黃穎淞, 葛輝良, 王付印, 謝 勇

蛙人探測(cè)聲吶系統(tǒng)發(fā)展綜述

黃穎淞1, 葛輝良1, 王付印2, 謝 勇1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第715研究所, 浙江 杭州, 310023; 2. 國防科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙, 410073)

蛙人由于目標(biāo)小、破壞性大, 可擔(dān)負(fù)常規(guī)力量無法完成的任務(wù), 已成為港口與近岸水域的嚴(yán)重威脅之一。水下蛙人探測(cè)是非傳統(tǒng)安全保障領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向,對(duì)于港口、大型艦船、濱海娛樂場(chǎng)所、海上石油鉆井平臺(tái)等重點(diǎn)水域的安保和防御具有重要意義。文中首先論述蛙人的主要特征, 指出了蛙人探測(cè)的難點(diǎn)問題, 同時(shí)闡述蛙人探測(cè)聲吶(DDS)的相關(guān)原理。隨后以英國、以色列、加拿大等國和國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品為例, 詳細(xì)介紹當(dāng)前國內(nèi)外DDS系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。最后總結(jié)我國在DDS方面取得的成果, 指出國內(nèi)DDS技術(shù)與國外的差距, 展望DDS的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì), 為促進(jìn)我國DDS的發(fā)展提供借鑒與參考。

蛙人探測(cè)聲吶; 安保; 防御; 發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

冷戰(zhàn)結(jié)束后, 各主要西方國家對(duì)海上的關(guān)注逐步由深海轉(zhuǎn)向淺海乃至港口附近的水域。而近年來, 以蛙人或小型運(yùn)載器的形式針對(duì)港口、船只、水上設(shè)備以及其他設(shè)施的襲擊時(shí)有發(fā)生。由于目標(biāo)小, 破壞性大, 可擔(dān)負(fù)水下偵察、爆破、暗殺、救援、破障、目標(biāo)指引等常規(guī)力量無法完成的任務(wù), 蛙人成為港口與近岸水域的嚴(yán)重威脅[1]。

當(dāng)今, 許多國家都非常重視港口及近岸水域防御的相關(guān)建設(shè), 西方國家投入了大量的人力和物力對(duì)相關(guān)核心技術(shù)進(jìn)行研發(fā), 并在重要港口、航道等位置都構(gòu)建了水域安防系統(tǒng), 現(xiàn)已初見成效[2-3]。我國海洋面積遼闊, 隨著海上及海岸設(shè)施的建設(shè), 港口、船只等水上設(shè)施的安全保障也愈加受到重視。

水下小目標(biāo)探測(cè)在一定程度上能夠有效保證港口等水上設(shè)施的安全。水下蛙人探測(cè)是非傳統(tǒng)安全保障領(lǐng)域中一個(gè)新的研究方向, 也是當(dāng)前國內(nèi)外小目標(biāo)探測(cè)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn), 對(duì)于港口、船只和海上設(shè)備等重點(diǎn)保護(hù)水域安保和防御有重要意義。

1 蛙人主要特征

1.1 水下聲輻射特征

與其他水下目標(biāo)不同, 蛙人以生物為載體, 需要在水下呼吸, 除了具有一般小目標(biāo)的聲散射特性外, 還具有一定的聲輻射特性。

蛙人聲輻射的主要來源是人體的肺部組織。當(dāng)蛙人呼吸時(shí), 呼吸氣體在呼吸器內(nèi)的流動(dòng)會(huì)引起一系列振動(dòng)和波動(dòng), 從而發(fā)生聲輻射。因此, 可以通過對(duì)蛙人的呼吸聲信號(hào)和噪聲信號(hào)進(jìn)行特征提取, 以區(qū)分不同水下目標(biāo)的類型[4-5]。

蛙人呼吸具有明顯的周期性特征。在每個(gè)呼吸周期中, 蛙人呼吸產(chǎn)生的信號(hào)具有3個(gè)連續(xù)的持續(xù)時(shí)間: 吸氣、呼吸保持和呼氣。在每個(gè)單獨(dú)的持續(xù)時(shí)間, 蛙人的信號(hào)由不同的機(jī)制產(chǎn)生。在水下吸氣期間, 蛙人攜帶的壓力調(diào)節(jié)閥會(huì)產(chǎn)生信號(hào); 在呼吸保持期間, 將會(huì)以背景噪聲為主; 在水下呼氣期間, 則會(huì)由呼出的氣泡產(chǎn)生信號(hào)。通常情況下, 蛙人呼吸的時(shí)間周期大致為5~12 s, 具體取決于蛙人的游泳技能和訓(xùn)練水平。專業(yè)潛水員的標(biāo)準(zhǔn)呼吸技術(shù)是: 用3~4 s的時(shí)間吸氣、用4~5 s的時(shí)間呼氣[6-7]。

1.2 水下目標(biāo)強(qiáng)度特征

目標(biāo)強(qiáng)度是指水下目標(biāo)如潛艇、蛙人、水雷和魚類等反射的回波強(qiáng)度。

蛙人、水雷和魚類等物體由于自身體積較小, 被定義為小目標(biāo)。對(duì)于小目標(biāo)而言, 目標(biāo)強(qiáng)度不僅低, 而且能否被發(fā)現(xiàn)主要依賴于聲吶系統(tǒng)的波長。但是, 對(duì)于大部分主動(dòng)聲吶而言, 由于其他方面的需求使得其波長在通常情況下會(huì)小于目標(biāo)的最小尺寸, 從而避免了小目標(biāo)帶來的問題[8]。

影響蛙人目標(biāo)強(qiáng)度的因素主要有呼吸器、潛水服和人體本身, 三者之中影響最大的是呼吸器。呼吸器分為開式呼吸器和閉式呼氣器, 蛙人利用的開式呼吸器會(huì)產(chǎn)生氣泡群, 且開式呼吸器的氣瓶比閉式呼氣器的氣瓶大。因此, 采用開式呼吸的蛙人比采用閉式呼吸的蛙人具有更大的目標(biāo)強(qiáng)度。

蛙人體積較小, 水下等效反射半徑小于0.3 m。同時(shí), 蛙人在水下的行動(dòng)噪聲也非常小, 目標(biāo)強(qiáng)度較低。負(fù)重9 kg的普通蛙人水下平均行進(jìn)速度大致為1 kn, 目標(biāo)強(qiáng)度在–16~–25 dB之間; 裝備助推裝置的蛙人最高可負(fù)重90 kg, 水下推進(jìn)速度為2.5~3 kn, 目標(biāo)強(qiáng)度在–12 dB左右[9-11]。

蛙人作為一種水聲目標(biāo), 可以反射聲波, 也可以產(chǎn)生輻射噪聲信號(hào), 這就為聲吶設(shè)備探測(cè)提供了基本的條件。

2 蛙人探測(cè)聲吶原理

2.1 聲吶頻譜

圖1中列舉了一些常用聲吶的頻率, 跨度為10 Hz~10 MHz。由圖1可看出, 探測(cè)目標(biāo)的體積越大, 聲吶頻率越低, 反之則越高。反潛戰(zhàn)(anti- submarine warfare, ASW)的目標(biāo)為潛艇, 其長度通常為數(shù)十米, 因此, ASW聲吶的頻率在10 kHz以下; 蛙人、水雷和常見魚類由于體積差別不大, 因此, 反水雷(mine-counter measure, MCM)聲吶、蛙人探測(cè)聲吶(diver detection sonar, DDS)和魚類聲吶的頻率也較為接近, 通常在100 kHz左右; 而醫(yī)療聲吶的頻率最高可達(dá)10 MHz以上。

從ASW主被動(dòng)聲吶和蛙人探測(cè)主被動(dòng)聲吶的頻率來看, 在探測(cè)目標(biāo)相同的前提下, 被動(dòng)聲吶所用的頻率低于主動(dòng)聲吶的頻率。

2.2 DDS工作模式

按照工作原理的不同, DDS分為2種類型: 主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶。由于蛙人體積小、輻射波弱, 因此通常采用高頻主動(dòng)聲吶探測(cè)技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。

主動(dòng)式DDS工作頻帶范圍約為50~500 kHz,發(fā)射聲強(qiáng)級(jí)約為180~210 dB, 對(duì)蛙人的探測(cè)距離最高可達(dá)2 000 m。主要有固定和機(jī)動(dòng)2種安裝方式, 前者通常放置在海底或者碼頭, 后者則以吊放的形式部署。主動(dòng)換能器持續(xù)發(fā)射強(qiáng)脈沖信號(hào)并在一定的水平范圍內(nèi)掃描, 探測(cè)返回回波, 若在某一方向上出現(xiàn)強(qiáng)回波, 則可根據(jù)返回時(shí)間和波束掃描角度確認(rèn)目標(biāo)的距離和方位。

圖1 聲吶頻譜圖

主動(dòng)式DDS的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)距離遠(yuǎn), 缺點(diǎn)是需要水下?lián)Q能器長時(shí)間工作, 存在水下噪音污染, 固定安裝時(shí)需要定期清洗換能器等。

被動(dòng)式DDS工作頻帶范圍約為100~300 Hz, 探測(cè)距離最大為200 m。被動(dòng)式DDS雖然具有可長時(shí)間工作、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn); 但是, 被動(dòng)式DDS探測(cè)距離近, 且僅能用于噪聲較大的目標(biāo), 例如裝有螺旋槳助推器的蛙人, 局限性較大, 因此, 被動(dòng)聲吶較少用于蛙人探測(cè)。

3 國內(nèi)外DDS系統(tǒng)主要發(fā)展概況

近幾年, 國外DDS發(fā)展迅速, 我國也已著手研究相關(guān)技術(shù)。以英國、以色列、加拿大等國和國內(nèi)具有代表性的產(chǎn)品為例, 介紹當(dāng)前國內(nèi)外DDS系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r, 以便了解當(dāng)前國內(nèi)外DDS的發(fā)展水平, 為促進(jìn)我國的DDS發(fā)展提供參考。

3.1 英國DDS系統(tǒng)

3.1.1 冥府守門狗360

“冥府守門狗360”(Cerberus 360)是英國奎奈蒂克(QinetiQ)公司研制的高性能主動(dòng)式DDS系統(tǒng), 能自動(dòng)探測(cè)、識(shí)別和跟蹤水下威脅, 其水下部分如圖2所示。

Cerberus 360的聲吶單元功能很強(qiáng), 能夠在800 m范圍內(nèi)對(duì)蛙人進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)蛙人的速度為1~2 kn時(shí), 這個(gè)探測(cè)距離可以為操作者提供至少25 min的處置時(shí)間。系統(tǒng)僅利用一個(gè)獨(dú)立聲吶單元就實(shí)現(xiàn)了360°的全方位覆蓋。這些聲吶單元既可以單獨(dú)使用, 懸掛在船舷兩側(cè), 為艦船提供保護(hù); 也可以多個(gè)聯(lián)合使用, 部署在海床上, 形成一道警戒線, 保護(hù)海港和航道的安全。若采用后者的方式進(jìn)行布放, 該系統(tǒng)的偵察范圍最長可延伸到1 000 m之外[12]。

圖2 “冥府守門狗360”蛙人探測(cè)聲吶

通過收集足夠的有效目標(biāo)回波, 該聲吶能夠在水下500 m的距離識(shí)別出人類所特有的胸腔, 分辨出水下目標(biāo)是蛙人還是其他哺乳動(dòng)物(如海獅和海豚), 進(jìn)而減少虛警率。

QinetiQ公司還主張對(duì)港口和海港實(shí)行分層防御, 旨在防御不同種類和不同范圍的威脅。因此, Cerberus 360和該公司相關(guān)的一些技術(shù), 例如結(jié)合光纖傳感器和高清晰度地面雷達(dá)的遠(yuǎn)程水下被動(dòng)監(jiān)視陣列, 可以集成起來提供超過10 km的系統(tǒng)解決方案。

2004年, 美國國防部與QinetiQ公司簽訂了有關(guān)Cerberus 360的合同, 該系統(tǒng)在英國成功試用之后不久即交付美軍使用, 并沿用至今。

3.1.2 蛙人偵察系統(tǒng)

蛙人偵察系統(tǒng)(diver reconnaissance system, DRS)是英國QinetiQ公司研制的一種手持式DDS, 如圖3所示。這種手持式DRS能夠在避碰模式和目標(biāo)定位模式下工作。系統(tǒng)重10 kg, 水下部分重0.5 kg, 能夠在100 m的深度工作。依靠電池提供能源, 可持續(xù)工作6.5 h。

圖3 蛙人偵察系統(tǒng)

DRS的探測(cè)主傳感器是一部工作頻率高達(dá)500 kHz的前視高頻電子掃描聲吶, 能夠在230 m距離上探測(cè)到強(qiáng)度為-25 dB的目標(biāo)。DRS還具有導(dǎo)航功能, 其導(dǎo)航系統(tǒng)采用長基線主動(dòng)聲學(xué)發(fā)射方式, 導(dǎo)航誤差可控制在0.5 m以內(nèi), 最大導(dǎo)航距離可達(dá)1 200 m。系統(tǒng)的聲吶探測(cè)和導(dǎo)航信息可以同時(shí)顯示在一個(gè)平板顯示器上, 任務(wù)完成后還可以進(jìn)行過程回放, 便于分析。DRS可用于支持瀕海和兩棲作戰(zhàn)、海灘搜索、港口警戒、蛙人探測(cè)、內(nèi)陸水系調(diào)查和考古等。

QinetiQ公司于2005年9月向英國國防部交付了首套DRS。

3.1.3 “地獄狗”DDS

“地獄狗”DDS(Cerberus Mod2)是英國Atlas Elektronik公司研制的便攜式DDS, 能夠探測(cè)水下1000 m內(nèi)的目標(biāo), 堪稱反蛙人利器。其水下探頭如圖4所示。

“地獄狗”DDS是獨(dú)立成套系統(tǒng), 其布放簡(jiǎn)單, 維護(hù)便捷, 可以單獨(dú)布放, 用于區(qū)域防護(hù), 也可以多個(gè)協(xié)同布放, 形成一個(gè)安全區(qū)域。當(dāng)多個(gè)“地獄狗”DDS同時(shí)布放在一個(gè)區(qū)域時(shí), 每個(gè)聲吶都是一個(gè)基站, 每個(gè)基站可同時(shí)跟蹤50個(gè)目標(biāo)。

圖4 “地獄狗”DDS

“地獄狗”DDS由1個(gè)頻率在70~130 kHz之間可選的高分辨率大帶寬主動(dòng)聲吶作為核心, 由1~3個(gè)壓電換能器陣進(jìn)行360°探測(cè), 覆蓋區(qū)域高達(dá)4.5 km2, 可探測(cè)900 m外的開式呼吸蛙人和700 m外的閉式呼吸蛙人, 且能夠跟蹤850 m外的開式呼吸蛙人和675 m外的閉式呼吸蛙人。該便攜式聲吶對(duì)威脅的反應(yīng)時(shí)間是25 min, 方位精度可達(dá)到1°以內(nèi), 能精確探測(cè)到位于水下2~50 m的目標(biāo), 虛警率極低。

目前, 德國海軍已采購了數(shù)套該型聲吶, 并在護(hù)衛(wèi)艦上進(jìn)行了安裝。

3.1.4 “哨兵”反蛙人聲吶

“哨兵”反蛙人聲吶(Sentinel intruder detection sonar, Sentinel IDS)由英國Sonardyne公司研制, 是世界上部署最為廣泛的DDS之一, 其水下探頭如圖5所示。

圖5 “哨兵”反蛙人聲吶

自2006年推出以來, “哨兵”IDS將高可靠、遠(yuǎn)距離蛙人探測(cè)提升到了一個(gè)新的水平。該系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、虛警率低, 一經(jīng)配置即可自主運(yùn)行。

系統(tǒng)由干端處理機(jī)和濕端聲吶探頭兩部分組成, 可通過電纜連接, 布放靈活。一個(gè)干端工作站可以同時(shí)控制、顯示和處理10個(gè)聲吶探頭, 并可避免相互干涉。系統(tǒng)完成布放后, 通過較少的人為干預(yù), 就可通過探測(cè)、跟蹤和識(shí)別軟件對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

“哨兵”IDS的聲吶探頭直徑僅為30 cm, 高40 cm, 質(zhì)量為35 kg。系統(tǒng)工作頻率為70 kHz, 帶寬為20 kHz, 方位精度為0.1°~0.5°, 最大工作深度為50 m, 對(duì)開式蛙人的最大測(cè)距為900 m, 具有聯(lián)網(wǎng)功能。

美國海軍和斯洛文尼亞海軍先后購置了該型號(hào)聲吶系統(tǒng)[13]。

3.2 以色列DDS系統(tǒng)

以色列的DSIT公司主要研發(fā)了3種用于水下安全的DDS系統(tǒng), 包括“水盾”DDS(AquaShield DDS)、“尖盾”便攜式DDS(PointShield portable DDS)和港口監(jiān)視系統(tǒng)(harbor surveillance system, HSS)。

3.2.1 “水盾”DDS系統(tǒng)

“水盾”DDS系統(tǒng)是一種高性能DDS系統(tǒng), 其水下單元如圖6所示。其能夠?yàn)楦邇r(jià)值的設(shè)施提供永久性的安全保障, 如海軍基地、港口、石油和天然氣平臺(tái)、海上平臺(tái)、水下管道和電纜、核電設(shè)施和運(yùn)河等。

圖6 “水盾”DDS

“水盾”DDS支持各種類型水下目標(biāo)的長距離探測(cè), 包括使用呼吸器、水肺的蛙人和無人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)?！八堋盌DS采用模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu), 可在部署和安裝方面實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。該系統(tǒng)提供120°、240°和360°共3種扇區(qū)覆蓋配置, 所有配置均涵蓋整個(gè)相關(guān)柱面。開式呼吸蛙人探測(cè)距離為1 000 m; 閉式呼吸蛙人探測(cè)距離為700 m。

系統(tǒng)支持從探測(cè)、跟蹤到識(shí)別和警報(bào)的全自動(dòng)操作, 能夠同時(shí)對(duì)1 000多個(gè)聲吶觸點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)跟蹤, 從而降低了對(duì)人工輔助的要求。先進(jìn)的信號(hào)處理算法確保了高檢測(cè)概率(proba- bility of detection, PD)和低虛警率(false alarm rate, FAR)的理想兼顧[14]。

自2007年面世以來, “水盾”DDS成為DDS系統(tǒng)領(lǐng)域的暢銷者。

在“水盾”DDS的基礎(chǔ)上, 2014年6月, DSIT推出了“水盾”DDS擴(kuò)展系統(tǒng)(AquaShield extended range, AquaShield ER)。AquaShield ER提供了前所未有的探測(cè)距離, 蛙人運(yùn)載器探測(cè)距離達(dá)3500 m, 開式蛙人探測(cè)距離達(dá)1 800 m, 閉式蛙人探測(cè)距離達(dá)1 200 m。

3.2.2 “尖盾”便攜式DDS系統(tǒng)

“尖盾”便攜式DDS系統(tǒng)主要用于保護(hù)停泊在港口的船舶免受水下威脅, 其水下單元如圖7所示。

圖7 “尖盾”便攜式DDS

“尖盾”便攜式DDS系統(tǒng)也適用于覆蓋在有限區(qū)域內(nèi)的固定安裝?！凹舛堋北銛y式DDS系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、可快速部署和探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)堅(jiān)固耐用, 能夠在惡劣水域進(jìn)行長期連續(xù)的水下作業(yè), 因此也是永久性安裝的理想選擇。

與“水盾”類似, “尖盾”便攜式DDS系統(tǒng)同樣支持全自動(dòng)操作, 支持探測(cè)多種類型的水下威脅, 并且檢測(cè)概率非常高、虛警率低。

系統(tǒng)提供360°全方位的覆蓋, 完全環(huán)繞被保護(hù)物體, 覆蓋整個(gè)相關(guān)柱面。對(duì)開式呼吸蛙人, 探測(cè)距離為700 m; 對(duì)閉式呼吸蛙人, 探測(cè)距離為500 m。

2018年1月8日, 印度海軍訂購了78個(gè)“尖盾”便攜式DDS裝置[15]。

3.2.3 HSS

為了防止入侵者破壞、非法闖入或恐怖襲擊, 以及滿足全球?qū)煽扛劭诒Ｗo(hù)和水下港口安全的迫切需求, DSIT公司開發(fā)了一套全面的港口監(jiān)控系統(tǒng)(HSS), 能夠可靠探測(cè)、跟蹤和警告蛙人、潛水器和小型水面船只等入侵者。

HSS通過集成DDS、監(jiān)視雷達(dá)、電光器件創(chuàng)建統(tǒng)一的指控中心。其由高頻DDS系統(tǒng)、晝夜均可工作的電光觀察系統(tǒng)、高分辨率雷達(dá)、指揮與控制系統(tǒng)以及方向單位組成, 可以在淺水或深水、白天或夜晚以及所有天氣條件下運(yùn)行。

3.3 加拿大DDS系統(tǒng)

CSDS-85 型海港安全監(jiān)測(cè)聲吶系統(tǒng)(water- side security sonar, WSS) 是加拿大C-Tech 公司的第5代高性能海港監(jiān)測(cè)聲吶, 其水下部分如圖8所示。其工作頻率為80 kHz, 帶寬為3 kHz, 最大探測(cè)距離能達(dá)到2 000 m。既能夠360°水域全方位監(jiān)視, 也能夠選擇扇面監(jiān)視范圍; 既可以單獨(dú)在港口展開監(jiān)視, 也可以多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)工作, 形成較大的監(jiān)控區(qū)域。CSDS-85主要的功能為: 對(duì)蛙人、蛙人輸送艇(swimmer delivery vehicle, SDV)、自主水下航行器(autonomous undersea vehicles, AUV)和部分小型潛艇進(jìn)行短距離探測(cè)。其部署方式有多種選項(xiàng), 包括底部安裝、船只安裝, 或使用吊車、起重機(jī)進(jìn)行側(cè)面部署。

3.4 土耳其DDS系統(tǒng)

2012年, 土耳其研發(fā)了一種新型DDS。該聲吶是一種高頻主動(dòng)聲吶, 能夠探測(cè)高達(dá)1 200 m范圍的閉式潛水系統(tǒng)。該聲吶主要由水下單元和水上單元2個(gè)部分組成, 即濕端和干端。水下單元由擴(kuò)展模塊和接收模塊組成, 水上單元位于系統(tǒng)控制室內(nèi), 由電子柜和操控臺(tái)構(gòu)成。系統(tǒng)主要的構(gòu)成如圖9所示, 主要參數(shù)如表1所示[16]。

圖8 CSDS-85型海港安全監(jiān)測(cè)聲吶系統(tǒng)

圖9 土耳其DDS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表1 土耳其DDS系統(tǒng)參數(shù)

研究人員在不同季節(jié)條件下對(duì)該聲吶進(jìn)行了為期1年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中, 通過溫度對(duì)聲速曲線的影響, 觀察探測(cè)距離的變化。為避免一些與試驗(yàn)無關(guān)的環(huán)境噪聲影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性, 研究人員還開發(fā)了一種自適應(yīng)降低環(huán)境噪聲的算法, 并在該系統(tǒng)上成功運(yùn)行[17]。

該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中能夠通過聲光報(bào)警對(duì)水下目標(biāo)做出識(shí)別和警告, 從而探測(cè)出水下威脅。

3.5 國內(nèi)研究發(fā)展概況

相比于歐美等發(fā)達(dá)國家而言, 我國在蛙人探測(cè)方面起步較晚, 但是也取得了一定的成果, 并將這些成果投入到了實(shí)際的運(yùn)用中。

3.5.1 中科院聲學(xué)所DDS

國內(nèi)首先自主開展DDS研制的是中國科學(xué)院聲學(xué)研究所。中科院聲學(xué)所突破國外技術(shù)封鎖, 基于其成熟的高頻聲吶研制技術(shù), 成功研制了全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DDS。該DDS系統(tǒng)的中心頻率為100 kHz, 帶寬為10 kHz, 不僅具有連續(xù)波(continuous wave, CW)脈沖信號(hào)體制, 還具有線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)、偽隨機(jī)編碼以及雙曲調(diào)頻等幾種信號(hào)體制, 是當(dāng)時(shí)國內(nèi)唯一的數(shù)字多波束DDS。該系統(tǒng)在2008年的北京奧運(yùn)會(huì)青島帆船比賽(青島奧帆賽)和上海世博會(huì)等水下安保中得到了成功應(yīng)用。圖10為上海世博會(huì)的水下安防系統(tǒng)組成示意圖[18]。

圖10 上海世博會(huì)應(yīng)用的水下安防系統(tǒng)組成示意圖

同時(shí), 中科院聲學(xué)所還結(jié)合廈門金磚五國會(huì)議、上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)等大型活動(dòng)及三峽大壩等重要設(shè)施的水下安防需求, 開展了多部DDS的系統(tǒng)集成, 并集成了水下喊話器等處置裝備, 也開始了引接雷達(dá)、視頻等水面探測(cè)信息降低水下目標(biāo)探測(cè)虛警率的嘗試。

3.5.2 TRONKA聲吶系統(tǒng)

中國和烏克蘭早期共同研制了TRONKA聲吶系統(tǒng), 但是該系統(tǒng)僅在烏克蘭獲得了專利[19]。

TRONKA聲吶系統(tǒng)主要由傳感器、聲速剖面儀、絞車、電源和顯示器等部分組成, 如圖11所示。傳感器采用的是壓電磁感應(yīng)器, 聲速剖面儀用于測(cè)量系統(tǒng)所在位置的聲速, 并根據(jù)聲速值由絞車調(diào)節(jié)系統(tǒng)位置, 以便得到更好的測(cè)量效果。傳感器接收到目標(biāo)的回波后, 實(shí)時(shí)顯示聲吶系統(tǒng)捕獲的圖像, 并給出目標(biāo)的方位、距離、運(yùn)動(dòng)速度及系統(tǒng)所在點(diǎn)的聲速和聲線圖等信息, 同時(shí)通過信號(hào)處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判斷, 最終檢測(cè)出目標(biāo)類別。

TRONKA聲吶系統(tǒng)采用高頻探測(cè)技術(shù), 工作頻率為60 kHz, 監(jiān)測(cè)水域縱深7~100 m, 可探測(cè)以聲吶系統(tǒng)為中心半徑500 m區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)。

該系統(tǒng)探測(cè)的方位精度為2°, 距離精度為1.5%, 傳感器可在水下20 m深的位置工作, 測(cè)量聲速的深度可達(dá)100 m, 但探測(cè)的目標(biāo)要求半徑大于0.3 m, 運(yùn)動(dòng)速度為1.5~6 kn。

圖11 TRONKA聲吶系統(tǒng)組成

TRONKA聲吶系統(tǒng)能夠探測(cè)潛艇、UUV和蛙人等水下活動(dòng)目標(biāo)和潛伏的非活動(dòng)目標(biāo), 以及海底爆炸物等固定目標(biāo), 并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果送入數(shù)據(jù)處理裝置, 經(jīng)數(shù)據(jù)處理、目標(biāo)識(shí)別和判斷, 把信息傳送給岸站, 即安全控制中心, 從而形成水下安全防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 以防御蛙人襲擊, 保護(hù)港口、潛艇和艦船等的安全。2008年, 該系統(tǒng)在青島奧帆賽的浮山灣賽場(chǎng)水下安保中得到成功應(yīng)用[20-21]。

3.5.3 國內(nèi)其他DDS系統(tǒng)

2012年, 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所與中科院聲學(xué)所2家單位聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)了當(dāng)時(shí)國內(nèi)最新型的2010型DDS。該聲吶系統(tǒng)覆蓋范圍為180°, 工作頻率為70 kHz, 采用CW和LFM 2種信號(hào)機(jī)制。帶寬為4~20 kHz不等, 能很好地調(diào)節(jié)分辨率與作用距離的關(guān)系。為了更好地匹配水下復(fù)雜地形, 系統(tǒng)還能調(diào)節(jié)垂直相控發(fā)射, 最大調(diào)節(jié)為±15°。在復(fù)雜多變混濁水域中的探測(cè)距離大于200 m, 在清澈水域中的探測(cè)距離達(dá)到500 m以上[22]。此外, 中船集團(tuán)726所和715所也先后成功研制了DDS產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

文中綜述了DDS系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。目前, 國外在DDS系統(tǒng)方面已經(jīng)取得了較大的成果。近年來, 我國也越來越重視水下安防技術(shù)的研究, 并在相關(guān)產(chǎn)品方面取得了一些成果, 有些成果已經(jīng)應(yīng)用。例如, 國內(nèi)自主研制的多型蛙人聲吶系統(tǒng), 在探測(cè)距離上已接近國際先進(jìn)水平; 高頻高分辨率成像聲吶也已有多型樣機(jī); 水下運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的被動(dòng)探測(cè)技術(shù)也已研究, 并開展了海上試驗(yàn)驗(yàn)證。

在DDS技術(shù)方面, 雖然我國在硬件層面上已經(jīng)基本攻克, 但在其他方面還有一些難點(diǎn)問題需要解決, 主要體現(xiàn)在:

1) 在后端系統(tǒng)集成方面, 存在虛警率高, 無法有效區(qū)別蛙人和大型海洋生物等問題;

2) 在工程實(shí)踐方面, 面對(duì)近岸港口附近生物附著嚴(yán)重, 如何突破是一個(gè)需要解決的問題;

3) 大多數(shù)港口水質(zhì)較為混濁, 加之船只駛過產(chǎn)生的大量氣泡會(huì)導(dǎo)致聲吶系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行誤判, 因此需要減小水文條件等其他因素的干擾;

4) 如何進(jìn)一步提高探測(cè)距離, 通過系統(tǒng)優(yōu)化布局實(shí)現(xiàn)最佳探測(cè)效率仍有待進(jìn)一步研究。

上述問題的攻克, 將不斷提高港口、航道等水上設(shè)施的安全, 有效降低恐怖襲擊等的威脅。

我國有漫長的海岸線、眾多的港口和遼闊的海疆, 沿海經(jīng)濟(jì)帶是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為活躍的區(qū)域, 是國家高價(jià)值戰(zhàn)略資產(chǎn)的重要集聚場(chǎng)所, 同時(shí)也是敵對(duì)勢(shì)力重點(diǎn)針對(duì)的場(chǎng)所。因此, 如何保衛(wèi)港口、領(lǐng)海和重點(diǎn)水域的安全, 防止水下蛙人的襲擾破壞, 是我國水聲技術(shù)領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重要課題, 也將是未來技術(shù)發(fā)展的重要方向。

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Review on the Development of Diver Detection Sonar System

HUANG Ying-song1, GE Hui-liang1, WANG Fu-yin2, XIE Yong1

(1. The 715 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Hangzhou 310023, China; 2. College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Diver attack has become one of the serious threats against harbors and near-shore waters. Underwater diver detection is an important new research direction in the field of non-traditional security. Corresponding research is of great significance for the security and defense of key waters such as harbors, large vessels, coastal entertainment sites and offshore oil rigs. This paper first discusses the main characteristics of the diver, points out the difficult problems in diver detection, and elaborates the relevant principles of the diver detection sonar(DDS). Then, it takes the representative products made in Britain, Israel, Canada, China and other countries as examples to introduce the current development status of DDS systems in detail. Finally, it summarizes the research results of the DDS in China, points out the gap of DDS technology between China and foreign countries, and forecasts the development trend of the DDS technology.

diver detection sonar(DDS); security; defense; development trend

TJ67; TB566

R

2096-3920(2020)01-0001-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.001

黃穎淞, 葛輝良, 王付印, 等. 蛙人探測(cè)聲吶系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 1-9.

2019-09-27;

2019-12-18.

黃穎淞(1994-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理與硬件技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)