反蛙人聲吶技術結構分析

劉 洋，李先偉，張 波

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

反蛙人聲吶技術結構分析

劉 洋，李先偉，張 波

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

圍繞系統結構、中心頻率選取、數據傳輸、信號處理和目標跟蹤與識別技術等方面介紹1種可以實現遠距離實時自動跟蹤、報警的反蛙人聲吶，并闡述了反蛙人聲吶配套設施——蛙人驅逐裝置的基本概念和實施方法。

蛙人;聲吶;數據傳輸;目標識別;驅逐裝置

0 引言

現代海戰中，蛙人在攻擊港灣停靠艦船、對近岸地帶實施兩棲偵察等任務中有著其他海軍武器裝備所不可取代的巨大作用。正是由于蛙人對艦船及其他海上設施的巨大威脅，反蛙人聲吶系統的研制開發成為許多國家重點投入力量的軍事項目。本文將圍繞反蛙人聲吶系統中頻率選取、數據傳輸、信號處理、目標跟蹤識別技術以及配套的蛙人驅逐裝置等方面，較為詳細地介紹1種可以實現遠距離實時自動跟蹤、報警的反蛙人聲吶及其配套設施。

1 反蛙人聲吶系統結構

系統主要組成部分包括水下部署的高頻發射換能器、窄波束接收換能器基陣以及數據采集模塊，碼頭或甲板上的控制與數據處理裝置以及大功率供電系統。

圖1為水下發射與接收系統的結構框圖，其中各部分主要參數如下:

信號中心頻率:100 kHz;

波束水平指向性開角:2°;

垂直指向性開角:10°～12°;

圖1 水下發射與接收系統結構框圖Fig.1 Underwater transmit and receive system block diagram

實時采樣率:20 MS/s。圖2為控制與數據處理系統的結構圖，其中各部分參數如下:

數據傳輸速率:200 Mbit/s;

傳輸誤碼率:10－12;

電源功率:5 kW。

圖2 控制與數據處理系統結構框圖Fig.2 Control and data processing system block diagram

2 反蛙人聲吶系統技術分析

2.1 中心頻率選取

聲吶應用中，工作頻率越高，系統方位分辨率越高，對小目標的探測和識別就越準確。但是，由于水下聲信號傳播過程中，吸收衰減與信號的頻率成正比，這就限制了作用距離。

海上試驗測得了蛙人目標強度［1］，測試頻率為100 kHz，使用閉式呼吸器時，蛙人目標強約為－20～－25 dB，開式呼吸所產生的氣泡群目標強度約為－15 dB。

大連測控技術研究所張波等人通過碼頭試驗［2］，測得了75 kHz頻率下蛙人目標強度，其中開式呼吸情況下對目標回波貢獻最大的氣泡群目標強度大于－16.9 dB;開式呼吸用呼吸氣瓶目標強度約為－24 dB;而蛙人身體目標強度約為－27.2 dB。

綜合考慮以上因素，選擇中心頻率為100 kHz，頻帶寬度大于30 kHz的聲吶換能器基陣，可實現作用距離大于500 m的遠距離高精度蛙人探測。

2.2 數據傳輸

為實現高精度蛙人探測，提高系統方位分辨率并滿足水平方向不小于270°的探測范圍，接收換能器基陣至少需要由135個陣元構成。結合采集系統采樣率參數，不難計算出整個系統龐大的數據傳輸量。另外，由于作用距離的要求，電纜長度至少要達到1 km。如果使用傳統的鉛銅復合電纜或同軸電纜在滿足帶寬和機械強度要求的前提下，電纜直徑將會相當驚人。在20世紀80年代初，成功論證了海洋中低衰減光纖拖曳電纜的可行性之后，光纖成為了現代聲吶數據傳輸的主要媒介。根據公式:

可以算得當帶寬達到200 MHz時可以支持200～300 Mbit/s的最大數字信號傳輸速率，當然還取決于譯碼速度和接收器靈敏度等參數。

根據實際情況可列出長度為2 km時的光纖衰減預算(包括光源和連接器衰減):

圖3 光纖衰減曲線Fig.3 Optical attenuation curve

綜上考慮，光纖傳輸可以完全滿足系統對實時性、作用距離以及系統安裝布防等要求。

2.3 信號處理

信號處理主要包括背景抵消和目標檢測2個方向。

通常對每個像素點的最近N幀數據進行統計，算出其均值、方差等統計特征量，然后用當前幀減去此均值，如果差值大于統計方差，則此幀作為前景幀，否則作為背景幀。最后可以建立滑動背景模型，用于背景抵消。

采用將實時目標產生的回波通過信號模擬加載到前放輸入端，而后進行相關運算的方法。換句換說，就是信號模擬系統產生1個包含相位角度和時間距離參數的回波模型參與運算。圖4為數據采集處理單元示意圖。

回波信號公式如下:使用以上相關算法進行有效的目標檢測，并結合系統多核、多進程運算與硬件預算，可明顯提高信號處理效率，實現2 s左右的發射、接收、信號調理和運算周期，最終完成對蛙人的實時跟蹤。

2.4 目標跟蹤與識別技術

目標自動跟蹤與識別是反蛙人聲吶技術發展的關鍵點和難點。其中的核心技術是如何分辨蛙人、艦船、魚類與礁石等目標。

通常多目標跟蹤的基本方法可以概括為極大似然類濾波器算法和貝葉斯濾波算法兩大類。其中，極大似然類濾波器算法是以觀測序列的似然比為基礎;貝葉斯類濾波算法是以貝葉斯準則為基礎的。以上方法在雷達數據處理方面應用較廣泛。

本系統除算法外，還結合大量實測數據，對目標進行對比跟蹤。

首先，通過分析艦船輻射的連續譜噪聲，可以識別水面艦船目標，避免水面目標導致錯誤報警。

其次，根據大連測控技術研究所張波等實驗測得的75 kHz頻率下海豚的目標強度約為－23 dB，遠小于使用開式呼吸的蛙人，以及魚類的游動速度和運動軌跡特征，有效分辨蛙人與魚類目標。

最后，通過動態設置報警門限，可大大降低虛警率，實現蛙人的自動識別與跟蹤。

3 蛙人驅逐裝置

在反蛙人聲吶系統發現并跟蹤目標后，除了迅速出動巡邏艇以及加強戒備外，有效的驅逐裝置更是艦船及海上設施安全的保障。國內外相關研究表明，大功率低頻聲波對水下生物尤其是蛙人的呼吸系統有著很強的殺傷。依據該原理，于反蛙人聲吶裝置以及保護目標附近安置大功率低頻發射換能器，當發現蛙人入侵并處于有效距離時，可由系統自動或由聲吶操作手手動發射驅逐聲波脈沖，配合其他防范措施迅速消滅入侵蛙人。

4 結語

本文介紹了能實現遠距離實時自動跟蹤、報警的反蛙人聲吶的結構和相關技術，并簡單敘述了蛙人驅逐裝置的概念和實施辦法。相信這種反蛙人聲吶今后無論在大型國際國內水上賽事，還是軍用港口監測中都將有廣闊的應用前景。

［1］SARANGAPANI S，MILLER J H，POTTY G R，et al.Measurements and modeling of the target strength of diver［J］.Oceans，2005.952 －956.

［2］張波，等.蛙人回波建模與實驗研究［J］.應用聲學，2010，29(4):313 －320.

ZHANG Bo，et al.Divers echo modeling and experimental study［J］.Acoustics，2010，29(4):313 －320.

［3］GREY A.Optical transmission of towed sonar array data［Z］.DRAFT.11thNovember.

［4］王立宣.工程中光纖衰減的測試［J］.郵電設計技術，1996，(6):18 －21.

WANG Li-xuan.Engineering optical attenuation test.Posts and Telecommunications design technology［J］.DTPT，1996，(6):18 －21.

The analysis of technique and structure in diver detecting sonar

LIU Yang，LI Xian-wei，ZHANG Bo
(DaLian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China)

This paper introduces a type of diver detecting sonar that automatically and real-time tracks the targets and gives an alarm from a long distance，it focuses on the structure of the system，selection of the center frequency，data transfer，signal processing and the technique of target tracking and identifying.At last，it explains the idea of diver dislodging equipment.

diver;sonar;data transfer;target identification;dislodging equipment

U666.7

A

1672－7649(2012)03－0099－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.022

2011－11－26;

2011－12－02

劉洋(1982－)，男，工程師，主要從事水中目標回波特性研究工作。