反蛙人聲吶技術(shù)結(jié)構(gòu)分析

劉 洋，李先偉，張 波

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

反蛙人聲吶技術(shù)結(jié)構(gòu)分析

劉 洋，李先偉，張 波

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

圍繞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中心頻率選取、數(shù)據(jù)傳輸、信號處理和目標(biāo)跟蹤與識別技術(shù)等方面介紹1種可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時自動跟蹤、報警的反蛙人聲吶，并闡述了反蛙人聲吶配套設(shè)施——蛙人驅(qū)逐裝置的基本概念和實施方法。

蛙人;聲吶;數(shù)據(jù)傳輸;目標(biāo)識別;驅(qū)逐裝置

0 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，蛙人在攻擊港灣?？颗灤兜貛嵤﹥蓷珎刹斓热蝿?wù)中有著其他海軍武器裝備所不可取代的巨大作用。正是由于蛙人對艦船及其他海上設(shè)施的巨大威脅，反蛙人聲吶系統(tǒng)的研制開發(fā)成為許多國家重點投入力量的軍事項目。本文將圍繞反蛙人聲吶系統(tǒng)中頻率選取、數(shù)據(jù)傳輸、信號處理、目標(biāo)跟蹤識別技術(shù)以及配套的蛙人驅(qū)逐裝置等方面，較為詳細(xì)地介紹1種可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時自動跟蹤、報警的反蛙人聲吶及其配套設(shè)施。

1 反蛙人聲吶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要組成部分包括水下部署的高頻發(fā)射換能器、窄波束接收換能器基陣以及數(shù)據(jù)采集模塊，碼頭或甲板上的控制與數(shù)據(jù)處理裝置以及大功率供電系統(tǒng)。

圖1為水下發(fā)射與接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中各部分主要參數(shù)如下:

信號中心頻率:100 kHz;

波束水平指向性開角:2°;

垂直指向性開角:10°～12°;

圖1 水下發(fā)射與接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Underwater transmit and receive system block diagram

實時采樣率:20 MS/s。圖2為控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中各部分參數(shù)如下:

數(shù)據(jù)傳輸速率:200 Mbit/s;

傳輸誤碼率:10－12;

電源功率:5 kW。

圖2 控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Control and data processing system block diagram

2 反蛙人聲吶系統(tǒng)技術(shù)分析

2.1 中心頻率選取

聲吶應(yīng)用中，工作頻率越高，系統(tǒng)方位分辨率越高，對小目標(biāo)的探測和識別就越準(zhǔn)確。但是，由于水下聲信號傳播過程中，吸收衰減與信號的頻率成正比，這就限制了作用距離。

海上試驗測得了蛙人目標(biāo)強(qiáng)度［1］，測試頻率為100 kHz，使用閉式呼吸器時，蛙人目標(biāo)強(qiáng)約為－20～－25 dB，開式呼吸所產(chǎn)生的氣泡群目標(biāo)強(qiáng)度約為－15 dB。

大連測控技術(shù)研究所張波等人通過碼頭試驗［2］，測得了75 kHz頻率下蛙人目標(biāo)強(qiáng)度，其中開式呼吸情況下對目標(biāo)回波貢獻(xiàn)最大的氣泡群目標(biāo)強(qiáng)度大于－16.9 dB;開式呼吸用呼吸氣瓶目標(biāo)強(qiáng)度約為－24 dB;而蛙人身體目標(biāo)強(qiáng)度約為－27.2 dB。

綜合考慮以上因素，選擇中心頻率為100 kHz，頻帶寬度大于30 kHz的聲吶換能器基陣，可實現(xiàn)作用距離大于500 m的遠(yuǎn)距離高精度蛙人探測。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

為實現(xiàn)高精度蛙人探測，提高系統(tǒng)方位分辨率并滿足水平方向不小于270°的探測范圍，接收換能器基陣至少需要由135個陣元構(gòu)成。結(jié)合采集系統(tǒng)采樣率參數(shù)，不難計算出整個系統(tǒng)龐大的數(shù)據(jù)傳輸量。另外，由于作用距離的要求，電纜長度至少要達(dá)到1 km。如果使用傳統(tǒng)的鉛銅復(fù)合電纜或同軸電纜在滿足帶寬和機(jī)械強(qiáng)度要求的前提下，電纜直徑將會相當(dāng)驚人。在20世紀(jì)80年代初，成功論證了海洋中低衰減光纖拖曳電纜的可行性之后，光纖成為了現(xiàn)代聲吶數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕浇?。根?jù)公式:

可以算得當(dāng)帶寬達(dá)到200 MHz時可以支持200～300 Mbit/s的最大數(shù)字信號傳輸速率，當(dāng)然還取決于譯碼速度和接收器靈敏度等參數(shù)。

根據(jù)實際情況可列出長度為2 km時的光纖衰減預(yù)算(包括光源和連接器衰減):

圖3 光纖衰減曲線Fig.3 Optical attenuation curve

綜上考慮，光纖傳輸可以完全滿足系統(tǒng)對實時性、作用距離以及系統(tǒng)安裝布防等要求。

2.3 信號處理

信號處理主要包括背景抵消和目標(biāo)檢測2個方向。

通常對每個像素點的最近N幀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，算出其均值、方差等統(tǒng)計特征量，然后用當(dāng)前幀減去此均值，如果差值大于統(tǒng)計方差，則此幀作為前景幀，否則作為背景幀。最后可以建立滑動背景模型，用于背景抵消。

采用將實時目標(biāo)產(chǎn)生的回波通過信號模擬加載到前放輸入端，而后進(jìn)行相關(guān)運算的方法。換句換說，就是信號模擬系統(tǒng)產(chǎn)生1個包含相位角度和時間距離參數(shù)的回波模型參與運算。圖4為數(shù)據(jù)采集處理單元示意圖。

回波信號公式如下:使用以上相關(guān)算法進(jìn)行有效的目標(biāo)檢測，并結(jié)合系統(tǒng)多核、多進(jìn)程運算與硬件預(yù)算，可明顯提高信號處理效率，實現(xiàn)2 s左右的發(fā)射、接收、信號調(diào)理和運算周期，最終完成對蛙人的實時跟蹤。

2.4 目標(biāo)跟蹤與識別技術(shù)

目標(biāo)自動跟蹤與識別是反蛙人聲吶技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點和難點。其中的核心技術(shù)是如何分辨蛙人、艦船、魚類與礁石等目標(biāo)。

通常多目標(biāo)跟蹤的基本方法可以概括為極大似然類濾波器算法和貝葉斯濾波算法兩大類。其中，極大似然類濾波器算法是以觀測序列的似然比為基礎(chǔ);貝葉斯類濾波算法是以貝葉斯準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的。以上方法在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方面應(yīng)用較廣泛。

本系統(tǒng)除算法外，還結(jié)合大量實測數(shù)據(jù)，對目標(biāo)進(jìn)行對比跟蹤。

首先，通過分析艦船輻射的連續(xù)譜噪聲，可以識別水面艦船目標(biāo)，避免水面目標(biāo)導(dǎo)致錯誤報警。

其次，根據(jù)大連測控技術(shù)研究所張波等實驗測得的75 kHz頻率下海豚的目標(biāo)強(qiáng)度約為－23 dB，遠(yuǎn)小于使用開式呼吸的蛙人，以及魚類的游動速度和運動軌跡特征，有效分辨蛙人與魚類目標(biāo)。

最后，通過動態(tài)設(shè)置報警門限，可大大降低虛警率，實現(xiàn)蛙人的自動識別與跟蹤。

3 蛙人驅(qū)逐裝置

在反蛙人聲吶系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)后，除了迅速出動巡邏艇以及加強(qiáng)戒備外，有效的驅(qū)逐裝置更是艦船及海上設(shè)施安全的保障。國內(nèi)外相關(guān)研究表明，大功率低頻聲波對水下生物尤其是蛙人的呼吸系統(tǒng)有著很強(qiáng)的殺傷。依據(jù)該原理，于反蛙人聲吶裝置以及保護(hù)目標(biāo)附近安置大功率低頻發(fā)射換能器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)蛙人入侵并處于有效距離時，可由系統(tǒng)自動或由聲吶操作手手動發(fā)射驅(qū)逐聲波脈沖，配合其他防范措施迅速消滅入侵蛙人。

4 結(jié)語

本文介紹了能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時自動跟蹤、報警的反蛙人聲吶的結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)，并簡單敘述了蛙人驅(qū)逐裝置的概念和實施辦法。相信這種反蛙人聲吶今后無論在大型國際國內(nèi)水上賽事，還是軍用港口監(jiān)測中都將有廣闊的應(yīng)用前景。

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［2］張波，等.蛙人回波建模與實驗研究［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2010，29(4):313 －320.

ZHANG Bo，et al.Divers echo modeling and experimental study［J］.Acoustics，2010，29(4):313 －320.

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WANG Li-xuan.Engineering optical attenuation test.Posts and Telecommunications design technology［J］.DTPT，1996，(6):18 －21.

The analysis of technique and structure in diver detecting sonar

LIU Yang，LI Xian-wei，ZHANG Bo
(DaLian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China)

This paper introduces a type of diver detecting sonar that automatically and real-time tracks the targets and gives an alarm from a long distance，it focuses on the structure of the system，selection of the center frequency，data transfer，signal processing and the technique of target tracking and identifying.At last，it explains the idea of diver dislodging equipment.

diver;sonar;data transfer;target identification;dislodging equipment

U666.7

A

1672－7649(2012)03－0099－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.022

2011－11－26;

2011－12－02

劉洋(1982－)，男，工程師，主要從事水中目標(biāo)回波特性研究工作。