声学滑翔机联合的深海水下声源定位_吴禹沈.pdf

声学滑翔机联合的深海水下声源定位*吴禹沈1,2秦继兴1,2李整林3吴双林1,2王梦圆1顾怡鸣1(1中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190)(2中国科学院大学物理学院北京100190)(3中山大学海洋工程与技术学院珠海519000)2022 年 4 月 7 日收到2022 年 8 月 2 日定稿摘要为了验证多台滑翔机用于声源位置估计的可行性,提出了一种基于声学滑翔机的联合水下声源定位方法。首先利用水下滑翔机在东印度洋北部海域获取的声传播数据,分析了宽带脉冲信号的多途传播特性,然后提出了利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,在此基础上通过两台水下声学滑翔机联合定位的方式,实现了水下声源距离和方位的同步估计。结果表明:在印度洋深海非完全声道条件下,在 100km 范围内,使用单台滑翔机估计的声源距离整体较为准确,但仍有估计误差较大点;联合两台滑翔机进行水下声源定位可进一步提高精度,对于 200m 深度的声源,距离估计均方根误差为 2.5km,相对误差小于 4%,方位估计均方根误差为 2.4。关键词深海,水下滑翔机,传播损失,波形匹配,声源定位PACS 数数43.30,43.60Source localization based on two underwater acoustic gliders in deep waterWUYushen1,2QINJixing1,2LIZhenglin3WUShuanglin1,2WANGMengyuan1GUYiming1(1State Key Laboratory of Acoustics,Institute of Acoustics,Chinese Academy of SciencesBeijing100190)(2College of Physical Science,University of Chinese Academy of SciencesBeijing100190)(3School of Ocean Engineering and Technology,Sun Yat-sen UniversityZhuhai519000)ReceivedApr.7,2022RevisedAug.2,2022Abstract Ajointunderwateracousticlocalizationmethodbasedonacousticgliderisproposedtoverifythefeasibilityofmultipleglidersforrangeandorientationestimationofunderwatersources.UsingthehydrologicandacousticdataacquiredbyglidersintheeasternIndianOcean,thebroadbandpulsemultiple-pathpropagationcharacteristicalongthedistanceisanalyzed.Arangeestimationmethodforsoundsourcesbasedonpulsewaveformmatchingusingasinglehydrophoneisproposed.Forasourcewithanunknownlocation,thestructureofthepulsewaveformcanbeobtainedfromtheexperiment.Accordingtotheenvironmentalinformationacquired,thecopyfieldforthestructureofpulsewaveformatthedifferentrangesisnumericallycalculated.Aftertheprocessofcorrelatingtheexperimentalandsimulationsignals,therangeestimationisrealizedcorrespondingtothemaximumvalueofthecorrelationcoefficient.Basedonthis,rangeandorientationestimationofunderwatersourcesareachievedthroughthecollaborationoftwounderwatergliders.Theresultsshowthatwithin100km,therangeestimationcanbeachievedbythesingleacousticgliderandtherearestillsomepointsoflargeestimationerror.Thecollaborationoftwounderwaterglidersisusedtoimprovetheaccuracyofrangeestimation.Forthesourcedepthof200m,therootmeansquareerror(RMSE)ofrangeandorientationestimationis2.5kmand2.4respectively.KeywordsDeepwater,Underwaterglider,Transmissionloss,Waveformmatching,Sourcelocalization*国家自然科学基金项目(11874061)和中国科学院青年创新促进会项目资助通讯作者:秦继兴,第48卷第3期声学学报Vol.48,No.32023年5月ACTAACUSTICAMay,2023DOI:10.15949/ki.0371-0025.2023.03.005引言海洋环境复杂多变,导致水下声场特性通常存在时空变化,给目标探测和水声通信等实际应用带来诸多不利影响。反之,特定条件下的声场特征也能反映出水下目标和海洋环境的信息1。因此充分利用海洋声场特性,可实现对水下声源的定位。近年来发展了多种声源定位手段,主要包括匹配场方法、基于多途到达结构方法,基于声场干涉结构方法等,其中匹配场定位方法最为经典2。在匹配场定位方法中,将数值计算的拷贝声场和实际测量声场进行匹配处理,进而实现声源定位。Westwood3在墨西哥湾 4500m 深海进行了匹配场定位实验,实现了 43km 内的声源定位。李整林等4利用垂直阵接收到的宽带信号进行匹配定位,结果表明相比于水平海底模型,考虑海底斜坡的影响后定位精度得到很大改善。Song 等5将 CLEAN算法引入到匹配场过程,数值计算和实验数据表明定位结果得到了明显提升。谢亮等6提取接收信号中各簇脉冲到达时间和幅值等特征参数,进而对特征参数开展匹配搜索实现了单水听器水下声源定位。吴祖勇等7基于垂直阵列接收信号提出了脉冲波形匹配的声源测距方法,该方法不受海域的限制,在复杂斜坡海底环境下的距离估计误差小于 7%。在近年的研究中,利用声场干涉结构和多途到达结构的深海声源定位方法被广泛关注。McCargar 等8分析了直达波与海面反射波干涉的周期与声源深度的关系,提出了一种基于修正傅里叶变换的单频信号定深方法。Cockrell 等9利用一个相对声源径向运动的单水听器,通过声强谱估计波导不变量,进而实现目标测距。翁晋宝等10通过分析频域声场的干涉周期特性,利用单水听器实现了声影区声源的测距和定深,并在实验中验证了该方法的有效性。Wang 等11分析南海直达声区的脉冲到达结构,利用直达波和海底海面反射波的时延差,对直达声区水下目标进行了距离估计。吴俊楠等12研究了深海直达声区的方位分裂现象,并利用海底反射路径的到达角,实现近水面声源距离估计。水下滑翔机作为一种新型的水下观测平台,在海洋环境和声学测量方面具有很大的应用潜力。水下滑翔机通过调节油泵使油液在油箱和外皮囊之间流动,从而改变自身浮力,实现在海水中的下潜与上浮,同时通过移动重块实现姿态的调整。加载了水听器的水下声学滑翔机可实现声学信息和海洋环境信息的同步获取,具有低能耗、低噪声、重复利用、可长时间观测等特点。同时滑翔机可进行多机协同观测,用于水文观测、目标识别和追踪等,在海洋环境的精密化观测中具有广阔的应用前景13-15。Jiang等16将水下滑翔机用于南海海域的声学观测和目标探测,在滑翔机首尾部分别放置一个水听器,利用其接收的声信号计算传播损失,并进行了目标方位估计。Ksel 等17利用水下声学滑翔机研究海洋哺乳动物的种群密度,通过分析其搭载的声学系统记录的数据进行目标方位角检测和估计,实现了哺乳动物的跟踪。吴禹沈等18分析了水下滑翔机的自噪声谱级,并利用脉冲多途到达时延差,实现了第一影区声源目标的测距和定深。王超等19在恶劣海况下开展了基于水下声学滑翔机的目标探测试验,在目标探测距离、方位估计精度和3dB 波束宽度方面均取得了较好结果。本文利用 2021 年东印度洋北部海域春季实验中水下声学滑翔机获取的声学数据,提出利用单水听器基于脉冲波形结构匹配的声源距离估计方法,并联合两台滑翔机进行解算,实现水下声源的距离和方位估计。使用单台滑翔机能够估计声源的距离,联合两台滑翔机可完成声源距离和方位的二维定位。研究结果表明该方法能够对声源实现有效定位,滑翔机的组网协同为水下声源定位与追踪提供一种新的解决方案。1 实验概况xy2021 年 4 月,声场声信息国家重点实验室在东印度洋北部海域开展了一次深海声学综合实验,实验中使用 J15 和 J16 水下声学滑翔机对声学数据和水文数据进行了同步测量,滑翔机自重 65kg,长度2m,负载能力 3kg,巡航速度 0.3m/s,最大下潜深度为 1000m,可通过 GPS、压力传感器和高度计进行导航20。海上作业方式如图 1(a)所示,“海翼号”水下滑翔机除了加载 CTD 之外,还加载了单通道声学记录系统(USR)。USR 水听器灵敏度为170dB,采样率是 48kHz。为便于说明,在下文以 O2 点作为坐标原点,分别以正东和正北为轴和轴正方向,图 1(b)给出了“实验 1 号”船和水下滑翔机运动轨迹图,其中黑色圆点为“实验 1 号”船的运动轨迹;星号为滑翔机 J15 和 J16 的入水点及出水点位置;背景为海深图,海深数据来自于 ETOPO1 数据库,该数据库的分辨率为 1,融合了众多全球和区域的数据集,包含了大陆的地势起伏和海洋中的水深数据21。“实验1 号”船在 O2 点布放了潜标垂直阵、J15 和 J16 两台水下滑翔机后,沿声传播测线自东向西航行,每隔438声学学报2023年3min 交替投放标定深度为 50m 和 200m、爆炸当量为 1kgTNT 的宽带声源。水下滑翔机 J16 沿着设计路线自南向北运动,水下滑翔机 J15 则关闭舵机,无动力随海流运动。图 2 给 出 了 声 传 播 测 线 方 向 上 距 离 O2 点100km 范围内实验测量的海深和数据库获取的海深数据对比,数据库数据与实测海深数据吻合较好,平均海深约为 3720m。同时,从图 1(b)中的实验区域数据库海深变化可以看出,实验区域西侧地形较为平坦。实验期间测得的海水声速剖面如图 3 所示,声道轴深度大约位于 1495m,最小声速为 1493m/s.海底附近的海水声速为 1518m/s,小于海表面处的声速 1543m/s,为典型的非完全声道。1490150015101520153015401550声速(m/s)05001000150020002500300035004000深度(m)图3实验期间海域测量的声速剖面2 实验数据处理 2.1滑翔机水下轨迹推算由于受到海流等因素作用,滑翔机在水下工作时并非沿着直线运动。由于无法实现水下实时通讯,仅能在浮出水面后与卫星进行通讯,因此如何推算滑翔机的水下运动轨迹是声源定位的一个重要前提。本文利用水下滑翔机获取的流速和航向等信息,对滑翔机运动轨迹进行推算,进而得到滑翔机接收声信号时刻相对于声源的距离18