何先忠，許楓

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所,北京100190； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

動(dòng)力定位噪聲對(duì)全景掃描聲吶干擾的特性分析

何先忠1,2，許楓1

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所,北京100190； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100190)

在淺海的工作環(huán)境下，船舶或海上作業(yè)平臺(tái)的動(dòng)力定位噪聲嚴(yán)重地干擾全景掃描聲吶的聲圖。目前的各種干擾抵消技術(shù)實(shí)際效果不理想，動(dòng)力定位狀態(tài)下其對(duì)全景掃描聲吶的信號(hào)檢測(cè)能力提高有限。本文提出通過收放全景掃描聲吶的鎧裝電纜恢復(fù)被掩蓋了的目標(biāo)信號(hào)的方法，計(jì)算了動(dòng)力定位螺旋槳噪聲干擾的直達(dá)波和海底反射波到達(dá)接收陣的入射角；仿真分析了接收陣入水深度對(duì)螺旋槳噪聲干擾的直達(dá)波和多途影響，以及引起的盲區(qū)方位變化情況；仿真結(jié)果表明可提高全景掃描聲吶的探測(cè)能力，為全景掃描聲吶設(shè)計(jì)者采取相應(yīng)的信號(hào)處理算法來抑制動(dòng)力定位噪聲的干擾提供了依據(jù)。

全景掃描聲吶； 動(dòng)力定位； 螺旋漿噪聲； 聲圖；干擾；接收陣；鎧裝電纜

隨著造船工業(yè)和自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,船舶的動(dòng)力定位技術(shù)逐步成熟,并且開始在一些實(shí)際船舶或者海上平臺(tái)中得到了應(yīng)用[1-3]。帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶或海上平臺(tái)主要應(yīng)用于淺海中的定點(diǎn)作業(yè)，作業(yè)時(shí)一般用全景掃描聲吶觀察水體中或海底的情況。盡管船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，但是動(dòng)力定位系統(tǒng)工作時(shí)多個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重地干擾了全景掃描聲吶的聲圖，形成大范圍的探測(cè)盲區(qū)，同時(shí)還影響其他區(qū)域的目標(biāo)探測(cè)能力[4-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試?yán)枚喾N方法抑制這種噪聲，如自適應(yīng)噪聲抵消[6-7]、自適應(yīng)波束形成、后置波束形成干擾抵消[8-9]和逆波束形成等方法，但是這些干擾抵消技術(shù)實(shí)際效果不理想，對(duì)動(dòng)力定位狀態(tài)下的全景掃描聲吶的信號(hào)檢測(cè)能力提高十分有限。本文討論在淺海中動(dòng)力定位噪聲對(duì)全景掃描聲吶的干擾，分析了動(dòng)力定位噪聲的多徑傳播，這種干擾和接收陣入水深度的關(guān)系，提出通過收放全景掃描聲吶的鎧裝電纜恢復(fù)曾被盲區(qū)掩蓋了的目標(biāo)信號(hào)的方法，可提高全景掃描聲吶對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力。

1 動(dòng)力定位噪聲的干擾

一般地帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，船艏有側(cè)推，船艉有艉推。動(dòng)力定位時(shí)船舶在海面保持固定的位置和艏舟向以利于進(jìn)行水下作業(yè)。水下作業(yè)時(shí)用全景掃描聲吶觀察水下的地形地貌和作業(yè)情況，全景掃描聲吶的濕端用鎧裝電纜吊放懸掛在船舶中部的左舷或右舷。海上作業(yè)平臺(tái)中動(dòng)力定位螺旋槳一般分布在平臺(tái)的周圍。帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶或海上作業(yè)平臺(tái)通常有多個(gè)螺旋槳，如981海洋石油鉆井平臺(tái)有8個(gè)動(dòng)力定位螺旋槳。使用的全景掃描聲吶的工作頻率為100 kHz，濕端的接收換能器是由4條直線換能器陣圍成的正方形，每一條直線陣中有96個(gè)相鄰間距為半波長(zhǎng)的陣元，通過對(duì)這4條接收換能器進(jìn)行電子切換來實(shí)現(xiàn)全景掃描的功能。

圖1是在有動(dòng)力定位時(shí)全景掃描聲吶獲得的聲圖，當(dāng)時(shí)作業(yè)海區(qū)水深63 m，三級(jí)海況下，全景掃描聲吶的濕端入水26 m。從圖1中可以看出：在動(dòng)力定位情況下全景掃描聲吶的聲圖比較粗糙，主要是因?yàn)閯?dòng)力定位噪聲干擾很強(qiáng)，這種強(qiáng)干擾通過波束的副瓣干擾了聲圖的目標(biāo)信號(hào)，從而使聲圖變得模糊；另一方面，圖1中的聲圖出現(xiàn)了許多圓弧，這是因?yàn)椴ㄊ闹髋园瓯纫欢?，?qiáng)的動(dòng)力定位噪聲干擾在波束的旁瓣方向產(chǎn)生了比較大的響應(yīng)。由此可見，動(dòng)力定位噪聲干擾嚴(yán)重地降低了全景掃描聲吶探測(cè)目標(biāo)的能力。

圖1 有動(dòng)力定位時(shí)的聲圖Fig.1 Sonar image with dynamic positioning

圖1中的聲圖出現(xiàn)了3道強(qiáng)干擾，造成3個(gè)探測(cè)盲區(qū)，關(guān)閉動(dòng)力定位系統(tǒng)，這3道強(qiáng)干擾消失，又可以探測(cè)海底的地形地貌，所以這是由動(dòng)力定位的螺旋槳旋轉(zhuǎn)而引起的強(qiáng)干擾。

2 動(dòng)力定位螺旋槳噪聲分析

為了方便分析，只考慮動(dòng)力定位的一個(gè)螺旋槳噪聲和一條直線陣的情況，圖2是動(dòng)力定位螺旋槳噪聲產(chǎn)生干擾的示意圖，假設(shè)接收直線陣的陣元數(shù)為N，相鄰陣元間距為工作頻率f的聲波的半波長(zhǎng)，接收直線陣長(zhǎng)度為l，螺旋槳到接收陣的水平直線距離為r，動(dòng)力定位螺旋槳的直達(dá)波和接收陣L端所在水平線的夾角為θ，和接收陣R端所在水平線的夾角為β，動(dòng)力定位螺旋槳入水深度為h，接收陣在動(dòng)力定位螺旋槳下方垂直距離為u,接收陣到海底的垂直距離為d。在淺海環(huán)境中，動(dòng)力定位螺旋槳噪聲可能通過海底和海面反射或折射等多徑到達(dá)接收陣。利用基于射線理論的聲場(chǎng)計(jì)算軟件BELLHOP，根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)和基陣幾何參數(shù)可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出到達(dá)接收陣的聲場(chǎng)，但是全景掃描聲吶的工作頻率100 kHz對(duì)應(yīng)的聲波波長(zhǎng)為15 mm，如果基陣定位參數(shù)有幾毫米的誤差，那么計(jì)算出來的聲場(chǎng)可能與實(shí)際的聲場(chǎng)差距較大，因此嚴(yán)格計(jì)算聲場(chǎng)沒有實(shí)際意義。

圖2 動(dòng)力定位螺旋槳噪聲產(chǎn)生的干擾Fig.2 The interference of noise caused by dynamic positioning

在等聲速的假設(shè)下，動(dòng)力定位螺旋槳噪聲直達(dá)波到達(dá)接收陣兩端L和R的入射角分別為θ和β，經(jīng)過平坦的海底反射動(dòng)力定位螺旋槳噪聲到達(dá)接收陣兩端L和R的入射角分別是φ和η，如果海底是凹凸不平，那么反射波的入射角就會(huì)擴(kuò)展到[η，φ]以外。實(shí)際上，反射波的強(qiáng)度與海底底質(zhì)有關(guān)，而且聲線的傳播路徑還和聲速剖面有關(guān)[5]。

根據(jù)直達(dá)波、反射波和直線陣的幾何關(guān)系，很容易證明θ、β、φ和η的計(jì)算公式為

式中：在動(dòng)力定位系統(tǒng)工作時(shí)，h=3 m，如果u=10 m，r=30 m，那么θ=18.4°,β=17.9；當(dāng)d=20 m，接收陣陣長(zhǎng)l=0.7 125 m時(shí),φ=59.1°,η=58.4。

3 動(dòng)力定位噪聲干擾的仿真分析

為了分析動(dòng)力定位螺旋槳噪聲對(duì)全景掃描聲吶的干擾作用，以一艘?guī)в袆?dòng)力定位系統(tǒng)和全景掃描聲吶的實(shí)際船舶為例進(jìn)行仿真，仿真的參數(shù)為：動(dòng)力定位螺旋槳入水深度：h=3 m；接收陣參數(shù)：f=100 kHz，N=96，l=0.712 5 m；螺旋槳到接收陣的水平距離：r=30 m；接收陣至動(dòng)力定位螺旋槳的垂直距離：2

下面對(duì)仿真的一些結(jié)果進(jìn)行分析：

1)動(dòng)力定位螺旋槳噪聲直達(dá)波引起的干擾影響入射角5°～70°的目標(biāo)探測(cè)。當(dāng)全景掃描聲吶的濕端接收陣入水深度z不同時(shí)，干擾直達(dá)波的入射角相應(yīng)地發(fā)生變化，如圖3所示。

當(dāng)z增加時(shí)，干擾直達(dá)波的入射角變大，所引起的盲區(qū)方位相應(yīng)地發(fā)生變化，盲區(qū)范圍有所變大，但變化不明顯。根據(jù)這一仿真結(jié)果，可以通過收放吊裝全景掃描聲吶濕端的鎧裝電纜使接收陣的入水深度不同而使干擾直達(dá)波引起的盲區(qū)的方位發(fā)生變化，并且盲區(qū)范圍變化不大，從而檢測(cè)出曾被盲區(qū)掩蓋了的目標(biāo)信號(hào)。

2) 動(dòng)力定位螺旋槳噪聲海底反射波引起的干擾影響入射角72°～81°的目標(biāo)探測(cè)。當(dāng)全景掃描聲吶的濕端接收陣入水深度z不同時(shí)，干擾海底反射波對(duì)于接收換能器的入射角也相應(yīng)地發(fā)生變化，如圖4所示，當(dāng)z增加時(shí)，干擾海底反射波的入射角變小，但干擾引起的盲區(qū)寬度范圍不變。

根據(jù)這一仿真結(jié)果，可以通過收放吊裝全景掃描聲吶濕端的鎧裝電纜使接收陣的入水深度不同而改變干擾海底反射波引起的盲區(qū)的方位，并且盲區(qū)寬度幾乎不變，從而檢測(cè)出被干擾海底反射波引起的盲區(qū)掩蓋了的目標(biāo)信號(hào)。

3)動(dòng)力定位螺旋槳噪聲的直達(dá)波和海底反射波干擾會(huì)在全景掃描聲吶的聲圖中形成盲區(qū)。從圖3和圖4可以看出動(dòng)力定位螺旋槳噪聲的直達(dá)波和海底反射波引起的盲區(qū)可以分布在90°扇面的范圍內(nèi)，它們會(huì)嚴(yán)重地影響目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)性能。

圖3 動(dòng)力定位螺旋槳噪聲直達(dá)波的入射角Fig.3 The incident angle of the direct wave caused by the propeller noise

圖4 動(dòng)力定位螺旋槳噪聲海底反射波的入射角Fig.4 The incident angle of the seabed reflected wave caused by the propeller noise

圖5是沒有動(dòng)力定位螺旋槳噪聲干擾時(shí)接收陣接收到的信號(hào)的角譜，圖5(a)目標(biāo)出現(xiàn)在接收陣法線(0°)方向和圖5(b)目標(biāo)偏離法線(45°)方向時(shí)可以清晰地辨別。

圖5 無動(dòng)力定位螺旋漿噪聲干擾時(shí)目標(biāo)的角譜Fig.5 Angular spectrum of the target without the interference of noise caused by dynamic positioning

圖6是當(dāng)z=35 m有動(dòng)力定位螺旋槳噪聲干擾時(shí)接收陣接收到的信號(hào)的角譜，圖6(a)目標(biāo)出現(xiàn)在接收陣法線(0°)方向時(shí)可以清晰地辨別，但是當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在偏離法線(45°)方向時(shí)，接收陣接收到的信號(hào)的角譜如圖6(b)，在45°附近有強(qiáng)干擾盲區(qū)，不能分辨出目標(biāo)信號(hào)。

圖6 z=35 m，有動(dòng)力定位螺旋槳噪聲時(shí)接收到的信號(hào)的角譜Fig.6 Angular spectrum of a signal received under the interference of the propeller noise caused by dynamic positioning when z=35 m

如果放出鎧裝電纜將全景掃描聲吶的濕端放深，當(dāng)z=60 m有動(dòng)力定位螺旋槳噪聲干擾時(shí)接收陣接收到的信號(hào)的角譜如圖7所示，可看出在圖6(b)中位于45°方向曾被動(dòng)力定位噪聲干擾淹沒了的目標(biāo)信號(hào)又出現(xiàn)了，遠(yuǎn)離盲區(qū)，清晰可辨。

圖7 z=60 m，有動(dòng)力定位螺旋槳噪聲時(shí)接收到的信號(hào)的角譜Fig.7 Angular spectrum of a signal received under the interference of the propeller noise caused by dynamic positioning when z=60 m

4 結(jié)論

1)動(dòng)力定位螺旋槳噪聲對(duì)全景掃描聲吶產(chǎn)生的干擾除了直達(dá)波外還有海底反射的多途，多途的存在使動(dòng)力定位噪聲對(duì)全景掃描聲吶的干擾變得復(fù)雜；

2)全景掃描聲吶的濕端入水深度不同會(huì)引起動(dòng)力定位噪聲的直達(dá)波和多途干擾而引起的探測(cè)盲區(qū)方位發(fā)生變化，因此收放全景掃描聲吶的鎧裝電纜可以改變盲區(qū)的方位，從而使原來探測(cè)盲區(qū)中的目標(biāo)信號(hào)又變得清晰可見；

3)本文對(duì)一個(gè)動(dòng)力定位螺旋槳噪聲干擾一條接收直線陣的計(jì)算和仿真分析可以推廣到實(shí)際的動(dòng)力定位船舶或海上作業(yè)平臺(tái)多個(gè)螺旋槳噪聲干擾接收陣的情況，認(rèn)識(shí)到實(shí)際系統(tǒng)中動(dòng)力定位噪聲對(duì)全景掃描聲吶聲圖的干擾規(guī)律，將有利于采取相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)來抑制這種干擾，從而提高了在動(dòng)力定位船舶或海上作業(yè)平臺(tái)上全景掃描聲吶的探測(cè)目標(biāo)的能力。

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本文引用格式：

何先忠， 許楓. 動(dòng)力定位噪聲對(duì)全景掃描聲吶中干擾的特性分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(7): 1031-1034, 1064.

HE Xianzhong, XU Feng. Characteristics of dynamic positioning noises interference to panoramic scanning sonar[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(7): 1031-1034, 1064.

Characteristics of dynamic positioning noises interference to panoramic scanning sonar

HE Xianzhong1,2, XU Feng1

(1.Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Under a shallow-water working environment, the dynamic positioning noises coming from ships or offshore platforms seriously interfere with the acoustic images obtained from the panoramic scanning sonar. The actual effects of all kinds of interference counteraction technologies are not ideal, and their abilities to improve the signal detection abilities of the panoramic scanning sonar under the state of dynamic positioning remain limited. In this paper, we calculated the interfered incident angles, which were formed by the direct wave and/or bottom reflection originated from the noises of the dynamic positioning propeller. The simulation analysis indicated that blind ranges caused by direct wave and multipath changed due to the changing depth of the receiving array in water. These findings suggest that changing the retractable armored cable can eliminate the blind spot and improve the detection sensibility of the panoramic scanning sonar. The results provide a theoretical basis that can allow panoramic scanning sonar researchers to design technologies that can suppress the interference of dynamic positioning noise.

panoramic scanning sonar; dynamic positioning; propeller noise; sonar image; interference; receiving array; armored cable

2016-04-17.

日期：2017-04-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471353).

何先忠(1969-),男,副研究員; 許楓(1969-),男,研究員,博士生導(dǎo)師.

許楓，E-mail:xf@mail.ioa.ac.cn.

10.11990/jheu.201604047

TN911.7

A

1006-7043(2017)07-1031-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1413.052.html