矢量声呐技术理论基础及应用发展趋势

杨德森, 朱中锐, 田迎泽



矢量声呐技术理论基础及应用发展趋势

杨德森1,2,3, 朱中锐1,2,3, 田迎泽1,2,3

(1. 哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨, 150001; 2. 哈尔滨工程大学 海洋信息获取与安全工业和信息化部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨, 150001; 3. 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨, 150001)

相较于传统声呐, 矢量声呐可获得更为丰富的声场信息, 因此该技术得到了广泛应用。文章从物理、数学、信号处理、信息量、低频探测性能以及目标定位方面给出了矢量声呐技术优势的理论基础, 回顾了矢量声呐在自由场条件下的成功推广应用情况, 重点介绍了作者团队在舰载矢量声呐应用中所取得的突破性进展, 理论上解决了典型声障板条件下矢量声呐的应用基础问题, 技术上突破了矢量声呐的适装性问题, 同时展望了矢量声呐未来的发展趋势。

矢量声呐; 声障板; 信号处理

0 引言

声波是目前水下唯一可以远距离传播的辐射形式[1-2]。两次世界大战使人们认识到潜艇在海战中的巨大作用, 随着潜艇技术的不断进步, 水声工程在国家的水下防务体系中越来越不可替代, 在潜艇战和反潜战中具有重要作用。同时, 水声工程在海洋资源开发方面也发挥着巨大作用。

目前水下噪声水平的基本态势为: 一方面, 为追求隐蔽性, 避免被发现, 世界各国潜艇的噪声水平不断降低[3]; 另一方面, 由于人类海洋活动日益频繁, 海洋噪声水平不断增加。这种态势下, 传统声呐的窘状也逐渐凸显: 一方面, 传统声呐只能利用声压的高低, 标量探测越来越困难; 另一方面, 传统声呐装备为了保持对水中目标的探测能力, 工作频率不断降低, 导致基阵孔径不断增大, 庞大的体积和质量也为水中兵器的使用安装和机动性带来困难。传统声呐探测能力提升受到了限制, 迫切需要水下目标探测新原理、新技术的出现。

矢量声呐技术可以空间共点同步拾取声场一点处的声压和质点振速矢量, 突破了声呐设备获取水下声信号长期依靠标量声压水听器的限制, 为我国声呐技术的发展开辟了新的途径。矢量声呐具有设备简单、质量轻、可靠性高、目标探测能力强等一系列优点, 该项技术的出现被诸多水声专家誉为21世纪水声领域的一场革命。矢量声呐技术是声呐技术的一个新发展方向。

1 矢量声呐技术理论基础

3) 信号处理方面: 在传统声呐中, 要不断进行相关运算以提高目标探测能力。而利用标量声压和矢量振速后, 可获得声波的强度量, 利用声波强度即可得到标量与矢量的相关量。由于声压和振速是同时共点获取, 是相关的, 而噪声是不相关的, 这也提高了声强信号的检测信噪比。多年研究数据表明, 探测信噪比可提高10 dB以上。

4) 信息量更为丰富: 根据海洋环境和目标特性, 可分别或组合对声压、振速、振动加速度、位移、声波强度等信息进行检测, 由于信息量的丰富, 对目标探测能力已非仅有声压信号可比, 同时检测结果简洁而准确。

5) 低频探测性能优越: 矢量探测有3个方向的正交通道。每个通道具有偶极子指向性, 这种指向性是天然的, 因此是宽带的, 且与频率无关, 甚至可在次声频工作。对于追求远距离探测采用低频工作的声呐, 面对大波长、不需要大的尺度即可得到指向性, 这点优势在工程上十分重要。

由以上各方面分析可知, 矢量声呐具有多方面巨大优势, 使传统声呐在水下目标探测能力长期徘徊的局面得到改变。

1997年, 杨德森研究团队完成了矢量探测基本理论的建立, 研制成功了我国第一只水下3D矢量传感器。1998年, 在突破这一核心技术后, 进行了首次矢量探测试验。图1和图2是湖试和海试的部分试验结果[10-11]。

2 矢量声呐技术的应用

2.1 矢量声呐技术的国内推广应用情况

2002年以后, 矢量声呐技术得到迅速推广应用, 如新型拖曳阵矢量声呐[12-13]。采用矢量声呐技术后, 探测距离大幅提高, 并彻底解决了原有的左右舷模糊问题[14-15]。再如岸基警戒声呐以及增添和改进的多型声呐设备, 建立了我国自主研发的新型声呐浮标系列、水下弹道声呐、噪声测量声呐、目标识别声呐、水下通信声呐等[16-18], 为部队添置了多项急需的声呐设备。

矢量声呐技术为我国声呐技术带来多方面进步, 我国水下预警技术跃入世界先进水平, 声呐探测性能明显改善, 出现了多型水下警戒声呐。为海上防务(深远海)提供了先进的水下探测技术, 提升了我国海军水下武器的监测与保障能力。在水下声靶、弹道测量、噪声监测等方面形成了海军系列装备。矢量方法实现了对艇外声频散互作用区的感知, 在潜艇声隐身新技术方面也发挥了重要作用。

2.2 舰载矢量声呐技术——声障板条件下矢量信号处理

矢量声呐已经成功应用于低噪声测量系统、海上浮标声呐等水声设备中。然而这些矢量声呐成功应用的原因在于其使用场合为开阔水域, 设备远离海底和海面, 声场条件近似自由场。理论和试验结果已经证明, 在海洋中对于相干源远场, 声压和水平方向质点振速在声传播过程中的幅度起伏平均不超过0.5 dB, 相位起伏约3°~5°[21]。矢量声呐在自由场条件的成功应用, 使得人们在研究和发掘矢量声呐的应用范围时, 自然地要求尽快把矢量声呐能在水面舰船和水下航行器上使用。但是当矢量声呐安装于水面和水下平台时, 由于声障板的存在, 使其工作环境严重偏离了自由场条件, 会导致矢量声呐的性能失效。

早在本世纪初, 研究团队就发现了矢量声呐“声障板效应”引起的矢量探测异常的情况, 如图3所示。杨德森团队经过十余年努力, 对典型声障板条件下矢量探测技术进行了系统研究, 取得了突破性的进展, 初步解决了舰载矢量声呐的应用基础问题[22-27]。

2.2.1 典型声障板水下声散射

以工程实际中经常使用的矩形空气腔声障板和圆柱形空气腔声障板为例, 探讨声障板水下声散射矢量场特性。

1)圆柱形空气腔壳体障板水下声散射

金属密闭的圆柱形空气腔壳体障板是声呐常用的声障板, 如图4所示。对于无限长圆柱壳体, 可以根据壳体运动方程理论, 结合边界条件, 得到声场的严格解析解。对于有限长圆柱壳体, 在声场的形式解中, 存在着如何书写入射声和刚性背景项的问题, 如果写成有限长刚性背景项, 则无法求解; 如果写成无限长刚性背景项, 隐含着观察点的声场值与圆柱壳体长度外的无限长刚性圆柱体的散射声关系不大, 即要求观察点靠近圆柱壳体中部表面。壳体运动采用Donnell方程

圆柱壳体外部流体中的声压场

在自由场条件下, 目标辐射声的声压和振速是同相的, 且声强方向与声源方位一致。由图5和图6可见, 圆柱壳体表面附近声压场表现为圆弧状的复杂干涉结构, 等相位面不再是一个平面, 质点振速方向与声源方位也不再一致。

2) 矩形空气腔壳体障板水下声散射

矩形空气腔壳体障板也是声呐常用的声障板，其外形结构如图7所示。针对金属密闭的矩形空气腔水下声散射特性研究, 有2种典型分析方法: 弹性层系统和数值方法。2种方法各有局限性: 弹性层系统把障板假设为无限大, 忽略了障板有限尺寸的影响, 也就忽略了与障板尺寸有关的模态谐振的影响, 这些谐振峰恰恰大多位于声呐工作频带内; 数值方法无法进行物理机理分析, 不易进行规律总结, 不能够对声障板设计和优化给出指导意见等。针对上述2种典型分析方法的不足, 提出了一种金属密闭的矩形空气腔水下声散射的近似分析模型, 给出了解析解, 并且验证了模型的有效性[27]。

考虑如下物理实际: 矩形空气腔声障板前盖板在入射声波作用下进行振动, 二次辐射的能量分别向水和空气中(声障板内部)辐射, 由于水和空气波阻抗的巨大差异, 二次辐射的能量会主要返回水中, 只有极少部分能量进入声障板内部。进入声障板内部的能量极少, 其后续的一系列复杂的物理过程可不予考虑。因此, 可将3层结构矩形空气腔声障板(钢-空气-钢)简化为单层结构声障板, 板的两侧流体分别为水和空气, 如图8所示。利用分离变量法给出了近似模型的解析解。

不失一般性, 考虑2D情况, 取入射平面波声压为

刚性时, 反射波声压为

由惠更斯第一积分公式, 可得

最后, 经过略显复杂的推导, 可得板下方(介质I)的声压场为

则介质I中总的质点振速可表示为

根据复声强定义, 复声强可表示为

图9为矩形空气腔障板表面附近的声场分布图。可见, 障板表面附近为干涉场, 声压空间分布不均匀, 振速方向不反映信号入射方位, 并且不同位置处的振速方向也不一致。自由场时质点运动轨迹为直线, 并且直线的方向与目标方位一致, 这是自由场时单矢量水听器目标方位估计的物理基础。而在平面障板下, 质点运动轨迹不再是直线, 不能直接用来估计目标方位。

综上所述, 无论是圆柱形障板还是矩形平面障板, 由于声障板的声散射, 声压与振速、振速与振速之间的幅度大小、相位结构都与自由场不再相同, 障板的存在显著改变了声场的矢量相位结构。自由场假设的信号处理方法显然不再适用, 需要建立非自由场下的矢量探测基本理论。

2.2.2 典型障板下矢量信号处理

经典的雷达/声呐最佳时空处理的相关理论表明, 典型条件下的时空最佳接收机皆对时域和空域信号进行匹配处理。对于非自由场条件下的矢量探测问题, 只要能够确定声场中声压和振速的幅度和相位信息, 就能够进行空域信号匹配。

矢量圆柱阵的阵列模型如图10所示。对于圆柱形障板表面的干涉场, 可以将近场干涉图案分解为规则的相位模态域图案, 在相位模态域声压和振速具有确定的相位和幅度关系, 从而实现了圆柱形障板条件下声压振速的联合处理。仿真和试验结果表明, 矢量声呐可用于圆柱形障板条件下, 并且可将矢量声呐的抗噪能力与阵列系统的分辨能力有机结合起来。

平面障板下矢量线列阵模型如图11所示。矩形空气腔障板声散射的声压场和质点振速场的表达式比较复杂, 不利于后续的信号处理, 为此可做一定简化, 将障板的反声特性用一个等效的反射系数来刻画。这样就可以建立起反射系数所表征的矢量舷侧阵阵列模型。基于该模型的矢量信号处理就自然地把声散射纳入考虑内。

开展了平面障板下三元矢量线列阵(见图12)和矢量圆柱阵(见图13)的原理样机湖试试验, 得到了预期结果, 验证了方法的有效性。由图14可见, 和相同阵型的声压阵相比, 平面障板下三元矢量线列阵能够得到更清晰的目标轨迹, 并且没有方位模糊。由图15可知, 由于在相位模态域实现了声压和振速的相干信号处理, 使得矢量阵能够得到清晰的轨迹。

3 水声技术的发展趋势

欧美等军事强国正在积极拓展矢量声呐的应用范围, 比如舰载矢量声呐和岸基矢量声呐。有资料披露, 美国海军在第2批次的新型战略核潜艇“弗吉尼亚”级(SSN-778, 新罕布什尔号, 2008年服役)上开始采用轻型宽孔径阵(the light wei- ght wide aperture array, LWWAA)的舷侧阵声呐, 该声呐即为矢量舷侧阵声呐。另据报道, 英国正在研发应用于核潜艇舷侧阵声呐的新型薄板基阵, 该薄板基阵利用新型橡胶基的防护面板和矢量声呐技术, 基阵厚度将比原来减少30%, 安装空间减少50%。英国将在第5艘“机敏”级核潜艇上使用矢量舷侧阵技术。美、英等海洋军事强国矢量声呐发展趋势表明, 矢量声呐工程化进入了新的阶段。

目前, 对于非自由场下矢量声呐的使用有了全新的认识, 在理论上解决了典型声障板条件下矢量声呐的应用基础问题, 技术上突破了矢量传感器的适装性问题, 应加快新型矢量声呐发展步伐, 充分发挥其技术优势, 尽快形成声呐装备, 改善和提升我国声呐装备的技术水平。

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(责任编辑: 陈 曦)

Theoretical Bases and Application Development Trend of Vector Sonar Technology

YANG De-sen1,2,3, ZHU Zhong-rui1,2,3, TIAN Ying-ze1,2,3

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security Industry and Information Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The vector sonar can obtain more abundant sound field information compared with the traditional sonar, so it achieves wide application. In this paper, the theoretical bases of the advantages of vector sonar technology are summarized from the aspects of physics, mathematics, signal processing, information content, low frequency detection performance and target location. The successful application of vector sonar in free field is reviewed, and the breakthrough made by the authors team in shipborne vector sonar application is emphatically introduced. The basic problem in the application of vector sonar under typical sound baffle condition is solved theoretically, and the suitability of vector sonar is also solved technically. In addition, the development trend of vector sonar in the future is predicted.

vector sonar; sound baffle; signal processing

杨德森, 朱中锐, 田迎泽. 矢量声呐技术理论基础及应用发展趋势[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(3): 185-192.

TJ67; U666.7

A

2096-3920(2018)03-0185-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.001

2018-04-28;

2018-05-25.

杨德森(1957-), 男, 教授, 博导, 中国工程院院士, 研究方向为水下振动噪声测量控制、矢量声学理论及应用.