UUV水聲偵聽任務載荷設計與實現(xiàn)

王 珂，田 甜

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013)

UUV水聲偵聽任務載荷設計與實現(xiàn)

王 珂，田 甜

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013)

提出一種UUV水聲偵聽任務載荷的設計和實現(xiàn)，通過在UUV上加裝水聽器與水聲智能感知模塊，采集水中聲信號，進行水下全方位、連續(xù)地觀測和作業(yè)，并依據(jù)提取的數(shù)據(jù)特征，為UUV平臺智能避讓提供預警提示，文中最后通過湖試驗證了模塊部分功能的實現(xiàn)。

UUV水聲智能感知模塊；任務載荷；環(huán)境噪聲

0 引 言

水下無人潛航器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已視為重要的水下智能化無人作戰(zhàn)平臺。它無人、獨立、隱蔽地自主遠程航行，意味著可能到達風險海域，甚至是被拒絕的海域，并且自主系統(tǒng)不受特定范圍和通信限制的局限，使得在特殊海域進行長期研究成為可能。所以，利用UUV攜帶多種傳感器或武器，去執(zhí)行特定的使命和任務，成為現(xiàn)代海軍的“力量倍增器”，在現(xiàn)代和未來水下作戰(zhàn)中充當著不可或缺的重要角色。

當前，UUV在特定海域執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察任務是其主要作戰(zhàn)任務之一。UUV情報、監(jiān)視和偵察任務載荷技術(shù)也代表了UUV的能力，本文給出了一種水聲偵聽任務載荷的設計，即“UUV水聲智能感知模塊”。該設計中UUV上適裝多個水聽器，在UUV主控單元的操控下，采集水中聲信號。存儲的信息既可以傳輸給UUV，也可將信息存儲于載荷存儲介質(zhì)中，后續(xù)下載。

UUV水聲智能感知模塊可補充和擴展傳統(tǒng)有人平臺的能力，將情報搜集、海洋探測、監(jiān)視和偵察能力延伸到受禁地區(qū)，在淺水域或其他常規(guī)平臺無法進入的水域執(zhí)行任務，對敵潛艇和水面艦艇等運動目標進行探測。UUV作為一個水下目標探測的工作平臺，在指定區(qū)域內(nèi)巡航，加裝智能感知模塊后，能夠在水下進行全方位、連續(xù)的觀測和作業(yè)，可長時間穩(wěn)定地工作，為UUV在水下工作環(huán)境提供了一對“眼睛”，從而提高UUV的工作能力。通過裝載了此模塊，信號處理單元對獲取的海洋環(huán)境噪聲原始數(shù)據(jù)或其特征量進行統(tǒng)計分析，提取判斷判據(jù)特征，進行環(huán)境噪聲特性變化判斷，為平臺智能避讓提供預警提示，保證平臺安全。

1 模塊設計和實現(xiàn)

UUV水聲智能感知模塊由一個電子艙、若干個水聽器單元、水聽器電纜、通信與供電電纜、百兆網(wǎng)傳輸電纜、自檢測試電纜和數(shù)據(jù)下載電纜組成。電子艙是水聲偵測模塊的主體，完成供電控制、通訊控制、信號調(diào)理、信號采集與存儲、信號處理及數(shù)據(jù)下載導出，其嵌入在UUV內(nèi)部，通過連接器與UUV控制艙連接。水聽器分布在UUV的首部和尾部，通過水密電纜與UUV智能感知模塊連接，且外部導流罩設計不影響UUV總體保型要求。圖1為UUV水聲智能感知模塊的連接示意圖。

UUV通過通信與供電電纜給智能感知模塊供電，發(fā)送控制指令、時標信息、深度信息、位置信息、海水溫度和電導率信息及航行器速度、狀態(tài)（航行或漂浮）信息，接收模塊返回的狀態(tài)信息。UUV和智能感知模塊之間還可通過百兆網(wǎng)通信。

UUV水聲智能感知模塊使用水聽器偵測海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)及艦艇目標輻射噪聲特征數(shù)據(jù)，同時也能夠獲取工作頻段內(nèi)的聲吶主動探測信號數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在電子艙內(nèi)部存儲介質(zhì)內(nèi)。水面船航行時引起海洋環(huán)境噪聲信號發(fā)生明顯變化，海洋環(huán)境噪聲譜幅值增強，如圖2所示。因此，信號處理單元對獲取的海洋環(huán)境噪聲大量正常與異常數(shù)據(jù)或其特征量進行統(tǒng)計分析，在此基礎上提取判斷判據(jù)特征，以便進行環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測與異常判斷。

UUV水聲智能模塊數(shù)據(jù)處理及分析流程如圖3所示。水面船目標噪聲信號的預處理包括抗混迭濾波、帶通濾波和升、降采樣等處理；對于包含水面船目標的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，采用單水聽器數(shù)據(jù)直接處理，分析其噪聲特性；對處理結(jié)果設置合理判別門限，指導自行平臺安全航行，躲避水面船目標。

采用實時數(shù)據(jù)預警與歷史數(shù)據(jù)預警相結(jié)合的手段；實時數(shù)據(jù)預警方法是根據(jù)最近時刻統(tǒng)計分析出的海洋環(huán)境噪聲總聲級、1/3倍頻程譜級結(jié)果來判定當前時刻的采集值異常與否，依靠平臺自身即可完成預警任務；歷史數(shù)據(jù)預警方法是依據(jù)岸基大量歷史數(shù)據(jù)中測量條件相似的統(tǒng)計結(jié)果來對比當前時刻的海洋環(huán)境噪聲總聲級與功率譜值，需借助岸基的數(shù)據(jù)支持。

2 試驗結(jié)果

2014年10月，UUV水聲智能模塊于千島湖水聲試驗中心進行功能考核，10月3日試驗數(shù)據(jù)文件共計21個，總的文件大小2.33 GB，10月4日試驗數(shù)據(jù)文件共計17個，總的文件大小1.87 GB，成功下載保存，如圖4所示。

湖中放入標準聲源，填充正弦信號頻率為1 kHz的脈沖信號，脈沖寬度100 ms，脈沖周期1 s。在距離標準聲源約984 m位置，模塊采集標準聲源信號，然后對采集到的標準聲源信號進行處理和分析。圖5和圖6為模塊采集的信號時域波形與信號線譜圖。從右圖中可以看出，模塊采集的標準聲源信號1 kHz線譜幅度為117 dB。

試驗配合船只發(fā)射全向主動聲吶信號，6.5 kHz單頻脈沖，脈沖寬度64 ms，周期9 s。圖7～圖9分別為模塊獲取的主動聲吶信號時域波形圖、單個脈沖細節(jié)圖和線譜圖。圖7中主動聲吶信號第1個脈沖起始時間為0.35 s，第2個脈沖起始時間為9.75 s，計算得到周期為9.4 s；圖8中主動聲吶信號單個脈沖起始時間為0.349 s，脈沖結(jié)束時間為0.413 s，計算得脈沖寬度為64 ms，由圖9看出，主動聲吶信號頻率6.5 kHz。與主動聲吶信號形式相符。

3 結(jié) 語

本文提出了一種UUV水聲智能感知模塊的設計，可將UUV作為傳感器網(wǎng)絡的延伸，及時地提供準確數(shù)據(jù)，為ISR提供了全新的視野，并利用試驗數(shù)據(jù)對模塊的部分功能進行了驗證。解決了小型、低功耗、大深度海洋環(huán)境噪聲采集模塊平臺搭載技術(shù)，長時間、跨深度海洋環(huán)境噪聲獲取與處理技術(shù)，實現(xiàn)聲學信息獲取、處理以及與平臺互通、共享，為平臺智能化觀測及安全避讓提供聲學技術(shù)支撐。

[1]李德遠, 等. 軍用UUV的發(fā)展與應用前景展望[J]. 艦船電子工程, 2012, 32(4): 22–24.

[2]鄭君杰, 等. 外軍水下偵察技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(8): 15–185.

[3]陳瑋, 等. UUV協(xié)同探測的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 艦船電子工程, 2009, 29(2): 6–8.

[4]熊思齊, 等. 無人水下航行器發(fā)展現(xiàn)狀及若干關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 聲學技術(shù), 2015, 34(2): 262–264.

[5]王建斌, 王志敏. UUV發(fā)展、應用及關(guān)鍵技術(shù). 信息與電子工程, 2007, 5(6): 476–480.

[6]余鋒, 等. 國外水中目標特性研究狀況及啟示[J]. 艦船科學技術(shù), 2015, 37(1): 8–12.

[7]錢東, 等. 美國海軍UUV的任務與能力需求[J]. 魚雷技術(shù),2005, 13(4): 7–12.

[8]孫現(xiàn)有, 等. 美海軍UUV使命任務必要性與技術(shù)可行性分析[J]. 魚雷技術(shù), 2010, 18(3): 231–235.

UUV mission payloads design and implementation for underwater sound radiation and estimation

WANG Ke,TIAN Tian
(Dalian Scientific Test and Control Research Institute,Dalian 116013,China)

A method is brought forward for underwater sound radiation estimation based on UUV,including retrofitting hydrophone and underwater acoustic intelligent sensing module,collecting water signal,operating omnibearing continues underwater observation,extracting data characteristics and providing warning in advance for intelligent collision avoidance of the UUV platform.At last,partial function of the platform is verified with Lake Test.

UUV underwater acoustic intelligent sensing module；mission payloads；environmental noise

TB566

A

1672–7649(2017)12–0122–03

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.026

2017–06–12

王珂(1973–)，男，高級工程師，研究方向為數(shù)字信號處理技術(shù)與應用、水聲裝備研制總體設計及系統(tǒng)集成技術(shù)。