基于超短基線定位系統(tǒng)搜尋沉海裝備的設計研究

鄭坤鵬，盧曉兵，衛(wèi)振彪

（陸軍裝甲兵學院士官學校，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注的問題。國外在20世紀70年代已有水下聲學定位設備的產(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定位設備，廣泛應用在水下目標搜尋、海洋鉆井井口定位及海洋管道作業(yè)等方面[1]。當前水下聲納系統(tǒng)在軍事領域廣泛應用，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，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備龐大、操作復雜、成本高，對搜尋目標大小依賴性強，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)兩部分構成。偵測聲納的換能器基陣設計為收、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)射換能器基陣設計為全向發(fā)射的圓管狀，其主要技術指標為：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計采用36元組成的圓形，主要技術指標為：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的接收均采用窄帶過濾DIA≈13 dB，相應的檢測閾為：

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為水下聲納信標接收端噪聲；DIB為水下聲納信標接收指向性指數(shù)；△B為水下聲納信標接收FFT裁斷損失。設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的最大作用距離；α為15 kHz信號的傳播損失。

設 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，主要技術指標為：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，承擔信息處理系統(tǒng)與PC機之間的信息傳遞（通過網(wǎng)絡將波束數(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)解算出目標的地理坐標。

圖5 信息處理板功能框示意圖

2.2 水下聲納信標

水下聲納信標由收、發(fā)公用換能器和電子艙兩部分構成，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)射應答信號。電源是蓄電池，是給變換器供電，根據(jù)設計要求可以滿足30天的供電時間。

圖6 聲納信標示意圖

圖7 聲納信標發(fā)射單元實物圖

水下聲納信標換能器基陣為收、發(fā)共用的全向圓管狀，其主要技術指標為：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。

水下聲納信標的發(fā)射聲源級SLB為：

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

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

設 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答聲納信號。當信標裝置隨失事裝備下沉時，壓力開關將信標的電源接通，等待接收搜尋裝備上偵測聲納發(fā)射的喚醒信號。當無喚醒信號時，水下信標僅處于靜默狀態(tài)，當水下信標接收到偵測聲納設備發(fā)射的喚醒信號后，水下信標則發(fā)射一個應答信號（即收、發(fā)工作狀態(tài)）。偵測聲納在接收到水下信標發(fā)射的應答信號后，可以測量出失事裝備的距離（斜距）和方位，偵測聲納設備周期性發(fā)射喚醒信號時，應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，聲納信標只需全向搜索工作，兩設備均處于單程傳播接收狀態(tài)。具體關系為：水下聲納信標接收偵測聲納設備的喚醒信號，偵測聲納設備接收水下聲納信標的應答信號。

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)聲學基陣可以在3 km范圍內(nèi)偵測到信標發(fā)出的聲納信號，并能夠解算出相關數(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。

圖8 系統(tǒng)安裝示意圖

圖9 偵測聲納固定在大船上

圖10 聲納信標固定在小船上

3.3 試驗結論

試驗中試驗小船運動（即聲納信標運動）后，從顯控畫面可以一直跟蹤目標，并成功的顯示目標方位、距離、經(jīng)緯度，以下是顯控記錄的目標在不同距離（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，而且易于操作，滿足在3 km距離上，水下信標發(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。其中應答器信號是要檢測的信號，其余都構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。