蛙人探測聲吶發展現狀及關鍵技術*

徐 瑜 倪小清 夏紅梅 楊 鵬

(海軍陸戰學院訓練部 廣州 510430)

蛙人探測聲吶發展現狀及關鍵技術*

徐 瑜 倪小清 夏紅梅 楊 鵬

(海軍陸戰學院訓練部 廣州 510430)

蛙人探測聲吶的建設與發展是反蛙人裝備體系建設中的一個非常重要的環節。論文首先通過分析蛙人聲散射特性和被動聲學特性闡述了蛙人探測聲吶工作的物理基礎；其次,分析了國內外蛙人探測聲吶發展的現狀,并就當前蛙人探測聲吶系統的關鍵技術及解決方案進行了展望。

蛙人探測聲吶; 蛙人聲學特性; 抗混響; 目標跟蹤與識別

1 引言

蛙人,即人們俗稱的“水鬼”,是各國軍隊中最精銳,也是最神秘的部隊,具有隱蔽性好、突襲機動等優點,已逐漸顯示其應用于“非對稱戰略”的優越性。特別是隨著現代科學技術的迅速發展,各種水下蛙人裝備不斷推陳出新,對海軍的水面艦艇、軍用港口、碼頭和軍事設施等造成了嚴重威脅。例如,1964年越南蛙人用磁性水雷炸沉美國“卡德”號航母；1994年哈馬斯組織派遣蛙人襲擊以色列一處海岸崗哨站；2008年泰米爾猛虎組織的海虎突擊隊員突破層層防護使用一枚水下炸彈炸傷了一艘斯里蘭卡海軍的軍艦等。這樣的例子還有很多。為了對付這種日益增加的威脅,世界各海軍國家近年來加大了對發展新型反蛙人裝備的研制和開發工作,一批新型的反蛙人裝備紛紛問世。其中,反蛙人水聲探測裝備的建設與發展又是反蛙人裝備體系建設中的一個非常重要的環節。因此,對于水下蛙人的聲學特性、反蛙人水聲探測裝備的工作原理和發展現狀以及反蛙人水聲探測裝備的關鍵技術進行深入分析研究,可為我海軍發展反蛙人水聲探測裝備提供參考,具有重要的軍事意義和軍事實用價值。

2 蛙人聲學特性分析

2.1 蛙人聲散射特性分析

蛙人散射特性的研究是蛙人探測聲吶信號處理技術研究的重點領域,國內外研究機構已經進行了一系列相關研究。蛙人目標不同于水雷、艦船等現有聲吶設備針對的目標,其目標散射特性在不同頻率時具有不同的特點。目前對蛙人聲散射特性的研究,主要是采用水池試驗和海上試驗的方式進行,通過實采數據進行分析研究[1～5]。例如,Houston通過水池實驗,測量了不同頻率蛙人攜帶氧氣瓶的目標強度,從實驗結果可以看出,在20kHz以上,目標強度較大。Hollett給出了100kHz時蛙人目標散射回波強度的海上測量結果,閉式呼吸器蛙人目標強度僅有-20dB～-25dB,開式呼吸器蛙人呼出氣泡的強度約為-15dB。大連測控技術研究所張波等通過碼頭試驗[2～3],測得了75kHz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-16.9dB,干式潛水服目標強度測量值約為-17dB,開式呼吸用呼吸氣瓶目標強度約為-24dB,而蛙人目標強度約為-27.2dB；如果蛙人穿濕式潛水服,采用閉式呼吸,蛙人目標強度會大大減小,小于-25dB。這些理論與實驗研究基本確立了蛙人散射模型的基本理論。

2.2 蛙人被動聲學特性分析

相對于主動探測技術,水下蛙人的被動探測技術研究較少[6]。例如,美國Stevens理工學院海洋安全實驗室的研究人員系統地研究了開式呼吸器輻射的聲信號以及利用它探測水下蛙人目標的原理[1],做了大量的相關實驗,并得到了一些重要結果。他們認為,蛙人水下呼吸輻射聲信號主要是由呼吸調節器的一級頭(高壓閥)和二級頭(低壓閥)引起的,這種聲信號隨著蛙人的呼吸頻率表現出周期性特征,并利用這種特征探測、定位水下入侵蛙人。國內的中科院聲學所亦對蛙人輻射噪聲特性開展了卓有成效的研究,通過水池實驗獲取了大量蛙人輻射噪聲數據,并進行了特征分析。圖1所示為中科院聲學所某次實驗與所獲取的蛙人輻射噪聲信號圖。通過對蛙人輻射噪聲信號分析可知水下蛙人輻射聲信號的兩個基本特征：一是蛙人吸氣和呼氣均輻射聲信號,吸氣時輻射的聲信號頻率較高,而呼氣時輻射的聲信號頻率較低,能量較小,不利于對蛙人的被動探測；二是蛙人呼吸時產生的高頻信號成分的能量遠大于環境噪聲的能量,信噪比較高,且具有明顯的周期性。簡單地說,實際采集的蛙人呼吸聲信號主要由高頻信號成分組成。

圖1 水池實驗與實采蛙人輻射噪聲信號

3 蛙人探測聲吶發展現狀

目前,國內外對蛙人主要采用的是主動方式進行探測,采用被動方式探測蛙人仍然處于實驗研究階段。隨著現代聲吶技術的發展和進步,新一代聲吶具有更先進的探測性能和更遠的探測距離,一些高科技聲吶還具有相當高的分辨率,能夠認識蛙人和可疑水下航行體。下面以各主要軍事強國為例,簡要介紹一下各國蛙人探測聲吶的發展狀況[7～10]。

美國海軍應用的“冥府守門狗360”具備自動探測、分類和跟蹤水下威脅的功能,該系統的聲吶單元能在800m范圍內對蛙人進行探測,并且可以在水下500m距離內識別出人類所特有的胸腔。該系統的一個獨立單元就可以覆蓋360°范圍,這些聲吶單元可以懸掛在船舷兩側為艦船提供保護,也可以把許多單元部署在海床上,形成一道警戒線,保護海港和航道的安全。根據這種布放方式,使系統的偵察范圍延伸到了1km之外。

英國的手持式蛙人偵查系統(DRS)能夠在100m深度工作,DRS系統的探測主傳感器是一部前視高頻(500kHz)電子掃描聲吶,一般情況下該聲吶能夠在230m距離上探測到一個-25dB的目標,導航系統采用長基線主動聲學發射方式,通過該技術,導航誤差可以控制在0.5m,最大導航距離可達1200m。

以色列的蛙人探測聲吶(DDS)是一款能遠距離探測閉式呼吸蛙人的可靠系統[9],可以在強烈的海洋噪音和水生物混響條件下保持最低的虛警率,平均一周只有一次左右。對于一個攜帶閉式呼吸裝置的蛙人,DDS最小的探測距離達到700m,可以為警衛人員至少提供15min～20min的反應時間,以阻止蛙人入侵。對于動靜更大、使用開放式呼吸器的蛙人,DDS的探測距離達到1000m～1200m。對于有動力系統的蛙人運載器(SDV),因為有更大的噪音信號傳遞,DDS的探測距離能夠延伸1400m～2000m。

加拿大C-TECH公司生產的CSDS-85是其生產研制的第3代蛙人探測聲吶,工作頻率為80kHz,探測范圍在250m、500m、1000m、1500m、2000m,檔位可選,且具有360o水域全向監視或扇面監視范圍,可選垂直面內波束傾斜控制。

俄羅斯、烏克蘭的MOK-A水聲系統是主動發射的海洋警戒裝置,用于檢測非法進入的潛水器、蛙人及水面運載器等。該系統采用匹配場設計原理,最大的特點是可以探測帶吸聲材料的隱身蛙人,探測距離達100m左右。

國內對蛙人探測聲吶的研究是近幾年來才逐漸展開的。首先開展蛙人探測聲吶研制的是中科院聲學所。中國和烏克蘭共同研制的TRONKA聲吶已在烏克蘭獲得專利,在第聶伯河及黑海都進行了試驗,產品已經定型,應用前景廣泛。2008年,該系統在青島奧帆賽的水下安保中得到了成功應用。2010年,上海船舶運輸科學研究所與中國科學院聲學所聯合研發生產的2010型反蛙人探測聲吶,該聲吶系統覆蓋范圍從90°升級為180°,工作頻率為70kHz,寬帶濾波器帶寬為10kHz,有CW以及線性調頻LFM兩種信號形式,帶寬從4kHz～20kHz不等,能很好地調節分辨率與作用距離的關系,達到較好的狀態。為了很好地匹配水下復雜地形,它還能調節垂直相控發射,最大調節為±15°。在混濁水域條件下能有效探測水下危險目標,探測距離大于200m(清澈水域探測距離達到500m以上),并能夠進行自動跟蹤識別,當入侵目標進入有效探測區域時立即給出報警。此外,該聲吶實現了多臺聲吶之間的同步工作,能有效抑制相互之間的影響以及各種干擾,達到更大探測范圍的需求。

4 蛙人探測聲吶關鍵技術

4.1 前端陣列技術

蛙人探測聲吶基陣有多種形式可選擇[12],若采用平面接收陣,搜索扇面最多可達90°,但無法和弧形發射陣共用陣元；若采用弧形接收陣,理論上警戒扇面可擴展至360°,且提供了和發射陣共用陣元的可能性。目前,國外的蛙人探測聲吶設計上,普遍采用柱面陣,也有部分設計采用收發分置的方式,甚至采用接收線列陣的陣列技術,接收陣形的選擇必須兼顧波束形成以及單機實現的可行性。對于換能器陣元的選擇而言,最新的換能器多采用壓電高分子材料PVDF薄膜或者復合換能器,利用其壓電常數大、頻帶寬、柔軟、耐力學沖擊、聲阻抗易匹配、密度小等特點,適用于靈敏的帶寬接收換能器。

4.2 抗混響技術

由于蛙人目標強度小,通常在近岸淺海區域附近執行任務,海面混響較強,加大了從蛙人回波信號中進行目標檢測的難度。要提高蛙人聲吶作用距離,降低虛警率,首先就得提高信混比。通常從兩個方面考慮以減小混響影響[9,12]：一是從信號形式和系統設計角度進行改進；二是在信號處理方面抑制混響來提高信混比。

1) 從信號形式和系統設計角度進行改進。最初蛙人探測聲吶采用CW信號,CW信號的脈沖寬度決定了距離分辨率,信號脈沖寬度越大雖然能得到更大的探測距離,但是脈寬過寬又會影響到距離分辨率。因此,為了解決探測距離與分辨率這一對矛盾,改善信混比,信號形式可采用寬帶信號。它的距離分辨率由帶寬決定,通過發射長脈沖來改善信混比,同時在不減少距離分辨力的基礎上探測更遠距離的目標。

2) 從信號處理方面入手。在輸入信混比一定的情況下,通過抑制混響和背景噪聲來提高輸出信噪比。為了更有效地對小目標進行檢測,需要在信號處理上采用一系列的方法來進行背景平穩化,使蛙人回波聲圖像顯示更為精細。可以通過陣元域信號處理、波束形成等技術使生成的多波束聲圖像更加清晰,也可以通過對多波束聲圖像進行二次處理的方式,提高輸出信噪比。

4.3 目標自動跟蹤和識別技術

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[4,9,12]。其中的核心技術是如何將蛙人、艦船目標、海洋背景(海面、海底等)、大型魚類等目標進行區分。目前,各國的蛙人探測聲吶都具有一定的自動跟蹤和識別能力。可在操作者干預和最終決定的情況下,提供自動目標分類,不僅可將目標與海洋背景等區分開來,還可進一步分離目標類型(如攜帶呼吸器的蛙人、蛙人運載器、艦船等)。為實現混響背景下的運動目標自動跟蹤和識別,國內最新聲吶運用的是動靜目標分離的處理方法,即利用蛙人、艦船等是運動目標,背景屬于靜止目標的特點,對相鄰周期生成的多幀聲圖像,運用動靜分離算法,即把圖像信息分離為運動圖像與靜態目標圖像,完成運動目標的提取和檢測。對于水面艦船目標,由于在接收信號頻段內,每個時刻都可以收到艦船輻射的連續譜噪聲。因此,可進一步利用這一特征來識別水面艦船目標；但是,對于蛙人、水下機器人、大型魚類等特征相近的目標,還需要在操作者干預的情況下來進行分離。

5 結語

蛙人水聲探測裝備作為對水下蛙人等目標最有效的探測技術,是當前聲吶裝備中的研發重點,由近岸淺海環境及海洋混響的復雜性,使其集成了當前聲吶發展的眾多全新軟硬件技術和算法。國外相關機構針對蛙人探測聲吶技術發展,展開了大量的研究和實驗,國內蛙人探測技術雖然開展時間不長,但也取得了很大的進展。蛙人探測聲吶研制的關鍵技術是在低信混比條件下有效檢測目標,在保證目標分辨率的情況下得到較遠的探測距離,以達到較廣的監控范圍以及較長的預警時間。隨著蛙人目標特征數據庫、新型波束形成技術和換能器技術的進一步發展,蛙人探測聲吶也將呈現全新的發展面貌和水平。

[1] 歐陽文, 朱衛國. 蛙人探測聲吶系統研究進展[J].國防科技,2012(6):53-57.

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[4] 蔣立軍,楊娟,許楓.蛙人探測聲吶技術研究進展[J].科學通報,2009,54(3):269-272.

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[7] 張穎,孫繼昌,郭威.蛙人探測聲吶系統在奧帆賽中的應用[J].氣象水文海洋儀器,2008(3):47-50.

[8] 張穎,孫繼昌,張穎穎,等.TRONKA聲吶系統在蛙人探測中的應用研究[J].海洋技術,2008,27(2):92-95.

[9] 尹凱華.蛙人探測聲吶在水下安保的技術實現[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2011,34(1):71-75.

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[11] 易華君.日益發展的反蛙人裝備[J].水雷戰與艦船防護,2006(4):61-65.

[12] 張彥敏,佟盛.蛙人探測聲吶系統關鍵技術論證[J].艦船科學技術,2010,32(2):44-47.

Current Status of Diver Detection Sonar and Key Technologies

XU Yu NI Xiaoqing XIA Hongmei YANG Peng

(Department of Training, Naval Marine Academy, Guangzhou 510430)

Development and construction of diver detection sonar is an important part in anti-diver equipment system construction. Firstly, the physic base of diver detection sonar working mechanism is analyzed based on the introduction of diver active and passive acoustic characteristics. Secondly, the current status of diver detection sonar at home and abroad is analyzed, and the current key technologies and solution of diver sonar system is also summarized.

diver detection sonar, diver acoustic characteristics, anti-reverberation, target tracking and recognition

U666.7

2016年9月3日,

2016年10月14日

徐瑜，男，博士，講師，研究方向：數學建模與計算機仿真。倪小清，男，博士，講師，研究方向：數學建模與計算機仿真。夏紅梅，女，碩士，講師，研究方向：數學建模與計算機仿真。楊鵬，男，博士，副教授，研究方向：信號與信息處理、數學建模與計算機仿真。

U666.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.001