孫大軍，呂云飛，師俊杰，梅繼丹，滕婷婷，蘭華林，靳建嘉，張洪彬，

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

0 引言

聲學(xué)滑翔機是一類搭載聲學(xué)儀器設(shè)備的滑翔機，主要用在環(huán)境噪聲測量、聲學(xué)主動信號偵察、被動聲信號檢測與估計、目標(biāo)類型判別等領(lǐng)域。聲學(xué)滑翔機從應(yīng)用平臺分析，有以波浪提供動力的波浪滑翔機（Wave Glider，WG），利用重力和姿態(tài)提供動力的水下滑翔機（Underwater Glider，UG）和X-Ray、Z-Ray 為代表的大型飛翼滑翔機（X-Ray Glider，XG）。

水下滑翔機專利最早由美國人 FALLON 于1960 年提出[1]，之后名為Concept Whisper 的海洋運載機器原型研制成功[2]。1989 年，美國物理海洋學(xué)家STOMMEL 提出了一種名為Slocum 的概念滑翔機，這種滑翔機內(nèi)置了熱交換器為設(shè)備提供動力。STOMMEL 聯(lián)合工程師DOUG WEBB 開發(fā)了這款熱交換器驅(qū)動的概念滑翔機，并將滑翔機命名為Joshua Slocum[3]。到2003 年，他們不僅研制了一款名為Slocum Thermal 的熱動力滑翔機，還展示了一種以電池驅(qū)動的自主浮力水下滑翔機[4]。2004 年4 月，美國Alaska Native Technologies 公司開發(fā)了一款適配于Slocum 的全向水聽器聲學(xué)采集系統(tǒng)并在美國威廉王子灣完成了測試[5]。在各國逐漸重視的前提下，諸如Seaglider[6]、SeaExplorer[7]、Spray[8]和Slocum[9]等新型水下滑翔機在海洋探測領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。同時，越來越多的聲學(xué)設(shè)備也開始加裝在了滑翔機上，例如美國JASCO公司的OceanObserver實時高性能聲學(xué)和海洋學(xué)采集與處理系統(tǒng)[10]，美國Innovasea 公司的有線聲學(xué)接收器[11]等。

WG 是在UG 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的無人航行器，其設(shè)計之初的目的是為了探測海洋鯨類的生活軌跡[12]。斯坦福大學(xué)的ROGER HINE 教授在2005 年發(fā)明了波浪滑翔機后，與加利福尼亞洛思阿圖斯的研究基金會主席JOE RIZZI 一起成立了Liquid Robotics[13]。2009 年，Liquid Robotics的Red Flash 波浪滑翔機完成了夏威夷島測試和遠洋測試[14]，2014 年，Liquid Robotics 與波音公司達成合作意愿，將在之后幾年內(nèi)，為聲學(xué)反潛戰(zhàn)提供強大的監(jiān)測和通信能力[15]。

圖1 水下滑翔機Fig. 1 Underwater glider

圖2 波浪滑翔機Fig. 2 Wave glider

圖3 X-Ray 滑翔機Fig. 3 X-Ray glider

圖4 聲學(xué)負載設(shè)備Fig. 4 Acoustic load equipment

聲學(xué)滑翔機的快速發(fā)展為無人小平臺聲吶的應(yīng)用提供了一個更好的工作平臺，針對聲學(xué)應(yīng)用，表1 給出了WG、UG 和XG 的一些技術(shù)特點?；铏C能夠加裝多種聲學(xué)載荷，應(yīng)用在不同領(lǐng)域，表2 給出了聲學(xué)滑翔機部分加裝聲學(xué)載荷及應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 WG、UG、XG 特點對比Table 1 Comparison of characteristics of WG，UG and XG

表2 聲學(xué)負載及應(yīng)用領(lǐng)域Table 2 Acoustic load and application field

1 聲學(xué)滑翔機國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對聲學(xué)滑翔機的研究起步較早，美國、歐盟、日本、印度等國都將聲學(xué)滑翔機應(yīng)用在不同領(lǐng)域，當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用正處于快速發(fā)展期。

2015 年歐盟成立歐盟全球海洋觀測系統(tǒng)（European Component of the Global Ocean Observing System，EuroGOOS），截至目前，EuroGOOS 借助聲學(xué)滑翔機開展了 EMODnet[16]、AtlantOS[17]、JERICO-DS[18]、EuroSea[19]、INTAROS[20]等項目。在2015 年9 月至2019 年間20 臺滑翔機參與完成了EMODnet 項目共3 期計劃，項目中有一項聲學(xué)調(diào)查，聲學(xué)調(diào)查的數(shù)據(jù)用來輔助歐洲海域底物圖的繪制。JERICO-DS 項目中有一個將滑翔機技術(shù)與魚類被動聲學(xué)監(jiān)測相結(jié)合的DEFPAM-G 實驗，這一實驗將水聽器安裝在了SDEEP04 號滑翔機上，希望可以發(fā)現(xiàn)魚類聲音在海洋中的深度和空間變化情況。

美國目前的綜合海洋觀測系統(tǒng)（U.S. Integrated Ocean Observing System，IOOS）存在著一個聲學(xué)滑翔機網(wǎng)絡(luò)計劃，滑翔機需要完成聲學(xué)接收器性能測試、魚類聲學(xué)監(jiān)測、環(huán)境聲場采樣等任務(wù)[21]。美國海軍目前運營著一支瀕海戰(zhàn)場傳感滑翔機艦隊（Littoral Battlespace Sensing Glider System，LBS-Glider System）[22]，LBS-G 可以持久地收集海洋聲場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于反潛和情報搜集等領(lǐng)域。

英國國家海洋中心（National Oceanography Centre，NOC）目前基于水下無人設(shè)備有Oceanids[23]、MASSMO[24]、BRIDGES[25]等研究項目。加拿大目前擁有著NEPTUNE 和VENUS 2 個海洋觀測網(wǎng)絡(luò)[26-27]，滑翔機搭載的聲學(xué)設(shè)備可以傳輸采集到的聲場數(shù)據(jù)給觀測系統(tǒng)。搭載聲學(xué)設(shè)備的滑翔機技術(shù)正廣泛應(yīng)用在環(huán)境與噪聲測量、水下生物及目標(biāo)探測、通信中繼、區(qū)域警戒與反潛等領(lǐng)域。

1.1 環(huán)境與噪聲測量

2006 年，為了協(xié)調(diào)聲學(xué)滑翔機的研究，由英、法、德、意、挪威、西班牙等國發(fā)起了歐洲滑翔機觀測站倡議（Everyone's Gliding Observatories，EGO），主要目的是建立一個全球范圍內(nèi)的滑翔機組織，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的長期海洋觀測。迄今共布放了600 多臺滑翔機完成了上百萬海洋剖面的采集。2012 年，EGO 開展歐洲滑翔機群實驗（European Glider Swarm EXperiment，EGSEX），8 架聲學(xué)滑翔機部署在地中海西北區(qū)域，通過攜帶的水聽器和硝酸鹽分析儀，對地中海西北部的聲場環(huán)境噪聲和鹽度進行了監(jiān)測[28]。

2010 年，美國俄勒岡州立大學(xué)海洋資源研究合作研究所的Slocum 搭載著全向水聽器在2 d 內(nèi)記錄了哈迪斯和西馬塔附近的海底火山噴發(fā)的聲學(xué)數(shù)據(jù)，這一實驗展示了滑翔機作為長期環(huán)境監(jiān)測工具的可行性[29]。

2019年， 美國海洋觀測站倡議（ Ocean Observatories Initiative，OOI）為了實現(xiàn)極地冰川調(diào)查，2 架Hugin 滑翔機以預(yù)先設(shè)定的巡航路線首次在南極洲附近的冰架下進行科學(xué)觀測，他們攜帶的聲吶將用來測量冰川底部的粗糙度和厚度等[30]。

2022 年，OOI 利用3 臺滑翔機和8 個系泊設(shè)備參與了NES-LTER（Northeast U.S. Shelf Long-Term Ecological Research）項目，用以進行浮游動物聲學(xué)測試和海洋哺乳動物觀測[31]。

1.2 水下生物及目標(biāo)探測

聲學(xué)滑翔機在運行過程中具有較低的噪聲，由于其較優(yōu)秀的隱蔽特性，滑翔機可以對目標(biāo)海域進行長時間大范圍的隱蔽式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。許多特定用途的聲學(xué)載荷被設(shè)計用來搭載到滑翔機中，以進行水下目標(biāo)探測等任務(wù)，并取得了豐富的成果。

ThayerMahan 公司推出了一款可以拖曳在波浪滑翔機上的水聽器陣列，這套系統(tǒng)由拖曳水聽器陣列、導(dǎo)聲器和阻聲器組成，可以利用聲學(xué)特性實時被動的監(jiān)測海洋中的哺乳動物，海洋聲學(xué)服務(wù)系統(tǒng)（Ocean Acoustical Services and Instrumentation Systems，OASIS）在2019 年斯特爾威根海岸國家海洋保護區(qū)（Stellwagen Bank National Marine Sanctuary，SBNMS）沿海實驗中，布放了3 臺攜帶該設(shè)備的波浪滑翔機，系統(tǒng)的剪刀圖顯示了同時檢測幾個長須鯨發(fā)聲序列的潛力，這一實驗驗證了該拖曳陣列配合波浪滑翔機實現(xiàn)檢測定位發(fā)聲的海洋哺乳動物的可能性[32]。 圖5 中的剪刀圖的特點可以歸因于存在鯨類發(fā)聲的低頻時間，這一結(jié)果表明聲學(xué)滑翔機配合拖曳陣列可以對海洋目標(biāo)實現(xiàn)探測和目標(biāo)定位功能。

圖5 OASIS 在SBNMS 地區(qū)獲取的檢測表面和剪刀圖Fig. 5 Detection surface and scissors map obtained by OASIS in SBNMS area

加拿大JSK 公司發(fā)布了一款小尺寸高性能的聲學(xué)陣列KraitArray（圖6），這套陣列有著多達192 個的聲道，可以在300 m 的深度內(nèi)達到150 m長度的布放效果。2016 年，這套陣列參與了Unmanned Warrior 2016 軍演，在反潛，魚雷防御，生物和環(huán)境監(jiān)測方面表現(xiàn)優(yōu)秀[33]。SEA 在一片報道中也表示，將這款陣列放置在WG 上，能夠檢測和跟蹤到潛艇目標(biāo) 。

圖6 KraitArray 拖曳陣列Fig. 6 KraitArray

1.3 通信中繼

聲學(xué)滑翔機可以搭載水聲通信模塊、GPS 模塊以及無線電模塊實現(xiàn)中繼通信功能?；铏C在正常工作的狀態(tài)下，通過聲通機接收其他水下設(shè)備發(fā)送的聲信號，在內(nèi)部處理后既可以選擇利用聲通機進行聲通信，也可以采取上浮水面的方式利用衛(wèi)星等模塊實現(xiàn)岸基與下層設(shè)備間的交互，最終實現(xiàn)多臺設(shè)備間的網(wǎng)狀通信[35]。

圍繞水聲通信網(wǎng)絡(luò)，美國海軍在21 世紀(jì)初提出了一種名為廣域海網(wǎng)Seaweb[36]的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。此系統(tǒng)將聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器安裝在了波浪滑翔機上，可以為水下設(shè)施、滑翔機平臺和整個水聲網(wǎng)絡(luò)提供雙向通信功能，能夠?qū)⒑Ｑ笾械墓潭ü?jié)點、運動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成一張水聲通信網(wǎng)絡(luò)。并在搭載有衛(wèi)星模塊的波浪滑翔機上實現(xiàn)水–空氣介質(zhì)間的電磁信號轉(zhuǎn)移。這種調(diào)制解調(diào)器可以在避免與滑翔機本體干擾的前提下，實現(xiàn)多節(jié)點間的遠距離通信。如圖7。

圖7 Seaweb 架構(gòu)Fig. 7 Architecture of seaweb

1.4 區(qū)域警戒與反潛

2016 年，英國舉辦了Unmanned Warrior 2016大型無人操縱戰(zhàn)士海上聯(lián)合演習(xí)，其中一種名為AutoNaut 的波浪滑翔機（圖8）拖曳著一個長達25 m 的被動聲學(xué)監(jiān)測陣列線陣，這個線陣包含8個數(shù)字水聽器，結(jié)果顯示聲學(xué)滑翔機可以有效的對水面水下目標(biāo)實現(xiàn)探測和跟蹤[37]。

圖8 AutoNaut 波浪滑翔機Fig. 8 AutoNaut wave glider

澳大利亞海軍在2016 年發(fā)布的《國防白皮書》中指出，海軍為滿足21 世紀(jì)戰(zhàn)爭發(fā)生的可能性，需要建立一個網(wǎng)絡(luò)化的載體。因此澳大利亞海軍計劃在2035 年內(nèi)將無人化的自主設(shè)備整合到海軍作戰(zhàn)中，部分滑翔機會搭載聲學(xué)設(shè)備用于平臺自噪聲測試、靜默狀態(tài)下的聲學(xué)監(jiān)測、通信中繼等任務(wù)[38]。

2 聲學(xué)滑翔機國內(nèi)現(xiàn)狀

在國家計劃支持下，近十年來，國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)[39]、潛艇學(xué)院[40]、浙江大學(xué)[41]、中船715所[42]、中科院聲學(xué)所[43]等單位全面開展了聲學(xué)滑翔機的研究，并取得了一批成果。

潛艇學(xué)院依托天津大學(xué)“海燕”水下滑翔機，設(shè)計了一款基于FPGA+ARM 的單矢量水聽器信號采集與處理系統(tǒng)，這套系統(tǒng)通過優(yōu)化幀數(shù)據(jù)協(xié)議，保證了信號處理的實時可靠。2020 年，“海燕”搭載著這套單矢量水聽器系統(tǒng)完成了南海海域的水下協(xié)調(diào)目標(biāo)探測，圖9 展示了測量方位和實際方位的對比圖，實驗結(jié)果顯示這套聲學(xué)系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)水下目標(biāo)的探測定位[40]。

圖9 噪聲方位估計與GPS 推算方位對比及距離歷程Fig. 9 Comparison between noise bearing estimation and GPS dead reckoning and range history

中船715 所基于常規(guī)陣列設(shè)計了一款小型的ADCP 設(shè)備，這套設(shè)備基于D 類功放設(shè)計，發(fā)射機可以在450 kHz～550 kHz 的帶寬內(nèi)穩(wěn)定運行，具有小型化抗干擾的特點。未來若適配滑翔機可以在海洋科學(xué)探測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[42]。

2019 年12 月，中科院沈自所在東印度洋海域布放了12 臺海翼號水下滑翔機，這次組網(wǎng)集群實驗累計工作時長達到51 d，對近3 500 個海洋剖面進行了有效地科學(xué)觀測并采集了大量的聲場數(shù)據(jù)[44]。

中科院聲學(xué)所利用東印度洋實驗中聲學(xué)滑翔機采集到的聲場數(shù)據(jù)對聲源進行測距和定深估計，誤差結(jié)果均在5%以內(nèi)。這一結(jié)果證明滑翔機配備聲學(xué)載荷可以完成對水聲信號的同步觀測，該實驗也為實現(xiàn)聲源的三維定位和同步觀測打下了基礎(chǔ)[43]。

圖10 多聲學(xué)波浪滑翔機協(xié)同探測Fig. 10 Geometric distribution of positioning accuracy of three base stations

哈爾濱工程大學(xué)基于波浪滑翔機研發(fā)了拖曳式的小體積立體陣探測系統(tǒng)。海試中3 臺聲學(xué)波浪滑翔機協(xié)同探測實現(xiàn)了目標(biāo)的探測預(yù)定位[39]，且具有優(yōu)秀的準(zhǔn)確度。

3 聲學(xué)滑翔機關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聲學(xué)設(shè)備搭載技術(shù)

海洋中的滑翔機受自身體積和功耗等因素的制約，聲學(xué)負載的搭載能力有限。滑翔機通常采用模塊化的設(shè)計方式，根據(jù)所執(zhí)行的不同任務(wù)在電子艙內(nèi)搭載不同的有效載荷。

水下滑翔機可以搭載不同聲學(xué)載荷，當(dāng)進行海洋環(huán)境噪聲觀測時，為了在不影響滑翔機正常運行的前提下減小噪聲，聲學(xué)設(shè)備通常會放置在滑翔機頭部的屏蔽導(dǎo)流罩內(nèi)，如圖11（a）。當(dāng)加裝矢量水聽器進行目標(biāo)探測和方位估計時，為減小滑翔機機體和噪聲的影響，可以將聲學(xué)設(shè)備以延伸的方式加裝在設(shè)備的頭部，如圖11（b）。當(dāng)需要加裝小尺度體積陣進行目標(biāo)探測任務(wù)時，為了獲得更大的孔徑，減小滑翔機機體的影響，通常會將聲學(xué)設(shè)備搭載到滑翔機的翼板上，如圖11（c）。為了使滑翔機可以無障礙地與水面水下其他設(shè)備信息傳輸，聲學(xué)通信設(shè)備會加裝在滑翔機的頂部，如圖11（d）。

圖11 UG 聲學(xué)負載搭載方式Fig. 11 Acoustic load carrying mode of UG

波浪滑翔機主要由水面艇、掛纜、水下驅(qū)動單元3 部分組成，WG 在運行過程中主要存在著牽引機產(chǎn)生的機械噪聲和設(shè)備在水中行進過程中產(chǎn)生的流體噪聲。對于對噪聲不特別敏感且工作深度可以較淺的聲學(xué)負載，一般集成在水面艇或牽引機上，如聲通機和定位儀 ；對噪聲敏感且要求一定深度工作的聲學(xué)設(shè)備，通常會采用長纜拖曳的搭載方式，將聲學(xué)設(shè)備置于遠離牽引機的拖體上，配以減振纜相連，減小波浪滑翔機運動噪聲及狀態(tài)起伏對聲學(xué)設(shè)備的影響。如圖12。

圖12 WG 聲學(xué)負載搭載方式Fig. 12 Acoustic load carrying mode of WG

飛翼式滑翔機通常體型較大，X-Ray 滑翔機的翼展可以達到20 英尺。XG 內(nèi)部所能利用的空間也遠大于 UG 和 WG，X-Ray 的內(nèi)部總?cè)莘e有1 000 L，具有強大的負載能力[46]。除內(nèi)部布放常規(guī)聲學(xué)載荷外，XG 可以在表面布放共形陣。Z-Ray在結(jié)構(gòu)上采用了小型水射流的方式保持精確的姿態(tài)控制，這一結(jié)構(gòu)可以使前沿水聽器陣列孔徑定向于特定方向；在Z-Ray 的機頭、機尾和兩側(cè)翼板位置，還可以安裝大帶寬的矢量水聽器[47]。如圖13。

圖13 XG 聲學(xué)負載搭載方式Fig. 13 Acoustic load carrying mode of XG

3.2 噪聲控制技術(shù)

聲學(xué)滑翔機相較其他海洋設(shè)備，具有更低的噪聲譜級，更小的聲學(xué)截面積，幾乎沒有尾部痕跡。當(dāng)電機處于停止?fàn)顟B(tài)時，滑翔機的自噪聲譜級與潛標(biāo)采集到的海洋噪聲譜級類似。具有優(yōu)秀的水下隱蔽能力，不易被雷達和聲吶設(shè)備探測到 。

滑翔機在工作時的噪聲源有水動力噪聲、電機和螺旋槳工作時的螺旋槳噪聲和機械噪聲。在剖面滑翔的過程中，方向調(diào)節(jié)引起的電磁抱閘振動噪聲是制約聲學(xué)設(shè)備性能的主要噪聲影響因素。通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向部件和控制策略降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲的量級；在硬件設(shè)計時滑翔機內(nèi)部供電采用隔離式供電模塊，對不同的任務(wù)模塊分割地層處理來降低電磁干擾；在電子艙內(nèi)壁安放吸聲材料阻隔聲傳播路徑；優(yōu)化動力系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng)的工作模式，在電機工作的高噪聲情境下關(guān)閉聲學(xué)系統(tǒng)的正常運行等噪聲控制策略均有利于降低噪聲對聲學(xué)滑翔機的干擾。通過CFD 仿真，獲取滑翔機周圍的流速信息，找到水聽器的最佳安裝位置，可以降低流體噪聲和滑翔機機械噪聲。通過動力學(xué)模型仿真，優(yōu)化滑翔機的控制參數(shù)，通過降低滑翔速度可以降低水動力噪聲[49-50]。

采用振源控制技術(shù)降低振源自身的振動，或使用阻尼材料可以將振動產(chǎn)生的動能和聲能轉(zhuǎn)化為熱能，均能顯著減少因滑翔機振動帶來的噪聲干擾。通過測量滑翔機不同工作狀態(tài)下的輻射噪聲，根據(jù)噪聲分布特性，優(yōu)化平臺；在材料上結(jié)合滑翔機外部的輻射聲場特性，通過設(shè)計低噪聲的滑翔機耐壓外殼、小振動量的動力和漂浮系統(tǒng)可以減少來自機械和結(jié)構(gòu)上的噪聲影響[51]。

圖14 仿真了UG 的自噪聲譜和機械噪聲的影響。圖14（a）展示了在1 kn 航速下，UG 周圍流場的分布情況。圖14（b）顯示UG 的噪聲譜級隨著頻率呈現(xiàn)遞減趨勢，且在150 Hz 之后噪聲譜級均小于零海況狀態(tài)下的環(huán)境噪聲。圖14（c）展示了不同控制策略下的噪聲譜，設(shè)備的主要噪聲源出現(xiàn)在俯仰姿態(tài)條件和舵機轉(zhuǎn)向時，因此需要重點關(guān)注由姿態(tài)和方向調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的機械噪聲[52]。

圖14 UG 噪聲分布和噪聲控制技術(shù)Fig. 14 Noise distribution and noise control technology of UG

WG、XG 的減振降噪策略和UG 相似。但針對WG 搭載的拖曳式聲學(xué)拖體，如圖15 所示，還可以通過增加減振段的方式減振降噪。一方面減振纜降低了聲學(xué)拖體的振動情況；另一方面拖曳式的搭載方式使聲學(xué)拖體遠離船體，降低了船體噪聲對聲學(xué)設(shè)備的干擾[53]。

圖15 WG 采用減振段減振降噪示意圖Fig. 15 Schematic diagram of vibration reduction and noise reduction by WG

3.3 小尺度陣列信號處理技術(shù)

聲學(xué)滑翔機搭載的聲學(xué)基陣多為小型基陣，為獲得低頻測向能力及高增益，開展了針對性的信號處理方法研究。

在滑翔機上加裝單矢量水聽器，體積小，在低頻/甚低頻段能夠?qū)崿F(xiàn)信號的探測與方位估計。方位估計較早采用聲能流方位估計法，隨著研究深入陸續(xù)開展了MVDR 算法、子空間算法等方位估計方法。

聲學(xué)滑翔機的聲學(xué)陣列較小，難以直接拿到空間增益，為提高方位估計精度和目標(biāo)探測性能，水下滑翔機加裝了矢量水聽器，為了提高方位分辨能力，聲學(xué)滑翔機采用合成孔徑技術(shù)。合成孔徑技術(shù)利用在某方向移動的小孔徑基陣模擬大孔徑基陣，水聽器接收到回波后，經(jīng)相干疊加處理，可以獲取到分辨率更高的方位信息。從圖16 看出采用合成孔徑技術(shù)后波束寬度變窄，小尺度陣下實現(xiàn)了高精度目標(biāo)方位估計[54]。

圖16 常規(guī)波束圖與合成孔徑波束圖Fig. 16 Conventional beam pattern and synthetic aperture beam pattern

3.4 組網(wǎng)協(xié)同技術(shù)

組網(wǎng)技術(shù)就是將多臺職責(zé)不同的水下設(shè)備組成一個協(xié)作團隊，每臺設(shè)備負責(zé)1 個或多個任務(wù)。根據(jù)每臺設(shè)備所承擔(dān)的任務(wù)搭載不同功能的傳感器和載荷。海洋環(huán)境下，聲學(xué)滑翔機機動能力弱，通信能力和續(xù)航能力有限，為了提高滑翔機的工作效率，需要對滑翔機組網(wǎng)協(xié)同。聲學(xué)滑翔機組網(wǎng)范圍內(nèi)的每臺設(shè)備相當(dāng)于1 個節(jié)點，組網(wǎng)設(shè)備具有無線通信和中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

相較于單機探測，將搭載不同載荷的滑翔機組合起來，構(gòu)成海洋探測網(wǎng)絡(luò)，可以有效擴大海洋探測的深度和廣度。實現(xiàn)由單點觀測到點對點的全方位立體觀測。合理安排組網(wǎng)內(nèi)每臺設(shè)備的巡航路徑，可以有效提高觀測網(wǎng)的運行效率。

基于設(shè)備組網(wǎng)集群，哈爾濱工程大學(xué)提出了一種多獨立切換拓撲網(wǎng)絡(luò)。將整個集群網(wǎng)絡(luò)拆分為多個子網(wǎng)，如圖17 所示，當(dāng)主網(wǎng)與某個子網(wǎng)的主控通信失敗時，系統(tǒng)會隨機指派新的子網(wǎng)主控，以此來保證集群系統(tǒng)的一致性[55]。

圖17 多獨立拓撲結(jié)構(gòu)水下集群網(wǎng)絡(luò)Fig. 17 Underwater cluster network of multi independent topology

4 聲學(xué)滑翔機未來發(fā)展趨勢

4.1 聲學(xué)滑翔機應(yīng)用模式拓展

聲學(xué)滑翔機作為一種新型的無人裝備，目前在海洋環(huán)境與噪聲測量、目標(biāo)探測、中繼通信及區(qū)域警戒等部分場合開展了應(yīng)用，但當(dāng)前聲學(xué)滑翔機使命與功能較為單一，以輔助應(yīng)用為主，沒有充分發(fā)揮其特點，各種形式的聲學(xué)滑翔機仍處于快速發(fā)展期。

聲學(xué)滑翔機具有低成本、無人化、可長期存在、適應(yīng)惡劣海況等特點，適合在深遠海多節(jié)點分布式協(xié)同應(yīng)用。未來亟待開展多節(jié)點分布式協(xié)同模式、效能及應(yīng)用區(qū)域等方面的研究，不斷拓展聲學(xué)滑翔機信息獲取的維度、執(zhí)行任務(wù)的深度和廣度，使之成為海洋環(huán)境監(jiān)測或遠程預(yù)警的中堅力量。

4.2 聲學(xué)載荷專用化

目前聲學(xué)滑翔機加裝的聲學(xué)載荷大部分沿用有人平臺的聲學(xué)載荷，沒有針對滑翔機的特點進行設(shè)計。聲學(xué)載荷存在體積大、功耗高和自主信息處理能力弱等問題，進而導(dǎo)致聲學(xué)滑翔機工作和生存時間短，信息處理需要大量專業(yè)技術(shù)人員，嚴(yán)重限制了聲學(xué)滑翔機的批量應(yīng)用。

聲學(xué)滑翔機體積小，提供給載荷的重量、體積、供電能力有限，需要開展傳感器的小型化、低功耗技術(shù)研究，針對不同應(yīng)用和不同滑翔機開發(fā)專用的聲學(xué)載荷模塊?；铏C自身成本較低，適合批量應(yīng)用，加裝的傳感器也應(yīng)降低成本。滑翔機長時間自主工作，需要傳感器具有很高的可靠性。

聲學(xué)滑翔機需要不依賴于岸基的自主任務(wù)執(zhí)行能力和信息獲取能力，減少人工介入。聲學(xué)載荷需要發(fā)展人工智能技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)及大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)。信息獲取、目標(biāo)探測與狀態(tài)估計、目標(biāo)識別、任務(wù)執(zhí)行、多節(jié)點協(xié)同信息處理的自主化是未來的發(fā)展趨勢。

4.3 聲學(xué)滑翔機組網(wǎng)協(xié)同

單節(jié)點聲學(xué)滑翔機信息獲取在時間、空間、頻率等方面能力有限，滑翔機機動能力弱，難以實現(xiàn)大范圍的信息獲取、遠距離的目標(biāo)探測與目標(biāo)的持續(xù)跟蹤。聲學(xué)波翔機組網(wǎng)協(xié)同是發(fā)展趨勢，亟需拓展聲學(xué)滑翔機獲取信息的維度，擴大任務(wù)執(zhí)行的深度和廣度。

聲學(xué)滑翔機目前雖然在一定海域投放數(shù)量較多，但多為單節(jié)點獨立工作，缺少節(jié)點間的聲學(xué)信息協(xié)同。為提高聲學(xué)滑翔機目標(biāo)探測距離、探測效率及目標(biāo)持續(xù)跟蹤能力，需要發(fā)展節(jié)點間信號級、信息級的信息傳輸與處理技術(shù)，多源信息融合技術(shù)，將時間上、空間上不連續(xù)的信息片段進行整合。

研究不同類型聲學(xué)滑翔機協(xié)同技術(shù)，可以拓展信息獲取的維度，提升探測和通信的效率及實時性。聲學(xué)波浪滑翔機獲取水下近海面聲學(xué)信息，聲學(xué)水下滑翔機獲取全海深聲學(xué)信息，融合二者獲取的信息，實現(xiàn)協(xié)同探測，可以達到更高的探測能力。

以任務(wù)為驅(qū)動，全面分析環(huán)境監(jiān)測與目標(biāo)探測應(yīng)用需求，基于現(xiàn)代信息技術(shù)及人工智能技術(shù)，研究聲學(xué)滑翔機的節(jié)點分布優(yōu)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)，能夠根據(jù)任務(wù)需求及環(huán)境特點自主的調(diào)整組網(wǎng)方式、航行路徑規(guī)劃及作業(yè)模式等，使之具備獨立自主的作業(yè)能力。

4.4 多系統(tǒng)信息融合

海洋信息獲取及探測預(yù)警等未來必將呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、多系統(tǒng)聯(lián)合化工作，聲學(xué)滑翔機便是其中一環(huán)，但聲學(xué)滑翔機能夠完成的任務(wù)有限，因此需要同其它系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用。

聲學(xué)滑翔機同其它無人系統(tǒng)及有人系統(tǒng)聯(lián)合時，根據(jù)任務(wù)需求和系統(tǒng)特點，完成任務(wù)的不同階段工作。研究多系統(tǒng)信息共享技術(shù)，異構(gòu)多源信息融合技術(shù)，人機融合智能決策技術(shù)，可以提高信息獲取的質(zhì)量及預(yù)警效能，更高效地執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

5 結(jié)束語

本文對海洋中的聲學(xué)滑翔機的應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展趨勢進行了分析。聲學(xué)滑翔機處于初步發(fā)展階段，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，會有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。