二維矢量水聽器及其在Argo浮標平臺上的應用技術

孫芹東，王超，張小川，王文龍

(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)

0 引言

同振式矢量水聽器最早由美國學者Leslie等[1]于1956年提出，作為一種水聲測量設備，由于其本身不產生明顯的聲場畸變，且具有體積小、指向性優異、靈敏度高、抗各向同性噪聲干擾能力強等優點[2-4]，測量水聲信息有較高的準確性和可靠性，當前已被廣泛應用于水聲工程各領域。隨著科學技術的不斷進步，以及各學科交叉融合發展，聲學傳感器在Argo浮標、水下滑翔機等水下緩動平臺集成應用，以用于執行海洋環境噪聲觀測及移動目標探測任務成為當前研究的熱點[5-8]。

Argo浮標是一種依靠油囊改變自身凈浮力、實現上浮下潛的剖面觀測設備，具有長時序、低噪聲、高效費比的優點，是海洋環境精細化觀測、海洋戰場環境保障、海洋環境噪聲測量、海洋目標監測的重要有效手段，其經濟效益和軍事意義顯著[9]。當前Argo浮標已經廣泛應用于海洋水文環境觀測領域，在集成聲學傳感器方面，2014年中國船舶重工集團有限公司第710研究所在深海型Argo剖面浮標平臺底部集成聲壓傳感器，研制了一型偵察定位浮標和記錄浮標，初步認定了其工作原理和性能指標。海軍潛艇學院依托中國船舶重工集團有限公司第710研究所Argo浮標技術基礎，設計聲學載荷，通過對浮標平臺進行電磁兼容性與聲學特性優化設計，研制了水下聲學浮標樣機，并開展了消聲水池、淺海、深海海域目標探測性能驗證試驗。

本文針對水下聲學浮標研制要求，設計一種小體積、高靈敏度、具備姿態測量功能的二維復合同振式矢量水聽器，并對矢量水聽器各通道靈敏度、指向性參數進行了標定。2018年，在南海某海域開展了水下聲學浮標目標探測能力驗證試驗，為同振式矢量水聽器在Argo浮標平臺應用奠定了技術基礎。

1 矢量水聽器姿態測量傳感器設計

1.1 矢量水聽器姿態測量與校正原理

矢量水聽器直接測量目標方位信息是相對于自身載體坐標系(b系)的目標方位，該載體坐標系原點位于矢量水聽器幾何中心處(幾何中心和質心重合)，xb、yb、zb坐標軸所在方向分別指向右、前、上方向。矢量水聽器所測目標方位信息最終要轉化到地理坐標系(n系)下，由于受海洋內波、洋流等復雜環境的影響，矢量水聽器自身所在載體坐標系相對地理坐標系存在姿態變化，為求得載體坐標系相對地理坐標系旋轉姿態角，對地理坐標系定義為：原點位于矢量水聽器幾何中心處，3個坐標軸xn、yn、zn分別指向東、北、天方向。

假設矢量水聽器所在載體坐標系相對地理坐標系旋轉所得姿態角為航向角α、俯仰角β、橫滾角γ，那么載體坐標系Oxbybzb中某一點(xb，yb，zb)T通過姿態角可以轉換到地理坐標系Oxnynzn下，其轉換關系為

(1)

1.2 姿態傳感器選取與測試

微機電系統(MEMS)姿態傳感器采用了數字式三軸MEMS陀螺儀來測量矢量水聽器的運動角速度、三軸MEMS加速度計來測量矢量水聽器的運動加速度以及三軸MEMS磁力計來測量矢量水聽器所在環境磁場強度(傳感器參數見表1)，采用基于ARM-Cortex內核的高性能單片機作為運算處理單元，用來實現姿態傳感器的自主控制、數據采集及姿態解算功能。MEMS姿態傳感器制作完成后，其姿態解算速率達540 Hz，解算輸出的姿態歐拉角通過RS232串口總線傳輸至上位機[11]。MEMS姿態傳感器尺寸為25 mm×25 mm×3 mm，功耗為0.25 W.

表1 傳感器參數Tab.1 Sensor parameters

在國防科技工業第一計量測試研究中心開展了MEMS姿態傳感器的性能參數測試工作[12]，測試科目包括橫滾角、航向角及俯仰角靜態和動態精度測試。在動態精度測試時，由于矢量水聽器用于水下Argo浮標平臺，平臺運動受海洋中洋流、內波、潮汐、浪涌等影響的頻率主要集中在0.2 Hz以下的低頻段，因此分別測試了3個軸向在不同頻率下的動態精度，這里給出航向角動態測試結果(見表2)。由測試結果可知：MEMS姿態傳感器在振幅小于20°、頻率低于2.0 Hz時，航向角動態誤差小于0.5°，動態相對誤差為振幅的3.6%以內；橫滾角的動態誤差小于0.5°，動態相對誤差為振幅的2.8%以內；俯仰角動態誤差小于0.4°，動態相對誤差為振幅的2.9%以內[13]。

表2 航向角動態精度測試結果Tab.2 Test results of dynamic accuracy of heading angle

2 矢量水聽器設計與制作

矢量水聽器同時包含一個聲壓通道和兩個相互正交的矢量通道，可以同步共點測量聲場空間中的聲壓和質點振速，具有靈敏度高、指向性好、分辨率高等優點，是目前工程應用中普遍采用的一種設計結構，在Argo浮標平臺上集成單個矢量水聽器即可實現水中目標的全空間無模糊測向，降低了平臺的搭載負擔和集成復雜度。

2.1 聲壓通道設計

矢量水聽器聲壓通道敏感元件為壓電陶瓷圓管，圓管沿徑向極化。該類型敏感元件具有相對較高的靈敏度，且指向性沿半徑方向均勻分布，其實測參數如表3所示。

表3 壓電陶瓷元件實測參數Tab.3 Measured parameters of piezoelectricceramic element

實際制作時，采用環氧樹脂和玻璃微珠按一定比例混合的復合泡沫材料填充于壓電陶瓷圓管內部，聚氨酯密封材料包裹在陶瓷圓管外部。使用時，可假設壓電陶瓷圓管內表面和端部不受力，外部聲場壓力p均勻作用于外表面，聲壓通道開路電壓接收靈敏度級Mp[14]為

(2)

式中:V為聲壓通道開路電壓；i=ri/ro，i為壓電陶瓷圓管內外半徑之比。將表3中聲壓通道敏感元件參數代入(2)式中，可得到聲壓通道開路電壓接收靈敏度級隨材料參數變化曲線，如圖1所示。

圖1 聲壓通道靈敏度級特性曲線Fig.1 Sensitivity curves of sound pressure channel

由圖1可知，根據壓電陶瓷詳細參數可以計算得出矢量水聽器聲壓通道靈敏度級Mp=-191.7 dB(0 dB參考值為1 V/μPa)，且陶瓷元件靈敏度隨著管壁厚度的增大而減小、隨著外半徑的增大而增大[14]。

2.2 矢量通道設計

由矢量水聽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(3)式[15]成立：

(3)

由(3)式可知，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、密度滿足上述條件，即可制作同振式矢量水聽器。

2.3 矢量水聽器整體結構設計與制作

本文為Argo浮標平臺設計的矢量水聽器在結構上包含聲壓通道、兩個正交的矢量通道，為實時感知矢量水聽器姿態信息在其內部封裝姿態傳感器，為保證姿態傳感器測量矢量水聽器姿態信息的準確性，二者用裝配支架固定，其結構剖面如圖2所示。

圖2 矢量水聽器剖面圖Fig.2 Section of vector hydrophone

如圖2所示，制作完成后二維加速度計和壓電陶瓷敏感元件分別構成矢量水聽器矢量通道和聲壓通道，姿態傳感器用來拾取矢量水聽器相對地理坐標系的姿態信息，聚氨酯密封材料起到透聲和水密作用，復合材料為環氧樹脂和玻璃微珠混合而成、調節整體密度的低密度復合泡沫材料。在使用時，用彈性元件將矢量水聽器通過懸掛孔懸置在剛性框架上，隨聲波作等幅、同相振動。

2.4 矢量水聽器參數測試

矢量水聽器參數測試工作在國防科技工業水聲一級計量站完成，測試參數包括各通道靈敏度和指向性。靈敏度測試在駐波管中進行，通過在駐波管中形成低頻平面波，采用比較法進行校準[15]，其測試結果如圖3所示。

圖3 矢量水聽器靈敏度級測試曲線Fig.3 Sensitivity curves of vector hydrophone

從靈敏度級測試結果可知：聲壓通道靈敏度級為-191.5 dB±0.5 dB，在頻帶范圍內基本為平坦曲線，測試結果較為理想；矢量通道聲壓靈敏度級在1 kHz頻點處為-179.5 dB(0 dB參考值為1 V/μPa)，且隨著頻率增加靈敏度逐漸增大，每倍頻程靈敏度值增加約6 dB，x、y兩個矢量通道靈敏度值一致性好，能夠滿足工程應用。

在駐波管中，通過選定測試頻率，在發射器發射功率保持不變情況下，通過控制回轉裝置從被測矢量水聽器軸向對準發射換能器開始，旋轉一周，并同時記錄被測通道在不同角度時開路輸出電壓值，通過歸一化處理得到指向性圖，這里給出800 Hz頻點處各通道指向性測試結果(見圖4)。

圖4 在800 Hz頻點處矢量水聽器指向性Fig.4 Directivity pattern of vector hydrophone at 800 Hz

由矢量水聽器在800 Hz頻點處各通道的指向性測試結果可知：聲壓通道無指向性，最大值不均勻性為0.2 dB；矢量通道均具有“8”字形指向性，主軸最大靈敏度值與主軸垂直方向最小靈敏度值之差均不小于36.1 dB，主軸最大值不均勻性不大于1.9 dB.

3 海上試驗數據分析

本文研制的二維矢量水聽器經過了高靜水壓力試驗、消聲水池等效噪聲壓級測量試驗，聲學探測系統消聲水池、淺海目標探測能力驗證試驗等。2018年，在南海某海域應用集成矢量水聽器的Argo浮標(以下稱水下聲學浮標)開展目標探測試驗，主要檢驗水下聲學浮標定深漂流模式下姿態傳感器對矢量水聽器姿態感知與校正能力、矢量水聽器目標探測能力。試驗海區水深約1 550 m，海底平坦為泥沙底質，試驗期間水下聲學浮標采用定深漂流方式搜索目標，為避免浮力調節單元工作時噪聲對目標測向的影響，設置水下聲學浮標定漂深度為200 m，容差±50 m，即水下聲學浮標深度在150～250 m區間深度時浮力調節單元不工作，試驗期間試驗船作為目標配合試驗。

圖5給出了試驗期間水下聲學浮標矢量水聽器測試的海洋環境噪聲譜級，由測試結果可以看出，試驗期間海洋環境噪聲譜級約為60.0 dB@1 kHz.

水下聲學浮標06：59時刻布放入水，14：19時刻上浮至水面，圖6(a)給出了09：06～14：01時間段水下聲學浮標定深漂流工作模式下，其深度隨時間變化曲線，在整個定深漂流工作階段深度穩定在150～185 m區間范圍。設定水下聲學浮標聲學系統09：06時刻上電啟動開始工作，此時深度150 m，水下聲學浮標由水面下潛到150 m用時127 min；聲學系統14：01時刻斷電停止工作，此時水下聲學浮標深度187 m，之后便排油上浮；14：19時刻上浮至水面，上浮用時18 min，聲學系統連續工作296 min. 試驗船作為配合目標，09:32時刻開始以10 kn航速、340°航向航行，10:55時刻停止，圖6(b)給出了09：32～10：55時間段矢量水聽器姿態角隨時間變化曲線。由圖6(b)可以看出：橫滾角基本保持在-180°，俯仰角基本保持在0°，航向角在0°～360°緩慢變化，由于矢量水聽器懸掛裝置與水下聲學浮標平臺采用剛性連接，說明水下聲學浮標在定深漂流模式下能夠保持水平狀態，但由于受到海流的影響，在定深隨流漂的過程中自身在緩慢旋轉。圖6(c)給出了09：32～10：55時間水下聲學浮標與配合試驗船態勢信息(MMSI表示水上移動通信業務標識碼)，水下聲學浮標06：59時刻入水、14：19時刻出水，在該時間段內，水下聲學浮標沿351°方向漂離布放位置點8 km，水下聲學浮標定漂速度約為0.6 kn.

圖5 海洋環境噪聲譜級Fig.5 Noise spectrum levels in marine environment

圖6 浮標深度、矢量水聽器姿態及浮標與 試驗船態勢信息Fig.6 Buoy depth, vector hydrophone attitude, and buoy and test ship situation information

圖7(a)給出了09：32～10：55時間段，水下聲學浮標矢量水聽器姿態校正前解算試驗船方位與經全球導航定位系統(GPS)推算方位信息；圖7(b)給出了該時間段，水下聲學浮標矢量水聽器姿態校正后解算試驗船方位與經GPS推算方位信息；圖7(c)給出了該時間段，水下聲學浮標與試驗船經GPS推算距離信息。

由試驗結果可以看出：1)姿態校正前，水下聲學浮標矢量水聽器解算輸出的噪聲信號估計方位為相對矢量水聽器自身載體坐標系的方位，同GPS推算試驗船方位偏差較大。2)姿態校正后，水下聲學浮標矢量水聽器解算輸出的噪聲信號估計方位為相對地理坐標系的方位，基本同GPS推算試驗船方位相吻合。3)試驗期間，水下聲學浮標矢量水聽器主要接收試驗船輻射噪聲信號，解算方位主要為試驗船目標，但試驗期間船舶自動識別系統顯示附近有工程船作業，如圖6(c)所示，工程船MMSI為412 461 570，此工程船09：32時刻以航速6.2 kn、航向63°航行，方位為水下聲學浮標73°方向、距離26.8 km；此工程船10：32時刻轉向，10：55時刻，方位為水下聲學浮標66°方向、距離41.3 km. 所得工程船目標方位信息，與圖7(b)吻合較好。4)受工程船噪聲干擾，以及水下聲學浮標推算位置存在偏差，因此試驗船目標解算方位與GPS推算方位間存在一定偏差，此時間段內試驗船距離水下聲學浮標最遠達14.4 km.

圖7 水下聲學浮標系統目標探測試驗結果Fig.7 Target detection test results of underwater acoustic buoy system

4 結論

為解決矢量水聽器在Argo浮標平臺應用時其姿態變化難以準確測量導致目標測向精度低的難題，本文設計、制作了基于MEMS姿態傳感器的矢量水聽器樣機，并應用集成矢量水聽器的Argo浮標開展目標探測性能海上試驗。MEMS姿態傳感器測試結果表明，其精度能滿足矢量水聽器測量需求，矢量水聽器各通道指向性、靈敏度性能參數符合設計要求。海上試驗結果表明，矢量水聽器在Argo浮標平臺使用經姿態校正后，目標方位估計值和GPS信息推算值吻合較好，深海良好水文條件下對航速10 kn的試驗船目標最遠探測距離大于14.4 km. 本研究對矢量水聽器在Argo浮標平臺上的工程應用具有重要的參考意義。