基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术发展现状与展望

刘子琪，兰世泉，杨绍琼，，吕光伟，吴尚尚，王 超

（1.天津大学机械工程学院，天津 300350；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237）

0 引言

海洋占据了地球71%的表面积，拥有丰富的生物资源、矿产资源和化学资源，是人类社会共有的巨大宝库。海洋对于全球气候变化、生态循环、地质变迁有着重要的影响，与人类生存发展息息相关。在海洋安全方面，由于其天然的地理格局，成为沿海各国重要的国防屏障；拓展生存和发展空间，开发蓝色海洋，已成为世界各国的重要国家战略[1]。响应国家号召，“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”，建设综合国力强大的海洋强国离不开海洋探测与海洋高新技术的大力发展，国家必须要大力发展具有自主知识产权的海洋高新技术装备[2]。

在海洋中，光波和无线电波衰减都非常大，导致传播距离十分的有限，难以满足人类海洋活动，如水下目标探测、通信、导航、制导和定位的需要。与光波和无线电波相比，声波在水中的传播性能要好得多，采用海洋声学技术研发的许多海洋声学装备已成为人类在海洋调查、海洋资源开发、环境监测、气象观测与预报、海洋科学研究和军事活动等方面的重要技术手段[3-4]。

水下滑翔机是一种新型的无人水下潜行器，作为可长时续和大范围应用的无人平台，在海洋声学探测方面具有很大的应用前景。水下滑翔机依靠自身浮力驱动，具有观测范围大、功耗低和隐蔽性高等特点[5-6]。搭载声学传感器及信号处理系统的水下滑翔机，具备海洋环境噪声采集、水声信号采集、声纹识别记录、数据处理及上浮通信等功能，可用于完成特定海域内移动目标自主探测、特征识别和信息回传等任务[7]。

1 水下滑翔机声学探测系统

1.1 国外研究现状

水下滑翔机的概念是1989年由美国海洋学家Henry Stommel首次提出[8]。1991年诞生的第一台Slocum水下滑翔机在美国佛罗里达州完成了深度为20 m的锯齿剖面运动。基于水下滑翔机平台的声学传感器的集成研究，国外开始的比较早且成果显著。2010年5月7日，搭载水听器的Slocum水下滑翔机在西太平洋劳盆地（Lau Basin）北部布放，目标是利用搭载声学探测器的水下滑翔机（如图1），通过机载传感器探测与火山和热液羽流相关的化学和水声信号，搜寻附近其它的火山喷发地点，监测西马塔（West Mata）的海下火山。监测期间记录了随距离变化的声波的振幅，证明了地质变化可以引起该地区噪声水平上升，试验结果表明了基于水下滑翔机平台的水声监测效果可以与水下自主水声测量系统相媲美[9]。

图1 搭载水听器的 Slocum[9]Fig.1 Slocum with hydrophone[9]

美国ANT公司在美国海军研究局（Office of Naval Research，ONR）的资助下开发了一种水下滑翔机，专门用于近海岸环境下的作业 ANT Littoral Glider（如图2，后被美国Exocetus Coastal公司收购），这款水下滑翔机最大的特点就是能够从淡水到全海水进行自动压载，并具有变速能力，使其能够处理高达2 kn（1 m/s）速度的近岸洋流。机体上搭载有 Reson公司的 TC-4033型水听器和Wilcoxon的矢量水听器，以其独特的设计进行浅海的海洋声学探测工作[10]。

图2 ANT公司的浅海滑翔机Fig.2 Littoral glider of ANT

美国斯克里普斯海洋学研究所（Scripps Institution of Oceanography，SIO）和华盛顿大学应用物理实验室（Applied Physics Laboratory，University of Washington，APL），在2003年，联合开发了Liberdade级翼身融合水下声学滑翔机（X-Ray和Z-Ray，如图3）[11]。采用翼身融合结构设计最大程度地实现了功率消耗最小化和翼展水平距离最大化，最大限度地提高了其定位和探测能力[12]。

图3 X-ray 和 Z-ray 水下声学滑翔器Fig.3 Underwater acoustic gliders of X-ray and Z-ray

Z-Ray是X-Ray的升级版，由于体积比较大，可用于搭载战术有关的声学传感器，使其适合于警戒和其他跟踪和探测任务。Z-Ray搭载了一个沿机翼前缘放置的低功率32元素水听器阵列，该阵列由太平洋空间和海军作战系统中心设计和建造，并配备1个来自伍兹霍尔海洋研究所的3通道低（0.01～7.5 kHz）、中（0.1～50 kHz）、高（1～160 kHz）频数字监控自主检测分类系统。据报道，该水下声学滑翔机可以以1～3 kn（0.5～1.5 m/s）的航速续航6个月，其设计初衷是用来跟踪和自动识别海洋哺乳动物，具有良好的姿态控制和航行能力，已应用于圣地亚哥海底被动声学自主监测海洋哺乳动物项目（Passive acoustic autonomous monitoring of marine mammals program）[13-14]。

1.2 国内研究现状

国内对水下滑翔机的相关理论研究和技术研发相对较晚，主要研究科研院所有天津大学、中国科学院沈阳自动化研究所、中国海洋大学、华中科技大学、中国船舶第710所和第702所、国家海洋技术中心、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学和大连海事大学等[15-16]，各单位都研制出了海上试验样机并进行了湖海试验。其中，天津大学的“海燕”、中国科学院沈阳自动化研究所“海翼”已实现产品化，但基于水下滑翔机平台与水听器的集成研究相对还比较少。

中国科学院声学研究所（简称“中科院声学所”）联合中国海洋大学研制了一款基于水下滑翔机平台的声学探测系统，已先后开展了消声水池、湖上及海上试验（如图4）。该型水下滑翔机系统设计的最大工作深度1 500 m，悬停或坐底时，最低工作频率10 Hz；滑翔时，最低工作频率500 Hz。设计指标为在良好水文条件下，对水下声源谱级大于 125 dB的目标，单节点探测作用距离不小于3 km[17]。

图4 水下滑翔机海试[17]Fig.4 Sea trial of an underwater glider [17]

中科院声学所依托天津大学的水下滑翔机平台，设计和实现了大深度水听器和数据采集系统。水听器经过60 MPa的高静水压力实验测试，验证了其耐高静水压和高灵敏度的特点。2016年1月，中科院声学所在国家海洋技术中心水池进行了测试，验证了系统工作的稳定性能。同年 8月，天津大学的水下滑翔机平台搭载的声学测量系统在某海域进行了海洋背景声场的剖面测量（如图5）。系统连续稳定工作数天，自动记载了水下滑翔机所处深度处的海水温度、盐度、自身深度以及水下滑翔机本身的姿态数据，并获取了1 000 m深度范围内的海洋噪声实验数据。数据分析结果表明，相关海上试验验证了基于水下滑翔机平台的声学测量系统用于海洋环境噪声测量方案的可行性及声学测量系统的稳定性，可为海洋环境噪声时空特性实验进一步的研究提供平台和关键技术支持[18]。

图5 水下滑翔机设备布放[18]Fig.5 Launching of an underwater glider in experiment [18]

海军潜艇学院和天津大学联合研究了基于水下滑翔机平台的声学探测系统，由于声学特征需要，进行了电磁兼容性优化和减振降噪设计，目前已经成功研制出了具有水下目标警戒与探测功能的“海豚号”水下声学滑翔机[19]（如图6）。

图6 “海豚号”水下声学滑翔机平台系统示意图[19]Fig.6 Compositional diagram of “Dolphin” underwater acoustic glider system [19]

2018年5月，海军潜艇学院在南海某海域进行了水下无人移动平台协同探测试验，此次试验包括6台“海豚号”水下声学滑翔机和6台水下声学智能浮标，试验期间基于水下滑翔机平台的声学探测系统无故障连续工作时间超70 h。由于水下滑翔机浮力系统油泵的工作会产生较大的平台自噪声，所以水下声学滑翔机在回油排油以及姿态调整期间，声学系统断电停止工作。海试数据分析处理得到：深海良好水文条件下，“海豚号”水下声学滑翔机对航速10 kn（5 m/s）的试验船目标最远探测距离大于 12.8 km；对航速 6.2 kn（3.2 m/s）的工程船（MMSI412461570）目标最远探测距离大于30 km；“海豚号”水下声学滑翔机整个探测流程无需人工干预，初步具备对目标的自主探测能力[19]。

此外，西北工业大学研发了基于飞翼滑翔机平台的多元声压阵列声学探测系统，并进行了湖上测试。哈尔滨工程大学借助天津大学的水下滑翔机，研究了4元声学感知单元探测系统（如图7），4个声压水听器分别装在水下滑翔机左翼、右翼、前导流罩和尾翼上，并于南海某海域进行了海上试验[20]。

图7 声学观测仪系统[20]Fig.7 Acoustic observation system [20]

2 基于水下滑翔机平台的海洋声学探测关键技术

基于水下滑翔机平台的声学探测技术可靠应用需要突破一些关键技术才能更好地发展，包括大深度声学传感器技术、水声目标噪声识别分类技术、基于水下滑翔机平台的声学减振降噪技术、水下滑翔机航行控制技术，以及多水下滑翔机协同/协作组网技术[21]等。

2.1 大深度声学传感器技术

声学传感器实现大深度工作，才能真正实现基于水下滑翔机平台的声学探测技术长时效、大航程隐蔽侦察，尤其是深度比较深的南海海区，实现弱信号目标的远距离侦察。

海军潜艇学院的王文龙学者针对当前矢量水听器工作深度小，无法在水下滑翔机等大深度水下无人平台上应用的问题，设计了一种大深度同振式矢量水听器的耐压结构。采用胶囊形铝合金薄壳方案设计耐压结构，并对其进行了理论计算和有限元仿真，在海试试验中，该同振式矢量水听器搭载在“海燕-Ⅱ”水下滑翔机平台上，进行了大深度声学探测任务，在水下目标探测等领域具有重大的应用价值[22]。

2.2 水声目标噪声识别分类技术

传统的水声信号目标识别方法需要人工干预提取目标数据特征，这一过程需要技术人员具有丰富的水声信号处理知识和专业经验，才有可能提取出有价值的目标特征数据，并在此基础上进行更深层次的分析处理。然而，目前基于水下滑翔机平台、浮标等无人平台的声学探测系统，信号处理都是自主完成，因此，目标噪声识别分类技术需要具备更加智能化的水平。

2016年，哈尔滨工程大学的马俊对循环自相关分析、Gammatone倒谱系数和人工神经网络在舰船辐射噪声的特征提取与分类技术中的应用进行了研究，通过仿真数据和实际舰船辐射噪声的处理，验证其目标特征提取和分类方法的高效性[23]。2019年，东南大学的徐萍提出了畸变复合阵下水声目标辐射噪声的特征提取方法，并且研究了基于深度学习的舰船目标分类识别，提出了一种基于深度学习的辐射噪声信号时频谱识别新方法。利用卷积神经网络对不同水声目标信号的时间-频率联合域特征进行分类，设计并搭建相应的卷积神经网络，通过仿真验证了其目标特征提取和分类方法的有效性[24]。

2.3 基于水下滑翔机平台的声学减振降噪技术

基于水下滑翔机平台的声学探测系统，噪声来源主要是水下滑翔机的自噪声。水下滑翔机结构复杂，包含较多的结构件与执行单元，且各种自噪声声源相互交错，传播途径多变，很难准确测量水下滑翔机平台的自噪声。因此，如何精确地测量自噪声，确定自噪声的传播途径以及各自噪声的耦合情况，并据此开展有效的减振降噪，是目前基于水下滑翔机平台的声学探测系统亟待解决的关键问题。

通常意义上讲，水下滑翔机的自噪声主要分为螺旋桨噪声、水动力噪声和机械噪声3大类。水下滑翔机在设定的锯齿剖面滑翔工作模式下最大的水平滑翔速度约为1 kn（0.5 m/s），且大多数的声学传感器都有导流罩保护，因此可将水动力噪声的影响控制到很小。基于水下滑翔机平台的声学探测系统进行水下目标探测任务时，主要是采用的剖面滑翔工作模式，只有在遇到突发状况时才会启动螺旋桨，所以螺旋桨噪声对于声学探测的影响也可以忽略。因此，机械噪声是水下滑翔机平台噪声的主要噪声源。

海军潜艇学院通过在国家深海基地管理中心消声水池对现有“海燕-II”水下滑翔机进行的自噪声测试试验，定量分析了电池滑动、电池转动、油泵启动和螺旋桨转动 4种不同工况下平台噪声对矢量水听器各通道接收信号的影响，后续针对水下滑翔机平台自噪声测量结果，从多个方面进行了减振降噪处理和优化[25]。中科院声学所以其2016年8月南海某海域1 000 m深度范围内的观测数据为研究对象，也进行了水下滑翔机平台的自噪声分析，并得到水下滑翔机在滑翔工作模式状态下机械噪声对自噪声的贡献最大。500 Hz以上的高频段时自噪声与浮力调节单元工作密切相关，并且于1 kHz达到峰值[26]。

因此，对水下滑翔机平台各工况下条件下的噪声进行有效测量，得到其自噪声源分布及其特性，是指导减振降噪措施实施和平台优化的前提，同时也是保证基于水下滑翔机平台的声学探测系统可以进行水下有效及高效探测的关键。

2.4 水下滑翔机航行控制技术

水下滑翔机作为一个复杂的多体系统，由壳体、浮力驱动系统、姿态调节系统、通讯系统等部分组成[27]。水下滑翔机的航向调节系统作为姿态调节系统的一部分，大致可分为外部尾舵结合内部姿态调节系统（尾舵可调节的水下滑翔机）、内部姿态调节系统（尾舵不可调节的水下滑翔机）等。水下滑翔机的航向控制是指水下滑翔机利用自身传感器采集到的航向信息，在航向调节系统的作用下使实际航向实时逼近目标航向的过程。

基于水下滑翔机平台的声学探测技术中的航向控制技术是水下滑翔机控制系统中的一项关键控制技术，而由于水下滑翔机动力学模型非线性的特点与海洋环境的复杂多变，主要是由于海流的影响，将导致其无法按照预设航向进行运动。因此，研究与设计较为可靠的水下滑翔机航向跟踪控制方法，能够保证水下滑翔机实际航向过程中的稳定性，确保水下滑翔机搭载的声学传感器测量数据的准确[28]。

因此，为了使基于水下滑翔机平台的声学探测系统按照预设航线在复杂的海洋环境中有目的、准确地进行目标数据采集，必须对水下滑翔机的航行控制技术进行深入研究，这也是当前研究的热点问题之一。

2.5 多水下滑翔机协同/协作组网观测技术

近年来，水下声学组网应用逐渐扩展，水下滑翔机作为重要的声学节点被纳入其中。由此带来的复杂海洋环境组网观测技术、水下定位与通讯、智能化控制等水下滑翔机的关键技术亟待研究。

基于水下滑翔机平台的声学探测技术，利用水声通讯，将水下滑翔机平台和其它声学通讯节点组成声学跟踪网络，能够更精确地获取相关移动平台定位信息。2010年 7月，美国华盛顿大学借助Seaglider水下滑翔机平台在苏珊港通过三个位于水面的声学通讯应答器组成了一个移动长基线系统（Moving Long-baseline System，MLBS），以高精度跟踪水下滑翔机的路径。参试 Seaglider水下滑翔机平台搭载了一款声波探测器，能在低频带（7～15 kHz）对水面节点的声波询问做出应答[29]。美国沿海海底监视网络（Persistent Littoral Undersea Surveillance Network，PLUSNet）通过水声通讯交互信息，实现了海洋水文参数立体观测与水下潜航器的声学探测与跟踪，旨在提高沿海监视的技术水平[30]，如图8。

图8 持久性沿海海底监视网络Fig.8 Persistent Littoral Undersea Surveillance Network

多水下滑翔机协同/协作组网可以使其具有协同/协作作业行为，即根据环境和目标任务自行调整航行方式以满足海洋观测与探测要求，实现海洋观测与探测的高分辨率，同时也是实现一定区域目标探测的有效手段之一，目前国内外很多海洋观测与探测任务中都有多水下滑翔机协同/协作网络的应用[31-33]。

3 结束语

水下滑翔机作为一种新型移动海洋监测平台，具有大航程、长时序、高隐蔽性、低成本等优点。综合国内外水下滑翔机平台技术主要研究进展，国内基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术有了一定的发展，但是在水声目标噪声识别分类和自主协同/协作组网探测方面和国外先进技术水平还存在一定差距，这些方面也必将是未来研究的重点。相信伴随着人工智能、大数据等学科的快速发展，基于水下滑翔机平台的海洋声学探测系统，会在未来海洋勘测与探测、国家海洋安全、海洋环境监测体系建设中发挥着更加重要的作用。