基于水聲技術的非法作業船只遠程監聽系統設計*

王洋東，鞏慶偉，陳耀武

(浙江大學 數字技術及儀器研究所，浙江 杭州310027)

0 引 言

目前，以浮標、潛標為水聽器安裝平臺，國外最常見的是海洋環境噪聲監聽浮標，主要用于對風暴潮的監聽或對某些特定目標噪聲的監聽，基于浮標為安裝平臺的用于監聽海洋調查船、海洋資源勘探所發射的氣槍、電火花和低頻大功率聲源信號的水聲遠程監聽系統國內外尚未見報道。國內軍方研制的聲納浮標主要用于特定位置水下反潛作戰，是一種探測的距離范圍小、工作時間短的裝備，并不適合中國海監對維權與執法的應用［1］。另一方面，近年來隨著全光纖線列陣的發展，岸基遠程探測聲納在國內外發展迅猛，國內有關單位也開展了樣機研制和海上示范，這種聲納由于不受安裝條件限制因而規模較大，能夠較好地實現對目標的遠程探測功能，但需要鋪設海底光纜和水聽器陣列的水下掩埋，工程造價昂貴，設備維修艱難，除軍事用途外并不適合大規模應用［2］。

本文提出一種基于水聲技術的非法作業船只遠程監聽系統，可對進入我國海域的非法作業船只進行長期不間斷的遠程探測、跟蹤及指示其活動方位。此外，該裝備還具有對脈沖信號的遠程偵測、識別功能，包括氣槍聲源、電火花聲源及低頻聲納大功率發射聲源，從而獲取非法侵權船只的實時作業活動，使得國家海上維權與執法具有更好的實時性和針對性。

1 系統原理和結構

基于水聲技術的非法作業船只遠程監聽系統的結構如圖1 所示，由水聲通信換能器、電子艙、水聽器和基陣架四部分組成。

圖1 系統結構示意圖Fig 1 Diagram of system structure

水聽器材料采用PZT—5 壓電陶瓷，其敏感的壓電效應將接收聲波產生的機械振動轉換為微弱的電壓信號。單個水聽器的工作頻段主要覆蓋20 ～1 000 Hz，接收靈敏度大于－197 dB，在工作頻段內幅度起伏要求小于0.5 dB，耐壓大于5 MPa。低頻帶寬接收水聽器基陣采用圓柱陣形式，水平維一圈4 個陣元，垂直維4 個并聯組成一列，形成在垂直方向具有一定指向性的陣列以抑制近海表面噪聲，同時水平維也可利用正交“十字”形狀的4 個接收水聽器構成1 個矢量水聽器，用于測向［3］。

在換能器基陣中潛標端MODEM 只用1 只收發合置換能器，而浮標端MODEM 采用一條四元垂直短陣(孔徑1 m)，加上收發合置換能器，共5 個接收通道，如圖2 所示。

圖2 水聲MODEM 示意圖Fig 2 Diagram of underwater acoustic MODEM

電子艙內實現接收水聽器基陣的聲學信號進行同步A/D 采集，并對采集的數據進行離散傅里葉變換(discrete Fourier transformation，DFT)，最小方差無畸變響應(minimum variance distortionless response，MVDR)測向和矢量測向等運算，將處理結果和相應的羅盤信息傳送到數據通信和控制模塊，通過水聲通信模塊傳送到數據中心。

2 系統設計

2.1 硬件設計

基于水聲技術的非法作業船只遠程監聽系統主要由電子艙內的低功耗信號處理板完成接收水聽器基陣的聲學信號同步A/D 采集與處理，以及數據存儲與傳輸。

低功耗信號處理板如圖3 所示。低功耗信號處理板以XILINX 公司的ZYNQ—7000 為核心，該芯片是基于XILINX全可編程的可擴展處理平臺結構，在單芯片內集成雙核A9多核處理器的處理系統(processing system，PS)和XILINX可編程邏輯(programmable logic，PL)。在芯片內部，通過AXI 總線方式實現處理系統與可編程邏輯的互聯，在單芯片內實現交互。低功耗信號處理板由電源管理、前置放大濾波、A/D 采集、檢測和測向處理、數據整理與存儲等模塊構成，實現水下遠程監聽。

前置放大濾波電路包括時間增益(time versus gain，TVG)調節電路與四階帶通濾波電路。ZYNQ 系列芯片實時控制模擬前端芯片時間增益調節，每路調節范圍為0 ～－36 dB，共7 檔，每檔－(6±1)dB。帶通濾波實現50 ～800 Hz的帶通濾波，1 500 Hz 以上頻帶衰減20 dB 以上。每路放大電路放大量為(36±2)dB，在工作頻段內放大增益起伏小于3 dB，短路噪聲小于40 μV。

圖3 信號處理板總體框架圖Fig 3 Overall block diagram of signal processing board

ZYNQ 系列芯片進行4 路水聽器聲學信號同步A/D 采集，一方面將采集的數據存儲至SD 卡，以便后續分析處理;另一方面，對采集的數據進行DFT，MVDR 測向和矢量測向等運算處理，將處理結果按照數據模式傳輸至水聲通信模塊，實現實時傳輸［4］。

水下遠程監聽聲學系統采用電源管理模塊實現供電管理，并負責對水下潛標電子艙部分和水聲通信模塊進行省電管理［5］，在工作模式下，系統總功耗為2.0 W，省電模式下，系統總功耗為0.2 W。

2.2 數據傳輸流程

水下接收預處理前端接收4 路水聽器的數據，后端將整理好的數據送至水聲通信模塊，并能接收水聲通信模塊發送的指令，進行工作模式選擇，其數據流程框圖如圖4 所示。

圖4 數據流程框圖Fig 4 Block diagram of data flow

2.3 DFT

DFT 如式(1)所示，其中，x(n)為各陣元接收信號的采樣點，X(k)為頻域離散譜線

2.4 MVDR 測向

MVDR 自適應波束形成測向技術，它是一種在輸出端最小化干擾加噪聲功率情況下使觀察方向上信號無失真響應輸出的高分辨力波束形成技術［6］。其空間加權向量可表示為

測向輸出為

式中 fL，fH分別是處理頻段的上限和下限，處理頻段范圍為50 ～800 Hz，fL=50 Hz，fH=800 Hz，處理頻率間隔為Δf=0.98 Hz。

2.5 矢量測向

矢量測向方法是基于4 個正交布置的標量水聽器［7］，水聽器結構如圖5 所示。

圖5 目標與水聽器位置關系Fig 5 Position relationship of target and hydrophone

在平面波傳播假設條件下，4 路陣元輸出信號可表示為

矢量水聽器測向算法如下:

矢量水聽器聲壓輸出可表示為

矢量水聽器水平方向上的振速響應可表示為

矢量水聽器垂直方向上的振速響應可表示為

分別對上述3 個聲壓通道求DFT，然后在頻域上分別求出指定處理頻帶內P，Vx的相關系數Ix和P，Vy的相關系數Iy，再進行方位解算矢量測向方法需結合象限判定，輸出目標具體方位值。

3 測試結果

水下遠程監聽聲學系統采用兩種不同的測向方式，即MVDR 測向與矢量測向，實現目標方位的識別，從而提高目標識別的正確性。

3.1 MVDR 測向驗證

在單目標監測仿真實驗中，假設探測目標為靜止目標，模擬空間單目標反射波束角度為α=45°，采用MVDR 算法實現測量方向，Matlab 仿真得到的波束形成結果如圖6 所示。

假設探測目標為靜止目標，模擬空間單目標反射波束角度為α=45°，采用常規波束形成算法得到的結果如圖7所示。

仿真結果驗證了MVDR 測向能有效識別目標所在的方向。同時，通過對比常規波束形成的結果可以發現，MVDR測向有效抑制噪聲干擾，提取方向信息，指向性好。

圖6 MVDR 測向仿真結果Fig 6 MVDR estimation simulation result

圖7 常規波束形成仿真結果Fig 7 Conventional beamforming simulation result

3.2 矢量測向驗證

在單目標監測仿真實驗中，假設探測目標為靜止目標，模擬空間單目標反射波束角度為0°～90°，增量為1°，采用矢量測向算法實現91 個角度的測向，Matlab 仿真得到理論值，將理論值與實際值對比，結果如圖8 所示。

圖8 矢量測向一致性結果Fig 8 Vector direction consistency result

對矢量測向曲線進行回歸分析，得到線性回歸關系為y=0.983 1 x，矢量測向的理論值與實際值的相關系數為R2=0.999 6，吻合度高。因此，矢量測向能準確識別到目標的方位。

3.3 功能測試

目標船沿線路作業時，換能器陣接收的信號的信噪比如圖9 所示。

圖9 目標在0 ～100 km 處接收的信噪比Fig 9 SNR of target in 0 ～100 km

由圖9 可知，在實際遠程監聽中，對于70 km 以內換能器接收的信號有高的信噪比，能有效提取信號，滿足測向距離指標0 ～50 km。

針對氣槍聲源信號進行錄取實驗的數據分析，其頻譜圖如圖10 所示。

圖10 單脈沖與噪聲頻譜圖Fig 10 Single pulse and noise frequency spectrum

水下遠程監聽聲學系統對位于不同方位的目標所產生的聲源信號進行處理，得到不同的測向結果。將結果與實際方位比較，測向誤差保持在2°以內，滿足測向指標要求。

4 結束語

本文設計并實現了一種基于水聲技術的非法作業船只遠程監聽系統。系統基于低功耗設計，對采集的數據進行DFT，MVDR 測量和矢量測向，從而實現對非法目標的遠程監聽。實際測試結果表明:系統的遠程監聽效果良好，并且系統功耗低，重量輕，能夠適應復雜的海洋工作環境，發現非法海洋調查船、海洋資源勘探船作業等，對于海上維權具有廣泛的應用前景。

［1］ 施丹華.水聲對抗技術發展及其概念拓展［J］.艦船電子工程，2006，26(4):1－3.

［2］ 唐 磊.我國海洋船舶業產業安全評價及預警機制研究［D］.青島:中國海洋大學，2011.

［3］ 陳 川，王大宇.矢量水聽器在水聲通信系統中的應用［J］.聲學技術，2012，31(4):375－380.

［4］ Ompton R T.A numerical pattern synthesis algorithm for arrays［J］.IEEE Transactions，1990，38(10):1666－1676.

［5］ 孟一聰.數字集成電路低功耗設計技術的研究及應用［D］.北京:清華大學，2005.

［6］ 吳亞軍.MVDR 波束形成在噪聲源識別中的應用［J］.魚雷技術，2011，19(2):101－103.

［7］ 楊秀庭，孫貴青，陳新華，等.矢量水聽器陣列MVDR 波束形成器的性能研究［J］.應用聲學，2007，26(1):8－15.