孫大軍,呂云飛,師俊杰,梅繼丹,滕婷婷,蘭華林,靳建嘉,張洪彬,
(1. 哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001;2. 海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學)工業和信息化部,黑龍江 哈爾濱 150001;3. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)
聲學滑翔機是一類搭載聲學儀器設備的滑翔機,主要用在環境噪聲測量、聲學主動信號偵察、被動聲信號檢測與估計、目標類型判別等領域。聲學滑翔機從應用平臺分析,有以波浪提供動力的波浪滑翔機(Wave Glider,WG),利用重力和姿態提供動力的水下滑翔機(Underwater Glider,UG)和X-Ray、Z-Ray 為代表的大型飛翼滑翔機(X-Ray Glider,XG)。
水下滑翔機專利最早由美國人 FALLON 于1960 年提出[1],之后名為Concept Whisper 的海洋運載機器原型研制成功[2]。1989 年,美國物理海洋學家STOMMEL 提出了一種名為Slocum 的概念滑翔機,這種滑翔機內置了熱交換器為設備提供動力。STOMMEL 聯合工程師DOUG WEBB 開發了這款熱交換器驅動的概念滑翔機,并將滑翔機命名為Joshua Slocum[3]。到2003 年,他們不僅研制了一款名為Slocum Thermal 的熱動力滑翔機,還展示了一種以電池驅動的自主浮力水下滑翔機[4]。2004 年4 月,美國Alaska Native Technologies 公司開發了一款適配于Slocum 的全向水聽器聲學采集系統并在美國威廉王子灣完成了測試[5]。在各國逐漸重視的前提下,諸如Seaglider[6]、SeaExplorer[7]、Spray[8]和Slocum[9]等新型水下滑翔機在海洋探測領域扮演著越來越重要的角色。同時,越來越多的聲學設備也開始加裝在了滑翔機上,例如美國JASCO公司的OceanObserver實時高性能聲學和海洋學采集與處理系統[10],美國Innovasea 公司的有線聲學接收器[11]等。
WG 是在UG 的基礎上發展起來的一種新型的無人航行器,其設計之初的目的是為了探測海洋鯨類的生活軌跡[12]。斯坦福大學的ROGER HINE 教授在2005 年發明了波浪滑翔機后,與加利福尼亞洛思阿圖斯的研究基金會主席JOE RIZZI 一起成立了Liquid Robotics[13]。2009 年,Liquid Robotics的Red Flash 波浪滑翔機完成了夏威夷島測試和遠洋測試[14],2014 年,Liquid Robotics 與波音公司達成合作意愿,將在之后幾年內,為聲學反潛戰提供強大的監測和通信能力[15]。

圖1 水下滑翔機Fig. 1 Underwater glider

圖2 波浪滑翔機Fig. 2 Wave glider

圖3 X-Ray 滑翔機Fig. 3 X-Ray glider

圖4 聲學負載設備Fig. 4 Acoustic load equipment
聲學滑翔機的快速發展為無人小平臺聲吶的應用提供了一個更好的工作平臺,針對聲學應用,表1 給出了WG、UG 和XG 的一些技術特點。滑翔機能夠加裝多種聲學載荷,應用在不同領域,表2 給出了聲學滑翔機部分加裝聲學載荷及應用領域。

表1 WG、UG、XG 特點對比Table 1 Comparison of characteristics of WG,UG and XG

表2 聲學負載及應用領域Table 2 Acoustic load and application field
國外對聲學滑翔機的研究起步較早,美國、歐盟、日本、印度等國都將聲學滑翔機應用在不同領域,當前技術應用正處于快速發展期。
2015 年歐盟成立歐盟全球海洋觀測系統(European Component of the Global Ocean Observing System,EuroGOOS),截至目前,EuroGOOS 借助聲學滑翔機開展了 EMODnet[16]、AtlantOS[17]、JERICO-DS[18]、EuroSea[19]、INTAROS[20]等項目。在2015 年9 月至2019 年間20 臺滑翔機參與完成了EMODnet 項目共3 期計劃,項目中有一項聲學調查,聲學調查的數據用來輔助歐洲海域底物圖的繪制。JERICO-DS 項目中有一個將滑翔機技術與魚類被動聲學監測相結合的DEFPAM-G 實驗,這一實驗將水聽器安裝在了SDEEP04 號滑翔機上,希望可以發現魚類聲音在海洋中的深度和空間變化情況。
美國目前的綜合海洋觀測系統(U.S. Integrated Ocean Observing System,IOOS)存在著一個聲學滑翔機網絡計劃,滑翔機需要完成聲學接收器性能測試、魚類聲學監測、環境聲場采樣等任務[21]。美國海軍目前運營著一支瀕海戰場傳感滑翔機艦隊(Littoral Battlespace Sensing Glider System,LBS-Glider System)[22],LBS-G 可以持久地收集海洋聲場數據,這些數據可以用于反潛和情報搜集等領域。
英國國家海洋中心(National Oceanography Centre,NOC)目前基于水下無人設備有Oceanids[23]、MASSMO[24]、BRIDGES[25]等研究項目。加拿大目前擁有著NEPTUNE 和VENUS 2 個海洋觀測網絡[26-27],滑翔機搭載的聲學設備可以傳輸采集到的聲場數據給觀測系統。搭載聲學設備的滑翔機技術正廣泛應用在環境與噪聲測量、水下生物及目標探測、通信中繼、區域警戒與反潛等領域。
2006 年,為了協調聲學滑翔機的研究,由英、法、德、意、挪威、西班牙等國發起了歐洲滑翔機觀測站倡議(Everyone's Gliding Observatories,EGO),主要目的是建立一個全球范圍內的滑翔機組織,實現全球范圍內的長期海洋觀測。迄今共布放了600 多臺滑翔機完成了上百萬海洋剖面的采集。2012 年,EGO 開展歐洲滑翔機群實驗(European Glider Swarm EXperiment,EGSEX),8 架聲學滑翔機部署在地中海西北區域,通過攜帶的水聽器和硝酸鹽分析儀,對地中海西北部的聲場環境噪聲和鹽度進行了監測[28]。
2010 年,美國俄勒岡州立大學海洋資源研究合作研究所的Slocum 搭載著全向水聽器在2 d 內記錄了哈迪斯和西馬塔附近的海底火山噴發的聲學數據,這一實驗展示了滑翔機作為長期環境監測工具的可行性[29]。
2019年, 美國海洋觀測站倡議( Ocean Observatories Initiative,OOI)為了實現極地冰川調查,2 架Hugin 滑翔機以預先設定的巡航路線首次在南極洲附近的冰架下進行科學觀測,他們攜帶的聲吶將用來測量冰川底部的粗糙度和厚度等[30]。
2022 年,OOI 利用3 臺滑翔機和8 個系泊設備參與了NES-LTER(Northeast U.S. Shelf Long-Term Ecological Research)項目,用以進行浮游動物聲學測試和海洋哺乳動物觀測[31]。
聲學滑翔機在運行過程中具有較低的噪聲,由于其較優秀的隱蔽特性,滑翔機可以對目標海域進行長時間大范圍的隱蔽式數據采集和監控。許多特定用途的聲學載荷被設計用來搭載到滑翔機中,以進行水下目標探測等任務,并取得了豐富的成果。
ThayerMahan 公司推出了一款可以拖曳在波浪滑翔機上的水聽器陣列,這套系統由拖曳水聽器陣列、導聲器和阻聲器組成,可以利用聲學特性實時被動的監測海洋中的哺乳動物,海洋聲學服務系統(Ocean Acoustical Services and Instrumentation Systems,OASIS)在2019 年斯特爾威根海岸國家海洋保護區(Stellwagen Bank National Marine Sanctuary,SBNMS)沿海實驗中,布放了3 臺攜帶該設備的波浪滑翔機,系統的剪刀圖顯示了同時檢測幾個長須鯨發聲序列的潛力,這一實驗驗證了該拖曳陣列配合波浪滑翔機實現檢測定位發聲的海洋哺乳動物的可能性[32]。 圖5 中的剪刀圖的特點可以歸因于存在鯨類發聲的低頻時間,這一結果表明聲學滑翔機配合拖曳陣列可以對海洋目標實現探測和目標定位功能。

圖5 OASIS 在SBNMS 地區獲取的檢測表面和剪刀圖Fig. 5 Detection surface and scissors map obtained by OASIS in SBNMS area
加拿大JSK 公司發布了一款小尺寸高性能的聲學陣列KraitArray(圖6),這套陣列有著多達192 個的聲道,可以在300 m 的深度內達到150 m長度的布放效果。2016 年,這套陣列參與了Unmanned Warrior 2016 軍演,在反潛,魚雷防御,生物和環境監測方面表現優秀[33]。SEA 在一片報道中也表示,將這款陣列放置在WG 上,能夠檢測和跟蹤到潛艇目標 。

圖6 KraitArray 拖曳陣列Fig. 6 KraitArray
聲學滑翔機可以搭載水聲通信模塊、GPS 模塊以及無線電模塊實現中繼通信功能。滑翔機在正常工作的狀態下,通過聲通機接收其他水下設備發送的聲信號,在內部處理后既可以選擇利用聲通機進行聲通信,也可以采取上浮水面的方式利用衛星等模塊實現岸基與下層設備間的交互,最終實現多臺設備間的網狀通信[35]。
圍繞水聲通信網絡,美國海軍在21 世紀初提出了一種名為廣域海網Seaweb[36]的聲學調制解調系統。此系統將聲學調制解調器安裝在了波浪滑翔機上,可以為水下設施、滑翔機平臺和整個水聲網絡提供雙向通信功能,能夠將海洋中的固定節點、運動節點和網關節點組成一張水聲通信網絡。并在搭載有衛星模塊的波浪滑翔機上實現水–空氣介質間的電磁信號轉移。這種調制解調器可以在避免與滑翔機本體干擾的前提下,實現多節點間的遠距離通信。如圖7。

圖7 Seaweb 架構Fig. 7 Architecture of seaweb
2016 年,英國舉辦了Unmanned Warrior 2016大型無人操縱戰士海上聯合演習,其中一種名為AutoNaut 的波浪滑翔機(圖8)拖曳著一個長達25 m 的被動聲學監測陣列線陣,這個線陣包含8個數字水聽器,結果顯示聲學滑翔機可以有效的對水面水下目標實現探測和跟蹤[37]。

圖8 AutoNaut 波浪滑翔機Fig. 8 AutoNaut wave glider
澳大利亞海軍在2016 年發布的《國防白皮書》中指出,海軍為滿足21 世紀戰爭發生的可能性,需要建立一個網絡化的載體。因此澳大利亞海軍計劃在2035 年內將無人化的自主設備整合到海軍作戰中,部分滑翔機會搭載聲學設備用于平臺自噪聲測試、靜默狀態下的聲學監測、通信中繼等任務[38]。
在國家計劃支持下,近十年來,國內哈爾濱工程大學[39]、潛艇學院[40]、浙江大學[41]、中船715所[42]、中科院聲學所[43]等單位全面開展了聲學滑翔機的研究,并取得了一批成果。
潛艇學院依托天津大學“海燕”水下滑翔機,設計了一款基于FPGA+ARM 的單矢量水聽器信號采集與處理系統,這套系統通過優化幀數據協議,保證了信號處理的實時可靠。2020 年,“海燕”搭載著這套單矢量水聽器系統完成了南海海域的水下協調目標探測,圖9 展示了測量方位和實際方位的對比圖,實驗結果顯示這套聲學系統能夠有效實現水下目標的探測定位[40]。

圖9 噪聲方位估計與GPS 推算方位對比及距離歷程Fig. 9 Comparison between noise bearing estimation and GPS dead reckoning and range history
中船715 所基于常規陣列設計了一款小型的ADCP 設備,這套設備基于D 類功放設計,發射機可以在450 kHz~550 kHz 的帶寬內穩定運行,具有小型化抗干擾的特點。未來若適配滑翔機可以在海洋科學探測等領域發揮重要作用[42]。
2019 年12 月,中科院沈自所在東印度洋海域布放了12 臺海翼號水下滑翔機,這次組網集群實驗累計工作時長達到51 d,對近3 500 個海洋剖面進行了有效地科學觀測并采集了大量的聲場數據[44]。
中科院聲學所利用東印度洋實驗中聲學滑翔機采集到的聲場數據對聲源進行測距和定深估計,誤差結果均在5%以內。這一結果證明滑翔機配備聲學載荷可以完成對水聲信號的同步觀測,該實驗也為實現聲源的三維定位和同步觀測打下了基礎[43]。

圖10 多聲學波浪滑翔機協同探測Fig. 10 Geometric distribution of positioning accuracy of three base stations
哈爾濱工程大學基于波浪滑翔機研發了拖曳式的小體積立體陣探測系統。海試中3 臺聲學波浪滑翔機協同探測實現了目標的探測預定位[39],且具有優秀的準確度。
海洋中的滑翔機受自身體積和功耗等因素的制約,聲學負載的搭載能力有限?;铏C通常采用模塊化的設計方式,根據所執行的不同任務在電子艙內搭載不同的有效載荷。
水下滑翔機可以搭載不同聲學載荷,當進行海洋環境噪聲觀測時,為了在不影響滑翔機正常運行的前提下減小噪聲,聲學設備通常會放置在滑翔機頭部的屏蔽導流罩內,如圖11(a)。當加裝矢量水聽器進行目標探測和方位估計時,為減小滑翔機機體和噪聲的影響,可以將聲學設備以延伸的方式加裝在設備的頭部,如圖11(b)。當需要加裝小尺度體積陣進行目標探測任務時,為了獲得更大的孔徑,減小滑翔機機體的影響,通常會將聲學設備搭載到滑翔機的翼板上,如圖11(c)。為了使滑翔機可以無障礙地與水面水下其他設備信息傳輸,聲學通信設備會加裝在滑翔機的頂部,如圖11(d)。

圖11 UG 聲學負載搭載方式Fig. 11 Acoustic load carrying mode of UG
波浪滑翔機主要由水面艇、掛纜、水下驅動單元3 部分組成,WG 在運行過程中主要存在著牽引機產生的機械噪聲和設備在水中行進過程中產生的流體噪聲。對于對噪聲不特別敏感且工作深度可以較淺的聲學負載,一般集成在水面艇或牽引機上,如聲通機和定位儀 ;對噪聲敏感且要求一定深度工作的聲學設備,通常會采用長纜拖曳的搭載方式,將聲學設備置于遠離牽引機的拖體上,配以減振纜相連,減小波浪滑翔機運動噪聲及狀態起伏對聲學設備的影響。如圖12。

圖12 WG 聲學負載搭載方式Fig. 12 Acoustic load carrying mode of WG
飛翼式滑翔機通常體型較大,X-Ray 滑翔機的翼展可以達到20 英尺。XG 內部所能利用的空間也遠大于 UG 和 WG,X-Ray 的內部總容積有1 000 L,具有強大的負載能力[46]。除內部布放常規聲學載荷外,XG 可以在表面布放共形陣。Z-Ray在結構上采用了小型水射流的方式保持精確的姿態控制,這一結構可以使前沿水聽器陣列孔徑定向于特定方向;在Z-Ray 的機頭、機尾和兩側翼板位置,還可以安裝大帶寬的矢量水聽器[47]。如圖13。

圖13 XG 聲學負載搭載方式Fig. 13 Acoustic load carrying mode of XG
聲學滑翔機相較其他海洋設備,具有更低的噪聲譜級,更小的聲學截面積,幾乎沒有尾部痕跡。當電機處于停止狀態時,滑翔機的自噪聲譜級與潛標采集到的海洋噪聲譜級類似。具有優秀的水下隱蔽能力,不易被雷達和聲吶設備探測到 。
滑翔機在工作時的噪聲源有水動力噪聲、電機和螺旋槳工作時的螺旋槳噪聲和機械噪聲。在剖面滑翔的過程中,方向調節引起的電磁抱閘振動噪聲是制約聲學設備性能的主要噪聲影響因素。通過優化轉向部件和控制策略降低轉向系統噪聲的量級;在硬件設計時滑翔機內部供電采用隔離式供電模塊,對不同的任務模塊分割地層處理來降低電磁干擾;在電子艙內壁安放吸聲材料阻隔聲傳播路徑;優化動力系統和聲學系統的工作模式,在電機工作的高噪聲情境下關閉聲學系統的正常運行等噪聲控制策略均有利于降低噪聲對聲學滑翔機的干擾。通過CFD 仿真,獲取滑翔機周圍的流速信息,找到水聽器的最佳安裝位置,可以降低流體噪聲和滑翔機機械噪聲。通過動力學模型仿真,優化滑翔機的控制參數,通過降低滑翔速度可以降低水動力噪聲[49-50]。
采用振源控制技術降低振源自身的振動,或使用阻尼材料可以將振動產生的動能和聲能轉化為熱能,均能顯著減少因滑翔機振動帶來的噪聲干擾。通過測量滑翔機不同工作狀態下的輻射噪聲,根據噪聲分布特性,優化平臺;在材料上結合滑翔機外部的輻射聲場特性,通過設計低噪聲的滑翔機耐壓外殼、小振動量的動力和漂浮系統可以減少來自機械和結構上的噪聲影響[51]。
圖14 仿真了UG 的自噪聲譜和機械噪聲的影響。圖14(a)展示了在1 kn 航速下,UG 周圍流場的分布情況。圖14(b)顯示UG 的噪聲譜級隨著頻率呈現遞減趨勢,且在150 Hz 之后噪聲譜級均小于零海況狀態下的環境噪聲。圖14(c)展示了不同控制策略下的噪聲譜,設備的主要噪聲源出現在俯仰姿態條件和舵機轉向時,因此需要重點關注由姿態和方向調節所產生的機械噪聲[52]。

圖14 UG 噪聲分布和噪聲控制技術Fig. 14 Noise distribution and noise control technology of UG
WG、XG 的減振降噪策略和UG 相似。但針對WG 搭載的拖曳式聲學拖體,如圖15 所示,還可以通過增加減振段的方式減振降噪。一方面減振纜降低了聲學拖體的振動情況;另一方面拖曳式的搭載方式使聲學拖體遠離船體,降低了船體噪聲對聲學設備的干擾[53]。

圖15 WG 采用減振段減振降噪示意圖Fig. 15 Schematic diagram of vibration reduction and noise reduction by WG
聲學滑翔機搭載的聲學基陣多為小型基陣,為獲得低頻測向能力及高增益,開展了針對性的信號處理方法研究。
在滑翔機上加裝單矢量水聽器,體積小,在低頻/甚低頻段能夠實現信號的探測與方位估計。方位估計較早采用聲能流方位估計法,隨著研究深入陸續開展了MVDR 算法、子空間算法等方位估計方法。
聲學滑翔機的聲學陣列較小,難以直接拿到空間增益,為提高方位估計精度和目標探測性能,水下滑翔機加裝了矢量水聽器,為了提高方位分辨能力,聲學滑翔機采用合成孔徑技術。合成孔徑技術利用在某方向移動的小孔徑基陣模擬大孔徑基陣,水聽器接收到回波后,經相干疊加處理,可以獲取到分辨率更高的方位信息。從圖16 看出采用合成孔徑技術后波束寬度變窄,小尺度陣下實現了高精度目標方位估計[54]。

圖16 常規波束圖與合成孔徑波束圖Fig. 16 Conventional beam pattern and synthetic aperture beam pattern
組網技術就是將多臺職責不同的水下設備組成一個協作團隊,每臺設備負責1 個或多個任務。根據每臺設備所承擔的任務搭載不同功能的傳感器和載荷。海洋環境下,聲學滑翔機機動能力弱,通信能力和續航能力有限,為了提高滑翔機的工作效率,需要對滑翔機組網協同。聲學滑翔機組網范圍內的每臺設備相當于1 個節點,組網設備具有無線通信和中繼轉發的功能。
相較于單機探測,將搭載不同載荷的滑翔機組合起來,構成海洋探測網絡,可以有效擴大海洋探測的深度和廣度。實現由單點觀測到點對點的全方位立體觀測。合理安排組網內每臺設備的巡航路徑,可以有效提高觀測網的運行效率。
基于設備組網集群,哈爾濱工程大學提出了一種多獨立切換拓撲網絡。將整個集群網絡拆分為多個子網,如圖17 所示,當主網與某個子網的主控通信失敗時,系統會隨機指派新的子網主控,以此來保證集群系統的一致性[55]。

圖17 多獨立拓撲結構水下集群網絡Fig. 17 Underwater cluster network of multi independent topology
聲學滑翔機作為一種新型的無人裝備,目前在海洋環境與噪聲測量、目標探測、中繼通信及區域警戒等部分場合開展了應用,但當前聲學滑翔機使命與功能較為單一,以輔助應用為主,沒有充分發揮其特點,各種形式的聲學滑翔機仍處于快速發展期。
聲學滑翔機具有低成本、無人化、可長期存在、適應惡劣海況等特點,適合在深遠海多節點分布式協同應用。未來亟待開展多節點分布式協同模式、效能及應用區域等方面的研究,不斷拓展聲學滑翔機信息獲取的維度、執行任務的深度和廣度,使之成為海洋環境監測或遠程預警的中堅力量。
目前聲學滑翔機加裝的聲學載荷大部分沿用有人平臺的聲學載荷,沒有針對滑翔機的特點進行設計。聲學載荷存在體積大、功耗高和自主信息處理能力弱等問題,進而導致聲學滑翔機工作和生存時間短,信息處理需要大量專業技術人員,嚴重限制了聲學滑翔機的批量應用。
聲學滑翔機體積小,提供給載荷的重量、體積、供電能力有限,需要開展傳感器的小型化、低功耗技術研究,針對不同應用和不同滑翔機開發專用的聲學載荷模塊?;铏C自身成本較低,適合批量應用,加裝的傳感器也應降低成本?;铏C長時間自主工作,需要傳感器具有很高的可靠性。
聲學滑翔機需要不依賴于岸基的自主任務執行能力和信息獲取能力,減少人工介入。聲學載荷需要發展人工智能技術、深度學習技術及大數據處理等技術。信息獲取、目標探測與狀態估計、目標識別、任務執行、多節點協同信息處理的自主化是未來的發展趨勢。
單節點聲學滑翔機信息獲取在時間、空間、頻率等方面能力有限,滑翔機機動能力弱,難以實現大范圍的信息獲取、遠距離的目標探測與目標的持續跟蹤。聲學波翔機組網協同是發展趨勢,亟需拓展聲學滑翔機獲取信息的維度,擴大任務執行的深度和廣度。
聲學滑翔機目前雖然在一定海域投放數量較多,但多為單節點獨立工作,缺少節點間的聲學信息協同。為提高聲學滑翔機目標探測距離、探測效率及目標持續跟蹤能力,需要發展節點間信號級、信息級的信息傳輸與處理技術,多源信息融合技術,將時間上、空間上不連續的信息片段進行整合。
研究不同類型聲學滑翔機協同技術,可以拓展信息獲取的維度,提升探測和通信的效率及實時性。聲學波浪滑翔機獲取水下近海面聲學信息,聲學水下滑翔機獲取全海深聲學信息,融合二者獲取的信息,實現協同探測,可以達到更高的探測能力。
以任務為驅動,全面分析環境監測與目標探測應用需求,基于現代信息技術及人工智能技術,研究聲學滑翔機的節點分布優化技術、網絡重構技術,能夠根據任務需求及環境特點自主的調整組網方式、航行路徑規劃及作業模式等,使之具備獨立自主的作業能力。
海洋信息獲取及探測預警等未來必將呈現網絡化、多系統聯合化工作,聲學滑翔機便是其中一環,但聲學滑翔機能夠完成的任務有限,因此需要同其它系統聯合應用。
聲學滑翔機同其它無人系統及有人系統聯合時,根據任務需求和系統特點,完成任務的不同階段工作。研究多系統信息共享技術,異構多源信息融合技術,人機融合智能決策技術,可以提高信息獲取的質量及預警效能,更高效地執行相應任務。
本文對海洋中的聲學滑翔機的應用、發展現狀、關鍵技術及未來發展趨勢進行了分析。聲學滑翔機處于初步發展階段,隨著相關技術的發展,會有更廣泛的應用領域。