近年来, 海洋声学研究的重点已经转移到浅海环境中来, 随着声呐技术的不断发展, 各国为了降低潜艇被声呐探测到的概率, 都大力开展了潜艇隐身技术的研究, 潜艇在高频段辐射噪声明显降低, 声呐工作频段正向低频/超低频移动。深入研究浅海超低频声源在复杂水下环境中的传播规律和传播特性, 正确的描述水下声场, 改善提高声呐设备性能, 是实现浅海超低频声源目标探测的理论基础, 进而实现声源目标方位和目标深度的准确估计, 是实现浅海超低频声源目标探测的核心和关键。本文在分析超低频声场研究现状存在主要问题的基础上, 提出一种基于多源信息融合的浅海超低频声源目标探测关键技术及实现的技术方案。

1 浅海超低频声场研究现状 1.1 现有的理论基础

声波在海洋中的传播满足最基本的波动方程, 但是由于海洋环境复杂多变, 海洋中声场分布极其复杂。研究学者为研究海洋环境与声场分布之间的关系, 考虑二者之间的主要影响因素, 按照不同应用场景, 简化忽略次要因素, 提出了不同的海洋声场模型。根据假设和近似的不同, 海洋标量声传播模型主要分为射线模型、简正波模型、多途扩展模型、抛物方程以及一些混合算法模型^[1], 表 1为不同算法模型的适用范围^[2]。从表 1可以看出, 简正波模型与抛物方程模型可用于浅海低频声场建模。

1.2 现有研究存在的问题

浅海海底特性为超低频声传播研究带来了很大的困难。具体表现在: ①海底的成分更加复杂, 海底通常是分层的, 海底的密度和声速(压缩波波速和剪切波波速)一般随深度渐变或突然变化; ②超低频声波能够通过沉积层传播, 也能被基岩反射回水中, 也能被沉积层中大的声速梯度折回水中。③超低频声波具有很强的穿透性, 可穿透沉积层同时在海底会激发地震波。

目前通用的声传播模型以及近年来公开发表的声场建模方法及模型在预报分析传播损失或者能量幅度等方面的性能基本可靠, 但在超低频矢量信号特征变化仿真方面欠缺较大, 仿真结果均不能与实际海试中超低频矢量信号特征变化现象相吻合。在前期多个海域多次试验中研究发现, 声源在不同深度运动时, 其信号特征变化明显不同, 矢量信号特征变化与声源深度存在某种程度的内在关联, 十分必要开展进一步研究。

1.3 存在问题的可能原因

目前浅海超低频声波传播特性与海试数据中发现的传播特性有很大偏差, 根本原因在于没有掌握浅海超低频声波激发地震波共存的复合声场下的传播特性, 无法建立准确的声场模型。主要原因可能为: ①超低频声波在海底会激发地震波且普遍存在。因此, 超低频矢量声场建模恰恰不能忽略地震波的影响。目前通用的声传播模型以及近年来公开发表的声场建模方法及模型大多数未考虑地震波声场的存在。②目前成熟的超低频矢量信号采集系统较少, 对浅海超频信号的检测只能借助于多传感器同步采集, 一方面采用哪些传感器组成网络缺乏理论依据, 造成大量信息冗余, 另一方面, 由于浅海环境试验受干扰因素太多, 超低频目标信号往往湮没在庞大的背景噪声中。③多种传感器的使用导致多源异构数据量急剧增加, 但由于缺乏数据集成和信息融合的理论与方法, 采集数据远未能发挥应有价值。④水下目标识别研究大多数集中在距离探测和判断, 以多传感器信息融合为指导的超低频矢量声场传播特性和传播规律研究同时兼顾水下微弱信号获取与分离技术、水下目标深度区分研究极少。总之, 此类技术较为敏感, 一般为各国专有亦无从借鉴, 加之我国在此方面的研究基础比较薄弱, 因此, 对这个亟待解决又有很大挑战性课题的深入研究, 既是理论发展的要求也是实践的需求。

2 多源信息融合的浅海超低频声源目标探测研究 2.1 浅海超低频声传播的多源信息融合思想

浅海声学研究表明:矢量水听器可以检测复合声场中质点的振速(矢量)和声压(标量), 振动测量仪可以检测复合声场中质点的加速度信息, 地震波检测仪可以检测地震波的传播特性和规律。数据融合技术是指同一个观测系统中为提高系统的观测范围、增强系统的可信度、提高分辨能力, 基于对矢量水听器、振动测量仪、地震波检测仪等多源信息的相关性、互补性和相容性分析, 对多个传感器获取不同层次、不同特征的数据和信息通过融合算法进行关联、相关和综合, 借助一定的融合和判定规则得以实现对浅海超低频声波的传播特性研究对象的精度改善或者更准确的状态识别。

2.2 主要研究内容

1) 研究浅海分层弹性海底模型中超低频声波激发地震波的产生机理。研究发现分层弹性海底环境模型中水下声源传播时会激发地震波。因此, 超低频声传播特性其实受到超低频声场和地震波声场共存的复合场影响。研究复合声场中地震波的产生机理和超低频声波的传播特性, 才能从根本上解决超低频声波传播特性与海试数据中发现的传播特性吻合度较差的问题。

2) 研究复杂水下环境中多种传感器同步获取超低频微弱声源信号的试验方案和技术方法。信息融合的核心内容包括数据关联和数据对准, 即多种传感器采集的数据必须是同一时刻对同一声源的描述。数据对准包括基准时刻的同步性和采样频率的一致性。超低频声场感知数据蕴含着各种海洋环境和过程的未知机理以及不同海洋环境和过程之间相互作用的复杂关系。受台风、洋流等因素影响, 海洋环境复杂、气象多变, 对多传感器同步获取复杂水下环境中声源信息提出了更高的要求和挑战, 建立适用于微弱信号多传感器同步采集的试验方案, 是整个项目的基础和关键一环。

3) 研究超低频声源激发地震波声场共存的复合声场中微弱信号的分离、处理、利用等技术手段。多传感器获取复杂水下环境中超低频微弱声源信号后, 必然需要多层次、多方面、多级别的信息处理, 研究表明采用不同的数据处理方法处理同组海试数据得到的结果差别较大。首先对前期积累的海上试验数据, 综合对比当前成熟的包括时频分析、信号滤波、增强、变换、参数估计、识别、分类等几乎所有常规信息理论与信号分析处理方法, 筛选出适用于实际海洋环境的微弱矢量信号分析处理方法, 为后续信息融合提供证据体。

4) 以多传感器信息融合为技术手段, 研究浅海超低频声源激发地震波共存的复合声场中超低频声波的传播特性。将在研究内容①的基础上, 采用②中研究试验方案和技术手段, 通过对矢量水听器、振动测量仪、地震波检测仪异类传感器能获得观察对象的多类交叉互补信息, 综合各类信息特征、探求最优融合算法、实现不确定性推理, 掌握浅海超低频声源激发地震波影响的复合声场中超低频声传播特性。

5) 研究超低频声场和地震波声场共存的复合声场下数据驱动的目标深度区分模型构建方法。目前, 水下目标识别研究大多数集中在距离探测和判断, 而对深度区分研究极少, 研究发现, 不同深度发射时, 其信号特征变化出现明显不同, 这一现象在多个海域多次试验中得到复现, 为利用这一变化特征对声源深度进行区分提供了可能。避开复合声场中物理背景的分析和数学技巧的运用, 引入大数据处理和科学计算思想构建数据驱动的目标深度区分模型。

2.3 多源信息融合的浅海超低频声源目标探测技术特点

多传感器信息获取与融合为技术手段研究分层弹性海底环境模型中超低频声波激发地震波的产生机理, 有助于准确掌握考虑超低频声源激发地震波影响的超低频声波传播特性, 构建数据驱动的目标深度区分模型, 具有以下方面的特征: ①采用多传感器数据集成和融合理论作为超低频声波、地震波的信息获取、处理及利用的理论依据和关键技术。②掌握超低频声场和地震波声场共存的复合声场下超低频声传播特性, 与实际海试数据吻合程度高。③建立超低频声场和地震波声场共存的复合声场下数据驱动的目标深度区分模型, 充分挖掘试验数据的价值, 建模更直接。

3 多源信息融合的浅海超低频声源目标探测技术实现方案

浅海超低频声波在其激发地震波共存的复合声场中的传播特性, 多种传感器获取浅海超低频微弱声源信号的试验方案, 浅海微弱信号的分离、处理、利用等技术手段, 多传感器信息融合方法和算法实现, 水下目标深度区分模型的构建等均是超低频声源目标探测的关键技术, 也是水声信号处理、被动测距、目标识别以及海洋环境监测的理论和实践基础。

3.1 方案涉及的主要技术

① 水下复杂环境中的多传感器多参数感知及同步获取技术; ②微弱信号的分离、滤波、降噪、特征提取等数据处理技术; ③多传感器信息融合技术; ④数据驱动建模与大数据处理及科学计算技术。

3.2 研究路径

本文按照研究内容执行两条技术路线分步骤分层次展开研究。第一条主线, 首先以分层弹性海底的现有试验数据, 进行数据分析、数据挖掘, 结合地震波理论研究浅海超低频声波激发地震波的产生机理、对超低频声波的影响机制, 进而优化整合以往的海试方案, 设计适合水下复杂环境的多传感器多参数感知及同步获取试验方案, 实现水下多传感器信息同步获取, 接着研究微弱信号降噪, 分离、滤波、降维、特征提取等技术手段, 然后结合多传感器数据融合的方法, 建立融合模型和算法实现, 得到多传感器数据对超低频声波在复合声场中的传播特性的精确描述, 为浅海超低频声矢量建模提供理论依据。第二条主线, 主要是海上试验获取实验数据, 包括矢量水听器和振动测量仪获取不同深度下复合声场信息和地震波检测仪获取地震波声场信息, 借助第一条主线中的微弱信号降噪, 分离、滤波、降维、特征提取等技术, 结合数据驱动的复杂系统建模技术, 构建水下目标深度区分模型。在执行两条主线的过程中交互穿插, 最终达到并输出主要研究目标, 研究路径如图 1所示。

4 多源信息融合的浅海超低频声源目标探测的创新点

在前期研究的基础上, 通过对现有试验数据分析处理以及补充试验, 以多传感器信息融合为技术手段全面研究浅海超低频声波激发地震波共存的复合声场下的传播特性, 结合前期研究中发现的声源处在不同深度时其信号特征变化明显不同, 引入大数据处理和科学计算思想, 研究超低频声场和震波声场共存的复合声场下数据驱动的目标深度区分模型构建方法。创新之处在于: ①研究的超低频声波传播特性是超低频声场与自身激发的地震波声场共存的复合声场中的传播特性; ②通过理论分析, 数据处理, 结合复杂水下环境中矢量水听器、振动测量仪、地震波检测仪等多源数据集成和信息融合算法及融合模型, 实现对浅海复合声场中超低频声波传播特性的精确描述; ③引入大数据处理及科学计算思想, 构建数据驱动的水下目标深度区分模型。

5 结论

以多传感器信息融合为理论指导, 建立仿真结果与海试发现的矢量信号特征变化规律一致的浅海超低频矢量声学模型, 在此基础上, 形成系统的浅海超低频声源深度分类模式与方法, 有效提高水下声探测系统的可靠性, 在浅海超低频目标探测、进而研制具有实战意义的装备等方面意义重大。