基于圆型基阵的水下声信标搜寻仪性能测试

大黑隆

一、引言
水下声信标广泛搭载于飞机的飞行数据记录仪和驾驶舱话音记录器（俗称“黑匣子”）上，当飞机不幸失事并坠入水中时，水下声信标可一直发出固定频率（通常为37.5kHz）的声脉冲信号，以此对外告知其所处的方位，便于搜寻人员寻找并进行打捞。通常，声信标可在6000m以内的水下发出超声波信号，并可在距信号1800m至3600m的范围内为探测仪器所感知。由于水下声信标内置电池持续时间有限，如何在短时间内对其快速探测和精确定位，一直是国内外探讨的一大热点。

多年来，我国在水下声信标搜寻装备方面没有新产品推出，从2002年“五七空难”到马航MH370的国际联合搜寻，依靠的仅有手持式黑匣子信号探测仪，该设备通过人耳监听判断信号来波方向，探测距离短、定向精度差，其性能指标远远落后于美国使用的TPL-25型拖曳式声信标搜寻仪和法国ACSA公司的GIB海上应急搜寻系统。

交通运输部天津水运工程科学研究所通过对多款水下声信标的性能参数进行分析,并比较了国际上已采用并验证过的手持式探测仪、拖曳式搜寻仪、超短基线定位仪和浮标式定位仪等4种声信标探测方式，另辟蹊径，设计并研制了一款新型的水下声信标搜寻探测仪，并命名为“天科寻海一号”。

二、水下声信标搜寻仪主要技术
“天科寻海一号”水下声信标搜寻仪的接收换能器采用64元等间距圆阵，可提供360°的方位角覆盖范围，保证各方向具有相同的定向性能；考虑到所采用的复合棒换能器的开角为90°，为增大有效接收范围，将每个接收阵元面向上倾斜45°。

设备主要采用了如下技术：
⑴声信标信号特征的快速识别技术：利用黑匣子声信标脉冲信号的主要参数，从频域特征（37.5kHz）和时域特征（1.1s脉冲周期）两方面进行联合检测,有效减小了带宽和采样率，降低了信号识别运算的压力，实现快速的黑匣子声信标信号的识别和锁定。
⑵远距离微弱信号的快速定位技术：利用圆型基阵在各方向上有相同的测向能力及多阵元信号处理所带来的信噪比提升，解决对声源级较低的黑匣子信标信号的远距离高精度测向问题；并结合基阵载体的艏向和姿态获得声信标信号的绝对方位；最后通过基阵的多次移动交会实现对水下信标的快速准确定位。
⑶空域时域组合的多目标分辨技术：利用圆型基阵波束形成器的稳健的空域多目标分辨能力，结合声信标信号的时域特征（不同信标的来波时间不同），能够有效实现对多个水下声信标的分辨和定位，避免信号误判。可支持5个声信标的同时跟踪。

三、消声水池测试
为验证“天科寻海一号”的性能可靠性，选择中国科学院声学研究所消声水池进行了一系列试验，对声信标搜寻仪的单目标定向精度、多目标分辨精度、探测距离等指标进行了测试。采用标准声源代替水下声信标发送信号频率为37.5kHz、脉冲宽度为9ms、声源级为160.5dB、重复周期为0.9Hz的声脉冲信号。

⒈方向精度及探测距离试验
试验过程中，圆型换能器阵和标准声源均入水5m，二者相距16m。

使圆型换能器阵以5°的步径顺时针转动一圈，每旋转5°记录声信标来波方向与真实角度之间的误差，结果见表1和图1。从中可见，最大方向误差约为0.5°，均方差为0.13°，超过了当前大多数声信标探测设备的性能，并证明在各个方向上系统的定向精度是基本一致的，可以满足实际作业需求。

表1  测向误差 单位：°

图1  测向误差分布图

根据声信标频率37.5kHz、声源级162dB、传输距离3000m、声吸收系数4.8dB/km、换能器灵敏度-172dB计算，换能器能接收到的最小电信号幅度为20uV[10]。通过逐渐调小标准声源输出的信号强度，直到换能器阵对来波信号的方向无法正确识别，记录得到的电信号幅度为13uV。测试结果证明：在理想情况下，系统对37.5kHz声信标的探测距离超过3000m，接近于美国TPL-25声信标搜寻仪的工作指标。

⒉多目标检测及分辨试验
试验过程中，布设4个标准声源呈扇形分布，彼此之间相距3m。圆型换能器阵和4个标准声源之间的距离均为16m，入水深度均为5m。

当系统跟踪到声信标信号后，在浏览目标图中以时间轴上的横线及方向轴上的黄色亮点表示；在锁定目标图上，则以红色显示。

从图2（a）的浏览目标图中，可以看到系统对4个目标能够成功识别，并可判别出来自不同的方向。取出2个标准声源，并将剩下的2个标准声源逐步靠近，可以发现在相距1.5m时，系统仍然能够清楚辨识出2个声信号，见图2（b）的锁定目标图。通过计算可知，此时两个标准声源之间的夹角为5°。通过本试验可以确定当多个目标信号同时出现时，系统能够正常分辨出各自的方位。

（a）浏览目标图              （b）锁定目标图

图2  目标识别效果图

四、海上现场测试
⒈海上停船测试
对研制的“天科寻海一号”在天津近海进行测试，该海域平均水深18m左右。测试过程中，将单个水下声信标固定在航标上保持不动，并记录当前声信标的GPS位置信息。圆型换能器阵挂在船侧，使船只沿规定路线逐渐远离声信标。根据GPS信息对船只位置进行定位，分别在距离声信标大约100m、200m、500m、800m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m等位置将船只停止，根据接收到的信号解算当前声信标的方位，并分析检测到的声信标信号的信噪比是否满足要求。
在人机交互软件界面，对采集的数据进行调试。工作频率设为37.5kHz，信号形式CW，脉冲长度10ms，海水声速设为1482m/s。调试过程中可对频率的波动范围和图像的显示范围进行设置。

图3中，声信标距离换能器约790m。船只螺旋桨停止转动时，系统接收到目标信号并在图中以黄色亮点表示，图像如3（a）所示，此时来波方向为27°；当船只开动螺旋桨时，图像如3（b）所示，可以看出螺旋桨产生的噪声对信号的识别产生了干扰，但还不足以完全将信号掩盖。

当声信标距离换能器超过2000m，船只螺旋桨停止转动时，系统仍能够识别目标信号但信噪比明显降低；当船只开动螺旋桨时，可以从图像4（b）中看出螺旋桨产生的噪声已将信号掩盖，系统无法识别出正确的目标信号。考虑到试验水域水深只有18m，此时设备覆盖角度已优于179°，当水深进一步增大时，探测距离应会超过2000m，认为性能满足设计要求。

（a）螺旋桨停止         （b）螺旋桨打开

图3  目标距离约790m的图像

（a）螺旋桨停止         （b）螺旋桨打开

图4  目标距离约2100m的图像

测试结果表明：声信标搜索过程中，船体噪声和水面噪声将会对探测距离产生重要的影响。为降低噪声干扰，建议采用拖体方案，将声信号采集与处理部分放到水下拖体中，使其尽可能远离母船和水面并接近水下声信标。

⒉海上走航测试
“天科寻海一号”整个系统研制完成后，在天津近海对其进行了海上走航测试。测试过程中，将换能器阵通过浮体气囊安装到固定支架上，同时连上双天线GPS罗经仪组装成一个简易的拖体式探测仪。具体安装方式如为：浮体气囊用于保证换能器阵能够稳定地入水0.5m，双天线GPS罗经仪用于保证拖体定位和艏向的准确性。测试使用的2个水下声信标，均绑缚到铅垂上，放置到水底，声信标与水底的垂直距离大致为5～7m。

图5为测试过程中检测到声信标方位信息后的实时显示效果，可分别从浏览目标图、锁定目标图、目标方位图以及来波信号图等界面对信号进行分析，此时声信标与拖体式探测仪之间相距大致200m左右。从图中可以看出，此时跟踪到2个目标，一个目标的来波方向为64.7°，另一个目标的来波方向为333.9°。通过声信标信号时域特征（不同信标的来波时间不同）的提取，最多可同时实现对5个水下声信标进行分辨和定位。

图5  声信标的实时探测和跟踪

在“天科寻海一号”准确检测到声信标的信号后，船只继续前行。此时由于声信标和拖体式探测仪之间的相对位置一直变化，得到的目标方位信息也跟着在变化，见图6。通过交会法，可以方便、快速地得到声信标相对于拖体式探测仪的距离以及声信标的大致位置。经与声信标实际位置比对，试验中实时交会定位精度优于6m。

图6  声信标的实时交会定位

测试结果表明：在设备走航过程中，可以稳定地跟踪声信标信号并获取来波方向。为了保证实时交会位置的准确性，应为探测仪提供准确的位置和艏向数据。

五、结束语
为验证国产设备“天科寻海一号”搜寻水下声信标的实际性能，本文通过消声水池、海上现场等试验，对其各项指标和整体性能进行了测试。研究表明：此款基于圆型声呐基阵的声信标搜寻仪，具有探测距离远、方向分辨力高、跟踪目标多、搜索速度快等特点，大大提高了失事飞机黑匣子声信标的搜寻效率，具有重要的工程应用价值。
在后期水下声信标搜寻仪的研制上，还需要进一步做以下几个方面的研究工作：
⑴为了能尽快实现深海搜寻能力，需要研制配套的电缆绞车，使声信标搜寻仪换能器能深入到海底附近，提高水下声信标探测能力。
⑵为了提高搜寻速度，进一步优化搜寻策略和搜寻方法，并对应调整人机交互软件和导航定位软件，尽可能减少海上搜寻时间。
⑶优化流线型水下拖体的设计，尽可能压低拖体附近流噪声等级，提高声呐信号信噪比。
⑷进一步提高声信标搜寻定位精度，在水下拖体上设计水下定位设备和表面声速计等。