水下无人航行器(underwater unmanned vehicle，UUV)是一种可在水下长时间潜航工作的海上无人装备，具有自主控制、隐蔽性强、安全可靠、高效灵活等优点，在海底勘察、反水雷、反潜跟踪、水下救援、情报监视与侦察等领域发挥着越来越重要的作用[1]。而声呐设备是UUV水下作业必不可少的载荷，例如“蛟龙”号载人深潜器便搭载有9种16部声呐[2]。对于一型功能强大的侦察型UUV，其至少需要配备以下声呐设备：1)多普勒计程仪(DVL)作为辅助导航设备；2)前视声呐作为水下航行的避碰设备或目标探测设备；3)侧扫声呐作为水底目标探测设备；4)水下通信声呐作为UUV水下航行时与母船之间的通信设备；5)被动声呐作为水下目标辐射噪声侦听设备。此外，往往还会配备1套超短基线定位声呐作为UUV水下航行安全的保障设备，选配浅地层剖面仪或多波束测深声呐等提升其水下目标侦察能力。因此，对于集成如此多声呐设备的UUV，若不经系统设计，极容易产生声兼容问题。 文献[3]对编队反潜时各平台声呐之间产生干扰的原因进行了分析，文献[4]对解决平台联合作战时来自友舰声呐信号的干扰问题进行了研究，文献[5]从声兼容的角度对主动声呐的发射波形设计问题进行了讨论，文献[6]对多部主动声呐之间的频率间隔确定方法进行了研究。这些研究对某些特定场景下多台声呐之间的声兼容问题进行了探讨，得出了一些有益结论，但当前尚缺乏系统的针对UUV平台特点的UUV声兼容设计的研究。鉴于UUV平台声兼容设计需求，本文通过工程实例对UUV平台上容易产生的强声信号干扰与谐波干扰2类声兼容问题进行了分析，最后对UUV平台的声兼容设计提出了一套系统方案。 主动声呐设备有一定的工作频率，当两声呐的工作频率相近时就容易相互干扰，这一点在工程设计上已得到了充分的认识[2,4,6]。本文考虑UUV平台上声呐设备的工作环境的复杂性，认为还有至少以下3点容易被忽视的声兼容问题：1)平台振动噪声干扰；2)强信号干扰弱信号；3)谐波干扰。其中问题1是指平台运行时自身振动与振动带来的辐射噪声对声学设备的干扰，该部分干扰随平台运行客观存在；问题2与3则与声学设备在平台上工作的机制相关，可通过合理的设计进行规避。本文将重点对问题2与3开展讨论。 1.1 强信号干扰弱信号 高频成像声呐是侦察型UUV常带的一类目标探测载荷，其特点是依靠目标的回波信号实现对目标的探测、定位与成像，因此目标回波信号的信噪比是影响成像效果的关键因素。根据声呐方程，成像声呐的回声信号级可以表示为 EL=SL–2TL+TS 式中：SL为高频成像声呐发射声源级；TL为传播损失；TS为目标的目标强度。考虑高频信号声吸收，150m左右距离TL将大于50dB；假设目标TS约为-30dB(平坦泥或泥沙质海底)，成像声呐的声源级SL为200dB，则回声信号EL约为70dB。 不考虑频率因素，则该回声信号级与一般条件下海洋环境噪声的量级相近。而当存在其它声学设备的直达波干扰时(即使直达波不在该发声设备发射波束的中心方向)，干扰信号的强度将大于SL-TL′-DL，其中DL是受波束指向性影响，直达波干扰声信号相对波束声轴处声信号强度的衰减量。由于UUV平台整体尺寸较小(假设平台上两声学设备相距5m)，则干扰直达波信号的传播损失TL′≈14dB，而一般条件下单波束发射换能器旁瓣相对声轴处发射信号的衰减量DL不大于50dB。当两声学设备发射源级相近时，直达波干扰信号强度将比成像声呐回波信号的强度高66dB以上。由此可见，主动声呐的回波信号比较弱，极容易受污染，例如受电磁信号污染，即工程中常见的电磁兼容问题。该问题在工程设计中得到了很大的关注，也有大量相关研究，本文不再赘述，而将重点放在强声信号对弱声信号的干扰问题的讨论上。 1.2 谐波干扰 由于非线性效应的存在，UUV平台上工作频段不重叠的2部声呐也有可能由于非线性效应产生的谐波导致其相互干扰，影响声呐的工作性能。 根据文献[7-8]的研究，由于换能器材料与传播介质的非均匀性，声波在换能器端与传播过程中都可能由于非线性效应的存在而产生谐波，只是其谐波能量较弱，一般工程应用中可忽略其影响。工程应用中有2类产生谐波的途径需引起我们关注，即发射端方波信号产生谐波与接收端限幅失真产生谐波。 1.2.1 发射端产生谐波 声呐设备发射声波一般是信号源根据设计产生目标频率的信号，经过功率放大器后加载到换能器端，从而驱动换能器发射出声波。工程实现中，为降低电路设计的复杂度，往往会使用更容易实现的方波作为信号的形式，此时若电路系统与发射换能器匹配不理想，很容易在工作频率之外产生谐波分量。 图1与图2对2种不同占空比(分别为40%与50%)的方波信号(设计工作频率为20kHz)进行了仿真，可以看出除工作频率20kHz外，2种占空比不同的方波产生了不同形式的谐波成分，40%占空比的方波偶次谐波与奇次谐波均明显存在，而50%占空比的方波偶次谐波较弱，奇次谐波较强。  图1 40%占空比方波时、频域波形
图2 50%占空比方波时、频域波形 1.2.2 接收端幅度失真产生谐波 受采样位数的限制，主动声呐接收端AD采样的动态范围有限，强干扰信号进入接收端时可能导致主动声呐接收信号限幅失真，不仅会影响声呐信号处理，还会由于信号失真带来更为复杂的谐波干扰问题[9]。 图3仿真了工作频率为20kHz，带宽2kHz，脉冲宽度10ms的LFM信号。当信号强度超出接受动态范围6dB时信号限幅失真后的频谱，可以看出此时信号产生了一连串奇次谐波，其中3次谐波的强度仅比基波低17dB，总体上呈现出随谐波的次数增加，谐波的强度下降，频带逐渐展宽的规律。
2.1 强信号干扰弱信号实例分析 工程应用中发现某UUV平台上水下声通信声呐对平台上的侧扫声呐图像造成了干扰，其示例如图4所示。图中从右至左为单帧信号时延对应的距离，从下至上代表不同时间对应的信号帧，可以看出开启通信声呐后，侧扫声呐图像中出现了长的条纹，而关闭通信声呐后条纹消失。
图4 通信声呐直达声干扰实例图 已知该侧扫声呐工作频率为300kHz，带宽40kHz，脉冲宽度5ms，声源级225dB；该通信声呐的工作周期为15s，发射信号频率为14kHz，带宽4kHz，脉冲宽度2s，试验中通过在UUV平台侧扫声呐安装处吊放标准水听器测得通信声呐在该位置的信号强度约为165dB。由前文分析可知侧扫声呐150m左右距离，TS≈-30dB的目标的回波强度EL约为95dB。根据侧扫声呐换能器频响曲线，该换能器在14kHz的响应级比300kHz的小约27dB，则可评估150m处侧扫声呐回波信号的强度比水下通信声呐直达声波的强度低约43dB。 基于以上声呐参数与试验测试数据，对存在通信声呐干扰情形下侧扫声呐的接收信号进行仿真，结果如图5。图5(a)是通信声呐强干扰条件下侧扫声呐接收信号的频谱，从频谱上可以看出干扰信号强度远高于目标回波信号强度；图5(b)是经过30阶带通滤波器(中心频率300kHz，带宽40kHz，带外抑制大于50dB)后接收信号的频谱。可见经过该理想带通滤波器后，干扰信号依然很强，这就解释了为什么通信声呐与侧扫声呐的工作频率相差甚远，仍能对侧扫声呐图像造成干扰。  2.2 限幅失真谐波干扰实例分析 1.2节指出了UUV平台上声呐设备被谐波干扰的可能性，其中发射端产生谐波问题可通过声呐单机设备优化设计避免，而水介质中非线性传播产生的谐波能量较小，在UUV的实际应用中影响较小，这里结合工程应用中声呐的参数，重点对接收端幅度失真谐波干扰问题进行算例分析。 如图6是某UUV平台上DVL对侧扫声呐图像的干扰示例图，可以看到侧扫声呐图像上存在周期性的细亮条纹。
图6 限幅失真谐波干扰实例图 本文侧扫声呐信号处理端采样使用的是当前比较先进的16位AD采样，有效动态量化范围达85dB。从上文的分析可知，由于传播损失该侧扫声呐150m距离上的回波与近处回波的强度可相差100dB以上，因此为避免接收信号AD采样时限幅失真，侧扫声呐信号处理中在AD采样前先对接收信号进行固定增益与时变增益补偿，从而降低接收信号强度的波动范围。设计中本侧扫声呐信号处理固定增益为10dB，时变增益补偿采用2*20lg(r)的形式(其中r为回波信号对应的距离)。AD采样时有效量化的信号强度约为150～235dB。 试验中通过在UUV平台侧扫声呐安装处吊放标准水听器，测得平台上DVL的工作周期为1s，发射信号频率为105kHz，带宽3kHz，脉冲宽度10ms，无明显谐波成分，在侧扫声呐安装处测得DVL的信号强度约为168dB。当无干扰信号时，从上文分析可知150m距离上侧扫声呐回波信号余量约为95dB，信号预处理端经过补偿后信号强度约为192dB，在AD采样有效量化范围内。根据侧扫声呐换能器频响曲线，该换能器在105kHz的响应级约比300kHz的小22dB，当DVL信号进入侧扫声呐的时间与侧扫声呐150m处回波信号的时延重合时，该干扰信号经过固定增益时变增益补偿将达到243dB，超出侧扫声呐AD采样有效量化的信号强度上限为8dB。 基于以上声呐参数与试验测试数据，对是否存在DVL干扰情形下侧扫声呐单个工作周期接收信号处理(包括增益补偿、AD采样、带通滤波)进行仿真，结果如图7所示。可以看出当存在干扰时，不仅在105kHz频点上存在明显干扰信号，而且由于限幅失真，在315kHz频段产生了明显的3次谐波，而该谐波刚好在侧扫声呐工作频段内，且该谐波幅度比无干扰情形下侧扫声呐回波信号强度大得多，这就解释了图6中开启DVL时侧扫声呐图像中出现周期性的细亮条纹的现象。
从上文的分析可以看出，诸如UUV这样集成多套声呐设备的平台，要保证平台上各声呐设备的性能，已不是单个声呐设备能解决的问题了，需平台在设计之时就系统考虑声呐设备的声兼容问题。文献[4,6,10-11]针对一些典型声干扰场景提出了诸如频分法、时分法和空间分置等处理声兼容的方法，但未对UUV这样的平台声兼容问题进行系统的考虑。本文结合UUV工程应用认为可以将UUV平台声兼容设计方法分为3个层次：首先从平台总体设计上尽量降低声呐设备工作时产生声干扰的风险，可通过工作频率设计与空间分置设计2种方法实现；其次是从UUV平台声呐设备的应用流程上处理声兼容问题，可通过时间同步方法实现；最后是从单个声呐设备设计优化上处理声干扰问题： 3.1 从平台总体设计上降低声干扰风险 平台总体设计时可充分考虑平台上每个声呐设备的频率特性与波束指向性特性，通过频率设计与空间设计来降低声呐设备之间相互干扰的风险。 频率设计是指在UUV平台设计之时就设计出平台上各个声呐设备的工作频段，让每个声呐工作在不同的频段，这样可以通过声呐设备自身信号处理端的带通滤波器降低其他频段干扰声的影响。在频率设计时要考虑谐波干扰的复杂性，尽量使谐波频率不在其它声呐设备的工作频带范围内。 空间设计是指对声呐设备在UUV平台上的布局进行设计，设计中要充分考虑声呐设备发射波束的指向性特性，尽量避免一个声呐设备的发射波束主瓣、旁瓣指向另一个声呐设备的接收波束范围内，从而降低出现直达波强声干扰的风险。当2个声呐设备由于工作原理限制，无法避免主瓣直达波进入另一个声呐设备接收波束范围内时，要尽量的拉大两者之间的直线距离，减少干扰影响；当一个声呐设备发射波束旁瓣指向另一个声呐接收波束范围内的时候，可以考虑利用声障板削弱直达波的强度[12]。 3.2 时间同步设计避免声干扰 时间同步设计是指将多个声呐设备发射信号的时序进行同步，这样使得任一声呐处于接收状态时，不会受到另一声呐发射信号的干扰。在时间同步设计中可根据待同步主动声呐工作时发射信号的脉冲宽度、接收信号的最大时延(即最大作用距离处对应的回波信号的时延)，或者主动声呐的固定发射周期特征来设计，当2个待同步发射的主动声呐工作时发射信号的周期差异较大时，可以结合软件设计使长周期的主动声呐发射一次，而利用软件接收到的同步信号结合定时器使短周期的主动声呐发射几次，这样可以在实现同步发射避免声干扰的同时最大限度的不影响单个设备的性能。 如图8是第2节实例分析中侧扫声呐与DVL经过同步设计后水池测试效果示意图，从中可以看出当关闭同步发射时侧扫声呐图像中明显受到DVL发射信号(图中表现为规律性的细亮条纹)的干扰，而当开启同步发射时，由于侧扫声呐处于接收状态，DVL不发射，此时干扰条纹明显消失。
图8 时间同步抗干扰效果图 3.3 单声呐设备优化处理声干扰 除了从平台的角度解决声兼容问题，单声呐设备还可以根据平台上的声环境，针对性地从声呐自身工作原理与信号处理上削弱其他声呐设备发射信号的干扰。例如针对2.1节通信声呐强声信号干扰问题，在侧扫声呐数字信号处理端增加陷波器抑制不在自身工作频段范围内的频率特征确定的强干扰信号；针对2.2节中强干扰信号使侧扫声呐接收信号限幅失真的问题，可以从侧扫声呐接收信号处理电路上做优化，原信号处理流程是先对接收到的信号进行增益补偿处理，再进行AD量化，最后进行带通滤波，这样干扰信号随增益补偿处理被放大使得接收信号在AD采样时限幅失真。若在增益补偿电路之前加一组模拟带通滤波器，则由于干扰信号不在侧扫声呐工作频带内，会被明显削弱，此时再经过增益补偿处理，就会大大降低接收信号限幅失真的风险。此外还可以针对性地设计主动声呐发射信号的波形，使其相对干扰信号具有显著差异性特征，这样有助于提高接收信号的信噪比，降低干扰对自身工作性能的影响。 本文对集成多个声呐设备的UUV平台的声兼容问题进行了研究，指出了UUV平台上容易忽略的2类声兼容问题，并结合工程设计实例对其产生的机理进行了分析，最后提出了一套平台声兼容问题的系统解决方案。通过本文的研究可以得出如下结论： 1)对于声呐设备集成度高的UUV平台，由于来自其它声呐的直达声干扰信号强度远远高于声呐自身的回波信号，容易带来强信号干扰弱信号的问题； 2)由于非线性现象的存在，声波在产生、传播、与接收端容易产生谐波，从而带来谐波干扰的问题； 3)可以从UUV平台总体声呐设备的工作频率设计与空间设计、工作流程上的时间同步设计，及单声呐设备针对性的优化设计这3个层次上系统的解决UUV平台的声兼容问题。
|
|
|
