水下聲信標(biāo)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

陳志剛，張偉寧，程 晶

(1.海軍裝備部沈陽(yáng)局駐大連地區(qū)第三軍事代表室，遼寧 大連 116083；2.大連測(cè)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(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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)?！拔迤摺笨针y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(hào)。其中，“五七”空難因搜尋到聲信標(biāo)信號(hào)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(guó)外已歷經(jīng)幾十年發(fā)展歷程，一般被稱為ULD（Underwater Location Device），美國(guó)、法國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已有多種型號(hào)的商用成熟產(chǎn)品，美國(guó)制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）規(guī)定大多數(shù)攜帶駕駛艙語(yǔ)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(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)已被日益廣泛應(yīng)用于各類海上活動(dòng)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(cè)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(gè)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(shí)工作、可延時(shí)工作，以一定的時(shí)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(hào)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(shì)，但體積與重量相對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)與水接觸時(shí)，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(dòng)壓電陶瓷（C），將電脈沖轉(zhuǎn)換為聲壓脈沖，通過(guò)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(duì)象的不同，可分為多種工作頻率，市場(chǎng)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(duì)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(gè)頻率點(diǎn)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(duì)體積與便攜性要求不高、對(duì)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(chǎng)景的不同，可選擇不同的材料以及工作模式，比如對(duì)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(duì)于裝載在水中兵器、潛艇等軍事敏感應(yīng)用場(chǎng)景，考慮到應(yīng)用期間對(duì)時(shí)間窗口和海域位置的高度機(jī)密性，需要對(duì)信號(hào)編碼在一定形式上進(jìn)行加密；對(duì)裝載在艦船、浮平臺(tái)、浮標(biāo)等長(zhǎng)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(guó)家對(duì)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(guó)由多家公司制造。其中，位于美國(guó)伊利諾伊州圣查爾斯市的Dukane Seacom 是全球市場(chǎng)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(jiàn)表1[2]。

表1 Dukane-Seacom 公司主要型號(hào)信標(biāo)對(duì)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(zhǎng)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(shí)間近年來(lái)已經(jīng)由原來(lái)的30 d 增加到了90 d。

國(guó)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(hào)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(cè)控技術(shù)研究所等，其產(chǎn)品已在多型海上裝備試驗(yàn)中大量應(yīng)用，依據(jù)搭載平臺(tái)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(hào)頻率、多種功率特性，并且支持按需個(gè)性化定制，產(chǎn)品性能已達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，技術(shù)指標(biāo)與美國(guó)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(jì)與生產(chǎn)都使用或參照美國(guó)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(jì)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(guó)水下聲信標(biāo)主要標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 America underwater locating devices main standard

我國(guó)和歐洲使用的聲信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)都是由美國(guó)上述標(biāo)準(zhǔn)演變而來(lái)，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(guó)命名為CTSO-C121b。我國(guó)聲信標(biāo)環(huán)境試驗(yàn)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(duì)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(tái)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(zhǎng)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(hào)航班在愛(ài)奧尼亞海灣上空遭到破壞，飛參記錄器里裝配有一個(gè)聲信標(biāo)，盡管經(jīng)目擊者敘述得到準(zhǔn)確的墜機(jī)地點(diǎn)，但美國(guó)第6 艦隊(duì)仍花了27 d 的時(shí)間搜索才定位了該信標(biāo)信號(hào)。延長(zhǎng)工作壽命是聲信標(biāo)持續(xù)追求的目標(biāo)。

2）擴(kuò)展信號(hào)頻率形式

目前，大多數(shù)聲信標(biāo)的信號(hào)形式都是單一工作頻率的周期性脈沖信號(hào)，相同頻率的聲信標(biāo)在水下發(fā)聲，搜尋定位設(shè)備無(wú)法區(qū)分，且不具備保密特性，信號(hào)所含信息量小以至對(duì)噪聲的抑制不夠。擴(kuò)頻信標(biāo)采用調(diào)制載波信號(hào)替代單一頻率脈沖信號(hào)，增加信號(hào)信息量，由于擴(kuò)頻調(diào)制固有的低功率密度，只有通過(guò)將接收信號(hào)（加噪聲）與預(yù)設(shè)編碼信號(hào)相關(guān)聯(lián)，才能從擴(kuò)頻信號(hào)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(hào)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(hào)形式方面，國(guó)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(jì)編碼信號(hào)形式，并配合同步字頭實(shí)現(xiàn)聲信標(biāo)的指令控制，抑制信號(hào)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(wèn)信號(hào)控制應(yīng)答器發(fā)射聲回應(yīng)信號(hào)，具備編碼加密功能，可同時(shí)配備多個(gè)分別安裝在多個(gè)目標(biāo)上，利用一臺(tái)定位設(shè)備實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的定位，在水下潛器作業(yè)、水下施工活動(dòng)、水下多點(diǎn)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(kāi)展應(yīng)答式信標(biāo)的小型化勢(shì)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(tái)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(duì)不高，但對(duì)低價(jià)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(gè)信標(biāo)零部件供應(yīng)鏈價(jià)格降下來(lái)，降低聲信標(biāo)整體成本，也是聲信標(biāo)研發(fā)未來(lái)需要發(fā)展的方向。

3 聲信標(biāo)搜尋定位技術(shù)簡(jiǎn)介

水下聲信標(biāo)搜尋定位是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及聲脈沖檢測(cè)識(shí)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(tái)適配技術(shù)、海上搜尋作業(yè)技術(shù)等多個(gè)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(chǎng)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(shí)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(guò)程中，作業(yè)區(qū)域水深3 000 m，國(guó)外主要采用的搜尋設(shè)備為美國(guó)的TPL-25 拖曳式聲信標(biāo)探測(cè)儀（見(jiàn)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(hào)搜尋工作，因聲學(xué)探頭使用的只是一個(gè)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(cè)儀Fig.2 TPL-25 Towed acoustic detector

美國(guó)海軍協(xié)會(huì)近年對(duì)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(cè)向功能，（見(jiàn)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(kāi)始，受需求牽引我國(guó)逐步開(kāi)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(guó)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(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(guó)內(nèi)已經(jīng)有大連測(cè)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(hào)提取方法等方面開(kāi)展了深入研究[8–11]，并開(kāi)發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品，形成了一批國(guó)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(guó)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(kāi)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(duì)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(gè)涉海領(lǐng)域的普遍重視，受水介質(zhì)對(duì)物理場(chǎng)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(hào)傳輸最有效的手段依然是聲波，因此利用聲波對(duì)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(cè)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。