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用于海洋声学测量和反演的水下自主航行器拖曳阵列
摘要
本文提出了一种基于拖曳水听器阵列的自主水下航行器(AUV)测量浅水波导单通道相互作用表面、底部和体积的实验方法。 该系统设计成低频(~100Hz)到中频(lt;10KHz)的定向源。表面、体积和底部散射对直接和直接反射信号相干性的影响很难测量，而移动定向接收器提供了一种自适应能力。例如，装置利用声的相干性和散射作用可以定量测出接近水面微泡层和水面上船舶尾迹。此外，带有水听器阵列的AUV可以方便、快速地部署，其机动性也可以提供区域范围的特性。然而，水下航行器辐射噪声测量表明，载具噪声会限制船体或内部水听器阵列的能力，因此建议使用低噪声拖曳阵列。本文的AUV采用Remus载具，一个经过测试的现成的拖曳平台，适用于低阻力阵列。为了验证Remus拖曳平台低噪声的能力，采用Dodge Pond声学测试设施对平台进行了辐射噪声测量。拖曳平台在8米深的竖井上旋转，并在13米远的地方测量标定的噪音水平。AUV的最大转速,1/3倍频程噪声水平,当转换为源代码级别的校准传播因素,是130dB1mu;pa 1 m, 这就代表平台以3节的速度行驶时辐射噪声源级。小直径(2.8厘米直径)的充液水听器阵列有6个通道，平均间隔0.75米，每个通道的接收灵敏度为-174 dB re1mu;pa / V ,范围从100Hz至10 kHz。小型磁盘记录系统由三个商用现货(COTS)电池供电，具有20 kHz频带通，采样频率为44KHz, 16位模拟数字转换器提供存储能力90分钟的原始数据。原型系统在Dodge Pond测试设备进行了“概念验证(proof-of-concept)”测试。为了确定系统的操作特性，平台将按照预定的直行和转弯路径行驶。
引言
对于海洋中的声音散射和传播实验，一般需要了解和控制海面和海底的入射角，以及接收器的范围、深度和方位。要在海洋中进行传输实验，单一的发射源和单一的接收器便组成最简单的实验系统，每个接收器可以是固定的，也可以是移动的，实际上选择哪种配置主要取决于成本。
通常来说发射源的效率不高，所以最好将信号源放在拖曳平台，并配置一个固定的接收器，这种技术在文献1中有充分的论证。将接收机器装在水下自主航行器(AUV)上，仅用一艘船的费就可以实现移动发射源和接收器的多种功能。
将传感器放置到AUV上使其成为移动传感器的想法并不新颖，考虑到声学传感器可以很容易地将水听器连接到AUV上，并在水中放置一个声源，这一点在水声通信领域已经得到了很好的证明。然而，在中低频率范围内，波长和船长度相差数量级，船长度会限制声学传感器方向性，这一特性对分离边界和体积的影响时是必不可少的。此外，在测量水柱的表面、底部和体积对声音传播的影响时，在这种频率范围内，信号水平通常很低，安装在AUV上的传感器会受到平台噪音的干扰。因此，为了允许对需要定向识别的效应进行广域描述，一个新方法是将拖曳式水听器阵列安装在AUV后并使用一个定向参数源进一步增加辨别能力。通过在舰船上部署一个参数源，并在其表面或底部控制主差频波束，当阵列偏离舰船时，它将通过直接路径和单路径反射波束。阵列的波束响应与AUV导航系统相结合便可以确定入射角。因此，体积效应由直接路径信号确定，通过改变源的转向角，边界的角依赖效应由单一反射路径确定。
由于参数化阵列技术已经成熟(见文献2)，需要优化的是AUV拖曳水听器阵列硬件问题。本文的其余部分将讨论实验结果，以证明AUV拖曳充液水听器阵列实验的可行性，。
原型阵列
为了测试水下航行器对水听器阵列的直线稳定拖曳能力，构建了水听器阵列样机。由于拖曳平台的可用推力有限，而且它的耐久度随阻力的增加而下降，因此，最好尽量减少被拖曳列阵的直径，并限制其表面积，从而减少阻力。因此，该阵列由一个长9.2米(30英尺) 、管外径2.8厘米(1.1英寸)的Kevlar增强管构成。水听器成组连接一个前置放大器，所有前置放大器都装在管子里，为了平衡浮力在管子里灌满矿物油。水听器组按照预设频率(1000Hz)的半波长0.75m布置。有6个通道,每个通道在100 Hz to 10 kHz范围内校准minus;174plusmn;1.5 dB re 1mu;Pa/V
通过使用由3个商用现货(COTS)微型磁盘记录器组成的记录系统快速将阵列集成到平台上。这些记录器被安置在一个不透水的圆柱形外壳中，外侧绑着一个鼻锥。一根平衡浮力大约10米的电缆充当牵引电缆和数据电缆，将阵列连接到记录器外壳。除此之外，在标准的Remus平台后面绑上了防护罩，以保护拖缆和列阵不受平台的影响。图1显示了平台上的记录系统和附件，以及连接水听器阵列的拖缆。
噪声试验
由于拖曳平台的噪声是声列阵主要干扰因素，因此辐射噪声是声列阵研究的重点。Remus平台在Dodge Pond设备进行了两种不同的测试。第一种是将平台悬挂在一个刚性测试轴上的浮动声学测试平台下，把井筒放低，直到平台浸入到水下8m，并水听器下降4m，8m和12进行校准。
然后平台以0到1400转(最大马力)的速度行驶。定位轴在0到180度之间以10度的增量旋转(180度对应于平台的正后方)。在每个角度的位置，对平台在0, 25, 50, 75和100%的最大转速下进行数据记录。在测试过程中，平台上的非必要传感器被关闭，因此记录的噪音只由平台处理器或推进系统产生。主要噪声成分基本上是全向的，电平变化不超过3dB。
平台在自由工作条件下的辐射噪声通常比有条件下的辐射噪声小，因此测量平台辐射噪声的第二种方法是检查平台后面拖曳水听器阵列上记录的噪声的功率谱密度。下一节将对此展开测试并进行描述，但当平台沿直线拖曳列阵时列阵水听器也记录了平台的噪音。因为控制系统必须补偿额外的阻力，试验时有几次平台的转速下降到零。对记录信号的功率谱密度和转速与时间的关系进行了检查，发现在尾部存在转速相关的辐射噪声。图2所示为平台后方14.6 m处通道1接收到的辐射噪声。
值得注意的是，两种噪声测量方法的结果显示，Remus的辐射噪声水平与其他平台相当。
部署测试
在系留位置进行了初步的噪声测试后，将拖曳式阵列样机与记录系统连接起来并部署在Dodge Pond测试设施中。为了保持列阵的平直和稳定用一个10米长的绳子吊挂在列阵的后端添加拖动。这样一来电缆，阵列和锥管的总长度约30米，平台沿着预定的路径航行并用船上多普勒速度推算船位。路径包括一个大约10米半径的转弯和一个大约5米的转弯，然后是一个大约100米的直线。在测试设备驳船的角落和离测试中心约100米远的浮子上分别放置三个不同频率(9、11、12KHz)和重复频率(约4秒)的声波发生器。在驳船下面，安装了一个由信号发生器控制的声学投影仪，该信号发生器以750或2500赫兹的频率发送500 ms的连续波信号。由于是冬季，测试用的水柱以1430m/s的等速声速剖面测量厚软泥底。包含阵列和平台数据的平台路径和任务时间线图如图3和图4所示。
为了获得良好的波束形成，阵列必须被拖拽在一条笔直稳定的路径上。通过分析相互关联的通道之间的时间滞后，利用记录水听器的接收数据，可以确定每个水听器相对于第一个水听器的位置。因为是平面波和恒定声速，水听器位置与时间延迟的关系图可以得到一条直线。通过对数据进行最小二乘拟合，得到每个时延与最佳拟合时延之间的偏差是阵列几何形状的一个指示。由此可以得出线阵列发生了变形，导致每个通道与通道1之间出现了轻微的相位偏差(相当于时间滞后)，线性相位相差10度，相位偏离线性的标准差约为5度。考虑与声源的距离，假设在垂直方向上发生了变形，这相当于在3.75m的声段长度上有一个约0.1 m的弓形，其位置的标准偏差约为0.05m。这表明一个相当直的拖是稳定的。hellip;hellip;.
结论
本文的目的是概述一种新的实验技术，并说明水下自主航行器可以作为一个安静的平台来拖拽一个短的水听器阵列。对Remus水下自主航行器的噪声测试结果表明，在一定程度上降低噪声后，Remus水下自主航行器将成为一个较好的安静平台。水听器阵列的部署试验表明，小直径、低噪声的水下航行器拖曳阵列是可以实现的。此外，AUV能够以2-3节的速度稳定地牵引阵列。在Dodge Pond中观测到的良好相干波束形成结果表明，该系统是一种可行的、有价值的声学测量工具。
充液拖曳阵列水听器的流动噪声计算与实验研究（部分）
摘要
了解充液拖曳列阵水听器的流动噪声物理特性对设计拖曳线列阵声纳具有重要意义。本文利用频率波数分解方法，推导了充液拖曳列阵中由湍流压力产生的水听器的流动噪声。结果表明，流动噪声随拖曳速度的增大而增大，随水听器长度的增大而减小。同时，流动噪声与弹性体管的材料参数密切相关。它随着衰减系数、外径和弹性体管的厚度而减小。在此基础上，利用恒扇区反波束形成方法设计了一种空间滤波器，用于抑制来自传感器数据的拖曳辐射噪声和环境噪声。实验数据分析结果与理论值吻合较好，表明空间滤波器能有效地抑制拖曳船辐射噪声和环境噪声。此外，本文还分析了声阵接收到的流动噪声的相关特性，这对声呐系统的设计具有重要意义。
引言
拖曳线列阵具有大孔径、深度可调、工作频率低、不易受到舰船辐射噪声干扰等优点。基于以上优点，拖曳线列阵广泛用于地质勘探和长程探测。但是线列阵和周围海水的相对运动会在拖缆外边产生湍流边界层(TBL)。由于湍流而产生的波动压力会传递到拖缆内部的液体中进而被水听器感应，由此产生的干扰信号称为流动噪声。流动噪声是拖曳阵的主要噪声源之一，对声呐性能有很大的影响，例如，在高拖速下，目标信号检测的概率会降低。因此，研究流动噪声的特性及有效抑制和利用流动噪声的方法具有重要的意义。
近年来的研究主要依赖于频率波数分析方法。基于Corcos提出的湍流壁面压力谱，Ko等人提出了湍流边界层压力波动传递到粘弹性层的计算模型，提出了利用波数滤波器减小湍流边界层压力波动的技术。Knight等人计算了TBL脉动压力引起的流动噪声，分析了弹性层对降低流动噪声的作用，但并没有考虑内部液体的影响。Shashaty等人计算了流体和固体拖曳列阵中扩展水听器的流动噪声，但忽视了弹性体管的声学特性。Francis分析了弹性圆柱的流动噪声场，计算了充液固相拖曳列阵中水听器的流动噪声。
本文利用频率波数分解方法，推导了TBL脉动压力产生的水听器流动噪声，利用Carpenter的TBL压力模型计算充液拖曳阵列水听器的流动噪声。文中分析了弹性体管、内部流体和水听器对流动噪声的影响。实验数据处理采用恒扇区反波束形成方法设计的空间滤波器。实验结果表明计算方法合理、有效。此外，还分析了声阵列接收到的流动噪声的相关特性
流动噪声的理论模型和数值计算
当粘性流体流经被拖曳阵列的弹性体管时，被拖曳阵列与周围水体之间的相对运动在弹性体管的边界外产生了一层湍流流动。与紊流相关的压力波动可以传递到内部流体，并被拖曳阵列中的水听器感知。由此产生的干扰信号称为流动噪声。在水听器检测之前，TBL的脉动压力首先到达弹性体管和内部流体。因此，弹性体管和内部流体的传递特性对水听器的流动噪声有重要影响。假设拖曳阵列足够长，可以忽略对两端的影响，则弹性体管边界外的流场和噪声场在圆周方向上是均匀的，整个声学系统是线性的。如图1a所示，将拖曳式压力传感器的几何形状简化为与轴向x和径向r和有关的二维模型，弹性体管的厚度和半径是R和tau;0 。内部流体的密度和声速是rho;1和c1 ，rho;2和c2是外部流体的密度和声速。线列阵的横截面如图1b所示，水听器的半径是r0 。
假设TBL压力p(x, t)在时间和空间分布平稳、均匀，力随机作用在弹性体管边界上。压力p(x, t)可以表示为
其中p (x, t)和s (kx , omega;)是随机函数，kx 和omega;分别是与轴向距离x和角频率相关的波数。由于整个系统是线性的，所以当弹性体管外压力为e j (kx xminus;omega;t)时，系统在半径r处的响应可以用频率波数谱传递函数h(kx , r, omega;)来表示。这里h是一个确定性函数，它满足弹性力学和声学方程。弹性体管内的随机压力场可表示为
对于半径为r0，灵敏度沿长度为l的水听器，其表面单位面积所受随机压力为
当随机压强时间平稳、空间均匀时，两个距离为L的相同水听器的时空相关函数可以表示为
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