劉 洋， 杜敬林， 李 然

(大連測控技術研究所， 遼寧 大連 116013)

0 引 言

海洋背景噪聲場的時空相關結構、 空間方向性等特性是影響水聽器及其陣列輸出增益的主要因素之一， 也是影響水中弱信號提取的主要因素. 矢量水聽器具有自然指向性， 且與頻率無關. 近年來， 隨著對矢量水聽器、 矢量聲場及矢量信號處理等課題的研究逐漸深入， 矢量水聽器應用已成為水聲領域中一種新的發(fā)展趨勢， 主要應用于海洋背景噪聲研究及目標探測等領域.

矢量水聽器的優(yōu)勢突出體現在低頻聲學探測中， 但限制條件也較多， 如流噪聲干擾、 機械振動干擾等， 針對實際測試環(huán)境需對導流、 減振及姿態(tài)監(jiān)控等系統進行優(yōu)化設計. 本文針對淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測的需求， 重點對座底式矢量接收系統進行了設計與研制， 為淺海背景噪聲矢量特征觀測提供支撐. 系統針對復雜海況下長時間系統性觀測的需求， 設計了滿足大容量存儲和高速無線網絡傳輸需求的電聲觀測系統.

淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測系統基于矢量潛標形式， 系統示意圖如圖 1 所示. 潛標基于低頻同振組合傳感器， 利用多級減振機構和姿態(tài)監(jiān)控設計減弱低頻振動和海流的影響， 應用與海水介質密度相當、 透聲性能良好的碳纖維材料外殼， 減少流噪聲干擾并保證潛標的透聲率. 潛標內置信號采集和數據傳輸模塊， 數據和控制指令可通過自持式通訊浮標， 發(fā)送給岸基站或測量船， 潛標與通訊浮標纜連接端進行減振設計， 減小浮標運動對矢量傳感器的干擾.

圖 1 淺海環(huán)境噪聲矢量特征觀測系統框圖Fig.1 Block diagram of vector characteristic observation system of ambient noise in shallow sea

1 矢量潛標設計與研究

矢量潛標作為一種重要的矢量傳感器載體， 其結構設計對于減小海流和振動影響， 發(fā)揮矢量傳感器聲學性能具有至關重要的作用. 矢量傳感器對低頻震動與水動力噪聲具有較高的靈敏度， 潛標所處海底附近的水流會產生偽聲或真聲， 并對殼體產生振動使矢量接收通道受到強烈干擾， 需要在潛標外形、 傳感器安裝方式及懸掛系統設計中著重考慮. 另外， 矢量傳感器對方向指向也有要求， 需要潛標結構在水中穩(wěn)定布放， 并對傳感器姿態(tài)進行監(jiān)視.

矢量傳感器對低頻振動與水動力噪聲具有較高的靈敏度， 在不利情況下， 矢量傳感器通道輸出端的干擾級要比聲壓通道輸出端的干擾級高出30～40 dB. 尤其是在100 Hz以下頻段， 始終存在較高干擾， 分析及抑制這種干擾十分復雜， 通常這種干擾與流速、 聲接收器及導流罩形狀、 接收系統懸掛系統等有關.

1.1 流噪聲分析

由于介質擾流時的紊流特性， 接收系統會產生振動， 這種振動沿著結構元件傳遞到傳感器成為干擾. 此外， 除了振動產生的干擾， 傳感器還會接收到水流中紊流產生的偽聲和真聲.

當擾流速度變化時， 不同流速范圍內會使自振、 靜止帶和擺動接收器的擾流狀態(tài)發(fā)生改變. 在一定的迎面流速范圍內， 擾流體將發(fā)生穩(wěn)定振動. 研究發(fā)現： 物體的振動頻率接近它的固有頻率， 并從物體分離漩渦的頻率向物體振動頻率調整. 因此， 聲接收器懸掛諧振頻率設計尤為重要. 很低的諧振頻率會引起漩渦分離頻率加倍， 而懸掛頻率與漩渦分離頻率一致時， 則會導致諧振現象.

在估算自然流對固定不動接收系統的作用時， 將噪聲形成的機理歸結為漩渦從殼體上分離并形成卡爾曼漩渦. 漩渦分離頻率在很大程度上與迎流面流速有關， 可以用一致的斯特勞哈爾表達式來描述

(1)

式中： 2a為物體的特征尺寸；Sh為斯特勞哈爾數. 式(1)確定了作用于聲接收器上的聲波波長.

于是可以用頻率為ω=2πf和體積速度為Q0的位于球極點的聲源產生的聲壓來估計分離漩渦對接收器的作用：

(2)

增大接收器直徑時， 聲接收器對擾流噪聲近場的敏感性急劇下降. 例如， 柱形聲壓接收器尺寸增大2倍， 接收器輸出端擾流噪聲相對減少6 dB， 球形聲壓接收器直徑增大2倍， 擾流噪聲減小9 dB.

1.2 懸掛系統分析

由同振水聽器的工作原理可知： 實際應用中傳感器需要采用彈性元件將其懸置于大質量框架中， 再將框架置于水下聲場中. 在水中， 帶懸掛裝置的同振式矢量傳感器可看做彈簧-質量機械振動系統.

圖 2 懸掛裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of suspension structure

圖 3 懸掛裝置對振速影響的計算Fig.3 The calculation of the effect of the suspension device on the speed of vibration

假設矢量水聽器在水中為中性浮力， 對懸掛系統進行受力分析， 得到

(3)

式中：

(4)

懸掛系統對矢量水聽器振速通道的影響取決于γ的值，γ是關于懸掛系統幾何與物理參數的函數，γ越大， 懸掛系統對振速通道影響越大. 典型參數的計算如圖 3 所示.

根據機械振動理論， 計算出水中帶懸掛裝置的傳感器諧振頻率為

(5)

可見， 水中帶懸掛裝置的傳感器諧振頻率不僅與接收器參數有關， 還與懸掛系統參數有關. 選擇較小的彈簧勁度系數可以獲得較低的諧振頻率. 結合理論計算， 設計出圖4中的懸掛框架結構， 再選用一定彈性系數的橡皮筋構成矢量傳感器懸掛系統， 可有效降低機械振動帶來的干擾.

1.3 潛標結構設計

圖 5 矢量潛標結構示意圖Fig.5 A schematic diagram of the structure of a vector submersible

潛標主體如圖 5 所示， 包括： ① 基座與支架; ② 水下電子艙; ③ 鉛墜; ④ 矢量傳感器框架組(包括低頻矢量傳感器框架和高頻矢量傳感器框架); ⑤ 低頻矢量傳感器; ⑥ 高頻矢量傳感器； ⑦ 低頻傳感器二級阻尼減震系統; ⑧ 低頻傳感器一級阻尼減震系統; ⑨ 標準水聽器; ⑩ 導流罩;羅經.

低頻矢量傳感器采用低頻傳感器一級阻尼減震及低頻傳感器二級阻尼減震， 安裝在低頻矢量傳感器框架中， 框架間及框架與外殼固定處加入隔震用硬質橡膠阻尼材料.

標準水聽器、 低頻矢量傳感器均布設于導流罩內， 導流罩經過流體力學設計， 確保消除海底附近傳感器周圍水流的運動， 導流罩固定于支架上， 并通過隔震材料與基礎連接固定于海底附近， 消除從底部傳導到傳感器的振動.

1.4 采集傳輸模塊設計

信號采集模塊以ADSP-BF548系列Blackfin處理器為核心， 融合了基于多模態(tài)的低功耗設計、 程控信號調理設計等技術手段.

為滿足長時間系統性觀測的需求， 設計了包括待機、 指令通信、 數據傳輸、 數據采集、 實時采集傳輸等多種工作模態(tài)， 可通過遠程指令控制設定或預設方案執(zhí)行， 結合電量監(jiān)視和光伏充電技術， 有效保證系統續(xù)航性能.

為提高接收信號的信噪比和擴展采集量程動態(tài)范圍， 系統采用基于可編程放大器的動態(tài)增益控制設計. ANAlOG DEVICES公司的AD8231型零漂移數字可編程儀表放大器可配置1～128倍增益， 提供80～110 dB的電源抑制比， 滿足海洋環(huán)境噪聲觀測要求.

2 通訊浮標結構設計

通訊浮標用于接收來至岸基的控制指令和回傳數據， 滿足潛標的供電和續(xù)航要求. 控制指令通過無線數傳設備， 采用RS-232通信協議實現信號采集模塊工作模式、 采樣參數設置， 以及羅經、 風速、 流速、 工作狀態(tài)等信息的回傳. 采樣數據可通過無線網橋設備， 采用以太網通信協議上傳至岸基端(默認保存在水下本地， 需要時進行遠程數據讀取)， 同時可實現水下程序的遠程升級.

天線需架離水面并盡量保持姿態(tài)穩(wěn)定， 然而實際觀測中遇到高海況環(huán)境時， 浮標系統在受風力作用及波浪激勵下發(fā)生橫搖擺動， 另外， 水下部分受海浪作用也會影響浮標系統的姿態(tài)， 天線的搖擺運動會直接導致天線通訊質量下降， 造成通訊誤碼， 縮短通訊距離. 如何設計浮標結構， 對高海況下天線的姿態(tài)進行有效穩(wěn)定， 減小風浪影響是發(fā)揮浮標通訊性能的關鍵技術. 浮標總體示意圖如圖 6 所示， 浮標標桿結構圖如圖 7 所示. 圖 6、 圖 7 中： 1標桿、 2浮球安裝點、 3浮球、 4太陽能板、 5電子艙、 6轉接法蘭、 7標桿、 8萬向節(jié)、 9天線固定架、 10天線.

利用標體下端電子艙的自身重力對浮標的橫搖作用進行抵消， 保持天線穩(wěn)定， 滿足高海況下的遠距離傳輸需求. 圖 7 中， 萬向節(jié)設計將起到關鍵作用.

圖 6 浮標結構圖Fig.6 Buoy structure diagram

3 試驗結果分析

實際觀測中， 系統布放于距離觀測站約3.5 km距離處， 采用間歇式工作方式(如每小時采集20 min)， 獲取不同水文條件、 氣候條件以及多個季節(jié)的海洋環(huán)境噪聲數據.

圖 8 淺海環(huán)境噪聲矢量特征觀測系統布放示意圖Fig.8 Sketch map of vector observation system for environmental noise in shallow sea

通過分析實測中獲取的20～1 000 Hz海洋環(huán)境噪聲數據， 用功率譜估計的方法給出高低頻矢量傳感器的聲壓及振速正交分量的自譜估計， 得到海洋環(huán)境噪聲聲壓譜級Sp2(f)和海洋環(huán)境噪聲振速譜級SVx2(f),SVy2(f),SVz2(f)， 見圖 9 (譜級量值以某一參考級給出).

圖 9 20～1 000 Hz海洋環(huán)境噪聲聲壓與振速1/3Oct譜級Fig.9 20～1 000 Hz ocean ambient noise pressure and vibration velocity 1/3Oct spectrum

4 結 論

本文針對淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測的需求， 對座底式矢量接收系統進行了設計與研制. 理論分析了矢量傳感器在擾流環(huán)境下的平臺噪聲產生機理， 重點針對實際測試環(huán)境需求對導流、 減震及姿態(tài)監(jiān)視系統進行了優(yōu)化設計， 針對復雜海況下長時間系統性觀測的需求對大容量高速無線傳輸網絡技術的電聲觀測系統進行了設計， 為淺海背景噪聲低頻矢量特征觀測提供技術手段.