董海濤，王海燕，申曉紅，馬石磊

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072；2.海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北工業(yè)大學(xué)), 陜西 西安 710072; 3.陜西科技大學(xué) 電子信息與人工智能學(xué)院，陜西 西安 710021)

深遠(yuǎn)海對于我國的主權(quán)、安全與發(fā)展等有著全方位的特殊意義，南海兼具近海和遠(yuǎn)海的特征，是我國海軍打破島鏈閉鎖、走向遠(yuǎn)洋的關(guān)鍵，同時(shí)也是我國國家安全的天然戰(zhàn)略縱深，其戰(zhàn)略地位和軍事價(jià)值日益顯著，伴隨我國海軍航母編隊(duì)走向深藍(lán)的步伐，對加快發(fā)展深遠(yuǎn)海水中兵器以及遠(yuǎn)程預(yù)警探測能力的需求也愈發(fā)迫切。

探測是水下作戰(zhàn)中的首要環(huán)節(jié)，其中被動(dòng)探測系統(tǒng)能夠保證接收平臺的隱蔽性，是現(xiàn)代信息戰(zhàn)中取得戰(zhàn)爭優(yōu)勢并形成強(qiáng)有力海上軍事威懾的關(guān)鍵。水中航行的艦艇是很大的能量載體，可以通過船體對水體的擾動(dòng)、船體的固有頻率振動(dòng)、船上的機(jī)械振動(dòng)輻射噪聲、螺旋槳噪聲以及水動(dòng)力噪聲等方式將能量釋放到水體中向外傳播[1-4]。其中甚低頻段輻射聲信息具有難抑制、傳播衰減小等特點(diǎn)，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)水中目標(biāo)遠(yuǎn)程被動(dòng)探測帶來大的增益“窗口”。由于甚低頻信號具有強(qiáng)的穿透性，因此艦艇輻射噪聲甚低頻段能量容易經(jīng)由水體耦合至海底形成艦艇地震波場，其能夠反映艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳運(yùn)行狀態(tài)，適用于對水中艦艇目標(biāo)的被動(dòng)探測。艦艇地震波具有縱向衰減快、橫向衰減慢，頻率低等特點(diǎn)，可作為沉底水雷引信、火箭上浮水雷等水中兵器的接收物理場，其直接感知目標(biāo)低頻特征成分，有利于在遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)和探測艦船目標(biāo)，且不易受水文條件的影響，將是水聲引信的一種有效補(bǔ)充。

事實(shí)上，圍繞甚低頻聲場與地震波的被動(dòng)探測一直是各海洋強(qiáng)國的研究熱點(diǎn)。從20世紀(jì)40年代至今，國外先后開展了一系列水下低頻和甚低頻聲/地聲傳播的理論與試驗(yàn)研究[5-8]。2016年，俄羅斯報(bào)道在日本海利用激光應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了水中航行艦船的超遠(yuǎn)程探測試驗(yàn)，對航行渡輪的最遠(yuǎn)探測距離可達(dá)290 km[9]。文獻(xiàn)[10]報(bào)道了美、俄等國家水中兵器水聲場與地震波場聯(lián)合引信，如美國的DST(36、40、41型)水雷、MK(58、62、63、64、65、67型)水雷、DSTMK117D型“破壞者”水雷、DSTMK114 A型錨雷以及俄羅斯的995型水雷等。由于艦艇地震波包含艦艇航行時(shí)的連續(xù)寬帶能量耦合，尤其是大型水面艦船的能量耦合，一般的掃雷具難以模擬出等量級的震動(dòng)信號，因此相應(yīng)設(shè)定引信閾值的地震波水雷具有較好的抗掃性，是一種理想的水雷值更引信。

我國近10年有關(guān)艦艇甚低頻聲場與地震波場的研究逐步增多，各高校及研究所開展了一定的理論及試驗(yàn)初探，研究表明艦船地震波場信號有明顯的譜特性，其作為水雷聯(lián)合引信具有可行性[10-16]，在沉底水雷引信和安靜型潛艇遠(yuǎn)程預(yù)警等軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，相關(guān)理論及試驗(yàn)研究主要集中在淺海與近海，對于深海的航船引起海底地震波的試驗(yàn)研究未見報(bào)道?？紤]我國發(fā)展深海水中兵器引信的必要性，獲取并認(rèn)知深海實(shí)船甚低頻聲與地震波特性具有重要的實(shí)際意義。

1 水中目標(biāo)特性描述

對于大型水中艦艇目標(biāo)聲場特性國內(nèi)外已開展了大量的研究，其中Ross等[2]和Urick等[3]給出的艦船輻射噪聲在不同頻段上的縱向分布特性統(tǒng)計(jì)規(guī)律最為典型。艦船輻射噪聲源可分為三大類：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲，其中機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是目標(biāo)被動(dòng)探測的主要特征源。

機(jī)械噪聲是指航行或作業(yè)艦船上的各種機(jī)械的振動(dòng)，通過船體向水中輻射而形成的噪聲，其主要來源是主機(jī)(柴油機(jī)、主電動(dòng)機(jī)、減速器)和輔機(jī)(發(fā)電機(jī)、泵、空調(diào)設(shè)備)，主要成分是振動(dòng)基頻及它的諧波分量。主機(jī)和輔機(jī)系統(tǒng)會產(chǎn)生與其航行狀態(tài)及機(jī)械工作狀態(tài)密切相關(guān)的周期頻率，其振動(dòng)產(chǎn)生的線譜通常會與每一個(gè)氣缸的點(diǎn)火頻率以及總體點(diǎn)火頻率相關(guān)。由于點(diǎn)火頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的尺度成反比，因此大型發(fā)動(dòng)機(jī)通常產(chǎn)生的振動(dòng)頻率主要為較低頻率段(<10 Hz)，而小型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率往往在較高頻段(10～200 Hz)。螺旋槳噪聲是由旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳所產(chǎn)生的，包括螺旋槳空化噪聲和葉片振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片尖上和表面上會產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，隨著其旋轉(zhuǎn)至不同深度所帶來的壓力梯度變化使氣泡進(jìn)入水中，這些不穩(wěn)定氣泡破裂時(shí)會發(fā)出尖的聲脈沖，是艦船輻射噪聲高頻段的主要部分?？栈潭扰c水壓有關(guān)，隨深度和尾流場的非均勻性而變化，隨著螺旋槳葉片在不同的水深旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生調(diào)制，即螺旋槳噪聲是一種調(diào)制周期類似于螺旋槳頻率的幅度調(diào)制的空化成分。這種被調(diào)制的噪聲稱為“唱音”，又稱旋轉(zhuǎn)噪聲，其頻譜是與葉片數(shù)及螺旋槳轉(zhuǎn)速直接相關(guān)的“葉片速率”譜，是聲吶系統(tǒng)目標(biāo)識別和目標(biāo)速度估計(jì)的重要依據(jù)。通過檢測與提取艦船發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳基頻信息可以有效獲取艦船的相關(guān)物理參數(shù)(目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)軸轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)以及螺旋槳轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)等)物理參數(shù)[17]，比較發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳基頻信息可以進(jìn)一步推導(dǎo)出目標(biāo)的運(yùn)行參數(shù)?，F(xiàn)有的噪聲包絡(luò)解調(diào)分析(detection envelope modulation on noise，DEMON)[18]、循環(huán)譜分析等調(diào)制譜分析方法[4]主要是解調(diào)水聽器接收的高頻段螺旋槳空化噪聲，進(jìn)而得到螺旋槳的軸轉(zhuǎn)速及葉片旋轉(zhuǎn)頻率信息，是目前水中目標(biāo)被動(dòng)探測與識別最有效的手段。

2 傳感系統(tǒng)及試驗(yàn)概況

考慮深海環(huán)境下的物理場傳感問題，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面：1)高靈敏傳感問題，深海地震波傳感系統(tǒng)布放水深通常在千米以上深度，即目標(biāo)近場通過時(shí)距離也在千米量級，為有效捕獲目標(biāo)近場通過特性，需要采用高靈敏的傳感器；2)深海自容式實(shí)時(shí)同步傳感的問題，在深海傳統(tǒng)有纜連接的方式實(shí)施難度大、靈活性差，因此電子系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對多通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集與存儲，同時(shí)需要考慮低功耗的問題；3)耐壓結(jié)構(gòu)的耦合問題，在千米深海布放需要考慮殼體的耐壓材料與結(jié)構(gòu)，而這也同時(shí)帶來結(jié)構(gòu)耦合的問題，因此傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是需要考慮的一個(gè)問題。

圍繞上述問題，設(shè)計(jì)并研制了深海自容式三分量地震波傳感系統(tǒng)，包括傳感模塊、電池模塊、電子模塊以及耐壓殼體，耐壓深度大于2 000 m，系統(tǒng)采用高靈敏加速度型傳感器，靈敏度60 V/g，工作頻帶0.05～250 Hz，采樣頻率500 Hz，具備水下20 d以上的自主持續(xù)工作能力，可實(shí)時(shí)采集并存儲三通道地震波場信息。水聲場信息由水聽器獲取，工作頻帶5～5 kHz，接收靈敏度大于等于-192 dB。

試驗(yàn)在南海東沙某海域開展，潛標(biāo)記錄布放水深1 825 m。如圖1(a)所示地震波傳感系統(tǒng)通過硬連接加裝于深海坐底潛標(biāo)上。該潛標(biāo)的海底工作狀態(tài)示意如圖1(c)所示，潛標(biāo)整體與配重錨設(shè)計(jì)為緊連接狀態(tài)以確保海底地震波能夠耦合至傳感系統(tǒng)。由于地震波傳感系統(tǒng)與潛標(biāo)為一個(gè)整體，且實(shí)際入水時(shí)潛標(biāo)外層存在浮力材在一定程度上也會起到隔絕水聲信號的作用，因此相比于水聲信號其對海底振動(dòng)應(yīng)更加敏感。水聽器通過減震裝置連接于潛標(biāo)頂部，與水體直接接觸，距離地震波傳感系統(tǒng)約1 m距離，可作為地震波傳感信息的參考對照。

圖1 系統(tǒng)加裝及海上試驗(yàn)

傳感系統(tǒng)布放完畢后，以布放船為目標(biāo)獲取航行艦船聲場與地震波場信息，測線設(shè)置如圖2所示：19°21.694′N/115°5.30′E—19°27.903′N/115°E。x、y分別表示三分量地震比傳感系統(tǒng)的2個(gè)水平方向，由潛標(biāo)系統(tǒng)羅經(jīng)測得。目標(biāo)試驗(yàn)船為4葉螺旋槳船，試驗(yàn)中該船由V1～V2沿測線以9 kn速度勻速航行，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速RPM約為850 r/min。可以推算其主要特征參數(shù)如下：機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fCR約為14.16 Hz；氣缸點(diǎn)火頻率fCF約為7.08 Hz；螺旋槳軸頻fSR約為3.1 Hz；螺旋槳葉頻fBR約為12.4 Hz。

圖2 目標(biāo)走航測線

3 目標(biāo)水聲場與地震波場特性分析

3.1 目標(biāo)聲場與地震波場通過特性

圖3(a)～(d)分別為目標(biāo)正橫通過前后共1 h的4通道(P、X、Y、Z)時(shí)域信號波形。聲壓通道的時(shí)域總能量變化相對較平穩(wěn)，而三分量地震波場時(shí)域通過特性的能量變化比較明顯，尤其是Y通道和Z通道在正橫附近表現(xiàn)出強(qiáng)的近場強(qiáng)能量耦合特性，可以明顯觀測到40 min以上的艦船通過行為。由此可知，目標(biāo)甚低頻地震波傳感系統(tǒng)對艦船輻射的振動(dòng)能量更加敏感，相比聲場更有利于水雷引信的近場能量檢測，可以成為聲引信的有效補(bǔ)充。

圖3 目標(biāo)通過聲場與地震波場時(shí)域信號

圖4給出了目標(biāo)甚低頻聲場與地震波場的時(shí)頻通過特性分析。能夠看出聲壓通道完整的通過信息，在50 Hz以上頻段能夠包含更多窄帶信息，對于50 Hz以下特征不明顯且伴有連續(xù)強(qiáng)寬帶能量干擾，說明甚低頻段的環(huán)境噪聲級較高，這可以與經(jīng)典Wenz譜相吻合。三軸地震波通道信息相比聲場有聲壓通道有共同亦有明顯的差異性，體現(xiàn)為窄帶信息不完整，寬帶能量更強(qiáng)。X通道在100 Hz以上的高頻段能夠觀測到連續(xù)的多線譜成分，部分譜線如237 Hz其存在時(shí)間多于聲壓通道約10～15 min，且還可以觀測到聲壓通道中未存在的譜線如246 Hz譜線。50 Hz以下無連續(xù)強(qiáng)寬帶能量干擾，說明甚低頻段的環(huán)境地震波單通道噪聲級相比聲場較低。Y通道和Z通道從10 min開始可以觀測到持續(xù)存在的強(qiáng)寬帶能量，其或可反映目標(biāo)船只噸位信息，從抗掃性的角度來看值得深入研究。兩通道窄帶譜線成分稀少，但是Y通道能夠直接觀測到持續(xù)存在的50 Hz窄帶譜，認(rèn)知為船載交流電機(jī)的工頻，這一特征在聲通道中已完全淹沒在背景噪聲中。考慮國際船載交流電機(jī)的工頻定義有2大類(50 Hz與60 Hz)，這一特征在一定程度上可以用于區(qū)分?jǐn)澄摇４送?，Y通道154 Hz處的窄帶譜線在10 min前相比聲通道更加清晰，其產(chǎn)生機(jī)理及原因在此無法作出確切解釋，有待后續(xù)深入研究。

綜上所述，艦艇通過輻射聲場與地震波場信息存在共性亦有差異性，其主要表現(xiàn)為：1)艦船地震波場通過特性的變化量強(qiáng)于聲場，更有利于近場檢測，成為聲引信判別目標(biāo)船只噸位信息、掃雷具虛假聲源等的有效補(bǔ)充；2)甚低頻聲場能夠包含更多窄帶信息，但是地震波場往往能提前觀測到目標(biāo)部分譜線，甚至在聲場中未存在獨(dú)特的譜線。因此，聯(lián)合聲場與地震波場不僅能夠獲取更多的目標(biāo)信息，同時(shí)還能夠提升對目標(biāo)船只噸位信息、掃雷具虛假聲源等的判別，相比單一聲場能夠取得更好的檢測性能及抗掃性能。

3.2 目標(biāo)聲場與地震波場包絡(luò)譜特性分析

由上節(jié)可知目標(biāo)地震波場具有明顯的通過特性，且伴有強(qiáng)寬帶噪聲。截取12～14 min目標(biāo)地震波場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取全頻帶信息，利用希爾伯特變換分別求聲壓通道以及三分量地震波通道的包絡(luò)譜，圖5(a)～(d)分別給出四通道歸一化功率譜(0～50 Hz)。從聲壓通道的包絡(luò)譜中可以快速找到機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、氣缸點(diǎn)火頻率 以及螺旋槳葉頻，但是對于螺旋槳軸頻未能得到。對5 Hz以下頻率放大，可以在0.01～1 Hz窗口觀測到一組基頻為0.088 Hz的諧波族，其頻率與艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳基頻頻率無關(guān)，其產(chǎn)生機(jī)理有待后續(xù)認(rèn)知，但可以預(yù)期有利于目標(biāo)識別。三分量地震波包絡(luò)譜中均可以清晰地觀測到螺旋槳的軸頻和葉頻，其4倍頻關(guān)系與四葉螺旋槳對應(yīng)。對于X通道，能夠?qū)?yīng)出機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、氣缸點(diǎn)火頻率。在有強(qiáng)寬帶噪聲的Y通道和Z通道包絡(luò)譜中可以發(fā)現(xiàn)更加完整的螺旋槳特征頻率，其中葉頻尤為突出。

綜上所述，艦艇通過輻射水聲場與地震波場包絡(luò)譜信息亦存在共性和差異性，其主要表現(xiàn)為：1)聲壓包絡(luò)譜分析往往難以有效獲取軸頻，而三分量地震波包絡(luò)譜分析能夠更清晰的提取螺旋槳軸頻和葉頻，其完整的螺旋槳特征頻率能夠更有利于推理目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)物理特征；2)在甚低頻聲壓包絡(luò)譜中能夠在0.01～1 Hz以下窗口觀測到與艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳基頻頻率無關(guān)的諧波族，其產(chǎn)生機(jī)理有待后續(xù)認(rèn)知，但可以預(yù)期有利于目標(biāo)識別。

4 結(jié)論

1)艦船地震波場通過特性的變化量強(qiáng)于聲場，更有利于近場檢測，成為聲引信判別目標(biāo)船只噸位信息、掃雷具虛假聲源等的有效補(bǔ)充；

2)甚低頻聲場能夠包含更多窄帶信息，但是地震波場往往能提前觀測到目標(biāo)部分譜線，甚至在聲場中未存在獨(dú)特的譜線；

3)聲壓包絡(luò)譜分析往往難以有效獲取軸頻，而三分量地震波包絡(luò)譜分析能夠更清晰地提取螺旋槳軸頻和葉頻；

4)在甚低頻聲壓包絡(luò)譜中能夠在0.01～1 Hz以下窗口觀測到與艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳基頻頻率無關(guān)的諧波族，其產(chǎn)生機(jī)理有待后續(xù)認(rèn)知，但可以預(yù)期有利于目標(biāo)識別。

由此可見，艦船甚低頻聲場與地震波場通過特性及其反映艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳狀態(tài)等關(guān)鍵特征存在共性與差異性，表明了發(fā)展深海水中兵器甚低頻聲場與地震波場聯(lián)合引信技術(shù)是必要且可行的。