姜潤翔 ,王嘉睿 ,朱 巋 ,張伽偉

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢,430033;2.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院,湖北 武漢,430033)

0 引言

艦船在海水中航行時會引起周圍的聲場、電場、磁場和壓力場等信號出現(xiàn)異常,這些異常信號是水中兵器的探測源[1-4]。隨著隱身技術(shù)的發(fā)展以及艦船設(shè)計制造的多樣性,利用單一的水下物理場探測與識別目標的難度急劇增大,為此,需要研究多物理場聯(lián)合探測技術(shù)[5-8]。線譜作為水下探測和識別目標的重要特征量,相比于時域特征量(幅度、峰值和周期等)與連續(xù)譜特征量,具有易檢測和易識別的優(yōu)勢[9-10]。目前在水下物理場探測領(lǐng)域,國內(nèi)外重點對線譜的測量技術(shù)、特征提取技術(shù)、信號檢測算法等方面進行了研究[4-7],而對不同物理場低頻線譜的相關(guān)性研究較少,缺乏系統(tǒng)的理論分析和試驗測試。文中基于海上實測數(shù)據(jù),重點對典型船舶的低頻聲場、電場、磁場和壓力場的線譜特征進行了分析,力圖揭示以電場、磁場為代表的電磁波與以聲場、壓力場為代表的機械波低頻線譜之間的關(guān)系。

1 試驗儀器及設(shè)備

為了獲取典型船舶通過時的水下物理場信號,研制了集聲場、電場、磁場和水壓場于一體的聯(lián)合測量裝置(如圖1 所示)。

圖1 水下聲場、電場、磁場和水壓場聯(lián)合測量裝置Fig.1 Underwater joint measuring device of acoustic field,electric field,magnetic field,and water pressure field

圖1 中,聲、電、磁以及水壓測量傳感器分別為壓電式水聽器RHS-20、Ag/AgCl 電極、MAG13磁通門傳感器以及US10000 型壓阻式壓力傳感器等。測量系統(tǒng)儀器艙為玻璃球,耐壓深度可達2 000 m,其內(nèi)部安裝有32 位、8 路低噪聲采集器(1 路聲場、3 路電場、3 路磁場和1 路壓力場),14.4 V鋰電池組和電源轉(zhuǎn)換模塊(輸出電壓為+5 V、±12 V)以及32 G 存儲卡等。由于試驗期間更多關(guān)注的是低頻信號特征,為此設(shè)定聲場信號的采樣頻率為8 000 Hz,低通濾波器截止頻率為2 000 Hz;電場、磁場、水壓場的采樣頻率設(shè)定為250 Hz,低通濾波器截止頻率為100 Hz。

2020 年8 月,利用所研制的測量系統(tǒng)于某海域?qū)^往船舶的物理場信號進行測量,獲得了30余艘不同目標的物理場信號,測量水深25 m 左右,典型目標A 和B 通過時測量得到的水下物理場信號分別如圖2 和圖3 所示。

圖3 典型目標B 水下物理場信號Fig.3 Underwater physical field signal of typical target B

2 聲場、壓力場和電場低頻線譜特征分析

一方面,艦船內(nèi)部機械振動、螺旋槳旋轉(zhuǎn)等均會產(chǎn)生輻射噪聲場,該輻射噪聲場以機械波的形式在水介質(zhì)中傳播,從而導(dǎo)致水質(zhì)點運動,即在海水中產(chǎn)生壓力變化,而壓電式水聽器、壓阻式壓力傳感器均可測量變化壓力信號,其差別僅在于傳感器拾取壓力信號的等效模型,分別對應(yīng)于電容和電阻兩端的電壓變化,即壓電式與壓阻式傳感器均可接收到振動引起的壓力信號;另一方面,電場和磁場歸為電磁波,根據(jù)電磁場理論可知,低頻電場與低頻磁場可以相互轉(zhuǎn)化,兩者在低頻線譜上具有共源特性,圖4 為船舶A 低頻電場與磁場信號的振幅譜,圖中,電場0 dB 對應(yīng)于1 mV/m,磁場0 dB 對應(yīng)于1 nT。為此,文中重點對聲場、壓力場和電場的低頻線譜特征進行分析。

圖4 船舶A 低頻電場與低頻磁場的振幅譜Fig.4 Amplitude spectra of low-frequency electric field and magnetic field of Ship A

在分析之前主要完成以下信號處理: 1) 分別對船舶A、B 的聲場信號進行100 Hz 低通濾波,并計算其振幅譜;2) 分別對船舶A、B 的壓力場信號進行1 Hz 的高通濾波,并計算其振幅譜;3) 分別對船舶A、B 的電場信號進行1 Hz 的高通濾波,并計算三分量和的振幅譜,船舶A 和B 聲場、壓力場、電場信號的振幅譜分別如圖5 和圖6 所示,圖中聲場、壓力場0 dB 對應(yīng)于1 Pa,電場0 dB 對應(yīng)于1 mV/m。

圖5 船舶A 聲場、壓力場及電場信號振幅譜Fig.5 Amplitude spectra of acoustic field,pressure field,and electric field signals of Ship A

圖6 船舶B 聲場、壓力場和電場信號振幅譜Fig.6 Amplitude spectra of acoustic field,pressure field,and electric field signals of Ship B

由圖5 和圖6 可發(fā)現(xiàn),典型船舶A、B 通過時,低頻聲場、壓力場和電場信號均具有明顯的線譜信號。對比同一艘船舶的低頻聲場、壓力場和電場振幅譜,可發(fā)現(xiàn):

1) 低頻聲場和壓力場線譜具有較強的相關(guān)性,如船舶A 的低頻聲場、壓力場在16.68、22.18、24.74、27.65、31.10、37.09 Hz 等頻點均出現(xiàn)了明顯的線譜,這說明低頻聲場與低頻壓力場信號的共源性。需要說明的是,低頻水壓場在10 Hz 以下頻段的線譜成分較聲場信號豐富,這是由于水聽器的測量范圍為20 Hz～20 kHz,壓力傳感器的測量范圍為 DC～1 000 Hz 的緣故。在后續(xù)水中兵器引信設(shè)計時,可通過高精度壓阻式壓力傳感器實現(xiàn)0.5 Hz 靜態(tài)壓力的接收和1～100 Hz 低頻振動信號的接收。

2) 低頻電場與低頻壓力場、聲場在某些頻點具有相關(guān)性,如船舶B 的聲場、壓力場和電場在11.41、19.97、22.83、31.31、34.35、37.44、39.56 Hz等頻點均出現(xiàn)了相關(guān)性。由電場產(chǎn)生機理可知,50 Hz以下低頻電場信號主要是由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)時引起的軸地電阻波動產(chǎn)生的,而低頻聲場、水壓場信號主要是柴油機、軸承、推力軸和螺旋槳旋轉(zhuǎn)等振動產(chǎn)生的。推力軸和螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,除了產(chǎn)生振動信號,還將導(dǎo)致軸地等效電阻波動,因此上述原因?qū)⒃诖爸車瑫r產(chǎn)生共源特性的低頻電場和聲場、水壓場信號。

3) 不同船舶的低頻聲場、壓力場、電場相關(guān)性的程度是不一樣的,對比圖5 和圖6 中的結(jié)果可發(fā)現(xiàn),不同船舶的低頻聲場、壓力場與電場的相關(guān)性程度存在差異,但總體來看,當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,電場能夠更加明顯地測量到基頻信號,而聲場和壓力場則在葉頻測量上更具優(yōu)勢。

為了進一步明確船舶上述試驗分析結(jié)論的普遍性,圖7 給出了其他3 種類型船舶通過時的聲場、壓力場和電場信號的振幅譜,從圖中可發(fā)現(xiàn)與上述試驗分析結(jié)論相類似的結(jié)果。

圖7 典型目標聲場、壓力場和電場信號的振幅譜Fig.7 Amplitude spectra of acoustic field,pressure field,and electric field signals of typical targets

需要說明的是,在傳統(tǒng)船舶壓力場信號檢測領(lǐng)域,通常關(guān)注的是0.5 Hz 以下的低頻成分,實際上,艦船航行過程中,其推進系統(tǒng)、螺旋槳等設(shè)備會產(chǎn)生低頻機械振動信號,它們在水彈性效應(yīng)下將轉(zhuǎn)化為低頻壓力脈動信號,該信號可被高靈敏度壓力傳感器敏感和拾取。圖8 為船舶A、B 低頻壓力信號(1～100 Hz)的時域波形,對比圖8 和圖2(a)、3(a)可發(fā)現(xiàn),低頻壓力信號的時域波形與聲場信號的時域波形具有相似性。這從另一個側(cè)面說明了低頻聲場信號和壓力場信號的共源特點。

圖8 船舶A、B 低頻壓力信號時域波形Fig.8 Time domain waveform of low-frequency pressure signals of ships A and B

3 結(jié)束語

在大量實船數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,研究分析了典型船舶低頻聲場、壓力場和電場的信號特征,重點對其頻域相關(guān)性進行了分析。結(jié)果表明,艦船通過時除了產(chǎn)生0.5 Hz 以下的準靜態(tài)壓力信號外,還存在0.5～100 Hz 頻段內(nèi)的低頻壓力場信號,該低頻壓力信號存在明顯的低頻線譜特征,具備可被測量的能力,且低頻壓力信號與低頻聲場信號具有強相關(guān)和共源特性;低頻聲場、壓力場的線譜與低頻電場信號的線譜在部分頻點存在相關(guān)性和共源性,這為水下低頻場的聯(lián)合探測與識別提供了新的思路。下一步工作的重點是研究低頻聲場、壓力場與電場聯(lián)合探測與目標識別方法。