南中国海“G-Argo”声学浮标目标探测能力分析*

王 超 孙芹东 张 林 张文清 田德艳

(1 海军潜艇学院 青岛 266199)

(2 青岛海洋科学与技术国家实验室 青岛 266237)

0 引言

1998年，美、日等国的海洋科学家提出了全球海洋实时观测计划，即Argo计划，构想用3～5年时间在全球大洋中每隔300 km布放一个自动剖面浮标用于获取海洋内部2000 m深度以浅的次表层海流、温度和盐度等资料。这些资料的利用有利于提高对全球气候变暖和海平面上升的预报精度，加深能量和水分平衡过程的了解，揭示海-气相互作用的机理以及提高对长期天气预报和短期气候预测的能力等[1]。

近年来，随着新型传感器技术及水声信号处理的发展，水下无人平台的军事应用得到了高度重视[2-8]。20世纪50年代，被动定向、主动定向和全向声呐浮标相继出现，使得声呐浮标成为海军在侦察敌方潜艇和反潜预警系统中广泛使用的设备。20世纪70年代，美海军将矢量传感器成功应用在声呐浮标上，矢量传感器的应用进一步提高了声呐浮标的探测精度。

2014年，中船重工第710所研制了一型探测定位浮标和记录浮标，为了缩短研制周期，降低研制成本和研制风险，该浮标是基于深海型Argo剖面浮标为平台设计的，该型浮标从工作原理和性能指标得到了初步的认定，但没有得到充分验证。

从2016年开始，青岛海洋科学与技术国家实验室和中船重工第710所通过对现有“HM2000”浮标平台进行全新设计，对矢量水听器设计、水下动平台矢量水听器应用技术、低噪声目标自主探测技术等关键技术进行了攻关，目前已经成功研制出了国内第一个具有目标探测功能的多剖面“G-Argo”水下声学浮标平台原理样机，并开展了水下声学浮标平台消声水池验证测试试验和浅海适应性试验。为进一步验证“G-Argo”水下声学浮标目标探测性能，于2018年5月在南中国海1500 m海深区域开展了为期5天的验证试验，试验期间声学系统水下无故障连续工作时间大于100 h。

1 声学浮标平台和数据处理方法

1.1 “G-Argo”水下声学浮标

“G-Argo”水下声学浮标平台主要包括浮标平台分系统和浮标声学探测分系统两大部分。其中，浮标平台分系统主要由5个部分组成，包括主壳体、驱动装置、控制、通信、电源等。主壳体部分主要用来承受外部水压，保证设备密封耐压；驱动装置部分主要用于调节浮标浮力；控制部分用于控制液压装置、采集深度信息、控制浮标漂流深度、与声学探测部分通信、系统电源管理等；通信部分用于北斗卫星通信、GPS定位和AIS数据接收；电源部分用于系统供电。浮标声学探测分系统主要由3个部分组成，包括矢量水听器[9-10]、多功能信号处理机、小型化AIS接收机，主要用于水下低噪声目标信号探测与跟踪。

1.2 数据处理方法

“G-Argo”水下声学浮标平台声学探测系统采用单矢量水听器加窗直方图算法进行目标方位估计。加窗直方图算法是基于复声强器的一种统计方法，即在声压与质点振速共轭互谱的基础上对处理频带内的每一频点都进行方位估计，把全方位360°每隔1°或0.5°分成若干个方位区间，将计算频点的估计方位按频点数统计在相对应的方位区间里，然后找出频点数最大值对应的方位即为目标估计方位，这种方法称为直方图统计法。在实际应用中，为增强矢量水听器对弱目标的检测能力，需通过时间累积的方式即时间加窗来提高矢量水听器的处理增益，但累积时间的长度不宜太长或太短，累积时间太长对于方位变化率较快的目标会产生较大的方位估计偏差，累积时间太短则信号处理增益太小。本文采用5 s时间窗进行数据处理，处理频段为100 Hz～3 kHz，单次计算FFT时间长度为1 s，FFT处理时间窗滑动时间间隔为0.25 s，得到17组声强流谱，平均后用直方图统计方法进行方位估计，这种通过时间加窗处理的方法称为加窗直方图法，该方法的计算流程如图1所示。

图1中i=1,···,17，乘法器的作用是对矢量水听器接收到的水声信号进行滤波，Filter(f)为1024阶FIR带通滤波器系数的傅里叶变换，θ(f)的计算表达式为

图1 加窗直方图方位估计流程图Fig.1 The flow chart of windowed histogram orientation estimation

由式(1)可以看出，通过式(1)计算出的目标方位与频率f有关，不同频点处的目标方位估计值不同，通过加窗直方图估计目标方位的方法可以将环境中存在的窄带干扰和强线谱干扰抑制，但当环境中存在多目标且辐射噪声频率相互重叠时，加窗直方图方法则无法得到各目标的真实方位，只能获得各目标声能流的合成方位，此合成方位会偏向强度较大的目标方位。直方图方位统计是将目标估计方位θ(f)按频点数统计在相对应的方位区间里，如果按1°划分方位区间，则有

其中，[]表示取整运算，如果θ(f)≤ 0，则加360°，使目标估计方位落在合理区间[1°360°]上。φ为方位估计在各个角度处的频数，其最大值对应的角度值即为目标估计方位。

2 数据处理结果分析

2018年5月，在南中国海1500 m海深区域开展了为期5天的多台水下声学浮标探测性能验证试验(以下试验结果选用5月某日的试验数据)，试验期间海况较好(约为2级)，采用1/3倍频程方法计算得到的海洋环境噪声谱级约为54 dB@1 kHz，如图2所示。图3给出了用温盐深仪测量得到的声速剖面，图3中红色实线为实际测量结果，蓝色虚线为历史数据拟合结果，可以看出，在海深30 m以内是均匀层，30～600 m为负梯度。试验期间用船载AIS接收机接收周围航船信息。

图2 试验期间海洋环境噪声谱级Fig.2 Ambient noise level during the test

图3 试验期间声速剖面Fig.3 Sound velocity profile during the test

图4 G-Argo-1#浮标平台与试验船相对位置Fig.4 Relative position of G-Argo-1#buoy platform and test ship

图4给出了G-Argo-1#水下声学浮标平台与试验船相对位置，G-Argo-1#浮标平台06:07时刻布放入水，14:21时刻上浮至水面，水下连续工作时长约8 h，期间浮标平台沿327°方向漂离布放位置点约8 km，浮标平台漂移速度平均约为0.5 kn。GArgo-1#浮标平台声学系统06:28时刻上电启动开始工作，此时浮标平台深度50 m，下潜用时21 min。浮标平台声学系统14:09时刻断电停止工作，之后便排油上浮，此时浮标平台深度71 m，上浮用时12 min。G-Argo-1#浮标设置漂移深度100 m，容差±50 m，即浮标平台在50～150 m之间电机不工作，浮标深度大于50 m后声学系统上电启动工作，图5给出了G-Argo-1#浮标平台声学系统工作期间平台深度随时间变化情况，由图5可以看出，G-Argo-1#浮标平台在整个定深漂流工作阶段的深度基本稳定在75 m左右。

图5 浮标平台深度随时间变化Fig.5 Buoy platform depth changes over time

图6给出了G-Argo-1#浮标平台声学系统计算输出的试验船(船长40 m、船宽8 m、吨位约600 t)方位历程与GPS方位历程对比及试验船相对于G-Argo-1#浮标平台距离历程，图7是G-Argo-1#浮标声学系统计算输出的试验船方位历程灰度图，浮标平台与试验船在该时间段试验过程中的态势如图4所示。图6和图7试验过程对应时段为09:01-10:14，此时间段内，试验船先远离浮标平台，到距离浮标平台约7 km后再靠近浮标平台，到最近距离约0.4 km后再远离浮标平台，最后到最远距离10.3 km后停车。由图6和图7可以看出，G-Argo-1#水下声学浮标对航速10 kn的试验船目标在整个09:01-10:14时间段内均可完成目标测向，对航速10 kn试验船目标的最远探测距离大于10.3 km，但由于浮标平台推算位置点存在偏差，因此目标估计方位与GPS真实方位间存在一定偏差，特别在距离较近的位置点附近，方位偏差相对较大。

图6 试验船估计方位与GPS真实方位对比及距离历程Fig.6 Test ship estimation orientation and target true GPS azimuth comparison and distance over time

图7 试验船方位估计历程灰度图Fig.7 The grayscale of ship noise estimation azimuth

图8给出了G-Argo-1#浮标平台在10:31-13:35时间段内声学系统计算输出的航船噪声估计方位历程与GPS真实方位历程对比，以及试验船相对于G-Argo-1#浮标平台距离历程和船载AIS接收机接收到的MMSI号为412461570(船长87 m、船宽14 m、吃水25.5 m)的工程船相对于G-Argo-1#浮标平台距离历程。图9是G-Argo-1#浮标声学系统在10:31-13:35时间段内接收到的航船噪声估计方位历程灰度图，图10为浮标平台与试验船和工程船相对运动态势图。通过查看船载AIS接收机在 10:31-13:35时间段接收到的AIS信号，发现在10:31-13:35时间段内共有4艘工程船经过浮标平台，分别为：MMSI号为412461570的工程船，航速6.4 kn，航向149°；MMSI号为412480414的工程船，航速6.1 kn，航向146°；MMSI号为412480368的工程船，航速8.9 kn，航向153°；MMSI号为412468067的工程船，航速8.4 kn，航向148°。其中MMSI号为412461570的工程船距离浮标平台较近，经与该工程船发送的GPS信息比对，G-Argo-1#浮标平台在10:31-13:35时间段内可全程探测该工程船并给出其方位，由于13:35时刻G-Argo-1#浮标平台的声学系统断电，平台开始排油上浮，浮标平台声学系统没能接收到该工程船更远距离的航行噪声信号。由以上分析可知，G-Argo-1#水下声学浮标对MMSI号为412461570、航速6.4 kn的工程船目标最远探测距离大于19.3 km。

图8 航船估计方位与GPS计算方位对比以及利用GPS数据计算的目标距离历程Fig.8 Comparison of estimated position and GPS position of the ship and GPS calculated target distance history

由图8和图9可以看出，10:31-11:53时间段内，在G-Argo-1#浮标160°和335°方位附近存在两个噪声信号，且335°方位附近噪声信号较强，经与试验船GPS比对分析和查看船载AIS接收机接收到的AIS信号，确定160°方位附近噪声信号对应试验船目标，试验船在10:35-11:35时间段内航向340°航速10 kn航行，当试验船距离浮标平台小于2 km时，G-Argo-1#浮标平台声学系统接收到的试验船噪声信号强于工程船噪声信号，而在其他时间段，工程船噪声信号则强于试验船噪声信号。

图9 航船噪声估计方位历程灰度图Fig.9 Ship noise estimation azimuth history gray map

图10 浮标平台与试验船和工程船的相对运动态势Fig.10 Relative position of buoy platform and test ship and engineering ship

图11给出了G-Argo-5#浮标平台在10:55-13:00时间段内声学系统计算输出的航船噪声估计方位历程与试验船、MMSI412461570工程船、MMSI477002900集装箱船(船长128 m、船宽21 m、吃水5 m)和MMSI563849000集装箱船(船长151 m、船宽25 m、吃水8.8 m)的GPS计算方位历程对比，以及各航船相对于G-Argo-5#浮标平台的GPS数据计算距离历程。图12是G-Argo-5#浮标声学系统在10:55-13:00时间段内接收到的航船噪声估计方位历程灰度图，图13为该时间段内各船只的相对运动态势图。

通过查看船载AIS接收机在10:55-13:00时间段接收到的AIS信号，发现浮标平台附近只有MMSI477002900集装箱船、MMSI563849000集装箱船和试验船，而没有发现工程船的AIS信号。10:55-13:00时间段内工程船的位置点是通过13:34时刻工程船的位置点、航向、航速及船讯网搜索工程船历史航迹综合推算得出的，工程船在10:55-11:21时间段内航速6.4 kn、航向4°，11:21-13:00时间段内航速6.4 kn、航向233°。在10:55-13:00时间段内，MMSI477002900集装箱船航速12 kn、航向190°，MMSI563849000集装箱船航速14.5 kn、航向212°，试验船在10:55-12:28时间段内航速10 kn、航向160°，12:28-13:00时间段内试验船停止。

由图11和图12可以看出，10:55-11:12时间段内，G-Argo-5#浮标声学系统主要接收工程船噪声信号，根据GPS数据计算方位确定为工程船目标，此时间段工程船距离浮标平台最远达42.8 km(11:12时刻)，此时工程船与浮标平台距离较远，浮标声学系统接收工程船目标信号信噪比较低，因此目标估计方位的均方根误差较大(约30°)。11:12-11:54时间段内，G-Argo-5#浮标声学系统主要接收试验船航船噪声信号，根据GPS计算方位确定为试验船目标，由于浮标推算位置存在偏差，因此试验船目标计算方位与GPS数据计算给出的真实方位间存在一定偏差，此时间段内试验船距离浮标平台最远11 km(11:12时刻)。11:54-12:45时间段内，G-Argo-5#浮标声学系统主要接收集装箱船(MMSI477002900)噪声信号，根据GPS数据计算方位确定为集装箱船(MMSI477002900)目标，此时间段集装箱船(MMSI477002900)距浮标平台最远距离为15.8 km(11:54时刻)。12:45-13:00时间段内，G-Argo-5#浮标声学系统根据GPS数据计算方位确定为集装箱船(MMSI563849000)目标，此时间段集装箱船(MMSI563849000)距浮标平台最远距离为24 km(1300时刻)，同时在11:57-13:00时间段内，浮标声学系统也可计算出工程船目标方位，此时间段工程船距浮标平台最远距离为36.4 km。由以上分析可知，G-Argo-5#浮标对船长40 m、船宽8 m、吨位约600 t、航速10 kn的试验船目标的最远探测距离大于11 km；对船长87 m、船宽14 m、吃水25.5 m、航速6.4 kn的工程船目标的最远探测距离可达42.8 km；对船长128 m、船宽21 m、吃水5 m、航速12 kn的集装箱船目标的最远探测距离大于15.8 km；对船长151 m、船宽25 m、吃水8.8 m、航速14.5 kn的集装箱船目标的最远探测距离大于24 km。

图11 航船估计方位与GPS数据计算给出的方位对比以及GPS数据计算给出的目标距离历程Fig.11 Comparison of estimated position and GPS position of the ship and distance history

图12 航船噪声方位估计历程灰度图Fig.12 Ship noise estimation azimuth history gray map

图13 浮标平台与试验船和附近航船的相对运动态势Fig.13 Relative position of buoy platform and test ship and nearby ship

3 结论

2018年5月在南中国海海区组织的水下声学浮标试验结果表明：“G-Argo”水下声学浮标对海上目标具有良好的探测性能，可作为一种行之有效的声学探测手段，快速形成大面积区域目标探测能力，其研制成功可在一定程度上缓解我国水下信息获取手段的不足，有利于提升我国水下无人平台军事应用能力，促进海洋科学研究进步。