搜捕利器，疏而不漏
——蛙人探測(cè)聲吶揭秘

張智強(qiáng) 李 媛/文

蛙人，又名“水鬼”，是一個(gè)國(guó)家極其精銳的兵種之一，具有分散性、獨(dú)立性、破壞性大等特點(diǎn)。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，西方各國(guó)的海上軍事戰(zhàn)略重心從深海向淺海逐漸轉(zhuǎn)移。同時(shí)，經(jīng)過(guò)911 恐怖襲擊后，以蛙人、UUV 等方式恐怖襲擊碼頭、港口的活動(dòng)愈演愈烈，并且隨著現(xiàn)代科技快速發(fā)展，蛙人的裝備越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)海軍水面艦艇、淺水碼頭以及海上重要資產(chǎn)威脅也日益增大，因此，反蛙人聲吶探測(cè)設(shè)備的研發(fā)愈加重要，新反蛙人裝備的研發(fā)迫在眉睫。蛙人聲吶探測(cè)設(shè)備是反蛙人裝備建設(shè)體系中的重要裝備之一，是針對(duì)蛙人或其他水下小目標(biāo)的搜捕利器，其重要性也越發(fā)被各國(guó)重視。

“麻雀雖小五臟俱全”

蛙人探測(cè)聲吶探測(cè)目標(biāo)雖然較小，但其系統(tǒng)組成卻應(yīng)有盡有。其主要包括三個(gè)部分，即水上部分、水下部分和轉(zhuǎn)換部分。

水上部分主要有電源、聲吶顯示單元、主控單元以及聲吶數(shù)據(jù)處理器等，其中主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，控制高頻多波束蛙人探測(cè)聲吶頭的運(yùn)行，使聲吶在全方向掃描模式或定向探測(cè)模式下工作。聲吶處理器數(shù)據(jù)主要是基于工控機(jī)軟件處理器，是整個(gè)系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)處理中心。

水下部分主要包括聲吶發(fā)射陣和接收陣、聲吶處理器和強(qiáng)聲驅(qū)離裝置等。其中最重要的是聲吶發(fā)射陣和接收陣，它們是整個(gè)系統(tǒng)的“左膀右臂”。發(fā)射陣相當(dāng)于一個(gè)喊話器，它會(huì)向四面八方發(fā)出一定的聲波，其頻率可達(dá)幾十K 或上百K，屬于高頻信號(hào)。而接收陣則用來(lái)“回收”這些信號(hào)，如果在掃描過(guò)程中從某個(gè)方向“回收”到了高頻信號(hào)，則可以懷疑此方向存在蛙人。強(qiáng)聲驅(qū)離裝置是水下攻擊類武器，在系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析并確認(rèn)入侵方向后，會(huì)以多種不同的語(yǔ)言輪流對(duì)入侵者發(fā)出喊話警告，也可以發(fā)出強(qiáng)脈沖波，使一定范圍內(nèi)的入侵者感到不適或受到傷害，以達(dá)到驅(qū)離入侵者的目的。

蛙人聲吶系統(tǒng)組成

蛙人“特色”

聲吶發(fā)射陣發(fā)出的聲波遇到蛙人后會(huì)被反射回來(lái)一部分，而相同的發(fā)射聲波，對(duì)于不同的蛙人目標(biāo)反射聲波的強(qiáng)度不同，蛙人的這種反射聲波的能力即目標(biāo)強(qiáng)度。而呼吸器、潛水服和蛙人人體本身是影響蛙人目標(biāo)強(qiáng)度的主要因素。

蛙人憑借呼吸器才能在水下長(zhǎng)時(shí)間停留，目前市面上的呼吸器有開式和閉式兩種。開式呼吸器，顧名思義，在水下使用過(guò)程中處于開放狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生呼吸氣泡群；閉式呼吸器較開式呼吸器體積小，且采用循環(huán)方式，使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生呼吸氣泡群。由于閉式呼吸器具有更小的目標(biāo)強(qiáng)度，所以蛙人這種要求隱蔽性高的技術(shù)分隊(duì)多采用閉式呼吸器。

蛙人裝備的干式潛水服一般與人體本身之間有隔離氣層，而這層隔離層也在一定程度上增大了蛙人被探測(cè)到的可能性。

由于人體的肌肉、脂肪等組織與水的阻抗相近，對(duì)于反射回波強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小，起主要作用的是人體的肺部，人體的肺部是發(fā)射聲波的主要散射體。

如何探測(cè)

主動(dòng)探測(cè)聲吶和被動(dòng)探測(cè)聲吶是蛙人探測(cè)聲吶的兩種主要探測(cè)方式。

污泥熱解反應(yīng)特征參數(shù)見表2，不同升溫速率下的 DTG、TG曲線具有較好的一致性。在較低的升溫速率下，由于升高到相同溫度所需的時(shí)間長(zhǎng)，污泥在第二反應(yīng)階段的失重率相對(duì)較高升溫速率下的失重率變大。由圖1可見，不同升溫速率下的TG曲線相交于334 ℃～361 ℃，而且在高溫區(qū)域，較低升溫速率下的污泥失重率小于較高升溫速率下的污泥失重率。這可能是由于低升溫速率下的污泥熱解時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致縮聚等二次反應(yīng)加強(qiáng)，揮發(fā)分析出量減少[5]。隨著溫度的升高，二次反應(yīng)減弱，污泥的失重率又略有增大。但在熱解反應(yīng)終溫階段，不同升溫速率過(guò)程下的總失重率基本接近。

蛙人具有各種自身“特色”，根據(jù)這些特點(diǎn)，便可以直接對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，這就是被動(dòng)探測(cè)方式，即通過(guò)探測(cè)蛙人自身發(fā)出聲波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別。由于蛙人需要在水下呼吸，區(qū)別于其他水下設(shè)備，它不僅具有聲散射特性，還具有聲輻射特性。被動(dòng)探測(cè)即通過(guò)聲吶檢測(cè)蛙人的輻射信號(hào)確定蛙人位置。蛙人的輻射信號(hào)主要由呼吸產(chǎn)生。蛙人攜帶的呼吸器具有調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器上的設(shè)備會(huì)隨著蛙人的呼吸輻射出周期性的信號(hào)。而被動(dòng)探測(cè)方式即通過(guò)聲吶探測(cè)蛙人在水下吸氣時(shí)所輻射出的高頻信號(hào)，此信號(hào)具有信噪比高的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)具有這種特征的信號(hào)分析確定蛙人的具體位置。

被動(dòng)探測(cè)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境干擾，但由于其主要依靠蛙人自身輻射的信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度較弱，因此探測(cè)距離短，一般為200 米左右，而且被動(dòng)探測(cè)局限性較大，僅適合探測(cè)噪聲較大的目標(biāo)。

被動(dòng)探測(cè)方式

主動(dòng)探測(cè)方式

相對(duì)于被動(dòng)探測(cè)方式，主動(dòng)探測(cè)方式是通過(guò)水下聲吶換能器發(fā)射一定頻率的聲波，可以定向發(fā)射也可以360 度掃描的方式發(fā)射。聲波傳播到蛙人時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射回波。聲吶接收陣接收到回波后，通過(guò)聲吶處理器確定蛙人的距離和方位信息。

由于主動(dòng)探測(cè)方式人為發(fā)射了具有一定能量的聲波，因此在同等條件下，其收到的回波信號(hào)強(qiáng)度較被動(dòng)探測(cè)強(qiáng)，其探測(cè)距離較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)2000 米，但需要換能器在水下長(zhǎng)時(shí)間工作，而且發(fā)射的聲波信號(hào)對(duì)環(huán)境有一定的污染。

四大技術(shù)——“如虎添翼”

海洋生物、環(huán)境噪聲等的各種干擾，會(huì)使聲吶探測(cè)特定信號(hào)的信噪比大大降低，為了提高探測(cè)精度，不只要求系統(tǒng)的硬件要硬，軟件方面也要與硬件“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”。在蛙人探測(cè)聲吶技術(shù)方面，主要有以下關(guān)鍵幾項(xiàng)。

蛙人探測(cè)主要應(yīng)用于淺水區(qū)，距離海岸較近，而在淺水區(qū)通常存在船只、雜物，就需要提高聲吶探測(cè)的抗混響技術(shù)。主要的方式主要有以下幾種。

一是改變主動(dòng)聲吶的發(fā)射聲信號(hào)模式。不同的發(fā)射聲信號(hào)模式具有不同的探測(cè)距離和距離分辨率，選擇合適的模式可以在一定程度上提高探測(cè)率。二是通過(guò)一定的算法抑制背景噪聲的干擾，提高探測(cè)準(zhǔn)確度。如對(duì)得到的聲波圖像做二次處理。三是使用垂直發(fā)射波束，結(jié)合通常使用的水平發(fā)射波束，也可以提高識(shí)別精度。

冥府守門狗360

目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是指在得到聲圖像之后，通過(guò)對(duì)多幀圖像的對(duì)比，區(qū)分出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，然后將其與專家系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)而識(shí)別目標(biāo)種類。

聲吶的接收陣列具有不同的形式，如平面式、凸弧形或柱面形。平面式的接收陣接收角度范圍有限，一般不大于90度，且不易與發(fā)射陣共用，而凸弧形的探測(cè)角度范圍理論上可以達(dá)到360 度且可以與發(fā)射陣共用。但目前使用最多的是柱形陣，結(jié)合壓電高分子材料組成聲吶換能器。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

英國(guó)奎奈蒂克公司研發(fā)的冥府守門狗360，不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探測(cè)，還可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類和跟蹤。其探測(cè)距離可達(dá)到700 米左右，探測(cè)深度可至500 米，在此范圍內(nèi)可以準(zhǔn)確地識(shí)別入侵物的特征，進(jìn)行識(shí)別與判斷。其應(yīng)用場(chǎng)景主要為船舷兩側(cè)或海底，安裝在船舷兩側(cè)可以在一定程度上保障船只的安全，部署在海床上時(shí)可以形成一道警戒線，對(duì)一定的海域提供實(shí)時(shí)預(yù)警功能，同時(shí)，也可以延長(zhǎng)探測(cè)范圍至1000 米。

聲吶探測(cè)到的蛙人圖像

除此之外，英國(guó)的手持式蛙人偵查系統(tǒng)，具有易攜帶、易傳輸、精確定位目標(biāo)、可導(dǎo)航、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。使用時(shí)可以利用探測(cè)主傳感器高頻電子掃描聲吶精確定位疑似水雷的目標(biāo)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后回傳給母船。同時(shí)，該偵查系統(tǒng)采用的導(dǎo)航系統(tǒng)是基于長(zhǎng)基線主動(dòng)聲學(xué)發(fā)射方式技術(shù)進(jìn)行定位的，導(dǎo)航距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1200 米，并且導(dǎo)航定位誤差在0.5 米以內(nèi)，相較于傳統(tǒng)的海底放繩索定位的方式，能更大程度節(jié)約人力、物力、財(cái)力。

以色列的蛙人探測(cè)聲吶對(duì)于開式、閉式蛙人呼吸裝置以及有動(dòng)力的蛙人裝備都具有較好的探測(cè)性能。如對(duì)開式呼吸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其探測(cè)距離可以達(dá)到1000～1200 米。對(duì)于閉式呼吸裝備，其探測(cè)距離一般為700 米左右，而且可以在海洋混響比較嚴(yán)重的環(huán)境下工作，并具有較好的性能，其虛警率在閉式探測(cè)聲吶中屬于較低的范圍。而對(duì)于蛙人運(yùn)載器，因其目標(biāo)強(qiáng)度較大，因此探測(cè)距離更遠(yuǎn)，一般可以達(dá)到1400～2000 米。

國(guó)內(nèi)的蛙人聲吶探測(cè)研究雖起步晚于歐美國(guó)家，但如今在某些方面也取得實(shí)際成功。例如，成功研制了全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DDS，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)唯一的數(shù)字多波束DDS。國(guó)內(nèi)第一所研究蛙人探測(cè)聲吶的機(jī)構(gòu)在2010 年與國(guó)內(nèi)其他單位聯(lián)合生產(chǎn)研發(fā)了2020 型反蛙人探測(cè)聲吶，其帶寬約10KHz，但探測(cè)距離較近，約為500 米。同時(shí)該型聲吶可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)聯(lián)合使用，大大降低了探測(cè)虛警率。除此之外，國(guó)內(nèi)其他單位也在蛙人探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了相應(yīng)的研究，如在“十二五”期間，某研究機(jī)構(gòu)所研制的聲吶探測(cè)距離可達(dá)到公里級(jí)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

現(xiàn)存問(wèn)題

就目前我國(guó)蛙人探測(cè)聲吶的研究來(lái)說(shuō)，硬件方面的難點(diǎn)問(wèn)題基本已經(jīng)攻克，但在其他方面仍有一些問(wèn)題亟待解決，其主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)在海岸地區(qū)可能存在較大型海洋動(dòng)物，這些海洋動(dòng)物可能造成蛙人探測(cè)聲吶的虛警；

2)在沿海地區(qū)，一般水中雜物較多，蛙人探測(cè)聲吶易受到影響，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別入侵者；

3)在港口等船只較多的沿海地帶，由于船只航行會(huì)產(chǎn)生一定的氣泡，這些氣泡也會(huì)干擾探測(cè)聲吶的工作，如何有效減少干擾氣泡或排除船只氣泡對(duì)聲吶的影響，是一項(xiàng)急需解決的問(wèn)題；

4)在探測(cè)距離上仍需進(jìn)一步的提升。

結(jié)束語(yǔ)

隨著水下裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，蛙人、UUV 等水下小型設(shè)備的探測(cè)與識(shí)別日益凸顯其重要位置，尤其是在沿海經(jīng)濟(jì)帶及港口等重要場(chǎng)所，如何有效地探測(cè)到潛在的危險(xiǎn)對(duì)于港口安全具有十分重要的意義，蛙人探測(cè)聲吶作為一種有效的檢測(cè)手段被各國(guó)逐漸重視起來(lái)。雖然我國(guó)在蛙人探測(cè)方面較一些國(guó)家晚，但目前也取得了很大的成績(jī)，在某些方面已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平。隨著蛙人探測(cè)數(shù)據(jù)的逐漸豐富以及多波束形成技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的蛙人探測(cè)聲吶性能一定會(huì)有進(jìn)一步的提升，展現(xiàn)出全新的面貌。