徐 瑜 倪小清 夏紅梅 楊 鵬

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院訓(xùn)練部 廣州 510430)

蛙人探測聲吶發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)*

徐 瑜 倪小清 夏紅梅 楊 鵬

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院訓(xùn)練部 廣州 510430)

蛙人探測聲吶的建設(shè)與發(fā)展是反蛙人裝備體系建設(shè)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。論文首先通過分析蛙人聲散射特性和被動聲學(xué)特性闡述了蛙人探測聲吶工作的物理基礎(chǔ)；其次,分析了國內(nèi)外蛙人探測聲吶發(fā)展的現(xiàn)狀,并就當(dāng)前蛙人探測聲吶系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案進(jìn)行了展望。

蛙人探測聲吶; 蛙人聲學(xué)特性; 抗混響; 目標(biāo)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(jī)動等優(yōu)點,已逐漸顯示其應(yīng)用于“非對稱戰(zhàn)略”的優(yōu)越性。特別是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)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(shè)施等造成了嚴(yán)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(hù)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(fā)展新型反蛙人裝備的研制和開發(fā)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(shè)與發(fā)展又是反蛙人裝備體系建設(shè)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。因此,對于水下蛙人的聲學(xué)特性、反蛙人水聲探測裝備的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀以及反蛙人水聲探測裝備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析研究,可為我海軍發(fā)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(xué)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(shù)研究的重點領(lǐng)域,國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。蛙人目標(biāo)不同于水雷、艦船等現(xiàn)有聲吶設(shè)備針對的目標(biāo),其目標(biāo)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(jìn)行,通過實采數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)強(qiáng)度,從實驗結(jié)果可以看出,在20kHz以上,目標(biāo)強(qiáng)度較大。Hollett給出了100kHz時蛙人目標(biāo)散射回波強(qiáng)度的海上測量結(jié)果,閉式呼吸器蛙人目標(biāo)強(qiáng)度僅有-20dB～-25dB,開式呼吸器蛙人呼出氣泡的強(qiáng)度約為-15dB。大連測控技術(shù)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(biāo)強(qiáng)度,其中開式呼吸情況下對目標(biāo)回波貢獻(xiàn)最大的氣泡群目標(biāo)強(qiáng)度大于-16.9dB,干式潛水服目標(biāo)強(qiáng)度測量值約為-17dB,開式呼吸用呼吸氣瓶目標(biāo)強(qiáng)度約為-24dB,而蛙人目標(biāo)強(qiáng)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(biāo)強(qiáng)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(xué)特性分析

相對于主動探測技術(shù),水下蛙人的被動探測技術(shù)研究較少[6]。例如,美國Stevens理工學(xué)院海洋安全實驗室的研究人員系統(tǒng)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(biāo)的原理[1],做了大量的相關(guān)實驗,并得到了一些重要結(jié)果。他們認(rèn)為,蛙人水下呼吸輻射聲信號主要是由呼吸調(diào)節(jié)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(xiàn)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(nèi)的中科院聲學(xué)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(shù)據(jù),并進(jìn)行了特征分析。圖1所示為中科院聲學(xué)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(chǎn)生的高頻信號成分的能量遠(yuǎn)大于環(huán)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(fā)展現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)外對蛙人主要采用的是主動方式進(jìn)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(xiàn)代聲吶技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,新一代聲吶具有更先進(jìn)的探測性能和更遠(yuǎn)的探測距離,一些高科技聲吶還具有相當(dāng)高的分辨率,能夠認(rèn)識蛙人和可疑水下航行體。下面以各主要軍事強(qiáng)國為例,簡要介紹一下各國蛙人探測聲吶的發(fā)展?fàn)顩r[7～10]。

美國海軍應(yīng)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(tǒng)的聲吶單元能在800m范圍內(nèi)對蛙人進(jìn)行探測,并且可以在水下500m距離內(nèi)識別出人類所特有的胸腔。該系統(tǒng)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(cè)為艦船提供保護(hù),也可以把許多單元部署在海床上,形成一道警戒線,保護(hù)海港和航道的安全。根據(jù)這種布放方式,使系統(tǒng)的偵察范圍延伸到了1km之外。

英國的手持式蛙人偵查系統(tǒng)(DRS)能夠在100m深度工作,DRS系統(tǒng)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(biāo),導(dǎo)航系統(tǒng)采用長基線主動聲學(xué)發(fā)射方式,通過該技術(shù),導(dǎo)航誤差可以控制在0.5m,最大導(dǎo)航距離可達(dá)1200m。

以色列的蛙人探測聲吶(DDS)是一款能遠(yuǎn)距離探測閉式呼吸蛙人的可靠系統(tǒng)[9],可以在強(qiáng)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(dá)到700m,可以為警衛(wèi)人員至少提供15min～20min的反應(yīng)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(dá)到1000m～1200m。對于有動力系統(tǒng)的蛙人運(yùn)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(chǎn)的CSDS-85是其生產(chǎn)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(jiān)視或扇面監(jiān)視范圍,可選垂直面內(nèi)波束傾斜控制。

俄羅斯、烏克蘭的MOK-A水聲系統(tǒng)是主動發(fā)射的海洋警戒裝置,用于檢測非法進(jìn)入的潛水器、蛙人及水面運(yùn)載器等。該系統(tǒng)采用匹配場設(shè)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(dá)100m左右。

國內(nèi)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(xué)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(jìn)行了試驗,產(chǎn)品已經(jīng)定型,應(yīng)用前景廣泛。2008年,該系統(tǒng)在青島奧帆賽的水下安保中得到了成功應(yīng)用。2010年,上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所與中國科學(xué)院聲學(xué)所聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的2010型反蛙人探測聲吶,該聲吶系統(tǒng)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(diào)頻LFM兩種信號形式,帶寬從4kHz～20kHz不等,能很好地調(diào)節(jié)分辨率與作用距離的關(guān)系,達(dá)到較好的狀態(tài)。為了很好地匹配水下復(fù)雜地形,它還能調(diào)節(jié)垂直相控發(fā)射,最大調(diào)節(jié)為±15°。在混濁水域條件下能有效探測水下危險目標(biāo),探測距離大于200m(清澈水域探測距離達(dá)到500m以上),并能夠進(jìn)行自動跟蹤識別,當(dāng)入侵目標(biāo)進(jìn)入有效探測區(qū)域時立即給出報警。此外,該聲吶實現(xiàn)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(dá)到更大探測范圍的需求。

4 蛙人探測聲吶關(guān)鍵技術(shù)

4.1 前端陣列技術(shù)

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(dá)90°,但無法和弧形發(fā)射陣共用陣元；若采用弧形接收陣,理論上警戒扇面可擴(kuò)展至360°,且提供了和發(fā)射陣共用陣元的可能性。目前,國外的蛙人探測聲吶設(shè)計上,普遍采用柱面陣,也有部分設(shè)計采用收發(fā)分置的方式,甚至采用接收線列陣的陣列技術(shù),接收陣形的選擇必須兼顧波束形成以及單機(jī)實現(xiàn)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(fù)合換能器,利用其壓電常數(shù)大、頻帶寬、柔軟、耐力學(xué)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(shù)

由于蛙人目標(biāo)強(qiáng)度小,通常在近岸淺海區(qū)域附近執(zhí)行任務(wù),海面混響較強(qiáng),加大了從蛙人回波信號中進(jìn)行目標(biāo)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(tǒng)設(shè)計角度進(jìn)行改進(jìn)；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(tǒng)設(shè)計角度進(jìn)行改進(jìn)。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(fā)射長脈沖來改善信混比,同時在不減少距離分辨力的基礎(chǔ)上探測更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。

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(biāo)進(jìn)行檢測,需要在信號處理上采用一系列的方法來進(jìn)行背景平穩(wěn)化,使蛙人回波聲圖像顯示更為精細(xì)?？梢酝ㄟ^陣元域信號處理、波束形成等技術(shù)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(jìn)行二次處理的方式,提高輸出信噪比。

4.3 目標(biāo)自動跟蹤和識別技術(shù)

目標(biāo)自動跟蹤與識別是反蛙人聲吶技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點和難點[4,9,12]。其中的核心技術(shù)是如何將蛙人、艦船目標(biāo)、海洋背景(海面、海底等)、大型魚類等目標(biāo)進(jìn)行區(qū)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?？稍诓僮髡吒深A(yù)和最終決定的情況下,提供自動目標(biāo)分類,不僅可將目標(biāo)與海洋背景等區(qū)分開來,還可進(jìn)一步分離目標(biāo)類型(如攜帶呼吸器的蛙人、蛙人運(yùn)載器、艦船等)。為實現(xiàn)混響背景下的運(yùn)動目標(biāo)自動跟蹤和識別,國內(nèi)最新聲吶運(yùn)用的是動靜目標(biāo)分離的處理方法,即利用蛙人、艦船等是運(yùn)動目標(biāo),背景屬于靜止目標(biāo)的特點,對相鄰周期生成的多幀聲圖像,運(yùn)用動靜分離算法,即把圖像信息分離為運(yùn)動圖像與靜態(tài)目標(biāo)圖像,完成運(yùn)動目標(biāo)的提取和檢測。對于水面艦船目標(biāo),由于在接收信號頻段內(nèi),每個時刻都可以收到艦船輻射的連續(xù)譜噪聲。因此,可進(jìn)一步利用這一特征來識別水面艦船目標(biāo)；但是,對于蛙人、水下機(jī)器人、大型魚類等特征相近的目標(biāo),還需要在操作者干預(yù)的情況下來進(jìn)行分離。

5 結(jié)語

蛙人水聲探測裝備作為對水下蛙人等目標(biāo)最有效的探測技術(shù),是當(dāng)前聲吶裝備中的研發(fā)重點,由近岸淺海環(huán)境及海洋混響的復(fù)雜性,使其集成了當(dāng)前聲吶發(fā)展的眾多全新軟硬件技術(shù)和算法。國外相關(guān)機(jī)構(gòu)針對蛙人探測聲吶技術(shù)發(fā)展,展開了大量的研究和實驗,國內(nèi)蛙人探測技術(shù)雖然開展時間不長,但也取得了很大的進(jìn)展。蛙人探測聲吶研制的關(guān)鍵技術(shù)是在低信混比條件下有效檢測目標(biāo),在保證目標(biāo)分辨率的情況下得到較遠(yuǎn)的探測距離,以達(dá)到較廣的監(jiān)控范圍以及較長的預(yù)警時間。隨著蛙人目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫、新型波束形成技術(shù)和換能器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,蛙人探測聲吶也將呈現(xiàn)全新的發(fā)展面貌和水平。

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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(shù)學(xué)建模與計算機(jī)仿真。倪小清，男，博士，講師，研究方向：數(shù)學(xué)建模與計算機(jī)仿真。夏紅梅，女，碩士，講師，研究方向：數(shù)學(xué)建模與計算機(jī)仿真。楊鵬，男，博士，副教授，研究方向：信號與信息處理、數(shù)學(xué)建模與計算機(jī)仿真。

U666.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.001