陳志剛，張偉寧，程 晶

(1.海軍裝備部沈陽局駐大連地區(qū)第三軍事代表室，遼寧 大連 116083；2.大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

水下聲信標(biāo)是一種小型聲吶設(shè)備，一般直接安裝在“被搜尋目標(biāo)”上，入水前處于待機(jī)狀態(tài)，入水后能夠發(fā)出一定特征的聲波脈沖，用于“被搜尋目標(biāo)”的水下示位。搜尋人員利用飛機(jī)空投、船載拖曳吊放、潛器自主引導(dǎo)等多種平臺作業(yè)方式，使用專用的聲吶接收設(shè)備，接收聲信標(biāo)發(fā)出的聲波脈沖，分析信標(biāo)在水中的位置，實現(xiàn)對水中目標(biāo)的搜尋定位。聲信標(biāo)最廣泛的應(yīng)用是安裝在飛機(jī)或艦船的“黑匣子”（飛行參數(shù)記錄器）上，用于意外情況下沉入水中的“黑匣子”搜尋和打撈輔助引導(dǎo)。“五七”空難和馬航370 空難搜尋任務(wù)中搜尋的直接目標(biāo)就是“黑匣子”上安裝的聲信標(biāo)發(fā)出的聲脈沖信號。其中，“五七”空難因搜尋到聲信標(biāo)信號而快速確定了“黑匣子”位置，為成功打撈“黑匣子”提供了重要支持。

聲信標(biāo)作為專用的水下聲示位設(shè)備，在國外已歷經(jīng)幾十年發(fā)展歷程，一般被稱為ULD（Underwater Location Device），美國、法國等歐美發(fā)達(dá)國家已有多種型號的商用成熟產(chǎn)品，美國制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，美國聯(lián)邦航空局（FAA）規(guī)定大多數(shù)攜帶駕駛艙語音記錄器和飛行參數(shù)記錄器的商用飛機(jī)必須安裝經(jīng)認(rèn)證的ULD。聲信標(biāo)因其體積小、安裝方便、作用時間長等優(yōu)點已被日益廣泛應(yīng)用于各類海上活動中，作為發(fā)射聲源指示目標(biāo)在水中的位置，比如水聲通信、水下定位、海洋測繪、海洋捕撈、海底科學(xué)研究、海底資源勘察、海洋工程、水下載體的導(dǎo)航和跟蹤、水下軍事等多個領(lǐng)域。

1 聲信標(biāo)的原理與分類

聲信標(biāo)依據(jù)工作原理的不同，可分為廣播式聲信標(biāo)、應(yīng)答式聲信標(biāo)等。廣播式聲信標(biāo)是指聲信標(biāo)以接觸海水作為觸發(fā)方式，可即時工作、可延時工作，以一定的時頻特征模式向周圍發(fā)射聲波，但不具備接收聲波功能，只發(fā)不收，類似廣播；應(yīng)答式聲信標(biāo)不僅具有發(fā)射聲波功能，還具有接收聲波的功能，并能夠?qū)邮盏降念A(yù)設(shè)編碼聲波信號進(jìn)行解碼，應(yīng)答式聲信標(biāo)因其編解碼特性能夠附帶更多信息量，其應(yīng)答模式有固有的應(yīng)用優(yōu)勢，但體積與重量相對偏大。

廣播式聲信標(biāo)因其體積小、應(yīng)用方便，用途最為廣泛，廣播式聲信標(biāo)一般為圓柱形，如圖1 所示。主要包括：金屬外殼、端蓋（含水開關(guān)）（A）、電路模塊（B）、壓電陶瓷（C）、電池（D）等組成。其工作原理是當(dāng)端蓋的水開關(guān)與水接觸時，激活電路模塊（B）中的脈沖發(fā)生電路，脈沖發(fā)生電路驅(qū)動壓電陶瓷（C），將電脈沖轉(zhuǎn)換為聲壓脈沖，通過殼體向外輻射聲波[1]。

圖1 廣播式聲信標(biāo)組成示意圖Fig.1 Broadcast style beacon compositon sketch

聲信標(biāo)依據(jù)配備對象的不同，可分為多種工作頻率，市場上普遍應(yīng)用的飛機(jī)黑匣子航空聲信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用37.5 kHz 工作頻率，對于一些其他應(yīng)用，比如作業(yè)人員、裝備設(shè)備等配備，考慮體積小和安裝方便等因素，一般在20～50 kHz 超聲波頻段內(nèi)選擇一個頻率點作為工作頻率，用以區(qū)別于黑匣子聲信標(biāo)。此外，在一些對體積與便攜性要求不高、對作用距離要求比較遠(yuǎn)的應(yīng)用情況下，一般在幾千赫茲～十幾千赫茲的低頻段中選擇合適的工作頻率，比如安裝在飛機(jī)機(jī)身上用于搜尋飛機(jī)殘骸。

聲信標(biāo)依據(jù)應(yīng)用場景的不同，可選擇不同的材料以及工作模式，比如對于一些技術(shù)要求較低的民用領(lǐng)域，可選用低成本的材料以及工藝，降低使用門檻，利于推廣應(yīng)用；對于裝載在水中兵器、潛艇等軍事敏感應(yīng)用場景，考慮到應(yīng)用期間對時間窗口和海域位置的高度機(jī)密性，需要對信號編碼在一定形式上進(jìn)行加密；對裝載在艦船、浮平臺、浮標(biāo)等長期暴露在海洋環(huán)境下的裝備設(shè)備情況，需要考慮信標(biāo)殼體表面采用防腐鍍層處理以及誤觸發(fā)方面的環(huán)境適應(yīng)性。

2 聲信標(biāo)現(xiàn)狀

2.1 聲信標(biāo)產(chǎn)品現(xiàn)狀

聲信標(biāo)產(chǎn)品起源于飛機(jī)黑匣子墜海打撈需求，歐美國家對該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展幾十年，產(chǎn)品比較成熟，其系列產(chǎn)品在美國由多家公司制造。其中，位于美國伊利諾伊州圣查爾斯市的Dukane Seacom 是全球市場份額最大的公司，其他制造商包括Data Sonics 股份有限公司、Sonatech股份有限公司和EFCOM Subsea Technology 公司也有相應(yīng)產(chǎn)品。Dukane-Seacom 公司聲信標(biāo)產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)見表1[2]。

表1 Dukane-Seacom 公司主要型號信標(biāo)對比Tab.1 Dukane-Seacom company main model contrast of underwater locating devices

大多數(shù)的聲信標(biāo)都是圓柱形。其中，飛機(jī)黑匣子應(yīng)用的聲信標(biāo)工作頻率為37.5 kHz，典型尺寸為直徑31.75 mm 和長度96.52 mm，可承受6 000 g 的沖擊力和6 000 m 海洋深度的靜水壓力，殼體為鋁合金材料，連續(xù)工作時間近年來已經(jīng)由原來的30 d 增加到了90 d。

國內(nèi)聲信標(biāo)產(chǎn)品研發(fā)至今已有十余年，雖然起步較晚，但也已經(jīng)研制了多種型號的聲信標(biāo)產(chǎn)品，并逐步形成系列化。主要生產(chǎn)商有大連測控技術(shù)研究所等，其產(chǎn)品已在多型海上裝備試驗中大量應(yīng)用，依據(jù)搭載平臺的不同，工作頻率一般在幾千赫茲～幾十千赫茲之間。產(chǎn)品技術(shù)特征包括了多種外形尺寸、多種信號頻率、多種功率特性，并且支持按需個性化定制，產(chǎn)品性能已達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，技術(shù)指標(biāo)與美國DK120 和DK140 聲信標(biāo)相當(dāng)，符合SAE AS8045a標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 聲信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

目前，聲信標(biāo)的設(shè)計與生產(chǎn)都使用或參照美國的信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。這些標(biāo)準(zhǔn)全面規(guī)定了設(shè)計和生產(chǎn)水下聲信標(biāo)的最低性能要求、環(huán)境要求、使用電池要求以及軟件要求等[3–4]。

表2 美國水下聲信標(biāo)主要標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 America underwater locating devices main standard

我國和歐洲使用的聲信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)都是由美國上述標(biāo)準(zhǔn)演變而來，標(biāo)準(zhǔn)命名是在原名上加區(qū)分符，如歐洲命名為ETSO-C121b，而我國命名為CTSO-C121b。我國聲信標(biāo)環(huán)境試驗參照GJB150A-2009 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法、程序執(zhí)行。以上標(biāo)準(zhǔn)均主要針對航空信標(biāo)設(shè)立，其他信標(biāo)依據(jù)使用環(huán)境及裝載平臺等條件適當(dāng)按上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適應(yīng)性裁剪。

2.3 聲信標(biāo)產(chǎn)品發(fā)展方向

1）延長工作壽命

在茫茫深海，聲波的傳播受到聲信道、障礙物、吸收擴(kuò)散衰減等多種因素的限制，聲信標(biāo)即使正常發(fā)出聲波也并不容易被定位。比如1974 年，環(huán)球航空公司84 號航班在愛奧尼亞海灣上空遭到破壞，飛參記錄器里裝配有一個聲信標(biāo)，盡管經(jīng)目擊者敘述得到準(zhǔn)確的墜機(jī)地點，但美國第6 艦隊仍花了27 d 的時間搜索才定位了該信標(biāo)信號。延長工作壽命是聲信標(biāo)持續(xù)追求的目標(biāo)。

2）擴(kuò)展信號頻率形式

目前，大多數(shù)聲信標(biāo)的信號形式都是單一工作頻率的周期性脈沖信號，相同頻率的聲信標(biāo)在水下發(fā)聲，搜尋定位設(shè)備無法區(qū)分，且不具備保密特性，信號所含信息量小以至對噪聲的抑制不夠。擴(kuò)頻信標(biāo)采用調(diào)制載波信號替代單一頻率脈沖信號，增加信號信息量，由于擴(kuò)頻調(diào)制固有的低功率密度，只有通過將接收信號（加噪聲）與預(yù)設(shè)編碼信號相關(guān)聯(lián)，才能從擴(kuò)頻信號中恢復(fù)基帶信息，既從原理上提高了接收設(shè)備的信噪比，又增加了信號的保密性，有利于應(yīng)用在軍事敏感領(lǐng)域。在擴(kuò)頻編碼信號形式方面，國內(nèi)已有科研單位采用2FSK 調(diào)制和FFT 鑒頻解調(diào)技術(shù)設(shè)計編碼信號形式，并配合同步字頭實現(xiàn)聲信標(biāo)的指令控制，抑制信號多徑效應(yīng)[5]。

3）應(yīng)答信標(biāo)小型化

應(yīng)答信標(biāo)由詢問信號控制應(yīng)答器發(fā)射聲回應(yīng)信號，具備編碼加密功能，可同時配備多個分別安裝在多個目標(biāo)上，利用一臺定位設(shè)備實現(xiàn)同時對多個目標(biāo)的定位，在水下潛器作業(yè)、水下施工活動、水下多點位置標(biāo)記等多種領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，但目前的應(yīng)答式信標(biāo)體積較大、重量較重，不便于裝配，應(yīng)用受限，因此開展應(yīng)答式信標(biāo)的小型化勢在必行。

4）信標(biāo)的低成本化

聲信標(biāo)目前大多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域以及航空商業(yè)領(lǐng)域，還極少應(yīng)用到民用領(lǐng)域，主要原因就是其成本較高，不利于推廣應(yīng)用，而在海洋漁業(yè)、水下工程、石油鉆井等海上平臺作業(yè)人員等多種海上民用作業(yè)安全領(lǐng)域?qū)β曅艠?biāo)都有一定的應(yīng)用技術(shù)需求，這些需求雖然技術(shù)要求相對不高，但對低價聲信標(biāo)的要求卻較高，因此如何改進(jìn)工藝、優(yōu)化材料、將整個信標(biāo)零部件供應(yīng)鏈價格降下來，降低聲信標(biāo)整體成本，也是聲信標(biāo)研發(fā)未來需要發(fā)展的方向。

3 聲信標(biāo)搜尋定位技術(shù)簡介

水下聲信標(biāo)搜尋定位是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及聲脈沖檢測識別技術(shù)、聲定位處理算法方法、水聲換能器技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)獲取與傳輸技術(shù)、作業(yè)平臺適配技術(shù)、海上搜尋作業(yè)技術(shù)等多個方向領(lǐng)域。

水下聲信標(biāo)搜尋定位設(shè)備根據(jù)不同的工作場景需求，可以選擇飛機(jī)空投、艦船拖曳、艦船吊放、潛器搭載、潛水員手持等多種作業(yè)方式，不同的作業(yè)方式涉及的搜尋定位技術(shù)有所不同，各有側(cè)重，比如飛機(jī)空投一般為一次性浮標(biāo)，側(cè)重于低成本的拋棄式作業(yè)；艦船拖曳一般側(cè)重于大范圍海域內(nèi)的高效率搜尋作業(yè)；船載吊放一般側(cè)重于疑似區(qū)域內(nèi)的精確定位作業(yè)；潛器搭載更側(cè)重于裝備的智能化與自主識別引導(dǎo)；潛水員手持則更側(cè)重于小型便攜化近距搜索。

在馬航MH370 飛機(jī)黑匣子搜尋過程中，作業(yè)區(qū)域水深3 000 m，國外主要采用的搜尋設(shè)備為美國的TPL-25 拖曳式聲信標(biāo)探測儀（見圖2）。其工作水深可達(dá)6 000 m，搜尋頻段3.5～50 kHz，拖曳速度1～5 kn，可進(jìn)行深海大范圍聲信標(biāo)信號搜尋工作，因聲學(xué)探頭使用的只是一個全向換能器，該設(shè)備不具備聲信標(biāo)定位功能。

圖2 TPL-25 拖曳聲波探測儀Fig.2 TPL-25 Towed acoustic detector

美國海軍協(xié)會近年對類似功能的拖曳產(chǎn)品聲學(xué)探頭進(jìn)行了改進(jìn)，采用多元（如32 元）聲學(xué)直線陣取代原有的單換能器作為聲學(xué)探頭[6]，利用波束形成技術(shù)增強(qiáng)了拖曳搜尋系統(tǒng)的目標(biāo)測向功能，（見圖3），使其具備了一定的定位能力。

圖3 采用直線陣作為聲學(xué)探頭的聲波定位儀Fig.3 Acoustic locator used linear array as transducer

自2002 年大連“五.七”空難開始，受需求牽引我國逐步開展了聲信標(biāo)搜尋定位技術(shù)研究，研制了淺海作業(yè)的某型信標(biāo)搜尋裝備，應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。馬航MH370 事件后，我國在深海聲信標(biāo)搜尋定位技術(shù)與設(shè)備、水下聲信標(biāo)自主引導(dǎo)技術(shù)等方向，以國家科技支撐計劃項目等形式進(jìn)行了一定資金投入，完成了一定的技術(shù)積累[7]。目前國內(nèi)已經(jīng)有大連測控技術(shù)研究所、哈爾濱工程大學(xué)等多家單位，在搜尋定位關(guān)鍵技術(shù)、弱信號提取方法等方面開展了深入研究[8–11]，并開發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品，形成了一批國產(chǎn)化的淺深海聲信標(biāo)搜尋定位設(shè)備，如艦船拖曳式、舷側(cè)吊放式、手持便攜式等，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平，但產(chǎn)品成熟度有待進(jìn)一步提高。

4 聲信標(biāo)的發(fā)展前景

隨著海洋開發(fā)、科考、軍事等領(lǐng)域水下技術(shù)研究的不斷深入和精細(xì)化發(fā)展，對水下透明化提出了強(qiáng)烈的應(yīng)用需求，水下示位日益受到各個涉海領(lǐng)域的普遍重視，受水介質(zhì)對物理場的衰減特性以及水下環(huán)境特殊性影響，目前水下遠(yuǎn)距離的信號傳輸最有效的手段依然是聲波，因此利用聲波對水下目標(biāo)進(jìn)行示位的聲信標(biāo)必將在更多水下作業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，比如墜海打撈、海上救助、海洋測繪、海洋捕撈、海底科學(xué)研究、海底資源勘察、海洋工程、海洋軍事、水下目標(biāo)導(dǎo)航追蹤等諸多方向，聲信標(biāo)的發(fā)展前景十分廣闊。