用于浅水低噪声源声学监测的混合自主水下航行器（HAUV）概念与系统规格

《Robotics》：A Hybrid Autonomous Underwater Vehicle for Acoustic Monitoring of Low-Noise Sources in Shallow Water

　　

对自主水下航行器（AUV）而言，在浅水中对低噪声水下声源进行声学监测是一项具有挑战性的任务，这是因为波导变异性与平台自噪声会降低声源可探测性。本文提出了一种用于对此类声源进行被动声学监测的混合自主水下航行器（HAUV）的设计概念。该平台结合了用于部署与航渡的传统AUV推进、浮力驱动滑翔运动，以及一种低噪声接收模式——在该模式下，推进系统被关闭，航行器锚定于海床附近，并由矢量-标量接收器（VSR）采集声场。功能模型与结构模型规定了航行器架构、模式转换、浮力与稳定性控制、锚定、导航与通信，以及机载水声处理。全息信号处理（HSP）将接收声场的频率-时间干涉图变换为全息图，在该全息图中声源能量集中于一个较小区域，而非相干噪声则散布于整个全息图平面。这使得能够估计声源运动学参数，并减少传输至远程控制中心的数据量。本工作仅限于概念性系统规格。迈向实施的下一个步骤包括水动力建模与验证、平台自噪声测量、水声子系统的实验验证、嵌入式实时基准测试，以及集成平台的全尺寸测试。

# 混合自主水下航行器声学监测概念的系统级规格——论文解读

## 研究背景与问题

在浅水环境中对低噪声水下声源进行被动声学监测，对自主水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV）而言面临双重挑战：浅水波导的时空变异性使声传播场结构复杂化，而航行器平台自身的辐射噪声则进一步降低了声源的可探测性。传统的螺旋桨驱动AUV具有较高的机动性，能够在相对较短的距离内高效到达指定监测位置，但其推进系统运行期间产生的自噪声严重污染声学接收；浮力驱动的水下滑翔机虽然具有优越的能效和极低的推进相关噪声，却难以满足快速局部机动或定点驻留的需求。单纯采用任何一种常规平台都难以同时满足机动运输与安静接收的互斥要求。此外，从既有平台性能推断集成系统性能是不可靠的——浅水监测航行器的综合性能取决于高效航渡、推进关闭接收以及校准矢量-标量声学处理的协同集成。为此，研究人员提出了一种混合自主水下航行器（hybrid autonomous underwater vehicle, HAUV）的概念规格，将螺旋桨驱动运输、浮力驱动滑翔和锚定低噪声接收配置于同一平台的不同任务阶段，以系统级集成方案解决浅水低噪声源声学监测的平台矛盾。

## 研究内容与主要结论

研究人员围绕这一概念开展了系统性的功能与结构规格研究。该HAUV被指定为一种兼具运载平台与接收站功能的系统，其功能通过连续状态执行：螺旋桨用于运输和局部重新定位，浮力与纵倾执行器提供替代性的滑翔航渡，表面定位在下降前约束航位推算漂移，稳定力矩系统通过内部质量位移建立接收平衡，惯性传感器测量姿态，回声测深在锚定前检查底部间隙。一旦锚定状态、位置不确定性、姿态和沉降满足验收条件，推进及其他干扰执行器即停止运行以进行声学接收。在低噪声配置中，航行器通过锚定系统相对于海床保持位置，而HAUV本身保持正浮力，从而使垂直定位和声学测量功能与主动推进相分离。其功能与结构模型涵盖了能量供应系统、推进-操纵系统、浮力控制系统、稳定力矩控制系统、锚定停车系统、控制与导航软件系统、水声导航与通信系统、无线电通信系统以及基于矢量-标量接收器（vector-scalar receiver, VSR）的水声系统。机载声学处理采用继承的全息信号处理（holographic signal processing, HSP）链：将接收的宽带声场表示为频率-时间干涉图，通过二维傅里叶变换（2D-FT）将其条纹结构集中为全息图，全息图峰位与声源参数相关联。该处理使声源能量在全息图域集中于小区域而非相干噪声分散于全域，从而实现声源检测和运动学参数的条件估计，并将紧凑的监测信息而非完整声学记录传输至控制中心。研究得出以下主要结论：概念层面，三模式可重构平台在架构上能够实现机动性、能耗与声学自噪声之间的任务阶段化权衡；定量层面，在给定2 kWh电池和80%可用能量比例的假设下，60天续航的绝对平均功率上限约为1.1 W，扣除航渡等400 Wh分配后连续5 W监测仅可持续约10天，续航目标需大幅降低平均功率或采用间歇采集模式；水动力层面，在忽略锚链力矩的假设下，2°倾角筛选限值对应约0.22 m/s的流速，1 m/s流速对应的缆绳水平偏移约0.5 m，说明关闭推进本身不足以在流中保持垂直姿态；处理层面，HSP在30 s观测时间内、频率范围0.1–1 kHz下可提供约6–10的集中系数和23–26 dB的处理增益估计，但增益为条件性处理估计而非集成平台的实测结果。该研究的意义在于提供了一个可量化检验的任务特定系统规格——将继承的航行器概念与VSR采集和处理链相连接，明确了综合平台必须满足的定量约束，而非声称已验证新航行器性能。

## 主要关键技术方法

该研究主要采用了以下关键技术方法：功能-结构架构建模方法，用于规定九大子系统的功能划分与模式协调逻辑；基于线性化单自由度摆模型的约化姿态稳定性分析方法，用于评估垂直接收平衡附近的倾角响应；能量可行性约束模型，以模式功率与事件能量的会计方程核算续航边界；继承的全息信号处理（HSP）算法框架，包括频率-时间干涉图构建、二维傅里叶变换（2D-FT）全息图映射及全息图域峰位参数估计；以及基于既有实验研究数据（频率范围0.1–1 kHz）的集中系数经验估计方法。该研究不涉及具体的实验样本队列，以上均属概念性系统设计与条件性定量估算。

## 主要研究结果

### 2. HAUV任务概念与运行模式

研究人员规定了从部署导航到回收或任务延续的七阶段任务剖面，定义了VSR运输模式与VSR运行模式两种主运行模式。运输模式采用推进或滑翔方式到达指定监测区域，运行模式则通过受控的九步转换序列从水平运输构型过渡到垂直低噪声接收构型，包括推进控制下潜、姿态稳定、回声测深底部间隙检查、锚定部署、推进关闭以及沉降和质量检查。该序列是预期的功能步骤而非经实验验证的自主行为。

### 3. HAUV功能系统架构

研究建立了九大子系统的功能架构，指出该架构区别于常规AUV之处不仅在于子系统的增加，更在于通过协调各子系统改变航行器的物理运行构型。浮力控制系统采用关于浮心对称布置的两个可变体积模块，每个模块包含液压泵、变速电驱动和电磁阀，可实现残余浮力和静态纵倾的独立调节。稳定力矩控制系统通过沿垂直轴和纵向轴两个方向移动内部质量来改变质心位置，从而实现约-50°至10°的静态纵倾角变化范围。锚定停车系统在垂直姿态建立后部署锚，锚缆长度约5–10 m，使航行器保持正浮力同时受锚约束。控制与导航软件系统协调各模式转换及声学数据采集逻辑。水声导航与通信系统基于紧凑形式化监测消息的传输以减少带宽需求。水声系统（HAS）采用VSR安装于前部球形充水声透明罩内的万向架上，通过信号调理和数字处理链实现声学测量。

### 4. 结构设计与初步航行器参数

研究人员给出了运输和监测两种构型的概念结构布局，运输构型从艏至艉集成了导航通信天线、VSR、回声测深天线、控制电子、电池模块、浮力控制模块、稳定力矩控制系统、卫星导航接收机、无线电通信天线、主推进/操纵推进器和锚定系统。监测构型中，VSR位于航行器上端，锚定系统位于下端，稳定力矩系统通过内部质量位移维持名义垂直平衡。初步参数表设定了500 m结构深度等级和两个月续航目标的未经验证的设计目标。能量可行性分析表明，绝对平均功率上限为1.1 W（60天、2 kWh、80%可用比例），扣除400 Wh任务分配后剩余1200 Wh仅支持5 W连续监测10天。10 km航渡在2 m/s速度和200 W电功率假设下消耗278 Wh。500 m压力等级下每次浮力调节的液压功估计约0.3 Wh。

### 5. 用于机载声学分析的全息信号处理

研究人员综合分析了HSP算法框架、噪声抗扰度、稳健性、自适应方法和计算工作量。HSP通过2D-FT将干涉图变换为全息图，声源贡献沿干涉条纹准相干累积而非相干噪声散布于更大区域。全息图焦斑位置通过比例系数直接估计声源径向速度和初始位置。在指定频段（0.1–1 kHz）内，噪声抗扰度取决于观测期内累积的独立频率-时间噪声实现数J与集中系数α的乘积，经验估计α介于6–10之间，对应无量纲增益200–880（23–26 dB）——这是继承性HSP研究中的条件性处理估计而非实测增益。稳健性依赖于环境和声源相关全息特征的可区分性，环境慢变化引起的谱密度呈沿频率轴拉伸的窄带，而运动声源的谱密度集中于与时间轴成角度的窄带。自适应方法需要至少两个水平分离的VSR站，是多航行器网络选项而非单平台能力。多源分辨率基于干涉图和全息图的线性叠加原理及各源谱密度在HSP平面的非完全重叠条件。计算工作量方面，对C个尺寸为N_x×N_f的干涉图，FFT工作量按C·N_x·N_f·log?(N_f)缩放，示例配置（C=30，N_x=64，N_f=2048）给出30×64×2048×11=4.1×10?级FFT单元。

## 讨论与结论

讨论部分指出，混合架构的主要优势在于将通常关联于不同水下平台的三类功能——高机动AUV运输、高效滑翔运行和低噪声声学监测——集成于一个可重构的自主系统，使航行器能够根据任务目标在机动性、能耗与声学自噪声之间进行权衡。机载HSP处理将主要声学变换在平台内部完成，减少了对远程控制中心连续访问原始声学数据的依赖。同时，研究明确承认了若干关键局限：锚定系统的抓持力与释放可靠性、模式转换期间的瞬态自噪声、嵌入式处理器在共享CPU/内存/IO资源下的实时性能、环境扰动引起的定位不确定性等均未得到实验验证。特别强调，推进关闭并不自动建立安静观测窗口，接收接受条件必须通过实测校准；单站推断依赖于可识别的全息特征和适当的传播模型，而双站自适应定位无法消除站位置、时间同步、数据关联和几何要求。验证序列应依次包括：系数估计与非线性转换/流建模、锚定保持与重复释放测试、校准子系统开关声学测量、硬件在环计算/功率测试、以及带真实声源的集成水池/海上试验。

研究结论指出，本文提出了用于浅水被动声学监测的专用HAUV的概念与模型，该平台组合了VSR运输、滑翔机、低噪声VSR运行和表面无线电浮标四种功能，能够自主到达指定浅水监测区、重构为低噪声垂直接收模式、采集VSR声学数据并传输紧凑监测数据。功能与结构模型涵盖了任务执行所需的全部主要机载系统。通过禁用推进系统并维持近海底稳定垂直位置，所提运行场景允许HAUV在声学测量期间降低自噪声。HSP通过将累积的干涉图S(t,f)变换到全息图H(τ,γ)域，将声源信号谱密度集中到局部区域而将背景噪声分布于整个H(τ,γ)域，在所述条件下提供处理增益，并实现声源方位及在有足够波导模型时的距离与径向速度的条件估计。获得的条件性估计表明，在典型浅水条件和30 s观测间隔下，HSP增益可在输出SNR方面提供可观的改善——但这些条件性估计定义的是实施需求，不确认集成平台的探测或定位性能。一组HAUV可在扩展浅水区域形成快速部署的分布式接收阵列，从而增加水下监测的空间覆盖与可靠性。