水下聲學滑翔機實時探測通信系統及其近海試驗

田德艷 ,張小川 ,張文清 ,孫芹東 ,王 超

(1.青島海洋科技中心,山東 青島,266237;2.海軍潛艇學院,山東 青島,266199)

0 引言

隨著海洋資源的開發和利用,水下聲學滑翔機、波浪滑翔器、潛標以及浮標等作為重要的水下無人平臺,被廣泛應用于海洋環境監測和水下組網等領域[1-11]。水下滑翔機采用浮力驅動方式改變載體凈浮力來提供上升和下潛驅動力,通過改變重心位置調節姿態(俯仰角和橫滾角),配合低阻力外殼和側翼,在水下作鋸齒形曲線運動。由于其長航程、高效率、低能耗等優勢,搭載集成各種傳感器和科考設備,可對水下環境進行探測。水下聲學滑翔機是在水下滑翔機的基礎上,搭載集成聲學傳感器及配套的水聲信號處理系統,使其具備海洋環境噪聲采集、水聲目標信息采集及數據處理等功能。水下聲學滑翔機在水下執行觀探測任務時,需要等待每個滑翔剖面結束上浮至水面,再將數據信息上報至岸基中心。這種工作方式使得水下聲學滑翔機無法與岸基中心進行實時信息交互,滑翔上浮帶來的時間延遲不僅會中斷當前觀探測任務,還會降低信息時效性。

針對此問題,文中提出一種水下聲學滑翔機探測通信系統,將水聲通信技術[12-15]應用在水下聲學滑翔機上,輔以水面波浪滑翔器[16-18]通信中繼功能,實現觀探測信息實時傳輸。

文中著重介紹了水下聲學滑翔機探測通信近海試驗應用情況、試驗數據處理結果。通過外海試驗應用,驗證了水下聲學滑翔機探測通信系統結構的正確性和可行性,以期為國內水下無人平臺集群協作和編隊組網提供參考。試驗中采用的水下聲學滑翔機為天津大學和海軍潛艇學院聯合研制的“海豚-II”,波浪滑翔器為中國海洋大學研制的“黑珍珠”。

1 探測通信系統設計

水下聲學滑翔機探測通信系統結構如圖1 所示,主要包括集成水聲通信機的水下聲學滑翔機和集成水聲通信機的水面波浪滑翔器兩部分。該系統的主要功能是實現水下觀探測和通信,實時上報數據信息至岸基中心。具體表現為：將水下聲學滑翔機在水下觀探測的數據信息,利用水聲通信技術和波浪滑翔器的透明轉發,上傳至岸基中心,從而實現水下聲學滑翔機與岸基中心實時信息交互；岸基中心也可實時下達對水下聲學滑翔機的控制指令。

圖1 水下聲學滑翔機探測通信系統結構示意圖Fig.1 Structure of detection and communcation system for underwater acoustic glider

集成水聲通信機的水下聲學滑翔機包括水下滑翔機、水聲觀探測單元和水聲通信單元3 部分。水聲觀探測單元和水聲通信單元均分體集成在水下滑翔機上,如圖2 所示,并由水下滑翔機為其供電。水聲通信單元由聲學換能器和信號處理機兩部分組成。聲學換能器固定集成在水下滑翔機的艏部,并通過機械結構與殼體相固連；聲學換能器通過水密線纜與水下滑翔機主控相連。信號處理機安裝在水下滑翔機后密封艙內,通過串口與主控相連,進行信息傳輸。

圖2 集成水聲通信機的水下聲學滑翔機Fig.2 Underwater acoustic glider with integrated acoustic communication machine

搭載集成水聲通信單元的水面波浪滑翔器。如圖3 所示,在波浪滑翔器的牽引機上搭載集成水聲通信機水面端,由波浪滑翔器本體為其供電。

圖3 集成水聲通信機的波浪能滑翔器Fig.3 Wave glider with integrated acoustic communication machine

岸基中心接收各平臺回傳的觀探測數據信息以及自身平臺的狀態信息,并由此作出判斷,對各平臺發送控制指令,調整其運動策略。

2 系統信息交互流程

水下聲學滑翔機探測通信系統,信息交互策略如圖4 所示,包括2 個方向的信息數據流向: 數據回傳通信和指令下達通信。

圖4 系統信息交互流程圖Fig.4 Flow chart of system information interaction

1) 數據回傳通信

當水下聲學滑翔機在水下滑翔作業時,矢量水聽器采集水聲信號,其匹配的信號處理機實時處理水聲數據,并將重要信息發送給水下滑翔機。水下滑翔機觸發水聲通信單元工作,將數據信息經過水聲通信發送給水面波浪滑翔器。波浪滑翔器將數據信息通過衛星通信透明轉發至岸基中心。

2) 指令下達通信

岸基中心根據接收的數據信息進行決策,向下發送控制各平臺的指令信息,水面波浪滑翔器接收到非控制自身平臺的命令信息后,通過水聲通信單元向下透明轉發給水下聲學滑翔機主控,繼而控制水下聲學滑翔機改變運動策略。

3 近海試驗應用

2019 年7 月,在青島外海長門巖附近海域進行了水下聲學滑翔機探測通信系統試驗。如圖5紅色方框所示,該試驗海域深度變化為23～28 m,海底為泥質底。

圖5 試驗海域Fig.5 Test sea area

3.1 試驗設備布放及試驗流程

到達試驗海區后,依次將集成水聲通信單元的水下聲學滑翔機、連接波浪滑翔器主控的水聲通信單元以及發射聲源布放入水。

由于青島外海試驗海區水深至深點為28 m,水下聲學滑翔機在此水域無法進行滑翔作業,采取坐底方式驗證系統的探測通信鏈路可行性。水下聲學滑翔機下面墜重物坐底,機體上綁浮力塊,保持其固定在海深3 m 處,并且在水面連接浮球用來標記位置,水下聲學滑翔器布放過程如圖6 所示。

圖6 滑翔機布放過程Fig.6 The deployment process of glider

波浪滑翔器船體與水下牽引機連接的柔性鎧裝纜纜長8 m,在近海海深不足30 m 的情況下,留給水聲通信單元通信垂直距離太短,故試驗將波浪滑翔器主控與聲通機連接,聲通機入水深度3 m,連接波浪滑翔器主控的聲通機布放見圖7。

試驗測試流程如圖8 所示,具體流程為: 將UW350 布放在船側邊,與電腦相連,發送水聲音頻信號,固定在海底的水下聲學滑翔機對其進行探測,在探測到水聲音頻信號后,觸發水聲通信將數據信息發送出去,波浪滑翔器主控收到數據信息后透明轉發至岸基中心。

圖8 試驗測試流程Fig.8 Test procedure

3.2 試驗海區聲場環境測量

利用聲速剖面儀進行試驗現場聲速垂直剖面測量,對聲速剖面數據進行處理,獲得聲速剖面如圖9 左圖所示,可見試驗海區從水深5～15 m 聲速梯度變化顯著。根據試驗條件: 發送端位于水深3 m處,接收端位于相距600 m 水深24 m 處,水聲通信機換能器開角范圍-78°～78°,對聲場環境仿真得到水面向水下通信過程中本征聲線分布如圖9 右圖所示。試驗海區水聲信道復雜,水聲信號多途效應明顯,在接收端存在海面、海底反射信號和多途干擾信號,不利于水聲通信。

圖9 試驗海域聲速剖面及600 m 通信本征聲線傳播Fig.9 The sound velocity profile of the test sea area and the intrinsic sound ray propagation of 600 m communication

3.3 系統探測通信鏈路數據分析

試驗過程中試驗船從上游2 km 順流而下,由遠及近再遠測試探測通信鏈路。經過測試,從上游220 m 到下游530 m,試驗船都能監測到水下聲學滑翔機發送的水聲通信信號。

由于岸基中心接收到的數據包是水下聲學滑翔機采集的數據包經由水聲通信單元、波浪滑翔器和衛星系統傳輸而來,所以要將水下聲學滑翔機主控端采集數據包與岸基中心接收到的數據包進行比對,以驗證通信鏈路傳輸的正確性。

對試驗數據進行統計可知,水下聲學滑翔機探測到的目標信號與通過水聲通信向外發送的目標信號數據包均為30 次,而波浪滑翔器主控與岸基中心接收到的數據包均為15 次,水聲通信丟包率為50%。將岸基中心接收的數據包與水下聲學滑翔機發送數據包進行解析,得到如表1 所示的對比結果。分析水下聲學滑翔機原始數據包與岸基中心接收數據包的傳輸時延差和傳輸目標方位角差,如圖10 所示。

表1 水下聲學滑翔機發送數據與岸基中心接收數據對比Table 1 Comparison of data sent by the underwater acoustic glider and received by the shore-based center

圖10 水下聲學滑翔機發送數據與岸基中心接收數據傳輸時延差和傳輸方位角差Fig.10 The difference in data transmission delay and transmission azimuth between the transmitting end of an underwater acoustic glider and the shore based center

解析對比岸基中心接收的數據包與水下聲學滑翔機發送的數據包無誤碼,聲源方位角均一致。但整個傳輸過程存在不等的傳輸時延,短則1 min,長達18 min,分析可能與水聲通信單元通信失敗等待重傳帶來的時間損耗有關。

3.4 水下聲學滑翔機水下姿態分析

對水下聲學滑翔機在09:34～11:20 時間段內的姿態數據進行統計分析,結果如圖11 所示。水下聲學滑翔機航向角一直處于變化中,可能是受水流沖擊的影響,俯仰角和橫滾角也存在40°左右的角度偏差,這就導致搭載在水下聲學滑翔機艏部水聲通信單元的聲學換能器指向性有所偏離,降低了水聲通信成功率,導致水聲通信丟包。

圖11 水下聲學滑翔機姿態信息Fig.11 The attitude information of underwater acoustic glider

此次海試試驗驗證了基于水下聲學滑翔機探測通信系統從水下聲學滑翔機到岸基中心的信息傳輸鏈路的正確性和可行性。同時也暴露出一些問題,青島外海水聲信道復雜,除海面、海底的反射干擾外,多途效應嚴重,降低了水聲通信的成功率和可通距離。此外,水聲通信機制導致該系統存在時長不等的傳輸時延,后續需進一步優化水聲通信協議和機制;水下聲學滑翔機的姿態對水聲通信的成功率有很大影響,后續會考慮更換輻射范圍更優的聲學換能器。

4 結束語

文中設計了一種水下聲學滑翔機探測通信系統,利用水聲通信技術將水下聲學滑翔機觀探測的數據信息發送給波浪滑翔器,經其透明轉發至岸基中心,實現近似實時的探測通信數據傳輸。最后經過近海試驗驗證了水下聲學滑翔機探測通信系統的正確性和可行性,解決了水下聲學滑翔機在水下執行任務時,無法將信息實時回傳至岸基中心的難題。同時也暴露出該系統目前存在通信丟包率過高和傳輸時延的問題,為下一步的研究應用指明方向,也為后續水下無人系統集群協作和編隊組網提供參考。