2017, Vol. 39
水下无人潜航器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已视为重要的水下智能化无人作战平台。它无人、独立、隐蔽地自主远程航行，意味着可能到达风险海域，甚至是被拒绝的海域，并且自主系统不受特定范围和通信限制的局限，使得在特殊海域进行长期研究成为可能。所以，利用UUV携带多种传感器或武器，去执行特定的使命和任务，成为现代海军的“力量倍增器”，在现代和未来水下作战中充当着不可或缺的重要角色。
当前，UUV在特定海域执行情报、监视和侦察任务是其主要作战任务之一。UUV情报、监视和侦察任务载荷技术也代表了UUV的能力，本文给出了一种水声侦听任务载荷的设计，即“UUV水声智能感知模块”。该设计中UUV上适装多个水听器，在UUV主控单元的操控下，采集水中声信号。存储的信息既可以传输给UUV，也可将信息存储于载荷存储介质中，后续下载。
UUV水声智能感知模块可补充和扩展传统有人平台的能力，将情报搜集、海洋探测、监视和侦察能力延伸到受禁地区，在浅水域或其他常规平台无法进入的水域执行任务，对敌潜艇和水面舰艇等运动目标进行探测。UUV作为一个水下目标探测的工作平台，在指定区域内巡航，加装智能感知模块后，能够在水下进行全方位、连续的观测和作业，可长时间稳定地工作，为UUV在水下工作环境提供了一对“眼睛”，从而提高UUV的工作能力。通过装载了此模块，信号处理单元对获取的海洋环境噪声原始数据或其特征量进行统计分析，提取判断判据特征，进行环境噪声特性变化判断，为平台智能避让提供预警提示，保证平台安全。
1 模块设计和实现UUV水声智能感知模块由一个电子舱、若干个水听器单元、水听器电缆、通信与供电电缆、百兆网传输电缆、自检测试电缆和数据下载电缆组成。电子舱是水声侦测模块的主体，完成供电控制、通讯控制、信号调理、信号采集与存储、信号处理及数据下载导出，其嵌入在UUV内部，通过连接器与UUV控制舱连接。水听器分布在UUV的首部和尾部，通过水密电缆与UUV智能感知模块连接，且外部导流罩设计不影响UUV总体保型要求。图1为UUV水声智能感知模块的连接示意图。
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图 1 UUV水声智能模块连接示意图 Fig. 1 Schematic connection diagram of UUV water acoustic intelligent module |
UUV通过通信与供电电缆给智能感知模块供电，发送控制指令、时标信息、深度信息、位置信息、海水温度和电导率信息及航行器速度、状态（航行或漂浮）信息，接收模块返回的状态信息。UUV和智能感知模块之间还可通过百兆网通信。
UUV水声智能感知模块使用水听器侦测海洋环境噪声数据及舰艇目标辐射噪声特征数据，同时也能够获取工作频段内的声呐主动探测信号数据，并将数据存储在电子舱内部存储介质内。水面船航行时引起海洋环境噪声信号发生明显变化，海洋环境噪声谱幅值增强，如图2所示。因此，信号处理单元对获取的海洋环境噪声大量正常与异常数据或其特征量进行统计分析，在此基础上提取判断判据特征，以便进行环境状态监测与异常判断。
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图 2 环境噪声与目标声压谱对比图 Fig. 2 Comparison of environmental noise and target sound pressure spectrum |
UUV水声智能模块数据处理及分析流程如图3所示。水面船目标噪声信号的预处理包括抗混迭滤波、带通滤波和升、降采样等处理；对于包含水面船目标的海洋环境数据，采用单水听器数据直接处理，分析其噪声特性；对处理结果设置合理判别门限，指导自行平台安全航行，躲避水面船目标。
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图 3 信号处理数据流程图 Fig. 3 Signal processing data flow chart |
采用实时数据预警与历史数据预警相结合的手段；实时数据预警方法是根据最近时刻统计分析出的海洋环境噪声总声级、1/3倍频程谱级结果来判定当前时刻的采集值异常与否，依靠平台自身即可完成预警任务；历史数据预警方法是依据岸基大量历史数据中测量条件相似的统计结果来对比当前时刻的海洋环境噪声总声级与功率谱值，需借助岸基的数据支持。
2 试验结果2014年10月，UUV水声智能模块于千岛湖水声试验中心进行功能考核，10月3日试验数据文件共计21个，总的文件大小2.33 GB，10月4日试验数据文件共计17个，总的文件大小1.87 GB，成功下载保存，如图4所示。
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图 4 试验数据文件下载 Fig. 4 Test data file download |
湖中放入标准声源，填充正弦信号频率为1 kHz的脉冲信号，脉冲宽度100 ms，脉冲周期1 s。在距离标准声源约984 m位置，模块采集标准声源信号，然后对采集到的标准声源信号进行处理和分析。图5和图6为模块采集的信号时域波形与信号线谱图。从右图中可以看出，模块采集的标准声源信号1 kHz线谱幅度为117 dB。
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图 5 模块采集的标准声源信号时域波形 Fig. 5 Standard acoustic source signal time domain waveform |
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图 6 模块采集的标准声源信号线谱图 Fig. 6 The standard audio source signal spectrum of module collection |
试验配合船只发射全向主动声呐信号，6.5 kHz单频脉冲，脉冲宽度64 ms，周期9 s。图7~图9分别为模块获取的主动声呐信号时域波形图、单个脉冲细节图和线谱图。图7中主动声呐信号第1个脉冲起始时间为0.35 s，第2个脉冲起始时间为9.75 s，计算得到周期为9.4 s；图8中主动声呐信号单个脉冲起始时间为0.349 s，脉冲结束时间为0.413 s，计算得脉冲宽度为64 ms，由图9看出，主动声呐信号频率6.5 kHz。与主动声呐信号形式相符。
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图 7 主动声呐信号时域波形图 Fig. 7 Active sonar signal time domain waveform diagram |
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图 8 单个脉冲时域波形图 Fig. 8 Single pulse time domain waveform diagram |
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图 9 主动声呐信号线谱图 Fig. 9 Line-spectrum of active sonar signal |
本文提出了一种UUV水声智能感知模块的设计，可将UUV作为传感器网络的延伸，及时地提供准确数据，为ISR提供了全新的视野，并利用试验数据对模块的部分功能进行了验证。解决了小型、低功耗、大深度海洋环境噪声采集模块平台搭载技术，长时间、跨深度海洋环境噪声获取与处理技术，实现声学信息获取、处理以及与平台互通、共享，为平台智能化观测及安全避让提供声学技术支撑。
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