基于矢量水聽器的水下聲學浮標系統設計*

孫芹東，馬士全，孫 巍1，，王文龍1，

(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)

“HM-2000”剖面浮標，依靠平臺底部油囊調節浮力實現升沉，只在水面通信和調整凈浮力時消耗少量能源，具有低功耗、高效率、長時續、低成本等特點，浮標可以在海洋中多次沉浮，測量2 000 m 以淺范圍內的海洋溫度、鹽度及深度數據[1]，并在海面通過北斗衛星進行定位及數據傳輸[2]，接收岸站剖面啟動、參數設置等指令信息，“HM-2000”剖面浮標平臺技術成熟，已廣泛應用于海洋和大氣科學基礎研究、深遠海資源開發、海戰場環境保障等領域[3]。

姿態感知復合同振式矢量水聽器具有低頻、小尺寸的特點，可同時獲取所在聲場聲中心處聲壓和二維質點加速度、以及矢量水聽器實時姿態信息，通過信號處理得到目標相對于地理坐標系的方位信息[4-5]。 本文旨在發揮浮標平臺低功耗、長時續和矢量水聽器低頻、小尺寸、高可靠性等優勢[6-8]，設計一種用于海洋目標水聲信號探測的水下聲學浮標系統，該系統可自主完成水聲信號采集、目標探測、跟蹤、屬性自主判別、與浮標主控系統信息交互的工作流程，具有低噪聲、小體積、低成本、高效率、低維護費用、可重復使用、布放回收方便等特點，本文研究對姿態感知復合同振式矢量水聽器在水下緩動聲吶平臺的應用具有一定指導意義。

1 水下聲學浮標系統設計

水下聲學浮標系統結構如圖1 所示，主要包括矢量水聽器、水聲信號濾波放大模塊和A/D 轉換模塊、FPGA 主控和DSP 信號處理模塊、浮標主控系統；其整體結構如圖2 所示，采用模塊化設計，矢量水聽器固定于浮標基礎平臺上部連接桿頂端，連接桿另一端固定在浮標基礎平臺頂部，矢量水聽器用彈性元件懸掛于加肋導流罩內部，導流罩采用聚氨酯透聲材料，以降低系統工作時流噪聲影響[9-10]和確保聲波的傳播，矢量水聽器和水聲信息實時采集與分析單元間通過水密電纜實現信息傳輸。

圖1 水下聲學浮標系統結構框圖

圖2 水下聲學浮標系統結構示意圖

矢量水聽器的輸出信息包括三路水聲信息和自身實時姿態信息，其工作時序受水聲信息實時采集與分析單元FPGA 控制，四路水聲信息經過濾波放大、A/D 轉換后到達DSP 數據處理模塊，DSP 完成水聲信息和姿態信息的聯合信號處理，給出目標連續方位和被探測目標的屬性信息，完成與浮標主控系統的信息交互。

1.1 姿態感知復合同振式矢量水聽器設計

姿態感知復合同振式矢量水聽器是在常規矢量水聽器技術基礎上，依據姿態感知原理，選取MEMS姿態傳感器作為其姿態感知元件[11]。 MEMS 姿態傳感器內置三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計和三軸MEMS 磁力計，重力加速度方向和地磁北方向正交，從而唯一確定一個三維空間的姿態，利用三軸MEMS 加速度計檢測的重力加速度和三軸MEMS 磁力計檢測的磁北參數數據來對三軸MEMS陀螺儀解算姿態進行實時更新與校正。

為減小裝配誤差，盡量使三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計和三軸MEMS 磁力計的觀測中心和觀測軸重合，選用了MPU9150 傳感器作為敏感器件。 MPU9150 在一個芯片上同時集成了三軸MEMS 陀螺儀、三軸MEMS 加速度計和三軸MEMS磁力計，能夠最大限度地減小裝配誤差，且其測量精度在微型MEMS 慣性器件中是最好的。 圖3 為制作完成后的MEMS 姿態傳感器，其各角度動態測量范圍和精度如表1 所示，可滿足姿態感知復合同振式矢量水聽器應用要求。

圖3 MEMS 姿態傳感器

表1 姿態傳感器參數列表

姿態感知復合同振式矢量外形為圓柱體兩端帶半球帽的不規則圓柱體，水聽器外形尺寸為Φ66×78 mm，工作頻帶20 Hz～1 000 Hz，實際使用時用彈簧或橡皮筋懸掛在剛性框架內。 圖4 給出了在駐波管測試的矢量水聽器各通道工作頻帶內靈敏度結果，圖5 給出了在駐波管測試的不同頻點處矢量水聽器各通道指向性結果。

由圖4 矢量水聽器靈敏度測試結果可知，聲壓通道靈敏度級為163.2 dB(0 dB ＝1 V/μPa)，測試頻帶內靈敏度起伏為±0.6 dB，測試靈敏度值與理論值吻合較好；矢量通道靈敏度級為-173.3 dB(＠100 Hz，0 dB ＝1 V/μPa)，兩個矢量通道測試值與理論值基本吻合，且兩個矢量通道靈敏度一致性較好。

由圖5 矢量水聽器各通道不同頻點處指向性測試結果可知，聲壓通道具有全指向性，在400 Hz 頻點處最大值不均勻性為0.5 dB；矢量通道具有余弦指向性，x 通道在250 Hz 頻點處最大值不均勻性為1.0 dB、凹點深度36.8 dB，y 通道在800 Hz 頻點處最大值不均勻性為0.3 dB、凹點深度35.2 dB，兩矢量通道主軸方向靈敏度最大值對稱性較好，與主軸垂直方向靈敏度最小值對稱性方面y 通道相比于x通道略差，可能是測試時懸掛不對稱導致。

圖4 矢量水聽器靈敏度測試結果

圖5 矢量水聽器指向性測試結果

1.2 矢量水聽器信號調理與采集電路設計

由于矢量水聽器在實際工作中易受到周圍環境噪聲的影響，在進行模擬數字信號轉換時，需對矢量水聽器的信號進行預處理。 首先通過低噪聲放大器進行微弱信號的放大，然后使用五階貝塞爾濾波器進行高頻噪聲信號的濾除。 由于高精度ADC 的模擬輸入接口通常為差分輸入，所以需要將濾波器的單端信號通過單端轉差分電路進行處理。 最后通過高精度的ADC 進行模數轉換。

本文選用的ADC 為24 位的AD7768，該芯片動態范圍最高可達115 dB，功耗最低可達9 mW/通道，同時其積分非線性、偏移誤差和增益誤差都非常小，是一款非常理想的音頻采集芯片。 選取TI 公司生產的具有超低噪聲、超低失真度、單位增益穩定的電壓反饋型運算放大器OPA4140，搭建貝塞爾結構型五階低通濾波電路，該濾波電路的設計使用可降低信號的失真度以及壓縮噪聲帶寬。

圖6 模擬信號調理結構圖

1.3 數據處理模塊

數據處理模塊以FPGA 和高性能DSP 為主要核心，實現對矢量水聽器的信號采集、數據存儲、目標屬性判別等功能。

圖7 數據處理平臺原理框圖

矢量水聽器信號經模擬信號調理電路、數模轉換電路后，通過FPGA 控制，將轉換后的數字信號按照一定的數據格式傳輸至DSP。 DSP 對采集到的水聲信息以及姿態信息進行聯合處理，獲取目標方位信息，并通過人工智能算法對探測目標屬性進行判別，決定是否進行預警上報。 同時將處理后的數據回傳至FPGA，由FPGA 負責將數據存儲至板載存儲單元。 后期可通過以太網將存儲數據上傳至電腦，進行數據回放和場景重現。

2 海上試驗結果

2018 年，在南海北部海域，應用設計的水下聲學浮標系統開展目標探測能力試驗驗證，600 t 級科考船作為配合目標，水下聲學浮標系統采用定深漂流方式采集配合目標輻射噪聲信號，設置定漂深度為(100±50)m。

圖8 水下聲學浮標系統與科考船位置及矢量水聽器姿態信息

如圖8(a)所示，水下聲學浮標系統06:07 時刻入水下潛、14:21 時刻浮出水面，水下連續工作時長約8 h，并沿327°方向漂離布放位置點8 km，定漂速度約為0.5 節，系統09:01 時刻開始采集科考船輻射噪聲信號。 科考船09:01 時刻位S1 點，以10 節航速、340°航向駛向S2 點；09:15 時刻位S2 點轉向、距離S3 點(為水下聲學浮標系統推算位置點)約7.1 km，相對水下聲學浮標系統方位為333°，轉向完畢后以10 節航速、160°航向駛向S4 點；09:40 時刻位S3 點，與水下聲學浮標系統推算位置近似重合；10:14 時刻位S4 點停船，S4 點距離S3 點約10.3 km，相對水下聲學浮標系統方位為163°。 如圖8(b)所示，為09:01 ～10:14時間段內姿態傳感器采集的矢量水聽器姿態信息，也間接反映了水下聲學浮標系統姿態信息，航向角輸出結果說明，水下聲學浮標系統在海流作用下存在緩慢轉動；俯仰角和橫滾角輸出數值，說明水下聲學浮標系統水平姿態比較穩定。

如圖9(a)所示，為矢量水聽器姿態校正前水下聲學浮標系統解算輸出科考船目標方位與GPS 推算方位歷程圖。 如圖9(b)所示，為矢量水聽器姿態校正后水下聲學浮標系統解算輸出科考船目標方位與GPS 推算方位歷程圖。 如圖9(c)所示，為科考船相對水下聲學浮標系統距離歷程圖。 結果顯示:(1)姿態校正前，水下聲學浮標系統解算科考船目標方位與GPS 推算方位差別較大，姿態校正后解算方位與GPS推算方位基本吻合；(2)09:01 時刻，科考船位S1 點、距離S3 點約3.0 km、相對水下聲學浮標系統方位為333°，09:15 時刻，科考船位S2 點、距離S3 點約7.1 km、相對水下聲學浮標系統方位為333°，09:40 時刻，科考船與S3 點基本重合，10:14 時刻，科考船位S4點、距離S3 點10.3 km、相對水下聲學浮標系統方位為163°，均與圖8(a)所示相吻合；(3)10:14 時刻，科考船位S4 點停機，未能檢驗水下聲學浮標系統對其最遠探測距離。

圖9 水下聲學浮標系統目標探測試驗結果

3 結束語

本文依據矢量水聽器姿態感知原理，設計制作姿態感知復合同振式矢量水聽器，采用FPGA+DSP 架構設計制作數據采集與實時分析單元，為充分發揮矢量水聽器和浮標平臺優勢，研發可應用于海洋目標水聲信號探測的水下聲學浮標系統。 海上試驗結果表明，姿態感知復合同振式矢量水聽器可在20 Hz ～1 000 Hz 范圍內采集目標輻射噪聲信號，姿態數據輸出準確，水下聲學浮標系統在定深漂流工作模式，對600 t 級、10 節航速航行科考船探測距離≥10.3 km。本文相關研究對矢量水聽器在水下緩動聲吶平臺工程應用具有一定的指導意義。