Page 124 - 《应用声学》2019年第6期

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浮标平台分系统主要由 5 个部分组成，包括主壳体、
0 引言
驱动装置、控制、通信、电源等。主壳体部分主要用
1998 年，美、日等国的海洋科学家提出了全球 来承受外部水压，保证设备密封耐压；驱动装置部分
海洋实时观测计划，即 Argo 计划，构想用 3 ∼ 5 年 主要用于调节浮标浮力；控制部分用于控制液压装
时间在全球大洋中每隔 300 km 布放一个自动剖面 置、采集深度信息、控制浮标漂流深度、与声学探测
浮标用于获取海洋内部 2000 m 深度以浅的次表层 部分通信、系统电源管理等；通信部分用于北斗卫
海流、温度和盐度等资料。这些资料的利用有利于 星通信、GPS 定位和 AIS 数据接收；电源部分用于
提高对全球气候变暖和海平面上升的预报精度，加 系统供电。浮标声学探测分系统主要由 3 个部分组
深能量和水分平衡过程的了解，揭示海-气相互作用 成，包括矢量水听器 [9−10] 、多功能信号处理机、小型
的机理以及提高对长期天气预报和短期气候预测 化 AIS 接收机，主要用于水下低噪声目标信号探测
的能力等 [1] 。 与跟踪。
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 1.2 数据处理方法
视 [2−8] 。20 世纪 50 年代，被动定向、主动定向和全 “G-Argo” 水下声学浮标平台声学探测系统采
向声呐浮标相继出现，使得声呐浮标成为海军在侦 用单矢量水听器加窗直方图算法进行目标方位估
察敌方潜艇和反潜预警系统中广泛使用的设备。20 计。加窗直方图算法是基于复声强器的一种统计方
世纪 70年代，美海军将矢量传感器成功应用在声呐 法，即在声压与质点振速共轭互谱的基础上对处理
浮标上，矢量传感器的应用进一步提高了声呐浮标 频带内的每一频点都进行方位估计，把全方位 360 ◦
的探测精度。 每隔 1 或 0.5 分成若干个方位区间，将计算频点
◦
◦
2014 年，中船重工第 710 所研制了一型探测定 的估计方位按频点数统计在相对应的方位区间里，
位浮标和记录浮标，为了缩短研制周期，降低研制成 然后找出频点数最大值对应的方位即为目标估计
本和研制风险，该浮标是基于深海型Argo剖面浮标
方位，这种方法称为直方图统计法。在实际应用中，
为平台设计的，该型浮标从工作原理和性能指标得
为增强矢量水听器对弱目标的检测能力，需通过时
到了初步的认定，但没有得到充分验证。
间累积的方式即时间加窗来提高矢量水听器的处
从2016年开始，青岛海洋科学与技术国家实验
理增益，但累积时间的长度不宜太长或太短，累积
室和中船重工第 710 所通过对现有 “HM2000” 浮标
时间太长对于方位变化率较快的目标会产生较大
平台进行全新设计，对矢量水听器设计、水下动平
的方位估计偏差，累积时间太短则信号处理增益太
台矢量水听器应用技术、低噪声目标自主探测技术
小。本文采用 5 s 时间窗进行数据处理，处理频段为
等关键技术进行了攻关，目前已经成功研制出了国
100 Hz∼3 kHz，单次计算FFT时间长度为1 s，FFT
内第一个具有目标探测功能的多剖面 “G-Argo” 水
处理时间窗滑动时间间隔为 0.25 s，得到 17 组声强
下声学浮标平台原理样机，并开展了水下声学浮标
流谱，平均后用直方图统计方法进行方位估计，这种
平台消声水池验证测试试验和浅海适应性试验。为
通过时间加窗处理的方法称为加窗直方图法，该方
进一步验证 “G-Argo” 水下声学浮标目标探测性能，
法的计算流程如图1所示。
于 2018 年 5 月在南中国海 1500 m 海深区域开展了
图1中i = 1, · · · , 17，乘法器的作用是对矢量水
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。 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
1 声学浮标平台和数据处理方法 表达式为

∗
1.1 “G-Argo”水下声学浮标 θ(f) = arctan Re ⟨Pw (f) ∗ V yw(f)⟩
∗
Re ⟨Pw (f) ∗ V xw(f)⟩
“G-Argo” 水下声学浮标平台主要包括浮标平 ⟨Iy(i, f)⟩
台分系统和浮标声学探测分系统两大部分。其中， = arctan ⟨Ix(i, f)⟩ . (1)