深海甚低频水声与地震波场的联合探测试验

2021-07-13董海涛王海燕申晓红马石磊

哈尔滨工程大学学报 2021年7期

董海涛，王海燕，申晓红，马石磊

(1.西北工业大学航海学院, 陕西西安 710072；2.海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室(西北工业大学), 陕西西安 710072; 3.陕西科技大学电子信息与人工智能学院，陕西西安 710021)

深远海对于我国的主权、安全与发展等有着全方位的特殊意义，南海兼具近海和远海的特征，是我国海军打破岛链闭锁、走向远洋的关键，同时也是我国国家安全的天然战略纵深，其战略地位和军事价值日益显著，伴随我国海军航母编队走向深蓝的步伐，对加快发展深远海水中兵器以及远程预警探测能力的需求也愈发迫切。

探测是水下作战中的首要环节，其中被动探测系统能够保证接收平台的隐蔽性，是现代信息战中取得战争优势并形成强有力海上军事威慑的关键。水中航行的舰艇是很大的能量载体，可以通过船体对水体的扰动、船体的固有频率振动、船上的机械振动辐射噪声、螺旋桨噪声以及水动力噪声等方式将能量释放到水体中向外传播[1-4]。其中甚低频段辐射声信息具有难抑制、传播衰减小等特点，能够为实现水中目标远程被动探测带来大的增益“窗口”。由于甚低频信号具有强的穿透性，因此舰艇辐射噪声甚低频段能量容易经由水体耦合至海底形成舰艇地震波场，其能够反映舰艇发动机、螺旋桨运行状态，适用于对水中舰艇目标的被动探测。舰艇地震波具有纵向衰减快、横向衰减慢，频率低等特点，可作为沉底水雷引信、火箭上浮水雷等水中兵器的接收物理场，其直接感知目标低频特征成分，有利于在远距离发现和探测舰船目标，且不易受水文条件的影响，将是水声引信的一种有效补充。

事实上，围绕甚低频声场与地震波的被动探测一直是各海洋强国的研究热点。从20世纪40年代至今，国外先后开展了一系列水下低频和甚低频声/地声传播的理论与试验研究[5-8]。2016年，俄罗斯报道在日本海利用激光应变计进行了水中航行舰船的超远程探测试验，对航行渡轮的最远探测距离可达290 km[9]。文献[10]报道了美、俄等国家水中兵器水声场与地震波场联合引信，如美国的DST(36、40、41型)水雷、MK(58、62、63、64、65、67型)水雷、DSTMK117D型“破坏者”水雷、DSTMK114 A型锚雷以及俄罗斯的995型水雷等。由于舰艇地震波包含舰艇航行时的连续宽带能量耦合，尤其是大型水面舰船的能量耦合，一般的扫雷具难以模拟出等量级的震动信号，因此相应设定引信阈值的地震波水雷具有较好的抗扫性，是一种理想的水雷值更引信。

我国近10年有关舰艇甚低频声场与地震波场的研究逐步增多，各高校及研究所开展了一定的理论及试验初探，研究表明舰船地震波场信号有明显的谱特性，其作为水雷联合引信具有可行性[10-16]，在沉底水雷引信和安静型潜艇远程预警等军事领域具有重要的应用价值。然而，相关理论及试验研究主要集中在浅海与近海，对于深海的航船引起海底地震波的试验研究未见报道。考虑我国发展深海水中兵器引信的必要性，获取并认知深海实船甚低频声与地震波特性具有重要的实际意义。

1 水中目标特性描述

对于大型水中舰艇目标声场特性国内外已开展了大量的研究，其中Ross等[2]和Urick等[3]给出的舰船辐射噪声在不同频段上的纵向分布特性统计规律最为典型。舰船辐射噪声源可分为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声，其中机械噪声和螺旋桨噪声是目标被动探测的主要特征源。

机械噪声是指航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声，其主要来源是主机(柴油机、主电动机、减速器)和辅机(发电机、泵、空调设备)，主要成分是振动基频及它的谐波分量。主机和辅机系统会产生与其航行状态及机械工作状态密切相关的周期频率，其振动产生的线谱通常会与每一个气缸的点火频率以及总体点火频率相关。由于点火频率和发动机的尺度成反比，因此大型发动机通常产生的振动频率主要为较低频率段(<10 Hz)，而小型发动机产生的振动频率往往在较高频段(10～200 Hz)。螺旋桨噪声是由旋转着的螺旋桨所产生的，包括螺旋桨空化噪声和叶片振动时产生的噪声。螺旋桨在水中旋转时，叶片尖上和表面上会产生负压区，随着其旋转至不同深度所带来的压力梯度变化使气泡进入水中，这些不稳定气泡破裂时会发出尖的声脉冲，是舰船辐射噪声高频段的主要部分。空化程度与水压有关，随深度和尾流场的非均匀性而变化，随着螺旋桨叶片在不同的水深旋转会产生调制，即螺旋桨噪声是一种调制周期类似于螺旋桨频率的幅度调制的空化成分。这种被调制的噪声称为“唱音”，又称旋转噪声，其频谱是与叶片数及螺旋桨转速直接相关的“叶片速率”谱，是声呐系统目标识别和目标速度估计的重要依据。通过检测与提取舰船发动机和螺旋桨基频信息可以有效获取舰船的相关物理参数(目标发动机机轴转速、气缸数以及螺旋桨转速、叶片数等)物理参数[17]，比较发动机和螺旋桨基频信息可以进一步推导出目标的运行参数。现有的噪声包络解调分析(detection envelope modulation on noise，DEMON)[18]、循环谱分析等调制谱分析方法[4]主要是解调水听器接收的高频段螺旋桨空化噪声，进而得到螺旋桨的轴转速及叶片旋转频率信息，是目前水中目标被动探测与识别最有效的手段。

2 传感系统及试验概况

考虑深海环境下的物理场传感问题，需要关注以下几个方面：1)高灵敏传感问题，深海地震波传感系统布放水深通常在千米以上深度，即目标近场通过时距离也在千米量级，为有效捕获目标近场通过特性，需要采用高灵敏的传感器；2)深海自容式实时同步传感的问题，在深海传统有缆连接的方式实施难度大、灵活性差，因此电子系统需要实现对多通道数据的实时同步采集与存储，同时需要考虑低功耗的问题；3)耐压结构的耦合问题，在千米深海布放需要考虑壳体的耐压材料与结构，而这也同时带来结构耦合的问题，因此传感结构的优化也是需要考虑的一个问题。

围绕上述问题，设计并研制了深海自容式三分量地震波传感系统，包括传感模块、电池模块、电子模块以及耐压壳体，耐压深度大于2 000 m，系统采用高灵敏加速度型传感器，灵敏度60 V/g，工作频带0.05～250 Hz，采样频率500 Hz，具备水下20 d以上的自主持续工作能力，可实时采集并存储三通道地震波场信息。水声场信息由水听器获取，工作频带5～5 kHz，接收灵敏度大于等于-192 dB。

试验在南海东沙某海域开展，潜标记录布放水深1 825 m。如图1(a)所示地震波传感系统通过硬连接加装于深海坐底潜标上。该潜标的海底工作状态示意如图1(c)所示，潜标整体与配重锚设计为紧连接状态以确保海底地震波能够耦合至传感系统。由于地震波传感系统与潜标为一个整体，且实际入水时潜标外层存在浮力材在一定程度上也会起到隔绝水声信号的作用，因此相比于水声信号其对海底振动应更加敏感。水听器通过减震装置连接于潜标顶部，与水体直接接触，距离地震波传感系统约1 m距离，可作为地震波传感信息的参考对照。

图1 系统加装及海上试验

传感系统布放完毕后，以布放船为目标获取航行舰船声场与地震波场信息，测线设置如图2所示：19°21.694′N/115°5.30′E—19°27.903′N/115°E。x、y分别表示三分量地震比传感系统的2个水平方向，由潜标系统罗经测得。目标试验船为4叶螺旋桨船，试验中该船由V1～V2沿测线以9 kn速度匀速航行，发动机转速RPM约为850 r/min。可以推算其主要特征参数如下：机轴转动频率fCR约为14.16 Hz；气缸点火频率fCF约为7.08 Hz；螺旋桨轴频fSR约为3.1 Hz；螺旋桨叶频fBR约为12.4 Hz。

图2 目标走航测线

3 目标水声场与地震波场特性分析

3.1 目标声场与地震波场通过特性

图3(a)～(d)分别为目标正横通过前后共1 h的4通道(P、X、Y、Z)时域信号波形。声压通道的时域总能量变化相对较平稳，而三分量地震波场时域通过特性的能量变化比较明显，尤其是Y通道和Z通道在正横附近表现出强的近场强能量耦合特性，可以明显观测到40 min以上的舰船通过行为。由此可知，目标甚低频地震波传感系统对舰船辐射的振动能量更加敏感，相比声场更有利于水雷引信的近场能量检测，可以成为声引信的有效补充。

图3 目标通过声场与地震波场时域信号

图4给出了目标甚低频声场与地震波场的时频通过特性分析。能够看出声压通道完整的通过信息，在50 Hz以上频段能够包含更多窄带信息，对于50 Hz以下特征不明显且伴有连续强宽带能量干扰，说明甚低频段的环境噪声级较高，这可以与经典Wenz谱相吻合。三轴地震波通道信息相比声场有声压通道有共同亦有明显的差异性，体现为窄带信息不完整，宽带能量更强。X通道在100 Hz以上的高频段能够观测到连续的多线谱成分，部分谱线如237 Hz其存在时间多于声压通道约10～15 min，且还可以观测到声压通道中未存在的谱线如246 Hz谱线。50 Hz以下无连续强宽带能量干扰，说明甚低频段的环境地震波单通道噪声级相比声场较低。Y通道和Z通道从10 min开始可以观测到持续存在的强宽带能量，其或可反映目标船只吨位信息，从抗扫性的角度来看值得深入研究。两通道窄带谱线成分稀少，但是Y通道能够直接观测到持续存在的50 Hz窄带谱，认知为船载交流电机的工频，这一特征在声通道中已完全淹没在背景噪声中。考虑国际船载交流电机的工频定义有2大类(50 Hz与60 Hz)，这一特征在一定程度上可以用于区分敌我。此外，Y通道154 Hz处的窄带谱线在10 min前相比声通道更加清晰，其产生机理及原因在此无法作出确切解释，有待后续深入研究。

综上所述，舰艇通过辐射声场与地震波场信息存在共性亦有差异性，其主要表现为：1)舰船地震波场通过特性的变化量强于声场，更有利于近场检测，成为声引信判别目标船只吨位信息、扫雷具虚假声源等的有效补充；2)甚低频声场能够包含更多窄带信息，但是地震波场往往能提前观测到目标部分谱线，甚至在声场中未存在独特的谱线。因此，联合声场与地震波场不仅能够获取更多的目标信息，同时还能够提升对目标船只吨位信息、扫雷具虚假声源等的判别，相比单一声场能够取得更好的检测性能及抗扫性能。

3.2 目标声场与地震波场包络谱特性分析

由上节可知目标地震波场具有明显的通过特性，且伴有强宽带噪声。截取12～14 min目标地震波场试验数据，选取全频带信息，利用希尔伯特变换分别求声压通道以及三分量地震波通道的包络谱，图5(a)～(d)分别给出四通道归一化功率谱(0～50 Hz)。从声压通道的包络谱中可以快速找到机轴转动频率、气缸点火频率以及螺旋桨叶频，但是对于螺旋桨轴频未能得到。对5 Hz以下频率放大，可以在0.01～1 Hz窗口观测到一组基频为0.088 Hz的谐波族，其频率与舰艇发动机和螺旋桨基频频率无关，其产生机理有待后续认知，但可以预期有利于目标识别。三分量地震波包络谱中均可以清晰地观测到螺旋桨的轴频和叶频，其4倍频关系与四叶螺旋桨对应。对于X通道，能够对应出机轴转动频率、气缸点火频率。在有强宽带噪声的Y通道和Z通道包络谱中可以发现更加完整的螺旋桨特征频率，其中叶频尤为突出。

综上所述，舰艇通过辐射水声场与地震波场包络谱信息亦存在共性和差异性，其主要表现为：1)声压包络谱分析往往难以有效获取轴频，而三分量地震波包络谱分析能够更清晰的提取螺旋桨轴频和叶频，其完整的螺旋桨特征频率能够更有利于推理目标发动机的相关物理特征；2)在甚低频声压包络谱中能够在0.01～1 Hz以下窗口观测到与舰艇发动机和螺旋桨基频频率无关的谐波族，其产生机理有待后续认知，但可以预期有利于目标识别。