水下平台声学兼容性技术综述

葛锡云，周宏坤，郭杨阳，魏柠阳

(中国船舶科学研究中心深海载人装备国家重点实验室，无锡 214082)

0 引 言

随着国内外水下载人、无人平台技术的发展，以探测作业为主要使命的水下平台受到越来越多的关注。这一类水下作业平台通常搭载大量的水下声学设备，以实现探测、通信、导航等功能。当多型声学设备同时工作时，会受到海洋环境噪声、站体噪声以及相互之间的声干扰，包括同频干扰和带外干扰，从而造成探测数据跳变、误报以及目标图像无法识别。因此需要对全平台声学设备进行兼容性研究与统筹设计，包括声学设备性能分析、声学设备参数选型、声学设备在水下平台上的布置位置及声学设备的工作时序等。声学兼容性研究与设计的目的是最大限度地降低环境对设备、平台对设备、设备对设备的影响，并将各声学设备的性能发挥到最佳，提高水下平台探测作业的效能。

1 概 述

声学兼容性主要考虑的因素包括海洋环境噪声、平台辐射噪声以及设备水声兼容性。

1.1 海洋环境噪声

海洋环境噪声对声学设备的影响不可忽略。虽然深海的噪声水平要比浅海小得多，但是深海大型载人平台时常需要和水面母船或作业潜器进行水声通信、定位和探测，声波经过近水面区域会受到较强烈噪声干扰，这种干扰只能从信号处理的角度进行降噪处理。

在水声学[1]中，噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义，而噪声的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了噪声各频率分量的平均强度。海洋环境噪声级可表示为

(1)

式中：IN为水听器工作带宽内的噪声总声强；I0为参考声强。

(2)

式中：f1，f2是水听器工作带宽上下限频率；I为带宽Δf=f1-f2内的总声强。

假设在水听器工作带宽内噪声谱S(f)和水听器相应都是均匀的，则式(1)和式(2)可以表示为

IN=S·Δf

(3)

(4)

工程上，将水下噪声场看作各向同性的，考虑到各种噪声源本身具有指向性、噪声源在海水介质中具有某种空间分布和海洋传播条件等方面的原因，水下噪声是具有指向性的。

1.2 平台辐射噪声

深海大型载人平台所辐射的噪声对声学设备会产生干扰，包括典型水下航行体固有的三大噪声(机械噪声、推进噪声、水动力噪声)。深海大型载人平台的推进器、水泵、液压机构等设备的机械噪声属于辐射噪声的主要来源。这些辐射噪声首先会破坏深海大型载人平台的隐蔽性，然后有可能引爆某些水中兵器，最后会严重对深海大型载人平台上的声学设备造成严重干扰，甚至使其无法正常工作。

辐射噪声强弱一般用被动声呐方程中的声源级SL来描述，它定义为水听器声轴方向上据源的声学中心1 m处的声强与参考声强之比的分贝数。

辐射噪声是众多噪声源的综合效应，这些源有推进器、转动和往复式机械、各种泵等，它们产生噪声的机理各不相同，因此辐射噪声的谱线形状也比较复杂。

1.3 设备的水声兼容性

水下平台上安装了多型主被动声学设备，如图1所示。在水下航行和作业过程中，这些主被动型声学设备需要同时工作。一部主动型声学设备发射的声脉冲会干扰其他声学设备的接收，而且通常这种干扰是非常强烈的。

图1 水下平台声学设备频率分布图

设备水声兼容性特指水声仪器设备之间的声场兼容。在空间或时间上，水声设备同时工作时，通过采取各种措施，使得它们相互不影响或者使其影响控制在不影响水声设备使用效能达到所要求的标准之下，仍能有效协调地进行工作的能力。声学设备兼容性研究内容如下： 编队内部各平台之间的水声设备兼容；同一平台上不同设备之间的声场兼容；同一设备内部各个通道之间的兼容[2]。

声学设备受到干扰时，轻者回波信号串入毛刺、尖刺，影响目标识别和目标特性研究；重者回波淹没于干扰信号，无法进行信号分离；更严重的是，当干扰信号能量远大于回波时，超出了声学接收机的检测阈，导致声学设备停止工作[3]，如图2和图3所示。

(a) (b)

(a) (b)

当设备A同时接收到设备B发射的声波和目标回波时，可通过经验公式[4]计算两者的传播损失：

TL=60+18.6lgR+αR

(5)

式中：R为接收点和声源之间的距离；α为吸收系数。

则设备B发射声波和目标回波的传播损失分别为

TLecho=60+18.6lgRecho+αARecho

(6)

TLdirect=60+18.6lgRdirect+αBRdirect

(7)

式中：Recho为设备A和目标之间的距离；Rdirect为设备A和设备B之间的距离；αA、αB为吸收系数，这里可以认为两者相同。

从图4中可以看到，当设备A和设备B发射同频信号时，目标回波的传播损失比设备B直达波的传播损失大几十甚至上百分贝。

图4 两设备发射同频信号时目标回波和设备直达波的传播损失

2 国内外研究现状

2.1 声学设备兼容性早期研究

国内外可查的声学兼容性文献数量有限，最早出现在20世纪90年代，主要研究内容包括声学兼容性的产生、抗干扰措施等。

1) Thalassa Ⅱ考察船实验

该实验是由法国国家海洋研究机构和法国土伦大学联合开展的一次声学兼容实验，实验基于一艘新建的考察船Thalassa Ⅱ，研究目标是测量不同设备之间声学兼容性。该实验年代比较久远，针对声场不兼容采用的解决方法主要是滤波和分时工作，其实验结果表明，40%的不兼容可通过滤波消除，85%的不兼容可通过分时工作消除[5]，如表1所示(横表头和列表头均表示参与实验的声学设备，横表头为被干扰设备，列表头为干扰设备)。

表1 标准设备间的声场兼容性(有底纹表示声场不兼容)

2) 国内某型监听船实验

某型监听船装备的声学设备包括声学海流剖面仪、普航测深仪、万米测深仪、垂直发射阵、拖体发射阵、海底成像声呐等，各个设备同时工作时会出现如下现象：

(1) 海流剖面仪、测深仪和低频大功率换能器同时工作时，受到水中辐射和间接干扰导致设备不稳定。

(2) 普航测深仪和低频大功率换能器同时工作时，干扰源级越高，测深仪越快达到满量程。

(3) 海底成像声呐和低频大功率换能器同时工作时，回波信号发生调制，当指向性比较尖时，受到的干扰较小。

2.2 电磁兼容性与水声兼容性的研究现状

针对水下声学设备间的相互干扰和兼容性，目前已开展很多研究，抑制相互干扰的方法主要有频分法、时分法、波分法和空间分置法[6-8]。

在水声兼容性中，供电干扰影响较小，可以忽略，主要为水声信号相互干扰。电磁兼容性主要按照单个设备提出电磁兼容性要求，然后对系统电磁兼容性进行设计。在水声兼容性中，多种设备均在频带有交叠情况下工作，无法参照电磁兼容性对单个设备提出的要求，只能在系统设计方面尽量减少相互干扰。电磁兼容性在抑制电磁信号干扰方面，要求频带没有交叠，频带较窄，超出频带信号衰减较快[9-10]。在水声兼容性中，各设备使用频带会有交叠现象，且出于水下环境复杂、水下环境噪声与设备频带有交叠以及混响等多种原因，水声设备频带外信号衰减较慢，与电磁兼容性差异较大。电磁兼容性对各个噪声源数据进行分析，并进行兼容性设计的方法可以供水声兼容性参考，应对水下主要噪声源进行归纳，使用水声信号应规避相应噪声源频带。电磁兼容性对所用不兼容情况进行统计，并找出相应的解决方案，水声兼容性肯定也存在不兼容情况，应对不兼容情况进行分析总结，并参照电磁兼容性标准制订水声兼容性检测表。水声兼容性对设备安装位置敏感性较大，水声兼容性系统设计应比电磁兼容性设计更合理地配置设备。

3 关键技术

声学兼容性设计的重点内容是计算研究声学设备的特性规律，对单台声呐的参数进行合理设计，使多部声呐能够同时工作且彼此的影响最小，提高声学设备的探测作业效能。因此，声学换能器基阵的安装位置、工作频率、优先级、启闭时间等，都需要进行统筹考虑。

基于现有水面舰艇水声兼容理论和电磁兼容理论，结合通过深海声传播特性，深海海底散射特性，以及声呐基阵波束特性，建立声呐设备时域、频域、空域的工作模型，开展声学设备关键参数测量，研究声干扰机理以及抗干扰的技术途径，声学兼容性设计框架如图5所示。

图5 声学兼容性设计框架

(1) 总体建模技术。

声学设备不兼容现象一般是在设备使用和实验过程中发现的，这种现象一般需要通过实验进行研究。同样，水声抗干扰措施的有效性也需在设备使用和实验过程中得到验证，但考虑到购买大量水声设备和开展海洋实验需要耗费巨大的经济成本，实验之前可利用建模仿真方法进行充分的论证。

水下平台声学兼容性仿真涉及声学设备本身的发射/接收特性、声学设备的作用距离、海底声散射特性，以及声学设备的信号处理算法等，是一项涉及较多物理模型的模拟技术，对所涉及的各个物理模型的正确建模与对模型参数合理预估，决定了仿真的准确性，是需要突破的关键问题之一。

(2) 声干扰现象识别与诊断技术。

声兼容设计的首要任务是声学干扰现象的识别与诊断。声学设备受到干扰时，轻者回波信号串入毛刺、尖刺，影响目标识别和目标特性研究，如图6所示；重者回波淹没于干扰信号中，无法进行信号分离；更严重的是，当干扰信号能量远大于回波时，超出了声学接收机的检测阈，导致声学设备停止工作，因此声干扰现象识别与诊断是声兼容研究工作的基础。

图6 多普勒计程仪对侧扫声呐产生干扰

(3) 声兼容模型试验技术。

水下平台可工作在深达千米的深海，深海环境下声学设备声学特性与浅水环境也不尽相同，因此如何使声兼容模型湖上试验的结果同样适用于水下平台是声兼容设计试验环境一个关键问题，如图7所示。

图7 高频声学兼容性试验

(4) 声学设备兼容性设计。

声学设备兼容性研究内容包括水下平台之间的水声设备兼容，同一水下平台上不同设备之间的声场兼容，以及同一设备内部各个通道之间的兼容。声学设备兼容性设计需要合理选择声学设备的指标参数，合理布置声学设备的空间位置，合理分配声学设备的工作时序。在计算仿真和湖上试验数据的基础上，建立声学设备抗干扰技术和空配置优化方案，保证声学设备在水下平台上达到预期效能。

4 结 语

本文分析了水下平台声学兼容性主要的影响因素，对国内外声学兼容性研究现状及进展进行了梳理，提出了水下平台声学兼容性的关键技术。通过声学兼容性总体建模技术研究，考虑水下声学特性及水下搭载声学设备性能特性，建立声学设备兼容性设计技术。对单台声呐的参数进行合理设计，使多部声呐能够同时工作且相互间的影响最小；形成单台/套声学设备声学特性测试评估方法，对声学设备的兼容性提出具体技术要求。