蛙人探測聲吶系統發展綜述

孫玉臣, 王德石, 李宗吉, 姜 斌, 張 愷, 孫玉祥, 于文強

蛙人探測聲吶系統發展綜述

孫玉臣1,2, 王德石1, 李宗吉1, 姜 斌3, 張 愷1, 孫玉祥2, 于文強4

(1. 海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國人民解放軍92767部隊, 山東 青島, 266102; 3. 海軍潛艇學院 航海觀通系, 山東 青島, 266100; 4. 武漢天鯨科技有限公司, 湖北 武漢, 430040)

蛙人在水下聲信號強度低, 難以被探測, 可秘密潛入港口、島礁等重點水域進行偵察破壞等行動,是水下預警的重要方式之一。文中首先論述了水下探測蛙人的難點, 分別介紹了主被動聲吶探測蛙人的原理和依據的聲信號特征。然后, 綜述了國內外蛙人探測聲吶(DDS)裝備的技術現狀, 總結了目前DDS系統的技術特點, 包括信號處理技術、遠距離傳輸及供電、安裝布放、環境自適應能力、系統可靠性、多聲吶聯合以及多系統協同等方面, 提出了新材料技術、匹配層技術、檢測概率提高技術、目標自動跟蹤及識別技術、垂直相控發射技術以及組陣技術等DDS裝備發展的關鍵技術, 為行業內DDS裝備的研究提供參考。

蛙人探測聲吶; 水下預警; 聲信號特征

0 引言

針對水域的安全監控技術手段, 現有措施多注重水面以上的目標預警, 如使用雷達, 而針對水下區域的預警探測手段則較弱。隨著“非對稱作戰”模式在各軍事力量中的普及, 敵對破壞分子開始通過水下蛙人等方式秘密潛入港口、碼頭、勘探平臺、錨泊區或島礁等重點水域進行偵察破壞等行動。其中, 蛙人由于目標尺度小(見圖1)、噪聲低、信號頻率低而較難被探測, 開發蛙人預警探測裝備具有一定難度, 使得水下蛙人探測裝備受到各海軍強國的普遍重視[1]。

圖1 攜帶運載器的蛙人

探測蛙人的方式包括可見光及熱成像系統、水面搜索雷達、水下磁探測網絡以及聲吶等。其中, 可見光及電磁波信號在水下衰減嚴重, 同處于30 kHz頻率上的水下輻射損失, 電磁波可達7500 dB/km, 聲波僅為5 dB/km[2], 而實際電磁波頻率一般比30 kHz要高很多, 因此衰減更加嚴重。相比之下, 由于水聲是目前已知的最為可靠、可用的物理特性之一, 因此主要依靠聲吶探測水下蛙人。

1 蛙人聲信號特征

蛙人探測聲吶(diver detection sonar, DDS)主要有主、被動2種方式, 其中主動聲吶依靠蛙人的反射回波確認目標, 被動聲吶則依靠蛙人的水下呼吸信號特征探測識別目標。

主動聲吶進行蛙人探測時, 主動聲吶發射的聲波經蛙人目標反射的回波信號主要來源于其肺部組織、骨骼和其他軟體組織。穿戴不同樣式的潛水服, 蛙人目標的回波信號也有所區別: 開式潛水服信號最強, 在75 kHz時目標強度不小于–16.9 dB; 其次是干式潛水服, 在75 kHz時目標強度約為–17 dB; 濕式潛水服在75 kHz時的目標強度不到–25 dB。另外, 開式呼吸氣瓶在75 kHz時目標強度約–24 dB; 蛙人身體的目標強度相對較小, 在75 kHz時目標強度約–27.2 dB。

被動聲吶主要依靠蛙人的呼吸進行探測和識別。開式呼吸蛙人水下聲輻射信號周期與其水下生理性呼吸基本一致, 是被動探測的理想頻段, 其頻率范圍為0.2～13 kHz, 周期約為3～5 s (見圖2)[3]。其吸氣能量主要來源于減壓閥的振動(頻率范圍為2～13 kHz, 持續時間約為0.7～0.8 s); 呼氣能量主要源于氣泡群的排出入水(頻帶范圍為0.2～2 kHz, 持續時間約為1.2～1.5 s)。在標準參考距離和聲壓下, 開式呼吸蛙人的聲源級約為161±1 dB, 半閉式呼吸蛙人的聲源級約為131±2 dB, 全閉式呼吸蛙人的聲源級約為108±1 dB, 三者的聲源能量都主要集中于200 Hz以下[4]。

圖2 蛙人信號時頻光譜圖

2 DDS研究進展

由于蛙人尺寸小、信號弱, 且其經常活動的港口和沿海等淺水地帶經常會存在船舶殘骸、港壁、海床等后向散射體或邊界, 混響噪聲嚴重[5], 增加了DDS的設計難度。針對上述特點, 利用具有高頻聲波的主動聲吶來分辨蛙人更為可靠; 同時, 要提高探測距離性能, 就需要獲取較高的目標回波強度, 因此高頻主動聲吶成為目前各國探測蛙人的主要方式。高頻主動聲吶工作頻率分布于60～100 kHz, 帶寬3～20 kHz, 發射聲強級為180～210 dB, 最遠探測距離范圍為400～2000 m[6-8], 經常布置于港口、碼頭、海上平臺或者隨船攜帶等[9]。被動聲吶在港灣等噪聲復雜的環境下, 對蛙人目標檢測的效果不甚理想, 但與主動聲吶相比, 被動聲吶能耗低、隱蔽性強、魯棒性強, 對生態環境友好, 尤其配置于航母等大型艦艇周圍時, 容易隱蔽自身, 且可以通過不同聲學特性識別目標的功能[10-11], 因此被動聲吶更適合用于長時間隱蔽探測和目標自動識別。

2.1 主動聲吶

2004年, 英國QinetiQ公司設計生產了“地獄犬360”(Cerberus 360)DDS(見圖3), 美軍用其組建了港口水下安保系統(underwater port security system, UPSS)。該聲吶工作深度小于10 m, 可座底海床或安裝于船舷, 由橢圓型玻璃鋼外殼包裹, 高1.2 m, 直徑0.7 m, 水中質量45 kg, 由100 kHz搜索聲吶(探測距離800 m)、300 kHz圖像聲吶(探測距離500 m)和2～8 kHz低頻聲吶3部分組成, 采用主被動聯合探測方式, 其中前2個部分為主動聲吶, 后1個部分為被動聲吶, 可進行360°全方位搜索, 有效探測距離800 m, 可同時跟蹤50個目標, 在100 kHz頻率工作時可分辨出蛙人或海豚, 在300 kHz頻率工作時可在探測距離內識別出蛙人肺部空氣腔[6, 12-16]。

隨后, 英國Atlas Elektronik公司研制了“地獄犬Ⅱ型”(Cerberus ModⅡ)DDS(見圖4), 較“地獄犬360”系統布放和維護更加簡單, 可獨立工作, 也可多套協同, 目前已部署于德國海軍護衛艦。該聲吶由1～3個壓電換能器陣組成, 采用主動方式工作, 工作頻率70～130 kHz可選, 水平探測角度范圍0～360°, 方位精度小于1°, 目標探測的水深范圍2～50 m, 最大探測距離1000 m, 對開式呼吸蛙人的探測距離大于900 m, 跟蹤距離大于850 m, 對閉式呼吸蛙人的探測距離大于700 m, 跟蹤距離大于675 m, 該聲吶單套獨立工作時可同時跟蹤50個目標[6]。

圖4 “地獄犬Ⅱ型”DDS

英國Coda公司研制的Echoscope-SD型DDS, 為128×128主動聲吶陣列, 工作頻率分別為80 kHz (有效作用距離740 m, 用于探測目標)和180 kHz(有效作用距離140 m, 用于識別目標), 探測角度范圍50°×50°, 距離和方位分辨率均高于0.5°, 可同時跟蹤4個目標, 并對目標進行實時三維成像[12]。

2006年, 英國Sonardyne公司研制的“前哨” (Sentinel)入侵者探測聲吶(intruder detection sonar, IDS)(見圖5和圖6), 因其表現優異的性能, 已成為世界上部署最廣泛的DDS之一。該聲吶可固定于港口海岸或隨船配置, 最大工作水深50 m, 可單機獨立運行或10套以內聯網配合, 濕端換能器體積小巧, 近似為圓柱形, 直徑0.3 m, 高0.4 m, 重30 kg, 采用主動工作方式, 工作頻率70 kHz, 帶寬20 kHz, 水平探測角度范圍0～360°, 方位精度0.1～0.5°, 配合自動化程度較高的軟件系統能夠快速實現探測、識別和跟蹤, 在列裝測試中能夠100%區分開式呼吸蛙人、閉式呼吸蛙人、水面游泳者、游艇以及鯨魚等大型水下動物, 對開式呼吸蛙人的有效探測距離大于900 m, 與之配套的水下音響可對水下入侵的蛙人進行聲音警告驅離, 目前已部署于美國海軍和斯洛文尼亞海軍, 2008年部署于亞太地區[6,17-23]。

英國Oceanscan公司的X-Type水下監視系統(見圖7), 可在–5～40℃環境下正常工作, 最大工作深度500 m, 其聲吶發射陣包括8塊平面復合材料換能器, 接收陣直徑約1 m, 內含多個接收模塊, 該系統采用主動方式工作, 發射頻率為100 kHz, 帶寬約40 kHz, 探測距離范圍500～ 1000 m, 水平波束寬分為90°/180°/270°/360°, 分辨率100 mm@50 m, 數據更新率1.5 fps@500 m, 可以同時對250個水下蛙人目標的侵入時間、位置、運動速度和軌跡等參數進行持續更新, 并對入侵者予以聲光警告驅離[12, 18, 24-25]。

圖5 “前哨”入侵者探測聲吶

圖6 “前哨”入侵者探測聲吶布放

圖7 X-Type發射陣和接收陣

2005年, 美國的綜合蛙人預警系統(integra- ted anti-diver system, IAS)新加入10套SM2000水下監視系統(見圖8), 該系統由挪威Kongsberg公司研制, 可安裝于港口或船舷, 通過聲吶高頻成像, 能有效分辨蛙人的形狀輪廓、運動速度及方向, 有效作用距離1 000 m, 發現目標后可使用大功率水下音響警告并驅逐蛙人至水面[12-13, 26-29]。

圖8 SM2000水下監視系統

上世紀90年代, 美海軍裝備的AN/WQX-2 DDS可在730 m作用距離內區分蛙人與其他生物或物體, 并可有效分辨目標的距離和方位, 然后將其轉換為GPS方位, 上傳至數據鏈系統[12, 30]。

以色列DSIT公司先后研發了3型知名的DDS, 分別為“水盾”(AquaShield)DDS、“尖盾” (PointShield)便攜式DDS和港口監控系統(harbor surveillance system, HSS)[6, 31-37]。

“水盾”DDS(見圖9)于2006年面世[38], 其濕端換能器由德國ARSTECH GmbH公司生產, 該聲吶適合寬廣水域的水下目標長距離探測, 可長時間固定安裝于水中并免于維護, 從探測到跟蹤實現全天候全自動化, 采用模塊化設計, 可單機獨立運行或組合使用, 每套聲吶的發射基陣由4個90°扇面的垂直線列陣組成, 接收基陣由4個水平線列陣十字形交叉組成(長1.25 m, 每2組陣列背向布置), 采用主動工作方式, 工作頻率為60 kHz, 也可探測頻率低于60 Hz的超低頻聲音信號, 在水平方向上提供120°/240°/360°可選角度覆蓋范圍, 角度精度小于0.1°, 港口海試驗證了該聲吶對閉式呼吸蛙人的探測距離可達740 m, 對開式呼吸蛙人的探測距離可達1000～1200 m, 對蛙人運載器(swimmer delivery vehicle, SDV)的探測距離可延伸至1400～2000 m, 測距精度高于0.5 m, 通過處理算法可有效分辨出水面或水下、蛙人或運動平臺等各種目標, 能同時跟蹤多達20個目標, 并可對目標的距離、方向、深度和多普勒速度進行實時解算。2014年開始, DSIT公司開發出“水盾”DDS的擴展系統, 大大拓展了探測距離, 對閉式呼吸蛙人的探測距離達到了1200 m, 對開式呼吸蛙人的探測距離達到了1800 m, 對蛙人運載器的探測距離達到了3 500 m。2004年, 在德國不來梅港的測試中對閉式呼吸蛙人的探測距離不足700 m, 之后在以色列港口的測試中對閉式呼吸蛙人的探測距離為740 m, 這2次海試的水深都為5～7 m[12-13, 15, 18, 31, 38-40]。

圖9 “水盾”DDS

“尖盾”便攜式DDS(見圖10)于2007年面世, 該聲吶小巧輕便, 可快速安裝部署, 長期固定安裝于海底、港口或隨船攜帶, 適合狹窄水域的水下目標中、短距離探測, 從探測到跟蹤實現全天候全自動化, 采用模塊化設計, 可單機獨立運行或多臺組合使用, 采用主動工作方式, 工作頻率70 kHz, 帶寬20 kHz, 測距精度高于0.3 m, 角度覆蓋范圍0～360°, 角度精度小于0.4°, 對閉式呼吸蛙人的探測距離大于500 m, 對開式呼吸蛙人的探測距離大于700 m, 也可用來探測無人水下航行器(unmanned undersea vehicles, UUV)。2018年, 印度海軍部署了78套該型聲吶[6, 32-34, 41]。

圖10 “尖盾”便攜式DDS

DSIT公司的HSS是一套集成化程度非常高的港口入侵監控系統, 通過統一指揮和配置的DDS、監視雷達和光電預警傳感器, 能夠對深水、淺水和水面的水下平臺、蛙人和水面小型艦船進行有效探測、跟蹤和警告驅離, 具備全天候工作能力[6, 34, 42]。

加拿大C-Tech公司研制的CSDS-85岸港安全聲吶(waterside security sonar, WSS)(見圖11), 從第3代開始裝備加拿大海軍, 目前已升級至第5代。該聲吶可在海底、岸側固定或吊放安裝, 也可隨船攜行, 可單臺獨立運行或多臺組網, 采用主動工作方式, 工作頻率80 kHz, 帶寬3 kHz, 可選250 m/500 m/1000 m/1500 m/2000 m多個檔位探測距離, 水平覆蓋角度既可360°全向, 也可選擇扇面范圍, 可有效探測蛙人、蛙人運載器和小型水下平臺[6, 13, 34]。

圖11 CSDS-85岸港安全聲吶

2012年, 土耳其研制了一種新型DDS(見圖12), 該聲吶主要布置于港口或海底, 采用主動工作方式, 工作頻率60 kHz, 帶寬2 kHz, 可選400 m/ 800 m/ 1 200 m多個檔位探測距離, 配合自適應降噪算法, 對閉式呼吸蛙人的探測距離可達1200 m, 最多支持96臺設備組陣, 可通過聲光報警對水下入侵者進行警告[6, 34]。

圖12 土耳其DDS概念圖

波蘭水下戰中心與其國家海軍研究院共同開發出了Kryl水下目標探測系統, 該系統包括主動換能器和水聽器, 發現目標后可通過國家海軍作戰中心遙控提前布放的水雷打擊入侵者。其中的Kryl-A子系統主要用于探測蛙人、海豚等水下小目標, Kryl-B主要用于探測水面艦船和潛艇。Kryl-A子系統可在150 m外探測到無裝具的游泳者, 300 m外探測到攜帶裝具的蛙人, 600 m外探測到小型水下航行器, 在最小8 m的深度中能同時跟蹤10個目標[12]。

俄羅斯自前蘇聯時期就一直致力于DDS的研制, 目前已有“帕拉達”(Pallada)、“安納帕”(Anapa)等多套高頻主動聲吶型號列裝。設計于20世紀90年代的“帕拉達”艦載DDS在21世紀初驗收成功, 分別在艦艇首尾各布置1套吊放基陣, 對艦艇形成探測回路網, 其工作頻率高于100 kHz, 接收陣有48個水平波束, 水平角度范圍為0～360°, 垂直角度范圍0～20°, 最大探測距離400 m, 能同時跟蹤3個目標。俄羅斯和烏克蘭使用的是MOK-A型DDS, 采用主動探測方式, 利用匹配場設計原理, 在100 m距離上能有效探測到帶吸聲材料的蛙人[7, 12-13, 30]。

21世紀初, 我國對蛙人探測的方式手段仍然較少, 水面主要依靠偵查預警雷達、人力瞭望等方式進行預警; 水下預警方式普遍非常原始, 甚至靠水下布設阻隔網、布置碰撞鈴鐺等手段進行探測, 嚴重依賴人力, 預警效果差。雖然目前國內在DDS方面取得了不少進步, 但由于起步較晚, 相比英美等西方海洋強國, 在DDS的系統智能化、環境適應性、目標虛警率等方面還存在差距[43]。

我國與烏克蘭合作研制的TRONKA DDS系統(見圖13), 在第聶伯河和黑海的水下試驗中效果良好, 2008年, 在青島奧帆賽浮山灣賽場中成功投入實際應用, 填補了當時的國內空白。該系統主要由壓電磁感應傳感器、聲速剖面儀等部分組成, 通過絞車實時調整聲吶位置, 保持聲速剖面儀所測場地聲速的穩定, 使探測獲得更好的效果, 結果通過顯示器實時顯示。該系統聲吶正常工作水深20 m, 采用主動工作方式, 使用工作頻率為60 kHz的3個主動聲吶換能器, 每個換能器的水平覆蓋角度為0～360°, 垂直覆蓋角度0～10°, 方位精度2°, 3個換能器組合后垂直角度可覆蓋30°, 探測范圍寬800～1000 m, 縱深7～ 100 m, 對閉式呼吸蛙人的有效作用距離達500 m, 對開式呼吸蛙人的有效探測距離達900 m, 距離精度為1.5%, 對半徑大于0.3 m、運動速度1.5～ 6 kn的目標探測效果突出, 可實現目標方位、距離和系統所在位置的聲速、聲線圖等信息的實時傳輸[5, 6, 12-14, 44-46]。

圖13 TRONKA DDS系統組成

中科院聲學所提出依靠檢測水下聲場擾動的方式來檢測是否有目標侵入聲場范圍, 在湖試過程中, 采用100 kHz的高頻連續波(continuous wave, CW)信號作為發射聲源構建水下穩定聲場,通過射線理論檢測聲場的變化, 判別概率較高, 有望應用于中科院自主產權的固定安裝聲柵欄蛙人探測系統[47]。

中科院聲學所與上海船舶運輸科學研究所合作生產的2010型DDS系統(見圖14), 在2010年上海世博會中成功投入使用, 該系統工作頻率70 kHz, 探測范圍可達0～180°, 寬帶濾波器帶寬10 kHz, 信號形式可選CW信號、線性調頻(linear frequency modulation, LFM)、偽隨機編碼或雙曲調頻等, 可在4～20 kHz范圍內自動調節帶寬。在±15°范圍內采取可調節的垂直相控發射方式, 便于匹配水下復雜地形。在混濁水環境探測距離超過200 m, 清澈水環境可達500 m以上, 對水下蛙人及無人航行器具備探測、跟蹤、識別和定位能力。該系統由16臺聲吶組成, 多臺聲吶可以配合使用, 以擴展探測范圍, 在同步工作的情況下可有效抑制各種干擾。之后, 根據廈門金磚五國會議、廣州亞運會及三峽大壩等的需求, 對該系統不斷進行系統集成, 先后與水下喊話器、雷達和視頻監控等配套使用, 以降低虛警率[6, 12, 14, 48]。

圖14 上海世博會應用的水下安防系統組成示意圖

2018年, 上海船舶電子設備研究所研制的水下安保聲柵欄系統(見圖15), 成功應用于該年11月在深圳大亞灣舉辦的中國杯帆船賽, 該系統采用錨系結構進行位置固定, 圓柱形換能器在水中始終保持豎直狀態, 電子艙始終浮于水面, 系統布放之前需使用測深儀、側掃聲吶和地層剖面儀等設備對海底地形和深度進行探查, 根據水深、底質、水流速等參數調節錨的鋼絲纜長度。該系統可以多臺組合為聲柵欄, 海上持續正常工作時間超過30天[49]。

圖15 聲柵欄總體結構示意圖

中船集團第715研究所研制的岸基DDS系統(見圖16)采用主動探測方式, 主要由聲吶基陣及岸上控制系統組成, 有效作用距離達公里級。“十二五”期間, 第715研究所又研制了船載小型聲吶(見圖17), 專門用于探測蛙人、水雷等水下小目標[18]。

中國電科三所于2016年研制的蛙人探測設備, 實現了發射陣、接收陣及相關軟硬件的全套自主, 可自動進行目標檢測、分類和識別[5]。

圖16 第715研究所研制的岸基DDS系統

圖17 715研究所研制的船載DDS

北京新源永泰公司研發的XT02WR01 DDS對水下蛙人的有效檢測范圍為400～700 m, 覆蓋范圍達150 hm2 [5]。

2.2 被動聲吶

美國和荷蘭通過被動聲吶探測出了開式呼吸蛙人輻射聲信號的周期性特征, 根據該特征信號, 分別研制出了SPADES和Delphinus System 兩型水下被動探測系統, 后者的最遠探測距離可達350 m[11, 50-51]。

海軍工程大學的孫玉臣[52]與武漢天鯨科技有限公司合作研制的被動式DDS水平直線陣樣機(見圖18)于2018年在三亞某港口進行了海試, 成功探測到水下2 m深處的蛙人。

圖18 海軍工程大學研制的被動式DDS陣元

2.3 便攜式聲吶

2005年, 英軍開始列裝手持式蛙人偵察系統(diver reconnaissance system, DRS)(見圖19), 該系統由英國QinetiQ公司研制, 可軍民兩用, DRS依靠電池供電, 在水下可連續工作6.5 h, 質量10 kg, 水下重0.5 kg, 工作深度可達100 m, 采用主動工作方式, 內含500 kHz前視高頻電子掃描聲吶, 可在230 m距離上探測到-25 dB的目標, 可有效探測水雷形狀的類球形物體。該系統通過在水下布置2～4個工作頻率為40～80 kHz的主動發射機進行可靠定位, 定位誤差控制在0.5 m, 最大作用距離1 200 m, 對閉式呼吸蛙人的探測距離可達200 m以上, 聲吶探測和導航信息均實時顯示于機載平板顯示器, 并支持數據回放[6, 13-14, 30]。

圖19 手持式蛙人偵察系統

美國Soundmetrics公司研制的愛麗絲防御者3000(Aris defender 3000)型手持式聲吶(見圖20), 其探測頻率為1.8 MHz(有效距離15 m), 識別頻率為3 MHz(有效距離5 m), 工作水深100 m以內, 水平角度范圍0～30°, 垂直角度范圍0～14°, 波束寬度0.25°, 在水中為零浮力, 水中情況可同步顯示于便攜聲吶屏幕和岸上顯控臺[53-54]。

圖20 愛麗絲防御者3000

中船集團第750試驗場研制了一款型號為TKIS-I的頭盔式DDS(見圖21), 該型DDS適合水下蛙人單兵佩戴, 最大使用水深60 m, 工作頻率0.678～1.2 MHz, 覆蓋角度范圍0～28.5°, 波束寬度0.45°。

圖21 TKIS-I頭盔式DDS

上海瀚界科技公司開發了一型單兵便攜式水下綜合信息系統(見圖22), 該系統將聲吶、水下導航、顯控眼鏡和水下通信等功能集成于蛙人頭盔, 蛙人可直接通過頭盔內置的有機發光二極管(organic light-emitting diode, OLED)眼鏡查看各種監控信息, 該頭盔采用進口多波束掃描成像聲吶, 工作頻率750 kHz～1.2 MHz, 有效探測距離2～60 m, 距離分辨率8 mm, 最大波束512, 水平開角120°, 垂直開角20°, 角度分辨率1.2°, 波束間隔0.25°, 該型裝備在2019年阿布扎比國際防務展進行了展出[55]。

圖22 單兵便攜式水下綜合信息系統

3 DDS系統主要技術難點

要使DDS系統在使用過程中能夠順利完成工作, 需要考慮以下技術難題和關鍵節點。

3.1 信號處理技術

DDS需要辨別的水下聲信號主要有主動聲吶的輻射信號、目標回波和周邊移動艦艇的噪聲等。在聲吶信號發射波束方面, 采用高分辨率多波束形成技術可以實現反蛙人聲吶高速大范圍區域掃描。而全數字波束可使上百個接收換能器形成各自獨立的信道, 將某一個信道與其他換能器陣元的時延信號或相移信號進行融合, 可以形成特定方向上的空間指向, 并減少機械能耗, 縮短系統反應時間。

聲吶的探測距離由多種因素決定, 包括波束寬度、發射功率、目標信號強度和接收靈敏度等。為了簡化高分辨率多波束聲吶系統的計算, 聲吶的發射波束寬度與警戒扇面寬度相等為宜。而發射波束越寬, 對發射換能器尺寸的要求越小, 但為了提供較強的發射信號強度, 又要求發射換能器具有較高的聲源級, 這就會導致發射器空化現象的產生, 因此在保證波束寬度的前提下, 為避免空化, 需要增加發射器的表面積, 例如使用凸弧形陣等曲面陣。

3.2 遠距離傳輸及供電

DDS一般布置于港口、艦船附近或島礁近岸, 根據使用環境的不同, 預警控制中心與所部屬聲吶系統的水下單元距離一般為200～2000 m, 傳統電纜或雙絞線因阻抗和干擾引起的信號衰減和失真明顯, 傳輸距離受限。光纖傳輸技術可以較好地解決這個問題。當水下聲吶與預警指揮控制中心之間的距離超過100 m時, 光纖就成為首選的傳輸介質。經計算, 長度2 km的光纖對信號的衰減僅約3 dB[56]。光纖傳輸部分除了完成信號的有效傳輸外, 還要做好與同軸信號線間的信息轉換, 同時為節省成本, 光纖與電源金屬線一般捆綁制作, 水下部分需自帶信號調制及電源分配模塊, 并做好水密工作。為保護光纜可靠傳輸, 光纜的水下部分宜加裝鎧裝, 其水陸交接部分應做好隱蔽保護處理。

3.3 安裝布放

聲吶系統的部署應當提前考察蛙人可能的入侵路線, 探測深度應與預期入侵目標的深度大致相當, 為最大程度減少空化氣泡、水面噪聲等干擾, 換能器布置深度應足夠, 一般布置在水下10～20 m。根據實際需要和成本考慮, 布放方式可以選擇固定式部署, 使聲吶長期固定于水底, 也可采用機動式部署, 通過折疊回收等裝置完成快速收放。

在港口島礁周圍、基地入口等大面積區域, 為保證探測聲波的完整覆蓋, 通常部署多部DDS進行警戒。多個聲吶換能器工作時, 互相存在一定的交疊區, 聲波扇面角度以10°～15°為佳。2個及以上的換能器同時工作, 為減少相互之間的干涉, 所有的發射應當同相。

3.4 環境自適應能力

海洋中聲速、鹽度、溫度以及聲線彎曲等因素會隨使用地點、部署地季節等條件變化而變化。因此, 為了加強DDS系統的環境自適應能力, 應對聲吶部署地的聲速等因素進行實時測量, 以補償傳播損失, 將測量到的實時數據進行建模, 利用蒙特卡洛等算法計算出傳播損失的結果, 以此對聲吶發射波束進行調整以達到聲吶的最優性能。也可將多臺不同性能的聲吶交叉重疊使用, 不同性能的聲吶對同一環境因素的變化反應是不同的, 以此始終保證其中的幾臺聲吶可以在較佳狀態工作。另外, 可通過加裝航向、姿態、三維全向等傳感器, 以實現聲吶姿態數據的自我校準。有些先進的DDS已具備了內部異常磁場校準功能, 大大提高了聲吶使用環境的自適應能力。

3.5 系統可靠性

除了提高單臺裝備的使用壽命和可靠性之外, 可通過組網技術, 將多個換能器連接成為網狀鏈路, 以提高系統穩定性。當網絡中某節點或線路出現問題時, 系統可自行檢測定位故障點, 并回饋給指揮控制中心, 同時不影響其他部分的正常工作, 從而將單節點故障導致的聲吶系統功能影響降到最低。在多部聲吶工作過程中, 為保證蛙人探測不留死角, 在布放距離上應保證相鄰聲吶之間存在互相重疊的探測區域, 重疊區域內, 較強的換能器信號可以彌補較弱的信號, 從而保證信號的連續性。

3.6 多聲吶聯合

蛙人在速度一定的情況下, 要做到提前預警并延長預警持續時間, 就需要擴大聲吶換能器的探測距離, 以此擴大有效監控范圍。但擴大探測距離勢必會影響到換能器的目標分辨率, 導致信噪比下降。

多套聲吶系統聯合工作, 能夠有效增強對目標探測的指向性, 提高探測距離, 擴大覆蓋范圍。水下預警的特點決定了DDS必將大規模集群式發展, 采取多套聲吶系統聯合配合工作的模式, 形成監控網絡。但伴隨監控網絡中聲吶數量的增多和信號線路的延長交叉, 聲吶之間的相互影響和干擾也會增加, 為此, 在網絡系統設計中必須要考慮聲吶間的相互作用, 力求各聲吶系統協調同步工作[48]。

3.7 多系統協同

隨著多波束聲吶技術、信號數據庫技術、目標識別技術、光纖傳輸技術、實時數字信號處理技術以及光纖激光水聽器技術的日益成熟, 未來, 水下蛙人探測系統將會由單純的水聲換能器探測逐步完善成集水下導航、定位、遠距離信息傳輸、數據庫比對、信號特征識別、光電傳感系統和警告打擊系統等多系統集合的探測系統[57], 從而在降低虛警率、拓展探測范圍、可靠信號傳輸、提高自動化程度、值班全天候的基礎上, 實現探測距離遠近搭配, 檢測精度高低配合, 并降低整個系統的能耗。

4 DDS系統關鍵技術

為有效解決上述技術問題, 提高DDS系統的綜合工作能力, 需要從提高單陣元性能、優化信號處理技術和探索新的組陣形式等方面開展進一步研究。

4.1 新材料技術

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)作為最常用的壓電材料, 因其高穩定性和強壓電性, 已被業界使用30余年。性能優良的水聽器一般具備較大的靜水壓壓電常數, 但受物理特性限制, PZT材料的壓電常數很小, 柔韌性較差, 抗機械沖擊能力不足, 導致其在壓電換能器的應用進一步受限[58]。

近年來, 隨著新材料技術的發展, 為了進一步拓展換能器帶寬, 提高壓電常數, 保持換能器長期工作的穩定性, 一系列性能更優的壓電材料陸續被研發, 最具代表性的主要有復合壓電材料、壓電高聚物聚偏二氟乙烯(PVDF)、弛豫鐵電體PZNT和PMNT、玻璃陶瓷以及稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)等[59]。

在目前研究的復合壓電材料中, 1-3型復合壓電材料是應用最廣泛的一種。復合壓電材料柔韌性好, 便于加工; 相同尺寸下, 其靜水壓壓電常數比PZT高1～2個數量級; 密度較低, 與水介質能實現較好的聲匹配; 聲阻抗較低, 約為同尺寸PZT材料的25%; 機械品質因數比同尺寸PZT低2～3個數量級, 適合拓展帶寬; 介電常數很低, 利于提高電壓接收靈敏度; 厚度耦合系數最高可達0.7, 大大優化了換能器的性能。但由于聚合物的引入, 增加了復合壓電材料的機械損耗[58-60]。

壓電高聚物中的PVDF材料是目前研究應用最廣泛的一種, 該材料是一種塑性薄膜, 柔韌性好, 密度低, 聲速小, 聲阻抗與水介質接近, 水下匹配性好, 對溫濕度等變化高度穩定, 且壓電性很強, 其壓電常數比PZT高十余倍, 靜水壓壓電常數比PZT材料高很多, 可提高水聽器的靈敏度, 因其制作方便且成本低, 便于大批量生產, 是一種十分理想的接收器壓電材料[58]。

弛豫鐵電材料是由PbTiO3和A(B1B2) O3(A、B1和B2分別代表某種組分)所形成的固溶體單晶, 主要有PMNT和PZNT兩種。該材料具有很大的磁致伸縮系數而磁滯性幾乎可以忽略, 有較高的介電常數, 壓電常數分量可達PZT的3～6倍, 有效機電耦合系數可達0.92, 比PZT高20%以上, 應變可達1.7%, 現居壓電材料首位, 帶寬容量接近2個倍頻程[24], 適合制作發射換能器, 在水聽器中也具備較高的接收靈敏度。但其對工作環境要求苛刻, 要達到最佳工作性能, 需在該材料上施加一定的偏極化場或預應力, 且工作溫度要低于60℃[58]。

與鐵電體壓電材料相比, 玻璃陶瓷基本不存在去極化和老化等問題, 能夠在高溫及高振蕩頻率環境下工作, 適合制作超聲波換能器[58]。

稀土超磁致伸縮材料依靠焦耳效應和魏拉里效應進行發射和接收聲波, 可實現電—磁—聲3種能量之間的轉換。與普通磁致伸縮材料相比, 該材料的磁致伸縮性能提高了近100倍, 其能力密度比同尺寸PZT高近30倍, 目前已應用于各種換能器中[61]。

4.2 匹配層技術

匹配層技術是指在換能器輻射端黏結一層或多層匹配層材料的技術, 主要起到以下3個作用: 一是隔離海水, 將換能器與外界介質絕緣密封, 保持其機電特性; 二是通過匹配聲阻抗提高其靈敏度等傳輸能力; 三是依靠雙諧振或多諧振的產生拓展其帶寬[62]。計算認為, 單層匹配層的最佳厚度為中心工作頻率波長的1/4[63]。

同時, 匹配效果還受材料因素影響, 實驗發現, 傳統聚苯乙烯材料的聲透射性能要好于環氧樹脂, 在發射與接收換能器上, 聚苯乙烯在拓展帶寬方面的性能更佳[48]。

4.3 檢測概率提高技術

目前, 主動聲吶探測蛙人主要依靠蛙人肺泡或呼吸產生的氣泡, 蛙人目標輻射噪聲功率很低, 有效目標回波信號強度小, 且DDS的部署地通常為近岸淺水, 水下混響干擾多, 聲吶系統對目標定位難度大。為了提升小信號目標的檢測率, 降低虛警, 拓展聲吶的作用距離, 就必須提高其信噪比。可從2個方面減少混響的影響: 一是通過系統設計改變聲吶信號發射的形式, 將過去經常采用的CW信道改為寬帶信道, 通過長脈沖發射來提升信噪比, 消除CW信號的長脈沖發射與分辨率的矛盾; 二是抑制混響, 提高輸出信噪比, 寬帶信號可更好地抑制體混響等隨機混響, 并增加信號的穩定性, 從而使聲吶探測距離更遠。

在使用傳統水平窄波束的同時, 輔之以可調節的垂直波束, 依靠豎直指向降低混響的干擾, 并構建蛙人三維探測空間。另外, 通過借鑒相關算法, 利用垂直發射波束的低旁瓣級及聲吶性能建模仿真技術等, 也可以降低瀕海混響對聲吶系統信號的影響[64]。

4.4 目標自動跟蹤與識別技術

為了在復雜噪聲環境下對蛙人等小目標進行自動跟蹤, 目前一般采用動靜目標分離算法, 將運動和靜止的目標進行區分, 并使用多波束信號系統, 保持目標對準, 提高信噪比, 采用交互式濾波提取運動目標軌跡。對于多運動目標則采用多信息聯合的貝葉斯濾波算法或極大似然濾波算法, 可實現同時跟蹤多個目標。這2種方法已廣泛應用于雷達數據處理, 檢測結果能以聲圖形式顯示[9]。通過大量實測的方法提前構建水下目標運動特性數據庫, 通過人工智能構建推理算法規則庫, 采用極大似然原理, 進行目標的特征提取和檢測, 由此統計推理, 達到目標自動分類的目的, 可以判別出蛙人、魚類、艦船及水下哺乳動物等各類目標[48]。

4.5 垂直相控發射技術

為使聲吶在狹窄等地形復雜的水底仍能發揮性能, 就必須使其具備對環境的自適應能力。國內采用先進的垂直相控發射技術使聲吶更好地適應復雜水下地形。這種技術解決了大束寬引起的能量發散問題, 擴大了狹窄水下地形的聲吶覆蓋范圍, 減小了聲吶混響, 同步實現了混響抑制和聲吶盲區抑制, 使聲吶的性能不會因地形環境問題而受過多影響[2]。

4.6 組陣技術

隨著信號處理技術的發展, 組陣技術逐漸由以前的相同陣元、等間隔、同平面布陣、施加同等激勵的方式向多種不同性能陣元、變化間隔、立體布陣、施加不同激勵的方向發展, 這主要得益于相控和束控信息處理技術的進步, 從而可以大大拓展基陣的工作頻帶等性能。

5 結束語

文中介紹了水下蛙人探測的難點, 分別論述了主被動探測條件下的蛙人水下聲信號特征, 對國內外DDS裝備的發展情況進行了綜述, 總結出了目前國內外的DDS系統的主要技術性能和特點, 分析了DDS系統目前面臨的主要技術問題和關鍵技術。可以看出, 經過多年努力, 國內對蛙人水下聲信號特征的研究日趨成熟, 對主被動聲吶探測蛙人的技術已接近國際水平, 但實際列裝型號較少, 對蛙人在水下不同條件下的信號特征研究還有待完善, 這也是我國水聲技術領域的一個重要發展方向。

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Review of Diver Detection Sonar System

SUN Yu-chen1,2, WANG De-shi1, LI Zong-ji1, JIANG Bin3, ZHANG Kai1, SUN Yu-xiang2, YU Wen-qiang4

(1. College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. 92767thUnit, The People’s Liberation Army of China, Qingdao 266102, China; 3. Department of Navigation, Navy Submarine Academy, Qingdao 266100, China; 4. Wuhan Tianjing Technology Co., Ltd, Wuhan 430040, China)

Detecting a diver is difficult because of the low strength of underwater acoustic signals, which can secretly sneak into water bodies such as ports, islands, and reefs for reconnaissance and destruction, which is one of the key aspects of underwater early warning. In this study, first, the difficulties of underwater diver detection are discussed, and the principle and acoustic signal characteristics of active and passive sonar to detect divers are introduced. Then, the technical status of diver detection sonar(DDS) equipment is overviewed, including signal processing technology, remote transmission and power supply, installation and distribution, environmental adaptive ability, system reliability, multi-sonar combination, and multi-system collaboration. Key technologies for the development of DDS equipment, such as new material, matching layer, detection probability improvement, target automatic tracking and identification, vertical phased emission, and arraying technologies, are proposed to provide a reference for the research on DDS equipment in the industry.

diver detection sonar(DDS); underwater early warning; acoustic signal characteristic

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TJ67; TB566

R

2096-3920(2021)05-0509-15

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.002

2020-11-17;

2021-02-05.

孫玉臣(1988-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水聲換能器設計及制造.

(責任編輯: 陳 曦)