鄭坤鵬，盧曉兵，衛(wèi)振彪

（陸軍裝甲兵學(xué)院士官學(xué)校，吉林 長春130117）

0 引言

近年來世界各國的飛機、輪船等裝備失事沉海事件時有發(fā)生，海洋搜救已成為世界關(guān)注的問題。國外在20世紀(jì)70年代已有水下聲學(xué)定位設(shè)備的產(chǎn)品，我國從80年代開始，也開始研制出不同用途的水下聲學(xué)定位設(shè)備，廣泛應(yīng)用在水下目標(biāo)搜尋、海洋鉆井井口定位及海洋管道作業(yè)等方面[1]。當(dāng)前水下聲納系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，尤其在海軍武器系統(tǒng)中，而在搜尋定位沉沒的兩棲裝備方面尚處于空白，缺少有效的手段和技術(shù)，只能依靠海軍或地方專業(yè)搜尋力量來完成，傳統(tǒng)的搜尋方法無論是主動還是被動聲納定位都存在搜尋設(shè)備龐大、操作復(fù)雜、成本高，對搜尋目標(biāo)大小依賴性強，搜尋定位精度較低等問題[2]。因此，通過對兩棲裝備水下搜尋定位系統(tǒng)的研發(fā)及使用，能夠快速準(zhǔn)確的搜尋到沉沒的兩棲裝備并予以定位，以便于后續(xù)快速準(zhǔn)確的實施裝備的撈救作業(yè)，具有重要的軍事意義。

1 聲納系統(tǒng)的選擇

根據(jù)聲學(xué)定位系統(tǒng)定位基線的長度，傳統(tǒng)上可將定位系統(tǒng)分為3種類型：長基線定位系統(tǒng)（long baseline，LBL）、短基線定位系統(tǒng)（short baseline，SBL）和超短基線定位系統(tǒng)（ultra short baseline，USBL）[3]。長基陣定位方法定位精度較高，但由于長基陣定位方法需要提前布設(shè)水下測聽單元，顯然與戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境不相符，因此不適宜作為沉水裝備搜尋的主要手段。短基線定位方法具有精度高、機動性好的特點，通常要求搜尋船底部布設(shè)水聽基陣，船體長度要求大于基線長度，如果船體較小也可采取拖拽的方式進行搜尋，雖然短基線定位方法較為可靠但對于搜尋船只要求較高，并不利于進行自主保障，因此也不能成為沉水裝備搜尋的主要手段。雖然超短基線定位方法精度不如前兩種定位方法，但結(jié)合兩棲裝備的使用情況，其較小的尺寸、便攜性和靈活的安裝方式通過保障分隊正確合理的運用，可以較好地彌補了定位精度方面的缺陷，能夠較為靈活高效的對沉沒兩棲裝備進行搜尋定位。此外，為了有效地消除海洋噪音干擾，優(yōu)先選擇超短基線頻譜范圍的聲納，保守認為海洋噪聲譜級為20 kHz時，根據(jù)經(jīng)驗公式可求得在20 kHz處海洋噪聲譜級，此時只要聲強大于40 dB，就可以有效傳出，由于選用聲納為15 kHz聲強為大于186 dB，排除3 km范圍的聲強衰減，這是一個很高的檢測域，容易實現(xiàn)對聲源目標(biāo)的檢測。針對搜救裝備自身產(chǎn)生的干擾噪音，可以通過暫停發(fā)動機的人為手段加以控制。因此，對于近海岸的兩棲裝備水下搜尋定位系統(tǒng)的研發(fā)采用超短基線聲納系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的主要組成及工作原理

兩棲裝備水下搜尋定位系統(tǒng)由各自獨立的水面?zhèn)蓽y聲納和水下聲納信標(biāo)兩部聲納組成。水面?zhèn)蓽y聲納分系統(tǒng)裝備于搜尋裝備，如兩棲裝備搶救搶修車上，而水下聲納信標(biāo)裝備于失事裝備。

2.1 水面?zhèn)蓽y聲納

水面?zhèn)蓽y聲納分系統(tǒng)由收、發(fā)分置換能器基陣和信息處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。偵測聲納的換能器基陣設(shè)計為收、發(fā)分置，接收換能器基陣空腔內(nèi)裝有電子羅盤，換能器基陣如圖1所示。

圖1 偵測聲納換能器基陣實物圖

2.1.1 偵測聲納換能器基陣

偵測聲納發(fā)射換能器基陣設(shè)計為全向發(fā)射的圓管狀，其主要技術(shù)指標(biāo)為：工作中心頻率：15 kHz±30 Hz；發(fā)射聲源級：不小于186 dB.

偵測聲納發(fā)射聲源級SLA為：

式中：PaA為偵測聲納發(fā)射換能器激勵的聲功率；DIT為發(fā)射指向性指數(shù)（DIT=0）。

設(shè)SLA＝186 dB，由公式（1）可得，偵測聲納發(fā)射換能器激勵的聲功率約等于34 W.

偵測聲納接收換能器基陣設(shè)計采用36元組成的圓形，主要技術(shù)指標(biāo)為：工作中心頻率為16.5 kHz±30 Hz，工作帶寬不小于±450 Hz；水平波束寬度不小于20°，基元數(shù)36個。水聽器在圓形接收換能器基陣圓弧上以半波長排列，所以圓形接收陣直徑為D=N·（λ0/2）/π≈ 28.6 cm，圓形接收陣的水平波束開角θh=88/（0.286×15）≈20.5°.如圖2所示，在圓形接收陣在水平360°范圍內(nèi)共形成36個波束，18個波束位于水聽器頂端，另外18個波束位于相鄰兩個水聽器中央下方，波束相互交叉出現(xiàn)，其間隔為10°.因為加權(quán)后波束寬度大于波束間隔，所以波束束寬可以在相互覆蓋中滿足水平360°范圍，既全向偵測聲納基陣。偵測聲納接收采用11或12個陣元形成接收波束，則圓形接收陣的接收指向型指數(shù)，偵測聲納及水下聲納信標(biāo)的接收均采用窄帶過濾DIA≈13 dB，相應(yīng)的檢測閾為：

式中：d為檢測指數(shù)；τ為發(fā)射脈寬。

圖2 圓形接收陣波束布置示意圖

設(shè)檢測概率PD=80%，虛警概率PF=0.1%，根據(jù)ROC曲線[4]可得d=16，由公式（2）可得接收的檢測閾DT＝20 dB.

發(fā)射換能器的優(yōu)質(zhì)因數(shù)FOMA→B為：

式中：NLB為水下聲納信標(biāo)接收端噪聲；DIB為水下聲納信標(biāo)接收指向性指數(shù)；△B為水下聲納信標(biāo)接收FFT裁斷損失。設(shè)NLB＝75 bB、△B=3 bB，則由公式（3）可得 FOMA→B=88 dB.

式中：R(A→B)MAX為偵測聲納到水下聲納信標(biāo)的最大作用距離；α為15 kHz信號的傳播損失。

設(shè) α =2 dB/km，由公式（4）可得 R(A→B)MAX≈6 km，由此可知，偵測聲納到水下聲納信標(biāo)的最大作用距離為6 km.

2.1.2 信息處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)則由發(fā)射單元、信號處理單元及顯控終端及其他硬件等部分組成，其實物圖與工作示意圖分別見圖3、圖4.

圖3 信息處理系統(tǒng)實物圖

圖4 信息處理系統(tǒng)工作示意圖

發(fā)射單元主要由功放、匹配和GPS接收模塊組成，其功能是接收GPS數(shù)據(jù)和根據(jù)信號處理單元給出的命令定時發(fā)射喚醒信號，主要技術(shù)指標(biāo)為：工作中心頻率為15 kHz±30 Hz；信號形式為單頻脈沖信號（CW）；發(fā)射脈沖寬度為80ms；發(fā)射電功率不小于120 W；發(fā)射功放路數(shù)為1；供電為300 W、24 V直流電。

信號處理單元主要由前放板和信號處理板組成。前放板的功能是完成18路陣元輸出信號的放大、濾波，以及電路中的時控和手控衰減，手控碼和時控碼則由信號處理板發(fā)送。信號處理板的功能是完成18路數(shù)據(jù)的A/D采樣、波束形成，對波束數(shù)據(jù)進行點化和判別，承擔(dān)信息處理系統(tǒng)與PC機之間的信息傳遞（通過網(wǎng)絡(luò)將波束數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、電子羅盤數(shù)據(jù)實時發(fā)送到PC機）和綜合控制（接受PC機的控制命令及對發(fā)射和前放發(fā)送控制命令），信號處理板的功能框示意圖如見5圖所示。圖中電子羅盤采用Honeywell公司的數(shù)字電子羅盤，其功能是給信息處理系統(tǒng)提供航向、俯仰、橫滾等數(shù)據(jù)。顯示控制單元安裝在指揮或搜救裝備上，為搜救人員直觀的提供搜尋航向依據(jù)。顯控終端根據(jù)搜尋需求控制搜尋端發(fā)出詢問信號，并將接收的回答信號解算信息，通過GPS定位系統(tǒng)解算出目標(biāo)的地理坐標(biāo)。

圖5 信息處理板功能框示意圖

2.2 水下聲納信標(biāo)

水下聲納信標(biāo)由收、發(fā)公用換能器和電子艙兩部分構(gòu)成，而電子艙則由發(fā)射單元、信號控制單元和電源單元三部分組成（如圖6、圖7所示）。電子艙中發(fā)射板功能是聲納信標(biāo)在水下一定深度壓力傳感器啟動蓄電池后，通過變換器給電子艙內(nèi)部各部分供電及根據(jù)信號控制板給出的命令發(fā)射應(yīng)答信號。電源是蓄電池，是給變換器供電，根據(jù)設(shè)計要求可以滿足30天的供電時間。

圖6 聲納信標(biāo)示意圖

圖7 聲納信標(biāo)發(fā)射單元實物圖

水下聲納信標(biāo)換能器基陣為收、發(fā)共用的全向圓管狀，其主要技術(shù)指標(biāo)為：工作中心頻率為15 kHz±30 Hz；發(fā)射聲源級不小于183 dB；工作帶寬為不小于±450 Hz；全向發(fā)射。

水下聲納信標(biāo)的發(fā)射聲源級SLB為：

式中：PaB－水下聲納信標(biāo)發(fā)射換能器激勵的聲功率；DIT－發(fā)射指向性指數(shù)（DIT=0）。設(shè) SLB＝ 183 dB，由公式（5）可得，水下聲納信標(biāo)發(fā)射換能器激勵的聲功率約等于17 W.

水下聲納信標(biāo)發(fā)射換能器的優(yōu)質(zhì)因數(shù)FOMB→A為：

設(shè) NLSA＝ 85 dB、△A=3 dB，由公式（6）、（7）可得R(B→A)MAX≈6 km，因此，水下聲納信標(biāo)的最大作用距離也是6 km.

2.3 工作原理

兩棲裝備水下搜尋定位系統(tǒng)作用方式為回饋問答式，水面?zhèn)蓽y聲納分系統(tǒng)通過發(fā)射換能器向水下發(fā)射特定頻率特定編碼的詢問聲納，水下聲納信標(biāo)通過公用換能器接受到詢問信號并被喚醒，同時發(fā)射特定編碼的回饋應(yīng)答聲納信號。當(dāng)信標(biāo)裝置隨失事裝備下沉?xí)r，壓力開關(guān)將信標(biāo)的電源接通，等待接收搜尋裝備上偵測聲納發(fā)射的喚醒信號。當(dāng)無喚醒信號時，水下信標(biāo)僅處于靜默狀態(tài)，當(dāng)水下信標(biāo)接收到偵測聲納設(shè)備發(fā)射的喚醒信號后，水下信標(biāo)則發(fā)射一個應(yīng)答信號（即收、發(fā)工作狀態(tài)）。偵測聲納在接收到水下信標(biāo)發(fā)射的應(yīng)答信號后，可以測量出失事裝備的距離（斜距）和方位，偵測聲納設(shè)備周期性發(fā)射喚醒信號時，應(yīng)答信號也是周期性地出現(xiàn)，通過與GPS定位系統(tǒng)換算，偵測聲納給出失事裝備的地理坐標(biāo)參數(shù)，并通過顯示終端呈現(xiàn)給指揮員。

由此可知，搜尋裝備上的偵測聲納和失事裝備上的聲納信標(biāo)均需工作在收發(fā)狀態(tài)，偵測聲納具有定向、測距功能，聲納信標(biāo)只需全向搜索工作，兩設(shè)備均處于單程傳播接收狀態(tài)。具體關(guān)系為：水下聲納信標(biāo)接收偵測聲納設(shè)備的喚醒信號，偵測聲納設(shè)備接收水下聲納信標(biāo)的應(yīng)答信號。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

兩棲裝備水下搜尋定位系統(tǒng)是在海況不大于三級、良好水文條件（等溫層）下工作，搜尋裝備上偵測聲納安裝部位噪聲譜級不大于85 dB（參考級為1 μPa，工作中心頻率15 kHz處），失事裝備上聲納信標(biāo)安裝部位暴露在平坦泥沙底上并離水面距離不大于60 m，失事裝備暴露部位噪聲譜級不大于75 dB（參考級為1 μPa，工作中心頻率15 kHz處）的條件下。在清澈海水中（海水聲衰減系數(shù)），水面搜尋定位系統(tǒng)聲學(xué)基陣可以在3 km范圍內(nèi)偵測到信標(biāo)發(fā)出的聲納信號，并能夠解算出相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 試驗方案

首先將偵測聲納換能器基陣固定于試驗大船并降入水下4 m左右，再在試驗小船上將水下聲納信標(biāo)垂吊入水（如圖8、圖9、圖10所示）。試驗開始后，試驗小船在與試驗大船距離R約200 m~3 000 m的范圍內(nèi)運動（試驗環(huán)境中開闊水域最遠距離約2 600 m），并在試驗小船上使水下聲納信標(biāo)的入水深度在10 m~60 m之間變化，通過將偵測聲納與電腦連接，觀察顯示終端的顯示掃描是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

圖8 系統(tǒng)安裝示意圖

圖9 偵測聲納固定在大船上

圖10 聲納信標(biāo)固定在小船上

3.3 試驗結(jié)論

試驗中試驗小船運動（即聲納信標(biāo)運動）后，從顯控畫面可以一直跟蹤目標(biāo)，并成功的顯示目標(biāo)方位、距離、經(jīng)緯度，以下是顯控記錄的目標(biāo)在不同距離（R）和不同深度（H）上的信息截圖，畫面右側(cè)顯示目標(biāo)方位、距離、經(jīng)緯度（如圖11、圖12所示）。

圖11 （H=15m，R=300m）

圖12 （H=40m，R=2000m）

通過試驗驗證了該裝置的各項性能指標(biāo)，而且易于操作，滿足在3 km距離上，水下信標(biāo)發(fā)射到達偵測聲納時，測距精度誤差小于55 m的精度要求，同時滿足在3 km距離上，測向精度誤差小于2.5°的精度要求，且距離目標(biāo)越近，精度越高信號越強。此外，對于超短基線定位系統(tǒng)，通?？赡芙邮盏降男盘栔饕沙袒€定位系統(tǒng)應(yīng)答器信號、海洋環(huán)境噪聲、艦船自噪聲、其它艦船的輻射噪聲等組成。其中應(yīng)答器信號是要檢測的信號，其余都構(gòu)成了掩蓋信號的背景干擾，它們干擾了系統(tǒng)正常工作，限制裝備性能的發(fā)揮，所以在排除噪音干擾方面需要進一步研究。