鄧秀華，劉 飛，梅新華

（1.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443000；2.重慶前衛(wèi)科技集團有限公司，重慶 401121；3.中船重工鵬力大氣海洋信息系統有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

潛艇、水下無人潛器等水下移動目標由于隱蔽性，其攜帶的先進水下設備，可對其他國家領海進行偵測和調查。各臨海國家紛紛推出海洋發(fā)展戰(zhàn)略和海洋科技發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展對水下移動目標的探測警戒裝備[1]。

聲波是目前唯一能在水下遠距離傳播的物理場信號，聲吶是利用水下聲波判斷海洋中目標是否存在及其類型與位置的設備，在水下移動目標探測中具有獨特的作用。水下移動目標輻射或反射的聲波比較微弱，且處于復雜的海洋環(huán)境背景下，因此，通過水聲換能器組成陣列和陣列信號處理，以提高目標信號檢測概率。

從近海到深海，海深變化大，平均深度從幾十米到數千米，艦船拖曳聲吶、布放于海底或海面的聲吶面臨的水聲環(huán)境復雜，使用維護成本較高。而錨系方式可適應大水深變化范圍，將聲吶布設于任意深度。聲吶水聲環(huán)境較好，布放迅速簡單，可長周期、定點、大范圍監(jiān)測水下移動目標[2]。

本文提出了一種基于錨系垂直陣列的水下移動目標警戒方法，接收水聲換能器組成垂直接收陣列，陣列懸掛于錨系潛標的系留纜或直接作為潛標的系留纜。系統全工作周期進行不間斷被動聽聲警戒與值守，高可靠性立體全方位發(fā)現、搜索瞬態(tài)可疑噪聲，探測經過控制區(qū)域移動目標，提取目標特征信息，目標確認后，釋放衛(wèi)星通訊浮標到水面，實時傳輸信息與報警。

1 水聲陣列設計

聲吶的檢測能力是由水聲陣列、水聲環(huán)境與目標特征共同決定的，水聲陣列的設計必須充分考慮到其工作環(huán)境與目標特征。錨系陣列特別是錨系垂直陣列的顯著特點是其孔徑僅受水深限制，并可選擇在有利的深度工作，背景干擾大為減小，傳播條件相對有利，低頻仍可有較高的空間增益，適合在低頻工作[3]。

1.1 工作水深的選擇

根據海深變化大的實際情況，聲吶必須能有效適應很淺或深的海區(qū)。水聲信號在深水區(qū)的相干性比沿海海區(qū)更大，在信號不產生相互作用的情況下尤為如此。這就提供了利用相干性大幅度增大探測距離的機會。

深海傳播條件受海面、海底影響較小，具有特殊的會聚區(qū)效應。聲波在深海聲道中可以遠距離傳播，深海聲道軸所處水深隨緯度不同而不同，深海聲道軸水深范圍大約是200～4 500 m。為了利用深海聲道和可靠聲道取得良好的探測效果，需要將聲吶布放到盡可能深的位置[4]。

1.2 頻段選擇

俄羅斯學者Miasnikov把現代潛艇的水下輻射噪聲分為 3級：“嘈雜的”、“安靜的”、“非常安靜的”，并指出這3種噪聲在30 Hz處的譜級分別為140 dB、120 dB和100 dB?，F代潛艇的噪聲已大幅減弱，但低頻段降噪困難。對于安靜型潛艇的檢測，無論是現代的主動聲吶還是被動聲吶，所使用的頻率都在向低端移動。

一般將孔徑在-1～5 m 量級基陣所使用的1 kHz左右的聲吶稱為中頻聲吶，頻率在-100 Hz～1 kHz的稱為低頻聲吶，頻率范圍低于100 Hz的稱為甚低頻聲吶。美國從20世紀80年代開始研制用于探測低噪聲、安靜型潛艇的低頻主被動拖線陣聲吶。這是一種專門用于遠程警戒低噪聲、安靜型潛艇的甚低頻聲吶，工作頻率可低至100 Hz以下，被動檢測時使用2條長達1 500 m的聲陣，作用距離可達100 km以上。

1.3 陣列設計

垂直線列陣對噪聲進行同步的空間采樣，在不同深度上接收多個中心頻段的寬帶噪聲。垂直線列陣懸掛在潛標主浮體下部，主要由減振結構和聲學系統兩大部分構成。減振結構的長度根據布放環(huán)境和布放使用需要來確定，垂直線列兩端各有一段減振結構。水聽器陣受到海浪、海流的影響容易發(fā)生振動，從而產生低頻噪聲，減振結構作用是盡量消除這種噪聲。

聲學系統可制作成一整段或者數段，可以根據布放水深的要求選擇需要的陣列段數量，各陣列段組合成完整的垂直陣列。聲學模塊含水聽器基元、前置放大器以及各種支撐件，外部由聚氨酯材料軟管密封，管內填充與海水密度相當的惰性油。聲學系統的承力件為高強度的Kevlar繩，延展性很小，可以有效保證基元的確定位置，并且耐擠壓、抗拉伸，具有靈活的收放特性，可承受凈重2 t以上的拉力。水聽器以徑向極化的壓電陶瓷圓管作為振子，結構上為圓柱形，在全頻段內為無方向性，振子耐壓大且靈敏度高，是陣列的關鍵部件。各水聽器基元在不同水深條件下，靈敏度基本一致。與水聽器匹配的前置放大器具有低噪聲、低功耗的特點，還具有高通濾波功能，能夠滿足在水下長期工作、寬帶接收噪聲信號的使用需求。水聽器基元按照處理最低頻率，采用半波長間距排列。圖1為垂直陣列實物圖。

圖1 垂直陣列實物Fig.1 Real object of vertical array

2 水下移動目標警戒信號處理

2.1 總體信號流程

信號處理的主要任務是利用各種技術手段提高輸出信噪比，將目標信號從噪聲和干擾中區(qū)分開來，實現水下移動目標警戒。

基于錨系垂直陣列的水下移動目標警戒系統要求，可在水下長周期自主工作，高可靠立體全方位發(fā)現目標。潛艇等水下移動目標與潛標遭遇態(tài)勢不可知，且探測距離要求遠，可靠性要求高，系統總體工作流程如下。

1）系統布放于特殊海域，記錄布放大地坐標。

2）低功耗的垂直線列陣及前置調理器，全工作周期進行不間斷被動聽聲警戒與值守，進行遠程低頻段時頻瞬態(tài)特性探測。

3）時頻瞬態(tài)特性探測不能在較遠處及時發(fā)現水下移動目標，目標繼續(xù)靠近時，垂直陣列利用空間相關性在近處形成的立體警戒網可再次探測到目標，探測距離與工作水深相關，垂直陣列布設得越深，探測距離越遠。

4）發(fā)現目標后，啟動寬帶時頻特征識別，判斷是否為水下移動目標，同時可啟動空間特性估計算法，估計目標航行深度。

5）各個功能模塊的啟動、工作時長和循環(huán)數等參數根據上一功能模塊是否為水下目標的可信程度輸出，智能決策變化，直至目標確認。

6）目標確認后，通過衛(wèi)星通信實時將特征信息傳送到陸地通信接收站。接收站結合布放點處水面信息，進一步確認目標。

功能實現框圖如圖2所示。

圖2 功能實現框圖Fig.2 Block diagram of functional realization

2.2 低頻段時頻瞬態(tài)特性探測

瞬態(tài)特性探測含時域和頻域2種，包括：聲級突然增大和頻譜結構突然變化。利用噪聲時頻瞬態(tài)特性的變化來探測目標，將目標探測問題轉化為自適應模式識別問題[5]。

按照噪聲源的不同，海洋環(huán)境噪聲大致可分為：1）海洋動力噪聲，它與風浪有關，是海水和大氣中湍流產生的噪聲，還包括海浪拍擊噪聲、雨噪聲、氣泡噪聲等；2）生物噪聲，是海洋中各種生物（魚、蝦）發(fā)出的噪聲；3）地震噪聲，是地震、火山活動和海嘯產生的噪聲；4）冰噪聲，是由冰層的形成和運動產生的噪聲；5）熱噪聲，是由海水分子運動產生的噪聲。降雨會顯著增加環(huán)境噪聲，但噪聲譜級隨頻率變化非常平坦。大量的海洋生物產生生物噪聲，除了有海洋哺乳動物的特殊聲音之外，成群結隊的跳蝦是顯著的噪聲源。

海洋環(huán)境噪聲干擾場一般都是彌漫的混響聲場，經多次反射后，聲音從各方向入射到接收陣列的幾率相同。在低頻段，形成非常平坦的噪聲譜，即使在淺水區(qū)和接近于海面的水域，其低頻不連續(xù)譜偏離平均譜級也不特別明顯。

安靜型潛艇等水下移動目標的輻射噪聲雖已得到大幅度降低，但由于在低頻段降噪比較困難，目前其螺旋槳轉動時產生的低頻線譜仍然是難以消除的。潛艇為了自我隱蔽，一般在低于臨界航速下航行，其螺旋槳空化不充分[6]，連續(xù)譜較弱，低頻線譜卻突出。頻譜結構中低頻譜與高頻譜平均能量比一般應遠高于水面艦船，基于這一點，構造潛艇等水下移動目標頻段全覆蓋的不同分頻段能量比，特別是低頻段能量比的方法來發(fā)現水下移動目標。

瞬態(tài)特性探測分2步：時頻特性提取和人工智能決策[7]。設計多通道程控自動增益放大濾波提取水下移動目標瞬態(tài)時頻特性及噪聲寬帶、窄帶能量，構造比值序列描述噪聲寬帶頻譜結構，準確提取噪聲的譜結構特征，壓縮信號動態(tài)范圍，并訓練自適應神經網絡構造水下移動目標探測器。

為提高處理增益與輸出信噪比，被動接收信號處理一般從以下3方面入手。

1）利用空間濾波處理提高空間增益。信號與干擾的空間相關性不同，可以采用波束形成或互相關接收來控制環(huán)境噪聲，提高信噪比。對N個基元構成的垂直線陣，采用各基元直接相加作空間處理。

2）頻域濾波提取線譜分量。窄帶信號處理已成為被動聲吶信號處理的重要手段，水下目標噪聲低頻段的線譜包含豐富的信息，不僅可應用于目標檢測，還可用于目標的跟蹤與識別，核心是窄帶譜分析。

3）時間積分處理獲得時間增益。時域處理本質上是利用信號和噪聲時間波形在統計特性上的差異，來改善被動聲吶的性能。

瞬態(tài)時頻特性提取步驟如圖3所示。1～M為垂直陣列基元號，X、Y、Z分別為濾波輸出、平方輸出、積分輸出。

圖3 瞬態(tài)時頻特性提取Fig.3 Extraction of time-frequency characteristics

圖4給出了16基元的垂直陣列每個基元接收到的某水下移動目標通過時的原始噪聲信號。各基元接收信號通過特征明顯，同時，各基元接收信號的時延差非常清晰地反映了不同基元的不同空間位置。圖5是按圖3所示方法提取的海洋環(huán)境噪聲譜和某水下移動目標的三維功率譜。

圖4 陣列原始噪聲信號Fig.4 Original noise signals of array

圖5 三維功率譜Fig.5 Three-dimensional power spectrum

三維譜圖中，Z軸是功率譜值，X軸是頻率值，Y軸是時間?？梢灾庇^看出，海洋環(huán)境噪聲在1 kHz頻率范圍內，功率譜幅度都起伏不大，噪聲譜級隨頻率變化非常平坦；而水下移動目標噪聲的功率譜卻存在明顯的起伏，有的可以觀察到持續(xù)數十秒的穩(wěn)定線譜，噪聲譜級隨頻率和時間的變化而變化。

利用海洋環(huán)境噪聲與水下移動目標輻射噪聲的這種固有而本質的差異，進行人工智能的自適應模式識別，可以較為可靠地進行遠程目標探測。

2.3 空間相關性探測

合理選擇垂直陣列上的其中 2個基元與處理器頻段，對兩基元接收的信號進行互相關運算，可使得從遠方目標來的聲信號其互相關系數較大，而本地干擾互相關系數很小，進而探測是否存在目標。

相干多途信道用線性時不變?yōu)V波器來描述。點源聲場時空相關的理論模型如圖6所示。

圖6 相干信道互相關模型Fig.6 Cross-correlation model of coherent channel

從聲信道理論的觀點看，在聲源和接收點1之間的海洋被看作一個濾波器，它的沖擊響應函數為h（r，t）和H（r，f）[8]，在聲源和接收點 2之間的海洋信道被看作另一個濾波器，它的沖擊響應函數為h（r+ρ，t）和H（r+ρ，f），r與r+ρ為信號到接收點矢徑。

在相干多途信道[9]中，信道的沖擊響應函數為

式中：Ai為第i途徑到達的信號幅度；τoi為第i途徑到達的信號時延；Aj為第j途徑到達的信號幅度；τoj為第j途徑到達的信號時延。

相干信道中2個點之間的互相關就是2個濾波器輸出的互相關，關系如下。

則互相關函數為

圖7是以垂直線列陣為中心，形成從垂直線列陣到水面和垂直線列陣到水底的2個探測圓錐面示意圖。

圖7 互相關探測圓錐面示意圖Fig.7 Conical plane diagram of cross-correlation detection

聲源輻射聲波傳輸到垂直陣列的接收點1、接收點2，存在延遲時間τ。當延遲時間為0時，互相關函數值最大。處理系統預先將接收點2信號延遲時間τ，再與接收點 1的信號求互相關，τ的設定公式為

式中：d為基元間距；c為聲速；θ是以接收點 2為頂點，接收點1與接收點2的連線與接收點2與形成的探測圓環(huán)的連線的夾角，簡稱為仰角。

水下移動目標在接近此圓錐面的過程中，互相關函數值會越來越大，直到觸碰圓錐面，互相關函數值達到最大值。設定動作門限，即可可靠地進行水下移動目標探測。

為提高信噪比增益，進行遠距離低噪聲水下移動目標探測，有必要采取分裂波束法形成指向性波束。將垂直線列陣分成2個子陣，子陣信號相加，各自形成波束再求互相關，基陣增益近似：DI=10lgN，N為形成一個子陣的水聽器基元數。2N個基元等間隔排列，等效基陣孔徑：L=Nd，d為垂直陣列基元間隔[10]。

利用垂直陣列波束預形成技術[11]，原理上仰角θ從90°變?yōu)?，即目標從無窮遠到正橫時，均可以形成探測錐面，設定系列不同的延遲時間τ，則可形成一個個不同仰角的探測圓錐面，相當于形成了一道道警戒網，對水下移動目標進行可靠的警戒探測。

3 結束語

國外水聲技術與水下導航技術水平的不斷提高，使得潛艇等水下移動目標的水下航行隱蔽性越來越高。錨系垂直陣列水下移動目標警戒系統布放回收機動靈活，適應水深范圍廣。時頻瞬態(tài)特性探測和空間相關性探測，提取和利用了環(huán)境與目標在時域頻域及空間上的差異，探測概率高，計算相對簡便，是對水下移動目標實時預報預警的有力手段。錨系垂直陣列也可用于海洋環(huán)境水聲數據資料收集，用于水下水聲信息網絡的建設[12]。