UUV平台声兼容问题研究.docx

? ? UUV平台声兼容问题研究 ? ? 梁 镜，董 毅，王 强 （中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003） 0 引言 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。 1 声兼容问题的产生 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，150 m左右距离TL将大于50 dB；假设目标TS约为–30 dB（平坦泥或泥沙质海底），成像声呐的声源级SL为200 dB，则回声信号EL约为70 dB。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 5 m），则干扰直达波信号的传播损失 TL′≈14 dB，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50 dB。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66 dB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