一种水下声学剖面浮标的设计与应用

一种水下声学剖面浮标的设计与应用
发布时间：2022-07-16T07:20:48.134Z 来源：《中国科技信息》2022年第33卷3月5期作者：毕大鹏[导读] 介绍了一种HM500T型水下声学剖面浮标的设计及实际应用。

毕大鹏
（青岛海山海洋装备有限公司，山东青岛，266309）
摘要：介绍了一种HM500T型水下声学剖面浮标的设计及实际应用。

该型水下声学剖面浮标基于国产HM2000型自动剖面浮标研制，通过增加声学采集模块，实现对海洋环境噪声、水下声学信号的采集、测量功能，实现对水下目标隐蔽和受控警戒探测功能，并兼顾实时、长时间序列、水文环境观测，其可快速形成大面积区域目标探测能力，且低成本、布放方便。

关键词：海洋环境噪声；水下声学信号；剖面浮标
中图分类号：P715.2 文献标识码：B
Design and application of a new type of underwater acoustic buoy
Bi Dapeng
（Qingdao Hisun Marine Equipment Co., Ltd., Qingdao, Shandong, 266309）
Abstract: The design and practical application of a HM500T underwater acoustic buoy are introduced. This type of underwater acoustic buoy is developed based on the domestic HM2000 profile buoy. By adding the acoustic acquisition module, it realizes the acquisition and measurement functions of marine environmental noise and underwater acoustic signals, and realizes the concealed and controlled warning detection functions of underwater targets. The acoustic buoy has the characteristics of real-time, long in-position time and hydrological environment observation. It can quickly form the detection ability of large-area targets, with low cost and convenient layout.
Keywords: Marine environmental noise; Underwater acoustic signals; profile buoy ;
0引言
长期以来，受国内技术发展水平制约，我国水下目标探索、探测、识别及监视能力薄弱，水下空间成为我国所有国防领域中设防最薄弱的环节。

目前，我国深海大洋的水下目标探测方式主要依靠传统的水面舰艇和航空声呐，成本高、效率低下，且易受恶劣海况严重，水下监视预警探测能力严重滞后于新形势下我国海洋安全面临的严峻威胁和挑战[1]。

为改变以上现状，本文设计一型基于国产剖面探测浮标基础上，搭载水声采集模块的水下声学剖面浮标，实现对海洋环境噪声及水下声学信号的实时收集、快速处理，实现海洋环境数据的无线采集、集中存储、智能解析一站式服务，为军事海洋环境保障、海洋权益维护等提供水下实时海洋观测数据支撑。

1 水下声学剖面浮标的设计
1.1 浮标结构组成
HM500T型水下声学剖面浮标是在国产HM2000型自动剖面浮标研制基础[2]上，增加水下声学采集模块，从而实现海洋环境噪声和水下声学信号采集功能。

该型浮标投放入水后可根据预先设定的参数，自动完成下潜-定深漂流(声学信号采集)-上浮-水面通信-下潜的剖面循环，并可在海洋中连续进行剖面循环工作。

当浮标位于海面时，可通过北斗卫星系统实现数据传输并获取自身定位。

HM500T型水下声学剖面浮标按照模块化设计原则，主要由6个部分组成，包括壳体模块、浮力调节模块、控制模块、水下声学采集模块。

卫星通信模块以及电池模块。

浮标整体外形呈圆柱体，外表面平滑、光顺，详细组成结构见图1。

图1 HM500T型水下声学剖面浮标
Fig.1 The HM500T underwater acoustic profile buoy
1.2 主要功能和技术指标
HM500T型水下声学剖面浮标可实现的主要功能如下：
（1）具备双向通信功能，可通过北斗卫星进行双向通信，并能够在线设定剖面观测参数，从而实现程控漂流功能；
（2）具备北斗定位、GPS定位双重定位功能；
（3）具备搁浅保护功能；
（4）具备数据自动重传功能；
（5）具备完善的数据传送机制；
（6）具备岸站无人值守功能，并能够自动提醒浮标运行维护人员。

主要技术指标如下：
（1）剖面测量深度：0～500米；
（2）最大下潜深度：500米；
（3）循环测量次数: ≥100个剖面；
（4）在位工作时间：≥300天；
（5）数据传输：北斗卫星定位通信系统；
（6）剖面循环周期：10～240小时任意设定；
（7）温盐深测量范围与精度：
温度测量范围：-5～＋45℃，测量精度±0.002℃；
压力测量范围：0～500m，测量精度±2m；
盐度测量范围：2～42PSU，测量精度±0.0035PSU。

（8）声学测量指标：
工作频带：20Hz~5kHz；
矢量通道自噪声：≤46dB@1kHz；
指向性分辨力：≥30dB；
矢量通道声压灵敏度级：≥-180dB@1kHz；
声压通道自噪声：≤38dB@1kHz；
声压通道声压灵敏度级：≥-192dB。

1.3 工作模式
HM500T型水下声学剖面浮标具有两种工作模式（图2）：一种为剖面循环工作模式，在该模式下，浮标会自动重复上浮-下潜过程，另一种为定深漂流模式，当浮标布放后，会下沉到目标深度进行漂流，并将在设定的漂流时间超时后自动浮出水面。

每次浮标位于水面时，会通过北斗卫星通信系统将获取的海洋环境数据、目标声学信号和自身的状态信息发送给位于岸站控制中心的浮标监控软件应用系统，进而等待该系统的指令进行下一个剖面工作。

需要说明的是，当浮标在工作过程中探测到目标声学信号后，会立刻执行上浮指令，以保证对目标信息的及时回传。

因而，浮标在水下工作过程中包含两种情况：未监测到目标声学信号和监测到目标声学信号。

在每种条件下的浮标工作流程为：
图2 浮标的两种工作模式
Fig.2 Two working modes of the buoy
a 未监测到目标声学信号
浮标将正常按照设定的参数逐剖面进行工作，当设定的漂流周期时间到后，浮标开始上浮至水面，并向岸站控制中心传输所有剖面信息。

b 监测到目标声学信号
当浮标在定漂阶段监测到目标声学信号时，浮标将立即转入上浮阶段，浮标上浮至水面后，控制AIS模块上电，浮标完成剖面工作，向岸站控制中心传输剖面信息以及目标声学信号的特征信息。

具体的工作流程见图3。

图3 水下工作模式流程图
Fig.3 The flow chart of underwater working mode
2 岸站显控软件设计
岸站显控软件将数字海图内嵌到浮标专用控制软件中[3]，可在数字海图上实时显示各浮标的运行轨迹和航路上的探测信息与运行状态，并具备对多台浮标的控制与组网能力，主要功能如下：
（1）具备浮标平台控制功能，包括浮标平台工作参数设定、参数读取、剖面启动、浮标位置上传等；
（2）具备水声模块控制功能，包括水声模块工作模式、工作时间设定，水声参数读取、水面模式上电、关电，水声模块自检等；（3）具备浮标数据接收、显示功能，包括浮标剖面出水定位、CTD数据、水声报警数据、水声工作状态、浮标入水定位等；（4）具备实时显示与状态监控功能；
（5）具备故障诊断自动报警功能；
（6）具备浮标任务分配功能；
（7）具备浮标组网优化设计功能。

图4 浮标控制软件主界面
Fig.4 The main interface of buoy control software
图5 浮标平台参数设定界面
Fig.5 The buoy platform parameter setting
图7 海图显示界面
Fig.7 The sea chart
3 海上应用
为进一步验证HM500T型水下声学剖面浮标对海洋物理要素场的观测能力以及对海上目标的探测能力，2021年6月份于东海某海域开展了一次浮标性能测试试验。

试验期间，海表流速稳定在1.0kn左右，海面风速约为2级，海况较为良好。

试验期间，浮标设置为循环工作模式，最大下潜深度设置为500m。

在整个试验期间，浮标的漂流轨迹如图8所示。

图8 浮标漂流轨迹
Fig.8 The sea chart
从浮标漂流轨迹中可以看出，浮标对自身的控制性能较好，在各个剖面中的最大下潜深度均可保持在设定值附近，误差不超过±5m。

利用浮标自身携带的温盐传感器对海洋环境的测量结果及声速剖面测量结果如图9所示。

从声速剖面中可以看出，测试期间，浮标所在海域
表面层在20~30m之间，且有明显跃变层。

图9 海洋环境数据测量结果. （a）盐度随深度变化；（b）温度随深度变化；（c）声速剖面. Fig.9 Measurement results of marine environmental data. (a) Salinity versus depth; (b) Temperature versus depth; (c) Sound velocity profile. 利用试验船对浮标的声学探测系统进行了测试。

试探测期间试验船以12kn的航速朝336°航向角（以正北为参考方向）匀速行驶，试验船与浮标的相对态势图如图10a所示。

由试验船上的GPS记录位置可推算其相对于浮标平台的方位角，并将该方位角作为客观值。

同时，由单矢量传感器探测声学数据亦可计算得到试验船的方位历程，两者间的对比如图10b所示。

可以看出，浮标的最远探测距离可达4.2km，且声学探测系统的测向结果具有较高的精度。

以上试验结果表明，浮标的声学探测系统具有良好的性能。

图10 浮标声学系统探测结果. （a）试验船与浮标的相对态势；（b）浮标探测目标方位.
Fig.10 The detection results of the buoy acoustic system. (a) The relative situation between the test ship and the buoy; (b) The orientation of the target detected by the buoy.
4 结束语
本文介绍了HM500T型声学剖面探测浮标的设计与实现，该型浮标具有自主知识产权，从而为我国深远海资源开发、海洋运输、远洋渔业和海洋预报等提供更多的基础数据与信息服务，对维护我国海洋权益、实现海洋强国梦都有着重要的战略意义。

水下声学浮标是具备高隐蔽和低成本优点的无人平台，是未来水下无人探测手段的重要组成部分，下一步将重点攻克多平台协同探测技术。

参考文献：
[1] 周宏坤，2016．航空声纳浮标用矢量水听器及其悬挂技术研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学.
[2] 沈锐, 王徳亮, 刘增宏,等. HM2000型剖面浮标的主要特征及其应用[J]. 水雷战与舰船防护, 2019, 002(002):20-27.
[3] 张素伟, 王德亮, 沈锐. HM2000型铱星剖面浮标岸站数据收发器的设计[J]. 海洋技术学报, 2018, 37(5):7.
[4] 韩梅,王超,孙芹东,等. 水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析[J]. 应用声学,2020,39(4):536-542.
作者简介：毕大鹏（1987年出生），男，山东荣成，工程师，主要从事海洋工程装备、测控技术研究.258768572@qqcom。