0 引言

1996年9月10日，第50届联合国大会审议通过了《全面禁止核试验条约》（简称CTBT）（Document A/50/1027 of United Nations，1996），CTBT的宗旨是禁止各缔约国进行任何形式的核爆炸试验。为有效监测全球范围内可能的核爆炸，条约规定建立国际监测系统（简称IMS），采用地震、水声、次声和放射性核素等4种核查技术手段，常年不间断地监测全球各地可能发生的核试验。IMS由分布全球的321个地震、放射性核素、水声和次声等4种类型的监测台站、16个放射性核素实验室以及全球通信基础设施（GCI）组成。其中，水声监测是水下核爆炸的主要监测手段，对于在大洋上空进行的低空核爆炸，也有较强的监测能力。利用水声监测技术，可探测、定位、识别水下及水面爆炸，估算爆炸威力（Committee on Reviewing and Updating Technical Issues Related to the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty，2012）。水声监测对水下爆炸的探测灵敏度极高，对距离10 000 km、1 kg的水下爆炸都有一定的探测能力（Bowman et al，2005；Dahlman et al，2009, 2011）。除用于水下核爆炸的监测外，水声监测技术在地震观测、火山观测、海洋环流观测、生态环境观测和军事目标的探测识别和水下通信等军用、民用领域也得到广泛应用（李健等，2013；朱俊江等，2017；李风华等，2019）。

水声探测的有效方法是，利用布设在声发通道中的水听器台站（H-相台站）或建在陡峭海边的地震台站（即T-相台站）探测水声信号。分布于全球的IMS水声监测台网（下文简称水声台网）目前已完成11个台站的建设，基于先进的传感器设备和建台技术，具备对全球范围千克级当量爆炸的监测能力。本文介绍了IMS水声台网的组成及监测能力现状，并从台站勘址、设计及设备选型等方面，详细总结了水声台站的建设过程和方法，并分析了下一代H-相水声台站的设计方案及研发进展。

1 IMS水声监测网络及应用 1.1 水声监测网络组成及监测能力

IMS水声监测网络由11个水声台站组成，包括6个H-相台站和5个T-相台站，均已建成并通过核准验收。H-相台站主要位于南半球，T-相台站是H-相台站的补充，增强了南半球爆炸事件的定位能力，并将水声监测的覆盖面延伸到北半球。IMS水声台站分布见图 1（图中H表示H-相台站，T表示T-相台站），具体分布位置和台站所在国列于表 1（张利兴等，2005）。虽然IMS水声监测网络台站较少，分布稀疏，但因其具备探测的高灵敏度特性，可高置信地检测到海域1 t以上的水下爆炸（李风华等，2019）。IMS水声监测网络监测能力分布见图 2（图中等高线代表log10(yield kiloton)，色柱颜色代表当量，单位kg），可见在台站附近的监测能力阈值可达到爆炸当量的千克级，对远处也可达到爆炸当量的10 kg量级。

2.2 水声台站监测原理及数据处理

水下爆炸激发的水声信号传输至水声台站，由水听器采集水声信号，经到时拾取、方位估计等信号处理，实现定位、识别、当量估算等分析。IMS水声数据处理过程主要有信号检测与特征提取（简称DFX）、震相识别（简称StaPro）和水声方位角慢度计算（简称HASE）。在数据处理过程中，通常将数据分割成10 min的数据段。DFX主要完成数据质量检测、数据通道内信号检测及信号特征计算；StaPro主要利用检测信号特征来确定信号类别，进行震相识别，而这些结果将会用于台网处理过程；HASE主要利用滑动时窗和多通带滤波，实现方位、慢度的估计。完成上述处理后，自动生成监测信号的标准清单，以便分析员对事件列表的进一步分析和处理。

2.3 台网应用

水声技术具有高灵敏监测水下事件的优势，具有重要的军事意义。IMS水声台网的主要目标是监测水下爆炸，例如，2008年9月，日本东京大学和日本海洋地球科学技术研究所联合实施的Ibaraki08巡航进行了一系列浅水爆炸实验，IMS的威克岛H11台、胡尔南德斯岛H03台均清楚记录到爆炸信号，其中H11台距离声源约3 000 km，H03台距离声源超过16 000 km。研究人员使用爆炸数据，利用深海声发通道，探索了IMS水声台站对浅水爆炸信号远距离探测和定位的能力（Mark et al，2011），如：Mark K Prior^①利用IMS水声台站记录数据，分析了2008年11月10日澳大利亚西部卡那封郡城市近海岸区域的爆炸信号，利用台站时延估计了此次爆炸当量；2017年11月15日阿根廷一艘潜艇失踪，有学者利用IMS水声台网2个台站记录的潜艇位置附近最后一次标定爆炸信号，分析爆炸的传播路径，对信号进行定位，为标定潜艇的失踪位置提供数据支持^②。

①  Mark K Prior, Aulina Bittner, David Jepsen, et al. Detection of an in-water event on seismic and hydroacousticsensors [R]. International Scientific Studies, 2009.

②  eter L. Nielsen, Mario Zampolli, Ronan Le Bras. Analysis of hydro-acoustic and seismic signals originating from asource in the vicinity of the last known location of the Argentiniansubmarine ARA San Juan. EGU2018-18559.

除军事应用，IMS水声台网也具有广泛的民用价值。例如，为海啸的成功预警提供可能。2010年5月29日马来西亚群岛的突发性火山喷发，造成2次不同级况的海啸，水声台站记录到大量的T-相和H-相，国际上已有学者利用地震、水声、次声对此次事件进行联合分析^③。

③  acques Talandier, Olivier Hyvernaud, Dominique Reymond. Detection, Location and Screening of seisimic, hydroacoustic, infrasound and tsunami waveforms associated with May 29, 2010 South Sarigan paroxysmic Explosion, Marianas islands. 2011ISC.

3 水声台站建设过程

IMS之所以要建设2种类型的台站，主要是因为二者作用和目标不同，其中H-相台是水听器台站，主要用来检测水下事件；T-相台又称为第三相台站，是一种特殊的地震台站，由一个或多个地震仪组成，用于检测由水声信号耦合产生的地震波。

IMS的H-相、T-相台站示意见图 3。H-相台站主要由水下部分、海岸设施组成，其中：水听器传感器组件位于或靠近声波定位和测距声道轴线上，水中声道轴线通过海底锚固定悬浮在水中，尽可能减少海底声耦；每根电缆连接3个水听器，水听器间水平距离在1—2 km；水听器传感器的信号通过一根单独电缆传送到岸上。T-相台站在水中的信号，尤其是声源位于声发通道内的信号，一部分通过水中路径传播耦合至岸边的T-相台站，一部分激发了地震扰动，以地震波的形式传播至T-相台站。

表 2列出国际监测系统H-相、T-相台站的最低技术指标。由表 2可见，H-相台站使用无动力的水听器，其动态范围在120 dB以内，采样速率≥240次/s，具有足够的动态范围和分辨率来测定爆炸产生的高频成分；每个台站有1—2根电缆，各电缆末端有3个水听器，以加强系统的冗余度和耐久性。对于T-相台站，由于水声在声发声道中传播时吸收率低，在水与岩石的界面处仍存在水声信号的高频成分。因此，相比于地震仪器，T-相台站具有更宽的通带，以便检测由水声能量耦合成地震能量而产生的具有更高频率成分的T-震相波。

3.1 H-相台站建设概况 3.1.1 勘址

水听器建设位置的选择原则是，考虑低噪声、宽视角和易于长久安装电缆等因素。除上述因素外，在选择IMS水声台站站址时，还综合考虑了各台站的测量盲区、站址的供电和通信状况等，台网布局同时需满足主要海域能够被三角形的子台站网覆盖，以获得良好的定位能力。由于水声信号沿声发通道进行远距离传播，在建立水听器台时，通常选取远离大陆的深海区域。在IMS的6个H-相台站中，除H01位于大陆，其余5个均建在海岛上，在远离海岛相对的两侧分别安装水听器，以减小海岛对水声信号的阻挡。在具体勘址过程中，需使用侧扫声纳、多波束回声测深仪、垂直回声测深仪、抓样器和温度盐度测量仪CTD等仪器来进行需求条件的测量，寻找最佳建台地址。例如，在对威克岛进行勘址时，工作人员调查了9个海山作为水声阵列的备选位置，对海底地形、大陆架坡度、海底沉积层、声速曲线和声道轴位置均进行了细致分析，从而确定了威克岛水下水听器的布放位置以及海底电缆的走向^④。图 4展示了H-相水声台站勘址的具体内容和方法。

④  Bathymetric survey for hydroacoustic (hydrophone) station HA11 at wake island, final survey report. CTBTO. 2002, 11.

3.1.2 H-相台站构成及安装

IMS的H-相台站设备主要由水下系统（简称UWS）、海岸终端（简称ST）和数据处理设备（简称DPE）3部分组成（图 5）。

水下系统由节点（由MariPro等公司设计）、浮标、压敏检波器/前置放大器组件、电瓶或拼接外壳、阳极和锚组成。每个节点（3个节点）均作为一个单元降到海底，通过命令释放浮标，将压敏检波器传感器和电缆垂直展开，压敏检波器放置在声发轴深度；水下电缆连接水下电瓶和海滩拼接坑，采用双铠装保护，使用重量、掩埋和分裂管道等方法将其稳定在浅水中，以防止洋流和波浪引起的波动。海岸终端包括一个接线盒、电源（为水下系统供电，包括调节和控制）、数字数据格式化和接口（简称DDFI）。接线盒连接海岸终端到岸上设备的光缆和电力电缆；高压电源（简称HVPS）以恒流模式工作，向海岸终端设备供电；DDFI接收来自海岸终端的声学数据帧，对数据流进行解编，并将数据传递至模拟接口模块验证器（简称AIMA-PC）；数据处理设备，包括通信接口模块（简称CIM II）、远程处理计算机（简称RPC）、AIMA-PC和X-Windows及查看执行（简称XAVE）工作站；通信接口模块从DDFI接收数据并将其传递至RPC，RPC对其进行缓冲并将其传递给一个或多个指定收件人；XAVE工作站可近实时进行数据显示和分析，且作为站点的本地控制；AIMA-PC认证器提供数据认证^⑤。

⑤  Certification report hydroacoustic (hydrophone) station HA01. CTBTO. IMS/HM 19 Nov 01.

3.1.3 水听器性能指标

水声换能器作为水声台站或水下声呐系统的重要部件之一，其性能和参数是水声台站监测能力的重要基础。按功能材料，可划分为电磁式、磁致伸缩式、压电式、电致伸缩等换能器。把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器，把电能转换为声能的换能器叫作发射器（黄薇，2010）。IMS水听器台站是一种被动声纳，不含发射器，仅接收信号，采用陶瓷元件的压敏检波器（晶体半导体CS5321数字化仪），通过电场/磁场激励产生伸缩应变，达到换能的目的。

水声换能器的主要性能指标有水中工作频带宽度、接收响应、最大工作深度等，其中水听器的接收响应是单位声压的平面波（在水听器放入声场前）产生水听器的端电压的大小。通常，接收响应以水听器不接负载时的开路响应来表示，单位dB，参考级是1 μPa的声压产生1 V的电压（1 V/μPa）（曾台英等，2002）。以威克岛H11台观测系统为例，给出典型的水听器阵列测量响应曲线，见图 6。系统响应是水听器的响应及由水听器到海岸的信号传输电缆和放大器响应的综合结果。IMS的H-相台站的换能器一般置于声发通道内，根据不同海域，放置深度有所不同，一般为700—1 000 m。水听器的通带范围为1—100 Hz，在通带范围内对压力响应是平坦的，动态范围可达到120 dB，在系统通带内，响应灵敏度一般小于80 dB，水听器以250 Hz的采样率连续获取和传送数据，以分辨水声信号中爆炸产生的高频（≥100 Hz）成分。

⑥  张利兴.禁核试核查技术导论（第四章）：水声监测技术[M].北京：国防工业出版社，2005：137.

3.2 T-相台站建设概况 3.2.1 勘址

为了能够较好地接收来自海洋的耦合信号，T-相台站通常建在小岛陡峭的海岸边。台站选址需考虑尽可能大的监测视角，同时需减少地震背景噪声。因此，一般选择在岛屿的不同地点安装多个T-相地震仪系统。在T-相水声台站的站址勘查中，要确定台站用于检测T-相信号的每个地震传感器的精确安装位置，还需考察该站址的条件是否满足台站建设和可靠运行所需的基本要求。与常规地震信号相比，T-相信号包含较高能量的高频成分，与地震台站的勘址内容基本相同，但有以下差别（张利兴等，2005）。

（1）为与来自海洋的T-相信号耦合良好，传感器宜安装在平滑陡坡，以使耦合作用达最大，站址对远洋无阻挡的视场方位角应尽可能广，同时需注意当地的深海地貌对无阻挡视场的影响。例如，H07S台站坐落在海拔高度约450 m的陡峭悬崖区，视角相对开放，耦合作用良好。

（2）信噪比是影响水声监测能力的重要参数。拍岸浪是T-相台站的主要噪声源之一，与主要在声发通道深度附近产生的T-相信号相比，拍岸浪产生的噪声信号以较高速率衰减，但是，T-相信号中的高频成分同时迅速衰减。因此，需选择合适的传感器安装位置，使拍岸浪产生的噪声信号尽可能降低，而T-相信号中的高频成分衰减不大。在H02台勘址过程中，与H02S相比，在通带0.5—20 Hz范围内，H02N的平均背景噪声较低。这是因为，H02N位于高海拔地区，受周围环境影响小，而H02S海拔低，受周围环境影响较大。

（3）为了覆盖来自小岛各方向的水声信号，通常安装一个以上传感器。例如，H07台站，其南部子台H07S坐落在费洛雷斯岛，由于受到科沃岛的阻挡，H07S对北部监测能力较弱，因此在在科沃岛建立了H07N子台，以此提高对北部大西洋爆炸的监测能力。

3.2.2 T-相台站构成

IMS水声台网T-相台站基本建在小岛上，除个别参数外，技术指标与基本地震台站大致相同。其中，H02由南、北向2个子台构成，使用三分向宽频带地震计（CMG3-T，通带120 s—50 Hz）；H05由南、北向2个子台构成，使用DASE设计的标准仪器，包括一个短周期垂直地震计（DASE ZM 500）和2个短周期水平地震计（DASE HM 500）；H06台由南、北和东向3个子台构成，其中H06S（南向）采用短周期GS-13地震计（由Geotech设计和制造），H06N（北向）和H06E（东向）采用STS-2三轴宽频带传感器（由Wielandt-Strecheisen设计和制造）；H07由南、北向子台构成，其中H07N（北向）采用短周期GS-13地震计（由Geotech设计和制作），H07S（南向）采用STS-2三轴宽频带传感器；H09由南、北向2个子台构成，采用短周期GS-13地震计，包括一个短周期垂直地震计和2个短周期水平地震计。图 7给出H06E和H06N台使用的STS-2地震计的仪器响应，可见速度响应在0.01—40 Hz频带内是平坦的，符合台站技术指标。

4 新一代H-相台站的研制

鉴于IMS水听器台站建设周期长、成本高、安装复杂、维护困难，美国华盛顿大学应用物理实验室提出新一代水听器设计理念^⑦。其目标是：①通过减小突发事件对台站的影响，提高台站的可持续性，以减小对数据可用率产生的负面影响；②通过模块化设计，提高台站的快速修复能力；③提高IMS水声数据的科学价值。新一代H-相台站设计寿命大于20年，满足CTBT的技术要求。

⑦  Preliminary findings on design consideration options for the next generation of hydrophone hydroacoustic stations. WGB task: Technology Refreshment, Vienna, 22 August – 2 September 2016.

4.1 可持续的工程概念和技术

为了提高台站的可持续、可发展性，提出以下概念和技术：①采用充油气囊围绕水听器的方式，抑制水听器流动噪声，提高水听器的监测性能；②对湿端—干端适配器进行模块化设计，并使用远程操作机器人进行维修，提高事件效率，降低维修成本；③增加传感器诊断和状态监控功能，以提高传感器可维护性，特别是重大灾难发生时子系统故障的迅速诊断和修复；④增配用于早期检测压力外壳泄露的湿端传感器及用于检测水听器故障的电压和电流传感器等；⑤进一步更新系统架构，使得组件安全隔离，可以远程断开故障元件与系统的连接，隔离影响正常运行的组件；⑥增加主动校准功能，添加主动低电平校准声源，以补充当前校准过程的附加组件，利用输入信号，调节已知的模拟校准波形（目前的校准方法没有考虑陶瓷水听器和前置放大器的校准）；⑦根据台站的不同结构，仪器设备的选择范围从单、低功率仪器到高功率和多仪器阵列；⑧采用数字水听器，降低因三元组中一个水听器元件发生故障而产生的噪声污染风险；⑨更新水下设备与每个水听器元件之间的通信系统，将模拟系统转换为数字系统，用于基站和水听器之间的通信，提高数据传输数率和传输距离。

4.2 水听器台站模块化设计

第一代基于电缆传输的水听器至今已使用20多年。电缆水声系统采用线性阵列设计，水听器三元组、水下电子设备和电缆连接在一根线上。经验表明，在恶劣天气下，此类配置对系统的安装维修形成挑战，水下部件维修变得繁琐和昂贵。采用新一代模块化设计方案，可提高台站的可持续性和可维护性。该方案主要根据水声台站可能出现的故障模式进行设计，具体设计如下。

（1）模块线性化系统。通过添加湿端—干端适配器实现模块化。目前设计了2个方案进行模块化，其中一种模块化仅包含信号分离器，应用荷载传递元件，保护框架外的部件免受过度机械应力影响，见图 8。

（2）轮毂辐条模块化系统。与之前的线性设计结构相比，该设计改变较大，因其具有多个输出连接器的接线盒替换数字化仪，并采用带有集成数字用户线路（DSL）的数字水听器，通过铜导线传输数据，以满足水听器之间电缆长度的要求，见图 9。这种星形拓扑结构允许为额外的科学仪器选择额外的输出连接器，或者更换出现故障的水听器。

该模块化系统既可支持低功率配置，也可支持高功率配置，主要取决于仪器的参数指标。基于这2种配置，该拓扑结构需通过远程操作机器人进行部署和维修。系统出现故障时，因各部件隔离安装，可在不干扰其他部件正常工作情况下，修复故障部件，安装备用水听器。

4.3 研发和测试进展

目前，IMS水声台站采用线性化设计，PTS工作组成员对上述2个模块化设计理论进行多方面测试和评估，分别采用6种不同形式的模块化系统，并与当前线性化系统进行比较，结果见表 3，其中OPT-1a、OPT-1b、OPT-2a和OPT-2b采用线性系统模块化设计，OPT-3和OPT-4采用轮毂辐条模块化设计。

由表 3可见，与现有线性系统相比，所考虑的设计方案均能提高可持续性、可维护性和数据可用性。每个方案均提供不同程度的模块化和可修复性选择，可通过更换受损部件实现高效修复，且系统干扰性最小。工作人员将不断审查并研究IMS水声台站中使用的相关设计方案，分析并评估其风险和效益，并长期进行实地测试，以改进目前的设计，达到制定技术要求的目的。

5 结束语

水声监测是水下爆炸监测直接而有效的技术手段，在地震观测、火山观测、海洋环流观测、生态环境观测、水下目标探测识别和水下通信等领域也有广泛应用。本文从台站勘址、结构组成、性能指标等方面，详细总结了IMS水声监测网络的组成和建设，并对新一代水听器台站的建设理念和研发测试进行了分析，希望为水声台站建设、运行和维护以及水声监测数据的处理分析提供参考。