《Journal of Marine Science and Engineering》：Design and Feasibility Assessment of a Passive Underwater Acoustic Tag with a Two-Dimensional Code
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传统水下光学标签的工作距离和可靠性有限，而有源声学标签需要机载电源和定期维护，限制了长期部署。本研究提出一种被动式水下声学标签，其将信息编码在由强散射角反射器（corner reflector）与弱散射吸声涂层（acoustic coating）元件构成的二维
传统水下光学标签的工作距离和可靠性有限，而有源声学标签需要机载电源和定期维护，限制了长期部署。本研究提出一种被动式水下声学标签，其将信息编码在由强散射角反射器（corner reflector）与弱散射吸声涂层（acoustic coating）元件构成的二维阵列中。建立了声-结构耦合频响模型（coupled acoustic–structure frequency-response model）以量化两类元件的散射与吸收特性。进一步结合近场延迟求和（delay-and-sum，DAS）波束形成与由指定黑色元件数量导出的自适应阈值，开发了多频成像与解码方法。在65–70 kHz频段内，对五种具有代表性的4×4图案进行了声-结构耦合有限元仿真。在理想自由场条件下，两类元件在整个仿真频带内保持可区分的声学特征，且所提方法恢复了全部五种预设图案。这些结果验证了该概念在建模条件下的可行性。由于该标签不含机载电源或集成电路，其可能为长期水下识别提供一种简单、低维护的平台。潜在应用包括设备定位与追溯、海底管道标记以及机器人检测与导航。
被动式水下二维声学编码标签具有无需本地供电、结构简单和可长期部署的潜力，是解决传统水下标签功耗高、信息容量受限问题的重要途径。本文围绕该标签的结构设计、声学机理和成像解码方法开展研究，在理想自由场条件下通过有限元仿真验证了其可行性。
### 研究背景与问题
随着海洋资源开发和水下自主作业向深远海域拓展，水下设备需要在低能见度、强混响和复杂流场中获得可靠的定位、导航与身份识别信息。传统光学标签受水体吸收、散射和光照变化影响，识别距离和可靠性有限。有源声学标签通过主动发射声波实现测距和通信，但需要机载电源和定期维护，长期部署成本高且受限于电池容量。已有被动声学标签研究利用结构回波携带身份信息，但大多在频率、时延或方位域编码，信息容量有限，且较少采用规则二维空间阵列结合强、弱散射对比进行编码。因此，亟需一种无需本地电源、可长期保留身份信息且容量更高的被动式水下声学标签。
### 研究内容与总体结论
研究人员提出一种被动式水下二维声学编码标签，由强散射的角反射器元件作为白色编码元素（代表1），弱散射的声学涂层元件作为黑色编码元素（代表0），构成规则4×4阵列。通过建立声-结构耦合频响模型，分析两类元件的散射和吸声特性，并基于参数比较确定元件尺寸。随后构建五种代表性拓扑构型，在65–70 kHz频段内进行声-结构耦合有限元仿真，并结合宽带近场DAS波束形成与自适应阈值解码方法，实现编码、成像和解码的完整流程。结果表明，在理想自由场条件下，两类元件在仿真频带内始终保持声学可区分性，所有预设图案均被正确恢复，验证了该设计方案的可行性。
### 关键技术方法
研究人员建立声-结构耦合频响模型，利用COMSOL Multiphysics软件的声-壳层相互作用接口计算角反射器目标强度，采用声-固体相互作用接口和二维周期模型计算声学涂层反射系数。仿真模型使用完美匹配层（PML）模拟自由场，考虑流体加载和结构振动耦合。采用间接频域法将频域散射压力转换为时域回波。成像方面，设计9×9均匀平面接收阵列，基于球面波传播模型实现近场DAS波束形成，并在65–70 kHz内进行多频非相干融合以稳定图像。解码方面，根据已知黑色元素数量构建秩次自适应阈值，将成像区域划分为16个子区域，按区域平均能量分类黑白元素。以上方法均在COMSOL中通过有限元仿真验证，未涉及实验样本队列。
### 研究结果
#### 单个编码元件的声散射
针对白色角反射器元件，研究人员对边长为4 cm、高度为2、3、4 cm的不锈钢角反射器在刚性和弹性条件下进行1–100 kHz仿真。刚性条件显示目标强度随频率总体增加并伴随振荡，第一峰值频率随高度增加而降低，原因是更高的反射器增长了内部声传播路径，使相干增强相位条件在更低频率满足。弹性条件下，结构振动与流体加载导致峰值频率进一步向低频移动，这与所建立的等效单模态方程一致。综合声学和结构分析，选择4 cm高的角反射器作为白色元素。
针对黑色声学涂层元件，研究人员建立多层声学理论下的流固阻抗匹配模型，在2 mm钢背板上施加不同厚度均匀橡胶涂层。仿真结果表明反射系数随频率升高和厚度增加而减小。在65–70 kHz频带内，3 cm和4 cm涂层均具有良好吸声效果，考虑轻量化要求选择3 cm厚度。该涂层在频带内平均反射系数约0.12，吸收系数约0.98，满足弱散射要求。
#### 完整二维声学编码的声学特性
研究人员将所选元件排列为4×4规则阵列，整体尺寸16 cm×16 cm×4 cm，每个子单元为4 cm×4 cm×4 cm。设计了五种代表性构型，包括互补对、非轴对称中心对称构型、棋盘格交替构型以及随机分布构型。COMSOL仿真显示，在65–70 kHz内所有构型的空间散射分布都与预设编码拓扑一致，角反射器附近出现明显局部压力变化，涂层元件响应较弱。尽管局部相位分布随频率变化，但强弱响应区域及其拓扑关系基本保持稳定，表明两类元件在完整阵列中仍可区分。
#### 宽带波束形成成像与自适应解码
研究人员设计了9×9均匀平面接收阵列，阵元间距15 mm，有效孔径120 mm×120 mm，可避免栅瓣并满足40 mm分辨率要求。利用间接频域法将COMSOL计算的频域散射压力转换为81通道时域回波，回波显示不同构型和不同接收位置之间具有明显差异，表明近场条件下必须考虑幅度衰减和相位变化。
通过近场DAS波束形成和多频能量融合，研究人员重建出代码面的散射能量图像。将图像划分为16个区域，计算每个区域的平均能量，并根据已知黑色元素数量构造自适应阈值。对于五种构型，声学图像和解码输出均与预设编码完全一致。在频带内，黑色元素能量范围为1.24×10
-4至7.17×10
-4，白色元素为5.87×10
-4至2.74×10
-3。虽然不同构型之间能量范围有重叠，但每个构型内部白色元素的最小能量均大于黑色元素的最大能量，最小判别余量因元素数量和布局而异，介于3.99×10
-5至1.41×10
-3之间。
研究人员进一步评估了检测距离和入射角的影响。对构型1的仿真表明，随着检测距离和入射角增大，波束形成的横向分辨率下降或单个元件散射特性改变，导致解码错误。在设定条件下，可靠解码的检测距离可达0.4 m，入射角可达4°。对于4×4阵列，若每个标签固定含八个黑色和八个白色元素，可实现12870种空间排列，理论最大信息容量约13.65比特，实际容量因方向确定和纠错冗余需求可能更低。
### 总结与结论
本研究提出的被动式水下二维声学编码标签无需机载电源和集成电路，结构相对简单，可降低制造和维护成本。信息编码于二维空间排列中，为水下设备定位与追溯、海底管道标记以及水下机器人检测导航提供了潜在方案。研究结论包括：（1）建立的声-结构耦合响应模型阐明了角反射器共振散射和声学涂层阻抗匹配吸收产生强、弱散射的物理机制，为元件设计和参数选择提供了理论依据；（2）4 cm角反射器与3 cm声学涂层在65–70 kHz频段内保持稳定散射对比，兼顾识别稳定性与尺寸约束；（3）开发的宽带近场DAS成像与自适应阈值解码方法在理想自由场条件下可正确恢复多个代表性构型的编码信息，验证了被动式水下二维声学编码标签的可行性。后续工作将评估多径传播和混响环境下的解码性能，改进斜入射下的成像算法，并开展工程应用实验验证系统稳定性。
