◎ 楊松 張瓊 曲元鑫 曲加圣

水聲信標(biāo)在救助與打撈中的應(yīng)用

◎ 楊松 張瓊 曲元鑫 曲加圣

水下聲信標(biāo)是為海上作業(yè)人員或重要設(shè)備落水后進(jìn)行搜救與打撈，并為落水人員救助，設(shè)備打撈提供準(zhǔn)確位置，在救助與打撈中節(jié)省人力、物力及時(shí)間。

水下定位 人員救助 設(shè)備打撈

引言

我國(guó)海岸線總長(zhǎng)為3.2萬(wàn)公里，其中大陸海岸線1.8萬(wàn)公里，島嶼海岸線1.4萬(wàn)公里。從事海上作業(yè)人員極其廣泛。這些作業(yè)人員在海上作業(yè)時(shí)極有可能發(fā)生人員或設(shè)備意外落水現(xiàn)象，一些重要設(shè)備一旦落水，在茫茫大海進(jìn)行打撈猶如大海撈針，十分困難。

近年來(lái)隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海上作業(yè)迅速增長(zhǎng)。由于海情海況非常復(fù)雜，加上寒潮、霧季、臺(tái)風(fēng)以及人為因素等的影響海難事故日益增多，給海上搜救工作帶來(lái)很大的壓力，同時(shí)搜救手段的落后致使搜救的成功率很低，搜救時(shí)需要?jiǎng)佑么罅康娜肆?、物力和時(shí)間，耗費(fèi)大量的資金。而人員落水在天氣和海況較差時(shí)救援也是比較困難的，特別是在夜間更為困難。為了安全，目前按照國(guó)際海事組織及我國(guó)海事有關(guān)規(guī)定，海船上大多安裝有VHF電臺(tái)、海事無(wú)繩電話、GPS定位系統(tǒng)以及衛(wèi)星船站等通信救援設(shè)備。海上作業(yè)人員通常配備的海上救生物品包括救生船、救生電臺(tái)、聯(lián)絡(luò)用的光煙管、海水染色劑、太陽(yáng)反光鏡、閃光器、信號(hào)槍、羅盤(pán)等。但目前配備的救生物品幾乎全部需要人員手工操作，一旦事故發(fā)生，人員出現(xiàn)昏迷或因傷無(wú)法操作時(shí)，這些救生設(shè)備將失去作用；并且現(xiàn)有救生設(shè)備只限水面以上使用，如果設(shè)備和人員沉入水中則無(wú)法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，更不能對(duì)落水人員進(jìn)行搜索定位。

1、國(guó)內(nèi)外發(fā)展

基于海事活動(dòng)及軍事發(fā)展的需求，國(guó)內(nèi)、外都在積極研究發(fā)展水下探測(cè)定位技術(shù)，作為水下目標(biāo)的搜尋，重要設(shè)備的海上定位手段。在水下探測(cè)定位技術(shù)日趨成熟，設(shè)備體積、可靠性等都已滿足人員搜尋的要求，目前已作為海軍航空兵落水搜尋的一種新的有效手段。

國(guó)外研發(fā)的航母戰(zhàn)斗群人員落水指示系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過(guò)每個(gè)艦員佩戴信標(biāo)，當(dāng)有人落水時(shí)通過(guò)艦員身上的信標(biāo)進(jìn)行人員身份識(shí)別，迅速進(jìn)行定位，美國(guó)的水聲通訊信標(biāo)，如圖1所示，用于救生設(shè)備的定位，其入水即上電工作，利用聲信號(hào)及無(wú)線頻道發(fā)送呼救信息。圖2為國(guó)外水下小型水聲信標(biāo)，其入水即上電工作，發(fā)射指定頻率的CW脈沖水聲信號(hào)。

目前國(guó)內(nèi)主要依靠空中無(wú)線信標(biāo)定位，有時(shí)甚至依靠搜索飛機(jī)上搜救人員目測(cè)尋找如救生裝置中的被染色劑染色的海水，落水人員發(fā)射的信號(hào)彈，太陽(yáng)反光鏡的反光，夜間冷光管的光線等。圖3為依靠煙霧定位的海上救援工作場(chǎng)景。

圖1 水聲通訊信標(biāo)

圖2 國(guó)外小型水聲信標(biāo)

目前水上作業(yè)人員大多數(shù)只是攜帶發(fā)射無(wú)線電波和煙霧等一些救生設(shè)備，當(dāng)落水人員沉入海底或失去知覺(jué)時(shí)這些設(shè)備都無(wú)法工作。而當(dāng)重要設(shè)備落入水中，由于廣播和電磁波在水中的衰減非常大，遠(yuǎn)不能滿足人們?cè)诤Ｑ蠡顒?dòng)中的需要，打撈搜尋工作更為困難。

圖3 依靠煙霧定位的海上救援工作場(chǎng)景

為彌補(bǔ)上述問(wèn)題，利用聲波信號(hào)能夠在水下探測(cè)、通訊、導(dǎo)航等特點(diǎn)，研發(fā)一種入水即可工作的聲信標(biāo)，為救援和打撈提供準(zhǔn)確示位，利用聲信標(biāo)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行示位是海洋考察、海洋資源勘探、海洋資源開(kāi)發(fā)、深?？臻g站建設(shè)等工程的必備手段，本文以聲信標(biāo)為關(guān)注對(duì)象，應(yīng)用于水上、水下作業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域：

海洋生物科考保障

海上集裝箱運(yùn)輸安全保障

漁業(yè)船只安全保障

水面作業(yè)人員安全保障

水下作業(yè)人員安全保障

2、水下聲信標(biāo)的安裝及特點(diǎn)

本文所介紹的水聲信標(biāo)是一種小型、獨(dú)立工作的設(shè)備，可固定安裝在設(shè)備上或被人攜帶。該聲信標(biāo)尺寸較小（如圖4所示），通過(guò)固定卡具安裝在設(shè)備上；信標(biāo)安裝在人員身上的時(shí)候，采用尼龍帶附著，捆綁在水上作業(yè)人員腰上或者腿上（如圖5所示）。聲信標(biāo)入水自動(dòng)工作為打撈和救助提供有力保障。

水下聲信標(biāo)具有體積小重量輕、便于安裝和攜帶，水下工作時(shí)間長(zhǎng)，入水即工作等特點(diǎn)。

圖4 水下聲信標(biāo)

圖5 水上作業(yè)人員的聲信標(biāo)佩戴方式

3、聲信標(biāo)組成與工作原理

本文所述水聲信標(biāo)的工作環(huán)境要求水聲信標(biāo)體積小，工作時(shí)間長(zhǎng)，水下耐壓性能好，入水自動(dòng)工作。水聲信標(biāo)主要由水密殼體、發(fā)射模塊、控制模塊、電極和電池組成。圖6所示聲信標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)射模塊、控制模塊及電池緊密固定后，安裝于水密殼體內(nèi)；水開(kāi)關(guān)電極裸露在水聲信標(biāo)一側(cè)外表面；電池密封蓋位于水聲信標(biāo)另一側(cè)，便于進(jìn)行電池更換。

水聲信標(biāo)采用水開(kāi)關(guān)控制工作，入水之后自動(dòng)上電工作，無(wú)需人員操作。為了節(jié)省空間，內(nèi)部控制電路與發(fā)射聲音的壓電陶瓷一體化設(shè)計(jì)，其余空間留下安裝電池。

圖6 聲信標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

水聲信標(biāo)殼體上具有電極端，電極端與殼體同處在水中時(shí)由于水的導(dǎo)電作用，水聲信標(biāo)上電工作。當(dāng)水下聲信標(biāo)離開(kāi)水后，電極端與殼體之間的聯(lián)系被切斷，內(nèi)部電源控制電路休眠，聲信標(biāo)停止工作。

聲信標(biāo)入水工作后，內(nèi)部電路被激活，連續(xù)周期性發(fā)射固定寬度的聲脈沖信號(hào)，信號(hào)為固定頻率的單頻信號(hào)。信號(hào)形式采用周期性聲脈沖信號(hào)，能夠便于檢測(cè)的脈沖寬度，填充頻率為30～50kHz內(nèi)單頻信號(hào)，填充信號(hào)由兩路相位相差180°，具有一定占空比。單片機(jī)的兩路比較器負(fù)責(zé)輸出信號(hào)。控制模塊產(chǎn)生兩路相位相差180°脈沖信號(hào)，由功率放大三極管輸出到高壓電路模塊，通過(guò)水聲換能器發(fā)射水聲信號(hào)。

4、水下聲信標(biāo)探測(cè)與定位原理

4.1 探測(cè)與定位

水下聲信標(biāo)探測(cè)搜尋已是一項(xiàng)成熟的技術(shù)。我們利用指向性水聽(tīng)器接收聲信標(biāo)信號(hào)，處理聲信標(biāo)信號(hào)將其轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，通過(guò)處理后的信號(hào)的強(qiáng)弱判斷聲信標(biāo)方向，音頻信號(hào)最強(qiáng)時(shí)接收換能器所對(duì)應(yīng)的方向即為聲信標(biāo)所在方向，通過(guò)兩個(gè)全向水聽(tīng)器接收到聲信標(biāo)時(shí)間差，結(jié)合即時(shí)GPS定向信息將測(cè)得的聲信標(biāo)方向轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系下的真方向，同時(shí)結(jié)合即時(shí)GPS定位信息解算出當(dāng)前探測(cè)點(diǎn)大地坐標(biāo)系下的定位射線，計(jì)算不同探測(cè)點(diǎn)的定位射線的交點(diǎn)得到水聲目標(biāo)定位點(diǎn)。

4.2 探測(cè)與定位原理

圖7 定位方法示意圖

定位方法是一點(diǎn)定向兩點(diǎn)定位。如圖7所示，圖中坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系，P為待測(cè)的聲目標(biāo)，A、B為兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)。分別獲得A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)及真北方向與射線AP、BP的夾角，即可解算出目標(biāo)方位。

假設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為a1、b1，B點(diǎn)坐標(biāo)為a2、b2，P點(diǎn)坐標(biāo)為Xp、Yp，真北方向與AP、BP的夾角分別為α1、α2，那么P點(diǎn)的坐標(biāo)值Xp、Yp可由射線AP、BP相交而得：

對(duì)1式方程組進(jìn)行變換、求解：

A點(diǎn)坐標(biāo)和B點(diǎn)坐標(biāo)由GPS給出，通過(guò)2式可得到P坐標(biāo)。

5、結(jié)束語(yǔ)

這種小型、高效、獨(dú)立工作的水聲信標(biāo)體積小，適合安裝在貴重儀器上及水下作業(yè)人員身上攜帶，入水既工作，無(wú)需任何操作?，F(xiàn)已在某些領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。希望這種既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品能夠?yàn)槿藗冮_(kāi)發(fā)海洋資源提供更多的保障。

作者單位: 大連測(cè)控技術(shù)研究所

[1] [美]A.V.奧本海姆 R.W.謝弗著.董士嘉，楊耀增譯.數(shù)字信號(hào)處理.科學(xué)出版社，1986.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，1988.

[3] 劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理.哈爾濱工程大學(xué)出版社，1997.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAK03B06）