水下信息感知系統及其關鍵技術

陳韶華，張 恒

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

在信息化時代，人類要認識海洋、開發海洋，首先要研究海洋，感知海洋水下信息，發現海洋科學規律[1]。

水下信息的范圍非常廣泛。從信號與信息處理的角度，水下信息可分為水下目標信息與海洋環境信息。水下目標信息通過聲、光、磁、電等物理場攜帶，遠程信息感知常用的是聲場信息。海洋環境信息主要包括海洋環境噪聲、海水的溫-鹽-深剖面、海流剖面、渦流、內波、鋒面、海水密度、海水水質、海底底質等。

海洋水下信息感知對于海洋安全、海洋物理學與海洋氣候的研究有非常重要的價值。本文討論水下信息感知系統組成、分布式水下信息感知網絡與水下信息感知的關鍵技術。

1 水下信息感知系統

水下信息感知系統包括岸基、船基、海床基、潛標、浮標、UUV、水下滑翔機、波浪滑翔器與水面無人艇等，能搭載傳感器進行水下觀測的載體都可構成水下信息感知系統。

在大時空跨度內對一定的區域進行海洋觀測和信息采集，是當前海洋信息感知的重要發展趨勢。水下無人系統的快速發展，為大范圍海洋水下信息感知提供了有效途徑[2]。水下無人系統可分為移動式與固定式2種。移動式系統主要包括水下無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）、水下滑翔機等，固定式系統主要包括錨系潛標與海床基等。這2種系統各有優點：移動式系統有自主動力，執行任務更靈活機動，可潛入危險區域或敏感區域進行接近觀測；固定式系統的結構相對簡單，不因運動而耗能，可支持長時間監測和數據記錄，不會產生有源噪聲，可進行隱蔽觀測。

1.1 水下信息感知系統組成

水下信息感知系統主要包括載體、中心控制單元、傳感器、信號調理電路、數據記錄儀與電源。對數據有實時處理要求時包括數字信號處理器，對信息有實時傳輸要求時還包括通信模塊。組成結構如圖1所示。

圖1 水下信息感知系統組成結構Fig. 1 Structure of underwater information perception system

水下信息感知系統搭載的傳感器種類繁多，感知聲信號的包括水聽器、矢量水聽器等。為了形成空間上的指向性，提高對弱信號的感知能力，感知目標與噪聲信息的傳感器通常以陣列形式存在，如水聽器陣、磁場傳感器陣、電場傳感器陣等。感知平臺姿態的傳感器有磁羅盤，感知平臺深度的傳感器有壓力傳感器等。感知海洋環境的傳感器包括海水電導率、溫度與深度傳感器CTD，聲速度、溫度與壓力傳感器SVTP，聲學多普勒流剖面儀ADCP，水質傳感器（溶解氧DO，pH，硝酸鹽，pCO2，濁度、環境特征感光ECO），核輻射（伽瑪射線）監測傳感器等。

信號調理電路用于將傳感器微弱信號濾波放大，大容量數據記錄儀用于記錄采集的信號，記錄能長達幾個月之久。數字信號處理器用于對采集信號進行檢測分析、提取聲源信號特征、計算聲源的空間分布與運動態勢、提取海洋環境或目標特征、識別聲源的屬性。通信模塊用于水下分布式節點之間傳輸信息，此時采用水聲通信。有時需要把水下信息發送給空中無線數據鏈，則采用水聲/無線電模塊，或釋放有纜/無纜通信浮標。移動載體如UUV或水下滑翔機可以上浮到水面，通過無線電模塊發送信息。

1.2 固定式信息感知系統

固定式信息感知系統通過錨系或座底方式監測水下目標與環境信息。

圖2是中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所研制的實時傳輸潛標，它是一種單點錨系海洋信息感知系統。如圖2（a）所示，該潛標由流線型主浮體、錨泊系留系統、測量傳感器、多套通信浮標、綜合控制中心等組成，可搭載ADCP、CTD、垂直線列陣、矢量水聽器等多種傳感器，測量數據包括ADCP剖面測流數據、多點溫度、鹽度、深度、海洋噪聲等數據。潛標布放后，通信浮標定時浮出水面，將數據通過衛星傳輸回岸站，圖2（b）是釋放通信浮標的示意圖，潛標的尾部是溫度鏈。

實時傳輸潛標既可進行深海水文環境要素長期連續、定點多層隱蔽監測，又可及時將測量數據傳輸到地面數據中心，具有系統集成度高、觀測隱蔽、不易遭受破壞、數據時效性強等特點，具備進行海洋災害預報和軍事預警的能力。

主要性能指標如下：

1）布放水域深度4 000 m，主浮體布放深度80～300 m；

2）測流剖面范圍0～500 m（雙ADCP觀測），鹽溫剖面測量深度800 m；

3）主浮體意外浮水后能自動報警（實時GPS位置及觀測數據）；

4）水下工作期限為12個月。

圖2 實時傳輸潛標Fig. 2 Real-time transmission sub-buoy

圖3是法國的MIR 2000便攜式多種物理場感應系統。系統同時測量交直流磁場、交直流電場、聲感應場、水壓/水深、地震感應場、磁場梯度。

圖3 MIR 2000便攜式多物理場感應系統Fig. 3 MIR 2000 portable multi-fields sensing system

主要性能指標：

1）自主工作時間為4 h；

2）操作深度＜50 m；

3）多芯同軸電纜長100 m；

4）內載設備重100 kg。

1.3 移動式信息感知系統

移動式水下信息感知系統包括AUV、水下滑翔機等。以中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所的“海鱘”水下滑翔機為例（如圖4所示），它是一種能對中遠海多種海洋要素進行自主、實時、機動測量的新型平臺，可搭載觀測儀器包括CTD傳感器和ADCP。主要性能指標如下：

1）總重量＜90 kg，總長度＜2.2 m （不含天線），殼體直徑＜0.24 m；

2）觀測要素：溫度、鹽度、壓力、海流；

3）探測深度1 200 m；

4）續航力低速（0.5 kn）航程≥1 500 km，高速（1.2 kn）航程≥500 km；

5）最大水平滑翔速度為1.5 kn；

6）通信定位：北斗＋無線電或銥星＋無線電。

圖4 “海鱘”滑翔機Fig. 4 C-Glider

圖5是水下滑翔機搭載CTD與聲壓水聽器陣收集的聲速剖面與聲脈沖信號[3]。

圖5 水下滑翔機收集的聲速剖面數據和脈沖聲信號Fig. 5 SVP and pulse signal collected by a glider

2 分布式水下信息感知網絡

隨著水下傳感器技術、自主處理技術、無人航行器技術、通信和網絡技術的快速發展，采用自主式無人傳感器節點并組網形成區域水下信息感知網絡是未來水下信息感知的發展趨勢。無人傳感器網絡的優點是低成本、無人值守、可廣域和長時間獲取水下信息。

分布式水下信息感知網絡一般由傳感器節點、主節點和網關節點組成[4]，如圖6所示。

1）傳感器節點。

主要包含傳感器與水聲Modem。傳感器節點用于海洋環境信息獲取，對傳感器陣列信號進行處理，把信息發送給主節點。

圖6 分布式信息感知網絡組成示意圖Fig. 6 Composition of distributed underwater information perception network

2）主節點。

主節點是網絡的核心。主要用于接收探測節點傳來的信息，對信息進行融合處理，還要進行網絡管理，每個主節點可控制幾十個傳感器節點。主節點把信息融合處理結果發送給網關節點，同時接收網關節點傳遞來的上一級指控中心的指令。

3）網關節點。

網關節點指網絡與上一級指控中心傳輸信息的節點，一般用水聲-無線電浮標或有纜通信浮標、AUV、水下滑翔機等可上浮到水面的移動載體。上級指控中心接收網關節點發送的信息，并與其他情報、監視和偵察（ISR）系統的情報相結合，融合處理，獲得海洋環境與目標態勢比較完整的圖像。

從邏輯功能看，水聲網絡主要包括物理層、數據鏈路層和網絡層。物理層主要解決數據有效傳輸的問題，包括信道特性的利用和調制方法的選擇。數據鏈路層解決多個用戶怎樣合理有效利用信道（媒體訪問控制MAC），主要包括媒體訪問方式和糾錯控制。網絡層解決路由問題，研究信源與信宿之間的路徑，而這又取決于網絡的拓撲結構[5]。

分布式水下信息感知網絡平時可作為收集信息的有效手段，擔負情報、監視和偵察（包括聲場海洋數據獲取）等任務，對目標進行探測、分類、定位和跟蹤[6]。

一個典型的水下信息感知網絡是美國的海網（Seaweb）[7]，如圖7所示。Seaweb是一種海底水聲傳感器網絡，通過用水聲通信鏈路將固定節點、移動節點和網關節點（水面浮標）連接成網。固定節點是一組駐留水下的自治節點，包括可部署傳感器節點和水聲中繼節點。移動節點指潛艇、無人水下航行器等。水聲通信接口實現與Seaweb網絡的水聲通信鏈接，無線通信接口提供Seaweb網絡與岸基、飛機或衛星的無線鏈接。到目前為止，Seaweb是規模最大的在研實用水聲網絡，其網絡節點已達17個。已具有較強的自組織能力，如自動進行節點識別、時鐘同步（0.1～1.0 s量級）、節點自定位（100 m量級）、節點更新和失效后的網絡重新配置等。

圖7 Seaweb示意圖Fig. 7 Sketch map of Seaweb

3 水下信息感知的關鍵技術

水下信息感知系統采集海洋環境與目標數據，進行特征分析、信號檢測與分類識別等處理，從復雜海洋背景中提取目標信息。主要關鍵技術如下。

1）目標信息獲取。

聲信息獲取的常用方法是采用傳感器陣列接收信號，對信號進行調理放大與動態范圍控制，轉換為數字信號后進行波束形成、寬帶分析與窄帶分析處理，檢測信號并估計目標參數。

不同于人在回路的聲吶探測，傳感器節點自主獲取目標信息面臨3方面的限制：①固定節點或移動節點的尺度都比較小，一般只有幾米量級，難以布設大規模基陣提高空間增益；②海洋環境背景非常復雜，除了海洋環境噪聲會掩蓋微弱信號外，近海存在大量相干干擾源，如果探測系統不具備多目標分辨能力，很難在這些復雜干擾背景中分辨出微弱目標信號，特別是對于無人系統；③能源的限制，需要考慮系統復雜性與功耗不能太大。

水下平臺載體上還可集成磁、電場、地震波等傳感器獲取目標多物理場信息。艦船磁場包括靜態磁場與交流磁場，交流磁場傳播距離較遠。艦船的腐蝕和防腐電流經螺旋槳轉動的調制后在海水中會產生極低頻電場（ELFE），成為一種重要的特征信號源[8]。但是，微弱目標的交流磁場與極低頻電場信號提取是個需要解決的問題。地震波場傳播距離遠，但需要解決干擾背景復雜的問題[9-10]。

2）目標分類和識別。

目標分類仍是被動探測最為困難的方面，尤其是在嘈雜和地形復雜的淺海區域。人在回路的情況下，分類是由良好訓練的聲情報操作員完成的。目前能自動完成這一功能的計算機算法還不完善，通常可以提取信號的波形特征、功率譜特征（包括連續譜和線譜）、調制譜特征、倒譜特征、空間分布特征、目標運動特征等，對這些特征進行提煉壓縮，通過神經網絡等工具訓練和測試。分布式系統通過提供多角度的視野和增強的特征，應該可以有所幫助，但是還有很多關鍵問題沒有解決。在不太遠的距離上，利用聲場、磁場、電場、地震波場等多物理場特征信息進行融合識別，是提高目標分類能力的有效途徑。

3）水下通信。

網絡化水下監測系統各傳感器節點之間通常采用水聲通信傳輸信息，監測系統與上一級網絡信息傳輸的網關節點一般采用水聲-無線電浮標。水聲通信的數據率與誤碼率等性能指標嚴重受限于水聲信道，水聲信道最顯著的特征是可用帶寬窄、多徑擴展長、信道起伏快、多普勒效應強，使得通信速率低、誤碼率高、中斷概率大、傳播時延長。在有些水文條件下，接收端可能處于發射端的聲影區導致無法通信。水聲通信的另一個問題是很難隱蔽。采用指向性波束和寬譜編碼能降低被截獲概率，但能量探測仍是相當有可能的。使用電纜傳輸存在如何部署的問題。

4）水下組網。

多節點互連形成網絡，可擴大數據傳輸距離和監測覆蓋范圍，更好地實現信息共享。MAC協議主要解決多個用戶共享信道的問題，這是由于水聲信道傳播延時大、通信速率低，多用戶時沖突嚴重。小規模水聲網絡一般采用輪流分配時隙的TDMA主從式MAC協議，1個6節點的小型網絡需要數分鐘才能輪到機會發送信息，效率較低。混合型協議綜合不同的多址接入方式與接入協議，是目前水聲網絡MAC協議研究的熱點[11]。

惡劣的水聲傳播條件也為路由選擇帶來很大困難。由于節點的移動，海洋環境的嚴酷性使水聲通信易出現故障或短暫失效，導致水下網絡拓撲具有高動態性，引發路由變化，需要定期維護。水聲鏈路不穩定、丟包率高，使路由建立和數據包轉發效率均不高，可能需要反復重傳。這2個特點使路由維護能耗高。

5）分布式網絡探測。

從表面上看，分布式目標探測的概念有許多優越性，由廣泛分布的聲傳感器實現的各式各樣的探測機會是很吸引人的。然而，被動探測基本上受到信號水平、噪聲水平和可用陣列及處理增益的限制。那么，許多個具有小增益的分布式傳感器，與高陣列增益的大型傳感器相比，是如何實現觀察和探測的？能否像蟻群或蜂群那樣，由大量的個體行為發掘出某種群體智能？

分布式水下信息感知網絡所關注的是傳感器網絡的綜合探測能力，而不是單個傳感器節點的探測能力。在單個傳感器性能測量有明顯不確定性的情況下，需要有某種形式的度量方法，用來優化傳感器的配置，使分布式網絡得到有效利用和控制[6]。

4 結束語

分布式水下無人信息感知網絡是未來海洋水下信息感知的發展趨勢。發展低成本水下信息感知傳感器節點，提高水下自主探測識別與信息傳輸能力，是分布式水下信息感知系統大規模應用的關鍵。