浅海背景噪声低频矢量特征观测系统设计

刘 洋， 杜敬林， 李 然

(大连测控技术研究所， 辽宁 大连 116013)

0 引 言

海洋背景噪声场的时空相关结构、 空间方向性等特性是影响水听器及其阵列输出增益的主要因素之一， 也是影响水中弱信号提取的主要因素. 矢量水听器具有自然指向性， 且与频率无关. 近年来， 随着对矢量水听器、 矢量声场及矢量信号处理等课题的研究逐渐深入， 矢量水听器应用已成为水声领域中一种新的发展趋势， 主要应用于海洋背景噪声研究及目标探测等领域.

矢量水听器的优势突出体现在低频声学探测中， 但限制条件也较多， 如流噪声干扰、 机械振动干扰等， 针对实际测试环境需对导流、 减振及姿态监控等系统进行优化设计. 本文针对浅海背景噪声低频矢量特征观测的需求， 重点对座底式矢量接收系统进行了设计与研制， 为浅海背景噪声矢量特征观测提供支撑. 系统针对复杂海况下长时间系统性观测的需求， 设计了满足大容量存储和高速无线网络传输需求的电声观测系统.

浅海背景噪声低频矢量特征观测系统基于矢量潜标形式， 系统示意图如图 1 所示. 潜标基于低频同振组合传感器， 利用多级减振机构和姿态监控设计减弱低频振动和海流的影响， 应用与海水介质密度相当、 透声性能良好的碳纤维材料外壳， 减少流噪声干扰并保证潜标的透声率. 潜标内置信号采集和数据传输模块， 数据和控制指令可通过自持式通讯浮标， 发送给岸基站或测量船， 潜标与通讯浮标缆连接端进行减振设计， 减小浮标运动对矢量传感器的干扰.

图 1 浅海环境噪声矢量特征观测系统框图Fig.1 Block diagram of vector characteristic observation system of ambient noise in shallow sea

1 矢量潜标设计与研究

矢量潜标作为一种重要的矢量传感器载体， 其结构设计对于减小海流和振动影响， 发挥矢量传感器声学性能具有至关重要的作用. 矢量传感器对低频震动与水动力噪声具有较高的灵敏度， 潜标所处海底附近的水流会产生伪声或真声， 并对壳体产生振动使矢量接收通道受到强烈干扰， 需要在潜标外形、 传感器安装方式及悬挂系统设计中着重考虑. 另外， 矢量传感器对方向指向也有要求， 需要潜标结构在水中稳定布放， 并对传感器姿态进行监视.

矢量传感器对低频振动与水动力噪声具有较高的灵敏度， 在不利情况下， 矢量传感器通道输出端的干扰级要比声压通道输出端的干扰级高出30～40 dB. 尤其是在100 Hz以下频段， 始终存在较高干扰， 分析及抑制这种干扰十分复杂， 通常这种干扰与流速、 声接收器及导流罩形状、 接收系统悬挂系统等有关.

1.1 流噪声分析

由于介质扰流时的紊流特性， 接收系统会产生振动， 这种振动沿着结构元件传递到传感器成为干扰. 此外， 除了振动产生的干扰， 传感器还会接收到水流中紊流产生的伪声和真声.

当扰流速度变化时， 不同流速范围内会使自振、 静止带和摆动接收器的扰流状态发生改变. 在一定的迎面流速范围内， 扰流体将发生稳定振动. 研究发现： 物体的振动频率接近它的固有频率， 并从物体分离漩涡的频率向物体振动频率调整. 因此， 声接收器悬挂谐振频率设计尤为重要. 很低的谐振频率会引起漩涡分离频率加倍， 而悬挂频率与漩涡分离频率一致时， 则会导致谐振现象.

在估算自然流对固定不动接收系统的作用时， 将噪声形成的机理归结为漩涡从壳体上分离并形成卡尔曼漩涡. 漩涡分离频率在很大程度上与迎流面流速有关， 可以用一致的斯特劳哈尔表达式来描述

(1)

式中： 2a为物体的特征尺寸；Sh为斯特劳哈尔数. 式(1)确定了作用于声接收器上的声波波长.

于是可以用频率为ω=2πf和体积速度为Q0的位于球极点的声源产生的声压来估计分离漩涡对接收器的作用：

(2)

增大接收器直径时， 声接收器对扰流噪声近场的敏感性急剧下降. 例如， 柱形声压接收器尺寸增大2倍， 接收器输出端扰流噪声相对减少6 dB， 球形声压接收器直径增大2倍， 扰流噪声减小9 dB.

1.2 悬挂系统分析

由同振水听器的工作原理可知： 实际应用中传感器需要采用弹性元件将其悬置于大质量框架中， 再将框架置于水下声场中. 在水中， 带悬挂装置的同振式矢量传感器可看做弹簧-质量机械振动系统.

图 2 悬挂装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of suspension structure

图 3 悬挂装置对振速影响的计算Fig.3 The calculation of the effect of the suspension device on the speed of vibration

假设矢量水听器在水中为中性浮力， 对悬挂系统进行受力分析， 得到

(3)

式中：

(4)

悬挂系统对矢量水听器振速通道的影响取决于γ的值，γ是关于悬挂系统几何与物理参数的函数，γ越大， 悬挂系统对振速通道影响越大. 典型参数的计算如图 3 所示.

根据机械振动理论， 计算出水中带悬挂装置的传感器谐振频率为

(5)

可见， 水中带悬挂装置的传感器谐振频率不仅与接收器参数有关， 还与悬挂系统参数有关. 选择较小的弹簧劲度系数可以获得较低的谐振频率. 结合理论计算， 设计出图4中的悬挂框架结构， 再选用一定弹性系数的橡皮筋构成矢量传感器悬挂系统， 可有效降低机械振动带来的干扰.

1.3 潜标结构设计

图 5 矢量潜标结构示意图Fig.5 A schematic diagram of the structure of a vector submersible

潜标主体如图 5 所示， 包括： ① 基座与支架; ② 水下电子舱; ③ 铅坠; ④ 矢量传感器框架组(包括低频矢量传感器框架和高频矢量传感器框架); ⑤ 低频矢量传感器; ⑥ 高频矢量传感器； ⑦ 低频传感器二级阻尼减震系统; ⑧ 低频传感器一级阻尼减震系统; ⑨ 标准水听器; ⑩ 导流罩;罗经.

低频矢量传感器采用低频传感器一级阻尼减震及低频传感器二级阻尼减震， 安装在低频矢量传感器框架中， 框架间及框架与外壳固定处加入隔震用硬质橡胶阻尼材料.

标准水听器、 低频矢量传感器均布设于导流罩内， 导流罩经过流体力学设计， 确保消除海底附近传感器周围水流的运动， 导流罩固定于支架上， 并通过隔震材料与基础连接固定于海底附近， 消除从底部传导到传感器的振动.

1.4 采集传输模块设计

信号采集模块以ADSP-BF548系列Blackfin处理器为核心， 融合了基于多模态的低功耗设计、 程控信号调理设计等技术手段.

为满足长时间系统性观测的需求， 设计了包括待机、 指令通信、 数据传输、 数据采集、 实时采集传输等多种工作模态， 可通过远程指令控制设定或预设方案执行， 结合电量监视和光伏充电技术， 有效保证系统续航性能.

为提高接收信号的信噪比和扩展采集量程动态范围， 系统采用基于可编程放大器的动态增益控制设计. ANAlOG DEVICES公司的AD8231型零漂移数字可编程仪表放大器可配置1～128倍增益， 提供80～110 dB的电源抑制比， 满足海洋环境噪声观测要求.

2 通讯浮标结构设计

通讯浮标用于接收来至岸基的控制指令和回传数据， 满足潜标的供电和续航要求. 控制指令通过无线数传设备， 采用RS-232通信协议实现信号采集模块工作模式、 采样参数设置， 以及罗经、 风速、 流速、 工作状态等信息的回传. 采样数据可通过无线网桥设备， 采用以太网通信协议上传至岸基端(默认保存在水下本地， 需要时进行远程数据读取)， 同时可实现水下程序的远程升级.

天线需架离水面并尽量保持姿态稳定， 然而实际观测中遇到高海况环境时， 浮标系统在受风力作用及波浪激励下发生横摇摆动， 另外， 水下部分受海浪作用也会影响浮标系统的姿态， 天线的摇摆运动会直接导致天线通讯质量下降， 造成通讯误码， 缩短通讯距离. 如何设计浮标结构， 对高海况下天线的姿态进行有效稳定， 减小风浪影响是发挥浮标通讯性能的关键技术. 浮标总体示意图如图 6 所示， 浮标标杆结构图如图 7 所示. 图 6、 图 7 中： 1标杆、 2浮球安装点、 3浮球、 4太阳能板、 5电子舱、 6转接法兰、 7标杆、 8万向节、 9天线固定架、 10天线.

利用标体下端电子舱的自身重力对浮标的横摇作用进行抵消， 保持天线稳定， 满足高海况下的远距离传输需求. 图 7 中， 万向节设计将起到关键作用.

图 6 浮标结构图Fig.6 Buoy structure diagram

3 试验结果分析

实际观测中， 系统布放于距离观测站约3.5 km距离处， 采用间歇式工作方式(如每小时采集20 min)， 获取不同水文条件、 气候条件以及多个季节的海洋环境噪声数据.

图 8 浅海环境噪声矢量特征观测系统布放示意图Fig.8 Sketch map of vector observation system for environmental noise in shallow sea

通过分析实测中获取的20～1 000 Hz海洋环境噪声数据， 用功率谱估计的方法给出高低频矢量传感器的声压及振速正交分量的自谱估计， 得到海洋环境噪声声压谱级Sp2(f)和海洋环境噪声振速谱级SVx2(f),SVy2(f),SVz2(f)， 见图 9 (谱级量值以某一参考级给出).

图 9 20～1 000 Hz海洋环境噪声声压与振速1/3Oct谱级Fig.9 20～1 000 Hz ocean ambient noise pressure and vibration velocity 1/3Oct spectrum

4 结 论

本文针对浅海背景噪声低频矢量特征观测的需求， 对座底式矢量接收系统进行了设计与研制. 理论分析了矢量传感器在扰流环境下的平台噪声产生机理， 重点针对实际测试环境需求对导流、 减震及姿态监视系统进行了优化设计， 针对复杂海况下长时间系统性观测的需求对大容量高速无线传输网络技术的电声观测系统进行了设计， 为浅海背景噪声低频矢量特征观测提供技术手段.