲吶, 矢量聲吶可獲得更為豐富的聲場信息, 因此該技術得到了廣泛應用。文章從物理、數(shù)學、信號處理、信息量、低頻探測性能以及目標定位方面給出了矢量聲吶技術優(yōu)勢的理論基礎, 回顧了矢量聲吶在自由場條件下的成功推廣應用情況, 重點介紹了作者團隊在艦載矢量聲吶應用中所取得的突破性進展, 理論上解決了典型聲障板條件下矢量聲吶的應用基礎問題, 技術上突破了矢量聲吶的適裝性問題, 同時展望了矢量聲吶未來的發(fā)展趨勢。

矢量聲吶; 聲障板; 信號處理

0 引言

聲波是目前水下唯一可以遠距離傳播的輻射形式[1-2]。兩次世界大戰(zhàn)使人們認識到潛艇在海戰(zhàn)中的巨大作用, 隨著潛艇技術的不斷進步, 水聲工程在國家的水下防務體系中越來越不可替代, 在潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)中具有重要作用。同時, 水聲工程在海洋資源開發(fā)方面也發(fā)揮著巨大作用。

目前水下噪聲水平的基本態(tài)勢為: 一方面, 為追求隱蔽性, 避免被發(fā)現(xiàn), 世界各國潛艇的噪聲水平不斷降低[3]; 另一方面, 由于人類海洋活動日益頻繁, 海洋噪聲水平不斷增加。這種態(tài)勢下, 傳統(tǒng)聲吶的窘狀也逐漸凸顯: 一方面, 傳統(tǒng)聲吶只能利用聲壓的高低, 標量探測越來越困難; 另一方面, 傳統(tǒng)聲吶裝備為了保持對水中目標的探測能力, 工作頻率不斷降低, 導致基陣孔徑不斷增大, 龐大的體積和質量也為水中兵器的使用安裝和機動性帶來困難。傳統(tǒng)聲吶探測能力提升受到了限制, 迫切需要水下目標探測新原理、新技術的出現(xiàn)。

矢量聲吶技術可以空間共點同步拾取聲場一點處的聲壓和質點振速矢量, 突破了聲吶設備獲取水下聲信號長期依靠標量聲壓水聽器的限制, 為我國聲吶技術的發(fā)展開辟了新的途徑。矢量聲吶具有設備簡單、質量輕、可靠性高、目標探測能力強等一系列優(yōu)點, 該項技術的出現(xiàn)被諸多水聲專家譽為21世紀水聲領域的一場革命。矢量聲吶技術是聲吶技術的一個新發(fā)展方向。

1 矢量聲吶技術理論基礎

3) 信號處理方面: 在傳統(tǒng)聲吶中, 要不斷進行相關運算以提高目標探測能力。而利用標量聲壓和矢量振速后, 可獲得聲波的強度量, 利用聲波強度即可得到標量與矢量的相關量。由于聲壓和振速是同時共點獲取, 是相關的, 而噪聲是不相關的, 這也提高了聲強信號的檢測信噪比。多年研究數(shù)據表明, 探測信噪比可提高10 dB以上。

4) 信息量更為豐富: 根據海洋環(huán)境和目標特性, 可分別或組合對聲壓、振速、振動加速度、位移、聲波強度等信息進行檢測, 由于信息量的豐富, 對目標探測能力已非僅有聲壓信號可比, 同時檢測結果簡潔而準確。

5) 低頻探測性能優(yōu)越: 矢量探測有3個方向的正交通道。每個通道具有偶極子指向性, 這種指向性是天然的, 因此是寬帶的, 且與頻率無關, 甚至可在次聲頻工作。對于追求遠距離探測采用低頻工作的聲吶, 面對大波長、不需要大的尺度即可得到指向性, 這點優(yōu)勢在工程上十分重要。

由以上各方面分析可知, 矢量聲吶具有多方面巨大優(yōu)勢, 使傳統(tǒng)聲吶在水下目標探測能力長期徘徊的局面得到改變。

1997年, 楊德森研究團隊完成了矢量探測基本理論的建立, 研制成功了我國第一只水下3D矢量傳感器。1998年, 在突破這一核心技術后, 進行了首次矢量探測試驗。圖1和圖2是湖試和海試的部分試驗結果[10-11]。

2 矢量聲吶技術的應用

2.1 矢量聲吶技術的國內推廣應用情況

2002年以后, 矢量聲吶技術得到迅速推廣應用, 如新型拖曳陣矢量聲吶[12-13]。采用矢量聲吶技術后, 探測距離大幅提高, 并徹底解決了原有的左右舷模糊問題[14-15]。再如岸基警戒聲吶以及增添和改進的多型聲吶設備, 建立了我國自主研發(fā)的新型聲吶浮標系列、水下彈道聲吶、噪聲測量聲吶、目標識別聲吶、水下通信聲吶等[16-18], 為部隊添置了多項急需的聲吶設備。

矢量聲吶技術為我國聲吶技術帶來多方面進步, 我國水下預警技術躍入世界先進水平, 聲吶探測性能明顯改善, 出現(xiàn)了多型水下警戒聲吶。為海上防務(深遠海)提供了先進的水下探測技術, 提升了我國海軍水下武器的監(jiān)測與保障能力。在水下聲靶、彈道測量、噪聲監(jiān)測等方面形成了海軍系列裝備。矢量方法實現(xiàn)了對艇外聲頻散互作用區(qū)的感知, 在潛艇聲隱身新技術方面也發(fā)揮了重要作用。

2.2 艦載矢量聲吶技術——聲障板條件下矢量信號處理

矢量聲吶已經成功應用于低噪聲測量系統(tǒng)、海上浮標聲吶等水聲設備中。然而這些矢量聲吶成功應用的原因在于其使用場合為開闊水域, 設備遠離海底和海面, 聲場條件近似自由場。理論和試驗結果已經證明, 在海洋中對于相干源遠場, 聲壓和水平方向質點振速在聲傳播過程中的幅度起伏平均不超過0.5 dB, 相位起伏約3°~5°[21]。矢量聲吶在自由場條件的成功應用, 使得人們在研究和發(fā)掘矢量聲吶的應用范圍時, 自然地要求盡快把矢量聲吶能在水面艦船和水下航行器上使用。但是當矢量聲吶安裝于水面和水下平臺時, 由于聲障板的存在, 使其工作環(huán)境嚴重偏離了自由場條件, 會導致矢量聲吶的性能失效。

早在本世紀初, 研究團隊就發(fā)現(xiàn)了矢量聲吶“聲障板效應”引起的矢量探測異常的情況, 如圖3所示。楊德森團隊經過十余年努力, 對典型聲障板條件下矢量探測技術進行了系統(tǒng)研究, 取得了突破性的進展, 初步解決了艦載矢量聲吶的應用基礎問題[22-27]。

2.2.1 典型聲障板水下聲散射

以工程實際中經常使用的矩形空氣腔聲障板和圓柱形空氣腔聲障板為例, 探討聲障板水下聲散射矢量場特性。

1)圓柱形空氣腔殼體障板水下聲散射

金屬密閉的圓柱形空氣腔殼體障板是聲吶常用的聲障板, 如圖4所示。對于無限長圓柱殼體, 可以根據殼體運動方程理論, 結合邊界條件, 得到聲場的嚴格解析解。對于有限長圓柱殼體, 在聲場的形式解中, 存在著如何書寫入射聲和剛性背景項的問題, 如果寫成有限長剛性背景項, 則無法求解; 如果寫成無限長剛性背景項, 隱含著觀察點的聲場值與圓柱殼體長度外的無限長剛性圓柱體的散射聲關系不大, 即要求觀察點靠近圓柱殼體中部表面。殼體運動采用Donnell方程

圓柱殼體外部流體中的聲壓場

在自由場條件下, 目標輻射聲的聲壓和振速是同相的, 且聲強方向與聲源方位一致。由圖5和圖6可見, 圓柱殼體表面附近聲壓場表現(xiàn)為圓弧狀的復雜干涉結構, 等相位面不再是一個平面, 質點振速方向與聲源方位也不再一致。

2) 矩形空氣腔殼體障板水下聲散射

矩形空氣腔殼體障板也是聲吶常用的聲障板，其外形結構如圖7所示。針對金屬密閉的矩形空氣腔水下聲散射特性研究, 有2種典型分析方法: 彈性層系統(tǒng)和數(shù)值方法。2種方法各有局限性: 彈性層系統(tǒng)把障板假設為無限大, 忽略了障板有限尺寸的影響, 也就忽略了與障板尺寸有關的模態(tài)諧振的影響, 這些諧振峰恰恰大多位于聲吶工作頻帶內; 數(shù)值方法無法進行物理機理分析, 不易進行規(guī)律總結, 不能夠對聲障板設計和優(yōu)化給出指導意見等。針對上述2種典型分析方法的不足, 提出了一種金屬密閉的矩形空氣腔水下聲散射的近似分析模型, 給出了解析解, 并且驗證了模型的有效性[27]。

考慮如下物理實際: 矩形空氣腔聲障板前蓋板在入射聲波作用下進行振動, 二次輻射的能量分別向水和空氣中(聲障板內部)輻射, 由于水和空氣波阻抗的巨大差異, 二次輻射的能量會主要返回水中, 只有極少部分能量進入聲障板內部。進入聲障板內部的能量極少, 其后續(xù)的一系列復雜的物理過程可不予考慮。因此, 可將3層結構矩形空氣腔聲障板(鋼-空氣-鋼)簡化為單層結構聲障板, 板的兩側流體分別為水和空氣, 如圖8所示。利用分離變量法給出了近似模型的解析解。

不失一般性, 考慮2D情況, 取入射平面波聲壓為

剛性時, 反射波聲壓為

由惠更斯第一積分公式, 可得

最后, 經過略顯復雜的推導, 可得板下方(介質I)的聲壓場為

則介質I中總的質點振速可表示為

根據復聲強定義, 復聲強可表示為

圖9為矩形空氣腔障板表面附近的聲場分布圖。可見, 障板表面附近為干涉場, 聲壓空間分布不均勻, 振速方向不反映信號入射方位, 并且不同位置處的振速方向也不一致。自由場時質點運動軌跡為直線, 并且直線的方向與目標方位一致, 這是自由場時單矢量水聽器目標方位估計的物理基礎。而在平面障板下, 質點運動軌跡不再是直線, 不能直接用來估計目標方位。

綜上所述, 無論是圓柱形障板還是矩形平面障板, 由于聲障板的聲散射, 聲壓與振速、振速與振速之間的幅度大小、相位結構都與自由場不再相同, 障板的存在顯著改變了聲場的矢量相位結構。自由場假設的信號處理方法顯然不再適用, 需要建立非自由場下的矢量探測基本理論。

2.2.2 典型障板下矢量信號處理

經典的雷達/聲吶最佳時空處理的相關理論表明, 典型條件下的時空最佳接收機皆對時域和空域信號進行匹配處理。對于非自由場條件下的矢量探測問題, 只要能夠確定聲場中聲壓和振速的幅度和相位信息, 就能夠進行空域信號匹配。

矢量圓柱陣的陣列模型如圖10所示。對于圓柱形障板表面的干涉場, 可以將近場干涉圖案分解為規(guī)則的相位模態(tài)域圖案, 在相位模態(tài)域聲壓和振速具有確定的相位和幅度關系, 從而實現(xiàn)了圓柱形障板條件下聲壓振速的聯(lián)合處理。仿真和試驗結果表明, 矢量聲吶可用于圓柱形障板條件下, 并且可將矢量聲吶的抗噪能力與陣列系統(tǒng)的分辨能力有機結合起來。

平面障板下矢量線列陣模型如圖11所示。矩形空氣腔障板聲散射的聲壓場和質點振速場的表達式比較復雜, 不利于后續(xù)的信號處理, 為此可做一定簡化, 將障板的反聲特性用一個等效的反射系數(shù)來刻畫。這樣就可以建立起反射系數(shù)所表征的矢量舷側陣陣列模型。基于該模型的矢量信號處理就自然地把聲散射納入考慮內。

開展了平面障板下三元矢量線列陣(見圖12)和矢量圓柱陣(見圖13)的原理樣機湖試試驗, 得到了預期結果, 驗證了方法的有效性。由圖14可見, 和相同陣型的聲壓陣相比, 平面障板下三元矢量線列陣能夠得到更清晰的目標軌跡, 并且沒有方位模糊。由圖15可知, 由于在相位模態(tài)域實現(xiàn)了聲壓和振速的相干信號處理, 使得矢量陣能夠得到清晰的軌跡。

3 水聲技術的發(fā)展趨勢

歐美等軍事強國正在積極拓展矢量聲吶的應用范圍, 比如艦載矢量聲吶和岸基矢量聲吶。有資料披露, 美國海軍在第2批次的新型戰(zhàn)略核潛艇“弗吉尼亞”級(SSN-778, 新罕布什爾號, 2008年服役)上開始采用輕型寬孔徑陣(the light wei- ght wide aperture array, LWWAA)的舷側陣聲吶, 該聲吶即為矢量舷側陣聲吶。另據報道, 英國正在研發(fā)應用于核潛艇舷側陣聲吶的新型薄板基陣, 該薄板基陣利用新型橡膠基的防護面板和矢量聲吶技術, 基陣厚度將比原來減少30%, 安裝空間減少50%。英國將在第5艘“機敏”級核潛艇上使用矢量舷側陣技術。美、英等海洋軍事強國矢量聲吶發(fā)展趨勢表明, 矢量聲吶工程化進入了新的階段。

目前, 對于非自由場下矢量聲吶的使用有了全新的認識, 在理論上解決了典型聲障板條件下矢量聲吶的應用基礎問題, 技術上突破了矢量傳感器的適裝性問題, 應加快新型矢量聲吶發(fā)展步伐, 充分發(fā)揮其技術優(yōu)勢, 盡快形成聲吶裝備, 改善和提升我國聲吶裝備的技術水平。

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(責任編輯: 陳 曦)

Theoretical Bases and Application Development Trend of Vector Sonar Technology

YANG De-sen1,2,3, ZHU Zhong-rui1,2,3, TIAN Ying-ze1,2,3

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security Industry and Information Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The vector sonar can obtain more abundant sound field information compared with the traditional sonar, so it achieves wide application. In this paper, the theoretical bases of the advantages of vector sonar technology are summarized from the aspects of physics, mathematics, signal processing, information content, low frequency detection performance and target location. The successful application of vector sonar in free field is reviewed, and the breakthrough made by the authors team in shipborne vector sonar application is emphatically introduced. The basic problem in the application of vector sonar under typical sound baffle condition is solved theoretically, and the suitability of vector sonar is also solved technically. In addition, the development trend of vector sonar in the future is predicted.

vector sonar; sound baffle; signal processing

楊德森, 朱中銳, 田迎澤. 矢量聲吶技術理論基礎及應用發(fā)展趨勢[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(3): 185-192.

TJ67; U666.7

A

2096-3920(2018)03-0185-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.001

2018-04-28;

2018-05-25.

楊德森(1957-), 男, 教授, 博導, 中國工程院院士, 研究方向為水下振動噪聲測量控制、矢量聲學理論及應用.