適用于水下滑翔機平臺的聲矢量傳感器設計

孫芹東, 張小川*, 王文龍

適用于水下滑翔機平臺的聲矢量傳感器設計

孫芹東1,2, 張小川1,2*, 王文龍1,2

(1. 海軍潛艇學院, 山東 青島, 266199; 2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室, 山東 青島, 266237)

針對水下滑翔機緩動平臺應用聲矢量傳感器用于水中移動目標探測時, 傳感器姿態不能準確測量導致目標方位輸出精度低的問題, 文中設計了一種具有姿態感知能力的聲矢量傳感器。首先, 將姿態傳感器集成應用于聲矢量傳感器設計, 并對其進行參數測試; 其次, 將聲矢量傳感器集成在水下滑翔機平臺, 并在消聲水池對聲矢量傳感器進行等效噪聲聲源級測量; 最后, 利用水下滑翔機平臺搭載聲矢量傳感器開展目標探測試驗, 試驗時以科考試驗船為配合目標, 檢驗聲矢量傳感器在水下滑翔機平臺應用時對噪聲源的目標方位估計能力。海試結果表明, 經姿態校正后, 目標方位估計結果與全球定位系統推算方位結果基本吻合, 滿足測向精度要求。文中研究可為聲矢量傳感器在水下滑翔機平臺上的工程應用提供參考。

水下滑翔機; 聲矢量傳感器; 姿態; 目標探測

0 引言

水下滑翔機利用油囊改變自身凈浮力在海洋中實現上浮下潛, 平臺本身只在海面衛星定位、通信以及到達預設深度反轉時消耗攜載電池能量, 具有低功耗、長時序、長航程、低維護成本等特點, 已廣泛應用于海洋水文環境觀測等領域[1-2]。聲矢量傳感器可同時測量海洋移動目標輻射噪聲場的聲壓和質點加速度信息, 在發現目標的同時即可測定目標方位, 因此, 通過在滑翔機平臺集成聲矢量傳感器, 可用于執行長時序、大范圍海洋環境噪聲測量和移動目標探測等任務[3]。

聲矢量傳感器的優點是可測量低頻、遠距離、弱信號目標[4], 然而, 其在水下滑翔機等水下緩動無人聲吶平臺應用時, 自身姿態由于受海洋環境影響, 相對地理坐標系存在角度變化[5], 會對聲矢量傳感器水中目標方位估計產生不利影響[6]。為此, 文中設計了一種具有姿態感知能力的聲矢量傳感器, 將聲矢量傳感器所在坐標系轉換到地理坐標系下, 以期提高目標測向精度。海上試驗結果表明, 經姿態校正后, 目標方位估計結果與全球定位系統(global positioning system, GPS)推算方位結果基本吻合, 滿足測向精度要求。

1 聲矢量傳感器姿態測量原理

2 聲矢量傳感器設計與集成

2.1 聲學設計

由聲矢量傳感器設計理論基礎可知, 如果滿足聲學剛性, 圓柱形聲接收器的最大線性尺寸遠小于入射聲波波長, 且圓柱形聲接收器平均密度與水介質密度近似相等, 則有以下公式成立[8]

由式(2)可知, 如果滿足聲學剛性、圓柱形聲接收器平均密度與水介質密度近似相等, 則在水中聲波作用下, 其振動速度與其等效聲中心所在處水質點振速值幅值相等、相位一致。因此, 在圓柱形聲接收器內部放置質點振速傳感器, 且保證制作完成后尺寸和密度滿足上述條件, 即可制作復合同振式聲矢量傳感器。

2.2 結構設計

水下滑翔機平臺設計的聲矢量傳感器在結構上包含聲壓通道和3個正交的加速度通道, 為實時準確感知聲矢量傳感器姿態信息, 在聲矢量傳感器內部封裝姿態傳感器, 二者用剛性支架固定, 其結構剖面圖如圖1所示。

2.3 姿態傳感器選取與測試

聲矢量傳感器實際制作時, 需要將姿態傳感器作為姿態感知敏感元件封裝在其內部。由于受到小體積要求的限制, 姿態傳感器尺寸不宜過大, 考慮到設計的聲矢量傳感器為膠囊體結構, 姿態傳感器選用自主設計、制作的微機電系統(micro electromechanical system, MEMS)姿態傳感器, 其尺寸為25 mm×25 mm×3 mm、功率為0.25 W, 實物如圖2所示。

MEMS姿態傳感器橫滾角、俯仰角和航向角的測量范圍和精度如表1所示。由于洋流、浪涌以及潮汐等因素的影響, 聲矢量傳感器會隨著水介質產生晃動, 即要求姿態傳感器動態特性需要滿足一定的指標, 文獻[9]顯示晃動頻率主要集中在0.2 Hz以下的低頻段, 因此本次動態跟隨特性測試分別測量了橫滾角、俯仰角以及航向角在0.1 Hz、0.3 Hz、0.5 Hz、0.7 Hz、0.9 Hz、1 Hz和2 Hz頻率下的動態特性。在測試時, 低頻段給定振幅為20°, 隨著頻率升高振幅逐漸減小, 在2 Hz頻點處振幅為3.6°, 動態跟隨特性試驗結果如圖3所示。

表1 MEMS姿態傳感器參數

圖3 MEMS姿態傳感器動態跟隨相對誤差曲線

由圖3可知, MEMS姿態傳感器動態跟隨特性測試結果為: 隨著頻率升高, 橫滾角、俯仰角及航向角相對誤差有逐漸增大的趨勢; 在1 Hz以下頻段, 相對誤差均小于3%。

2.4 聲矢量傳感器參數測試

圖4 聲矢量傳感器靈敏度測試曲線

在駐波管中, 通過選擇測試頻率, 保持發射機的發射功率不變, 旋轉裝置控制聲矢量傳感器旋轉一周, 記錄聲矢量傳感器被測量通道在不同角度時的輸出電壓值, 通過數據處理得到指向性圖, 這里給出63 Hz頻點處聲壓通道和加速度通道指向性測試結果, 如圖5所示。

圖5 63 Hz頻點處聲矢量傳感器各通道接收指向性

從圖5可知: 聲壓通道無指向性, 最大值不均勻性分別為1.3 dB; 加速度通道均具有“余弦”方向性, 各通道分辨力均不小于33.6 dB, 主軸最大值不均勻性不大于0.4 dB。

2.5 聲矢量傳感器等效噪聲聲源級測量

在實際工程應用中, 安裝聲矢量傳感器的平臺作為障板會對入射水聲信號產生近場聲散射, 嚴重影響聲矢量傳感器測向精度。因此, 聲矢量傳感器集成在水下滑翔機平臺上時, 為降低聲散射影響, 仿真分析了水下滑翔機平臺對矢量水聽器測向影響[11], 在水下滑翔機平臺前端集成聲矢量傳感器探測單元, 其結構示意圖如圖6所示。

圖6 聲矢量傳感器在滑翔機集成結構示意圖

理論上, 作為一種目標檢測設備, 接收點直流輸出信噪比大于環境背景噪聲級的時候就能夠檢測到目標, 完成目標測向, 但實際工程上受敏感元件自噪聲、濾波放大電路、采集系統以及電磁干擾和屏蔽接地的影響, 目標監測設備自噪聲會大于背景噪聲, 當信號強度和背景噪聲相當時, 并不能完成對目標的有效檢測。因此, 為檢驗聲矢量傳感器目標測向能力, 有必要對接收系統等效噪聲聲源級進行測量。水池實驗時, 以高斯白噪聲為信號, 聲源功率放大器增益旋鈕調到最大, 慢慢調大高斯白噪聲電壓幅值, 矢量傳感器剛好能對聲源信號進行測向時, 接收系統輸出端噪聲級即為接收系統等效噪聲聲源級。

圖7顯示了聲矢量傳感器對聲源的目標方位估計結果, 可以看出: 隨著時間增加, 即隨著聲源發射聲信號譜級的增加, 聲矢量傳感器對目標的檢測結果經歷了從無到有再到目標逐漸清晰的過程。

圖7 目標方位估計

圖8為1 000 Hz頻點聲信號譜級隨時間的變化曲線, 可以看出: 隨著時間增加, 聲信號譜級逐漸增大, 圖中實橫線和曲線交點為聲矢量傳感器剛好能完成測向時, 1000Hz頻點所對應聲壓級, 對應譜級為55 dB, 即在消聲水池中接收系統等效噪聲聲源級為55dB@1 000 Hz。

圖8 1 000 Hz頻點處聲信號譜級變化曲線

3 海上試驗

2018年, 利用集成聲矢量傳感器及其信號處理設備的水下滑翔機在南海北部海域開展目標探測能力驗證海上試驗, 600 t科考試驗船作為配合目標開展試驗。試驗時, 水下滑翔機采用剖面滑翔方式采集科考試驗船輻射噪聲信號, 科考試驗船以10 kn速度直線航行。

圖9給出了目標探測能力驗證海上試驗結果。如圖9(a)所示, 09:31時刻滑翔機開始剖面滑翔, 09:35時刻聲矢量傳感器開始采集科考試驗船輻射噪聲信號, 10:01~10:15時間段水下滑翔機浮力驅動系統啟動, 擠壓油囊, 改變自身浮力, 排油上浮, 在10:01~10:15時間段由于水下滑翔機平臺工況噪聲較大, 聲矢量傳感器停止采集科考試驗船輻射噪聲信號, 10:15~10:35時間段繼續采集科考試驗船輻射噪聲信號。圖9(b)為09:35~10:01時間段姿態傳感器輸出聲矢量傳感器姿態信息, 由于聲矢量傳感器懸掛支架和水下滑翔機平臺固定連接, 其姿態也反映了水下滑翔機剖面滑翔時的姿態。如圖所示, 俯仰角數值介于20o~30o之間, 表示水下滑翔機頭部向下傾斜, 處在下潛階段。圖9(c)和圖9(d)分別為09:35~10:01時間段, 科考試驗船相對水下滑翔機平臺的推算距離和聲矢量傳感器計算輸出科考試驗船相對水下滑翔機平臺的方位信息(轉換到地理坐標系), 顯示了科考試驗船由遠及近再到遠的距離變化關系。

圖9 目標探測能力驗證海上試驗結果

圖9(d)顯示, 聲矢量傳感器在采集科考試驗船輻射噪聲信號時, 還采集了存在的其他噪聲信號, 導致其解算科考試驗船目標方位不清晰, 方位精度低, 僅能大致給出噪聲信號的方位歷程。經對比分析, 該噪聲信號為水下滑翔機平臺航向調節過程中, 電池滾動到左右極限, 抱閘開關啟停時產生的噪聲。圖10給出了水下滑翔機平臺航向調節過程中聲矢量傳感器采集的時域噪聲信號, 可明顯看出由航向調節機構而產生的噪聲脈沖干擾。水下滑翔機平臺航向調節過程中, 航向調節機構通過電磁抱閘來實現轉向機構自鎖, 從而完成橫滾角調節, 而抱閘開關會對航向調節機構產生較強的脈沖激勵從而引起較強的振動噪聲。圖9(b)也顯示了抱閘開關啟停時, 振動噪聲引起的橫滾角數值變化。

圖10 聲矢量傳感器時域信號

此次海上試驗結果表明: 09:35~10:01時間段聲矢量傳感器計算輸出科考試驗船相對水下滑翔機平臺的方位信息, 經姿態校正后, 與GPS推算方位結果基本吻合; 由于水下滑翔機平臺航向調節機構抱閘噪聲干擾, 未能檢驗聲矢量傳感器在水下滑翔機平臺應用時對科考試驗船的最遠探測距離。

4 結束語

文中將MEMS姿態傳感器集成應用于聲矢量傳感器設計, 研制了小體積、高靈敏度姿態自感知聲矢量傳感器, 測試了其靈敏度、指向性等參數, 并在消聲水池測試了聲矢量傳感器等效噪聲聲源級。同時利用集成聲矢量傳感器及其信號處理設備的水下滑翔機平臺在南海北部海域開展目標探測能力海上試驗, 試驗結果表明, 在航向調節機構抱閘噪聲干擾下, 聲矢量傳感器可對航速10 kn、距離5 km的600 t級科考試驗船完成目標測向。基于水下聲學滑翔機的目標探測技術是未來水下安防體系建設中水下無人移動探測體系的重要組成部分, 而包括聲矢量傳感器在內的目標載荷設計以及適應性集成應用是其重要研究內容, 未來還需進一步加強這方面的研究工作。

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Acoustic Vector Sensor Design for Underwater Glider Platform

SUN Qin-dong1,2, ZHANG Xiao-chuan1,2*, WANG Wen-long1,2

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China; 2. Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China)

In view of the fact that as current underwater glider slow-moving platform applies acoustic vector sensor to moving target detection in water, the sensor posture cannot be accurately measured to result in low-precision output of target azimuth, this study designed an acoustic vector sensor with attitude awareness capacity. First, the attitude sensor was integrated into the design of acoustic vector sensor, and parameter testing was performed; Second, the acoustic vector sensor was integrated into the underwater glider platform, and its equivalent noise source level was measured in an anechoic pool; Finally, target detection test was carried out with the acoustic vector sensor mounted on the underwater glider platform, in which a scientific research and test ship was taken as the target to evaluate the noise source azimuth estimation ability of the acoustic vector sensor which was applied to the underwater glider platform. Sea trial shows that, after the attitude correction, the estimation result of the target azimuth is basically consistent with that of the global positioning system, and meets the accuracy requirement of the direction finding. This research may provide reference for the engineering application of acoustic vector sensor to underwater glider platform.

underwater glider; acoustic vector sensor; attitude; target detection

TJ630.1; TB565.1

A

2096-3920(2020)03-0309-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.011

2019-10-12;

2020-01-02.

國防科技創新特區項目; 國家重點研發計劃(2019YFC0311700); 青島海洋科學與技術試點國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB0601).

*張小川(1990-), 男, 碩士, 講師, 主要研究方向為水聲換能器與基陣技術.

孫芹東, 張小川, 王文龍. 適用于水下滑翔機平臺的聲矢量傳感器設計[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(3): 309-314.

(責任編輯: 楊力軍)