水聲信標(biāo)搜索策略分析

田嘉偉 海裝沈陽局駐大連地區(qū)第三軍事代表室

曲加圣 賀俊博 大連測控技術(shù)研究所

1.引言

隨著海上作業(yè)活動的日益增多，由于天氣災(zāi)害、機械設(shè)備故障等原因?qū)е碌淖鳂I(yè)人員、測試用儀器設(shè)備、試驗裝備等沉入海中丟失等水上安全事故時有發(fā)生。

目前海上針對水上作業(yè)的人員、物資設(shè)備和裝備等指示位置的安全保護措施以光學(xué)、無線電、北斗等示位手段為主，解決了水上示位的問題。當(dāng)這些目標(biāo)沉入水下時，在茫茫大海中尋找猶如大海撈針。與此同時，受海上風(fēng)向、海潮、海流等環(huán)境因素影響，更增加了海上尋找的復(fù)雜性與困難度，容易錯過最佳搜尋時機。

水聲信號是水中信號傳播距離最遠、最有效的信號形式，有規(guī)律的水聲信號更是便于引導(dǎo)搜救船只和搜救人員的快速搜尋和發(fā)現(xiàn)。

水聲信標(biāo)作為一種超小型聲納設(shè)備，在水中能自動發(fā)射水聲脈沖信號。水聲信標(biāo)外形呈圓柱體，整體密封防水，由一次性鋰電池獨立供電。水聲信標(biāo)在空氣中處于斷電狀態(tài)、不工作；入水后，通過水介質(zhì)導(dǎo)通金屬殼體和用于控制信標(biāo)上電的金屬觸點，激活信標(biāo)工作，周期性地發(fā)射單頻脈沖信號，通過功率放大和電聲能量轉(zhuǎn)換后，向水中輻射聲波信號。

水聲信標(biāo)作為水下示位的聲源設(shè)備固定在可能發(fā)生意外落水情況的海上作業(yè)的人員、測試用儀器設(shè)備、試驗裝備上，當(dāng)這些目標(biāo)落水后，為搜索人員提供可靠、穩(wěn)定的示位聲源信號。水聲信標(biāo)最典型的應(yīng)用為裝配在飛機的“黑匣子”上，用于飛機發(fā)生墜機落水事故時，指示“黑匣子”在水中的位置。

裝配有水聲信標(biāo)的目標(biāo)落水情況多為意外事故，有一定浮力的目標(biāo)落水后其在水中的位置易受風(fēng)、流等自然環(huán)境因素影響而發(fā)生變化，隨著落水時間的推移其水下位置偏移的范圍也會逐漸增大；落水后較重的目標(biāo)沉入水底，隨著落水時間的推移有被泥沙覆蓋掩埋的風(fēng)險。因此，為了保證落水人員、設(shè)備、物資的安全，采用合適的水聲信標(biāo)搜尋策略實現(xiàn)對這些目標(biāo)進行快速、高效的搜索、定位至關(guān)重要。本文以飛機“黑匣子”搜索為例，淺析不同的水聲信標(biāo)搜索方法和策略適用的場景、技術(shù)特點和搜索效率，其他目標(biāo)裝配水聲信標(biāo)的搜索情況可以此作為參考。

圖1 水聲信標(biāo)

2.水聲信標(biāo)搜索要求及救撈作業(yè)流程

當(dāng)飛機在海上失事，落水前通常可以通過監(jiān)控雷達、失事前的通訊等手段判斷飛機海上失事的大致位置區(qū)域，一般情況下估算的區(qū)域面積會達到幾十平方公里甚至更多，在某些特殊情況下，可能短時間內(nèi)無法得到飛機失事時的具體海域位置，如MH370飛機失事地點。另外，飛機墜入海中往往會發(fā)生解體。

飛機“黑匣子”上安裝的水聲信標(biāo)聲源級約為160dB，其水中搜尋受海洋環(huán)境條件影響很大。復(fù)雜海況、溫越層、混響、水下復(fù)雜地貌等對水聲信標(biāo)所發(fā)射的水聲信號傳播途徑和距離將產(chǎn)生嚴重影響。在良好水文條件下最大作用距離能夠達到2km～3km，在淺海復(fù)雜海洋環(huán)境下，如東海部分近海海域，作用距離只有500m左右；同時受電池供電的條件限制，水聲信標(biāo)在水中的連續(xù)工作時間是有限的，信標(biāo)搜索設(shè)備從目標(biāo)落入水中至到達事故海域開始搜索，也需要一定的準備和航行時間。

綜合上述分析，水聲信標(biāo)的搜索過程要求：

（1）搜素策略保障：根據(jù)失事作業(yè)海域的區(qū)域、水深、作業(yè)時的海況、海洋背景環(huán)境情況和不同搜索設(shè)備的技術(shù)特點，確定使用的搜索設(shè)備和對應(yīng)的搜索船只。

（2）搜索設(shè)備保障：水聲信標(biāo)搜索設(shè)備應(yīng)具備快速高效搜尋探測能力，滿足在大范圍海域范圍內(nèi)短時間搜尋到目標(biāo)的要求，在水聲信標(biāo)供電失效前及時完成搜尋和目標(biāo)具體區(qū)域的確認，為定位及打撈作業(yè)提供時間和區(qū)域位置信息保障。

（3）搜索平臺保障：水聲信標(biāo)搜索設(shè)備應(yīng)具備快速部署能力，以滿足搜救艦船、飛機搜索平臺快速響應(yīng)、及時到達作業(yè)海域進行搜尋探測的需求。

水聲信標(biāo)搜索過程的工作目標(biāo)是在已確認的目標(biāo)疑似落水區(qū)域內(nèi)，對水聲信標(biāo)信號進行搜索和精確定位，為打撈船和潛水員水下作業(yè)打撈提供精確的位置信息。

目前，打撈船進行水下打撈作業(yè)通常采用潛水員水下打撈方式（通常不大于80m水深情況下）。采用潛水員水下打撈方式時，主要分為輕潛和重潛兩種方式。潛水員一次下潛工作時間很短，尤其是重潛，且水下移動距離有限。為了幫助潛水員水下快速找到并打撈“黑匣子”，需要為其配備輔助潛水員搜尋水聲信標(biāo)的引導(dǎo)設(shè)備，滿足潛水員水下便捷使用的同時，引導(dǎo)其快速找到水聲信標(biāo)及安裝的目標(biāo)。

水聲信標(biāo)海上搜所打撈作業(yè)流程框圖如圖2所示。

圖2 水聲信標(biāo)海上搜素及救撈作業(yè)流程框圖

3.水聲信標(biāo)作用距離分析

水聲信標(biāo)搜索設(shè)備的探測距離與信標(biāo)的頻率、海洋背景噪聲的關(guān)系可通過聲納方程進行論證分析。

以信標(biāo)頻率為37.5k Hz、聲源級160dB、探測距離2.0km來分析信標(biāo)信號探測的可行性：

A）假設(shè)信標(biāo)聲源級

頻率：37.5kHz；

信號形式為脈寬10ms，CW脈沖，重復(fù)周期：1s 。

B）背景噪聲為三級海洋動力噪聲。

被動聲納方程為：

其中聲源級

2.0km處傳播損失（中等水文條件）為：

其中r單位為km，吸收系數(shù)α為：

若f=37.5kHz，則

代入（2）式，得2.0km處TL為：

其中NL0為37.5kHz時譜級，B為帶寬。

其中f 為信號頻率，此處取37.5；S為海況等級，此處取S為3 。

代入（5）式得到背景干擾級NL為：

(三級海況，船漂泊，37.5kHz，B=200Hz)

檢測閾DT為：

由上式可知在2.0km距離上搜索信標(biāo)，搜索設(shè)備接收到的信標(biāo)信號約有8.2 dB的信噪比余量，該余量對于2.0km水聲信標(biāo)探測是可行的。上述計算分析適用于一般情況下的中等水文條件，不同的海洋環(huán)境及其水文條件發(fā)生變化時，搜索設(shè)備對信標(biāo)的作用距離也會隨之變化。

4.搜索方法及搜索系統(tǒng)效能分析

4.1 作業(yè)海域搜索系統(tǒng)作業(yè)距離測試

條件允許情況下，在目標(biāo)搜索水域進行實際搜索前，先確定搜索系統(tǒng)在目前水域的海洋環(huán)境下對水聲信標(biāo)的探測距離，作為系統(tǒng)搜尋策略的路徑規(guī)劃和區(qū)域覆蓋的依據(jù)。

在海上布放一個與目標(biāo)上安裝的水聲信標(biāo)聲源級相當(dāng)?shù)臏y試信標(biāo)，利用搜索系統(tǒng)現(xiàn)場實測其對水聲信標(biāo)的探測距離，獲得該海域搜索系統(tǒng)探測水聲信標(biāo)的真實作用距離，既保證了信標(biāo)搜索的有效覆蓋，又能最大程度的發(fā)揮搜索系統(tǒng)的作業(yè)效率。

4.2 拖曳式搜索系統(tǒng)

（1）工作原理。拖曳式搜索系統(tǒng)是在搜索船低速航向狀態(tài)下實現(xiàn)水聲信標(biāo)探測。系統(tǒng)通過絞車、拖曳電纜與水下拖體相連接；水下拖體上安裝有探測接收水聲信標(biāo)信號的水聲傳感器陣列以及姿態(tài)儀、高度計、深度計等輔助傳感器；作業(yè)時搜索船通過絞車收放系統(tǒng)控制拖體的作業(yè)深度，并通過輔助傳感器獲得水下拖體的姿態(tài)；水聲傳感器陣列接收到的水聲信號處理后經(jīng)拖曳電纜傳輸至水面顯控主機；水面顯控主機實時接收和處理信號數(shù)據(jù)并進行信標(biāo)信號識別和處理，并獲取水聲信標(biāo)的方位信息。

典型的水聲信標(biāo)拖曳式搜索系統(tǒng)為美國搜索馬航MH370飛機“黑匣子”時使用的T PL-25 型拖曳式聲信標(biāo)探測儀，其水下最大工作水深可達6000米，搜尋頻段3.5k Hz～50kHz，拖曳速度1～5節(jié)，可在深海大范圍搜索水聲信標(biāo)信號。

（2）搜索效率：拖曳式搜索系統(tǒng)作業(yè)時，搜索船處于低速航行狀態(tài)，一般不高于10節(jié)。為了提高搜索效率，并考慮到搜索船只在轉(zhuǎn)向時的回轉(zhuǎn)半徑，搜索船作業(yè)時一般采用“弓”字型搜索航行路線，如圖3所示。

圖3 拖曳式搜索系統(tǒng)“弓”字型搜索路線示意圖

系統(tǒng)探測的水平距離按照1500米計算，為了可靠探測搜尋，相鄰路線之間采用重疊覆蓋，圖中距離R以2000m計算，搜索船以5節(jié)速度（9.26公里/小時）航行，則一小時可以搜尋18.5平方公里，一天（按12小時計算）可以搜尋222平方公里海域。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)水聲信標(biāo)信號后，通過水聲傳感器陣列單個探測點測向，成一定角度的兩個以上的探測點定位的方式可實現(xiàn)水聲信標(biāo)的精確定位。

（3）設(shè)備特點：適用于能夠收放拖曳式搜索系統(tǒng)的各類船只，系統(tǒng)與作業(yè)船只的適配性好；適用于淺海（搜索船只可到達水域）、深海等搜索區(qū)域較大的場景，大范圍搜索效率高，可在高海況下工作；系統(tǒng)需要絞車收放系統(tǒng)配合，深海作業(yè)時，絞車收放系統(tǒng)體積較為龐大；對水聲信標(biāo)的實時搜索、方位辨識需要拖體姿態(tài)可控、并在信號采集處理傳輸?shù)饶K與水面顯控單元的配合下實現(xiàn)。

4.3 船載“蛙跳”式搜索系統(tǒng)

（1）工作原理。船載“蛙跳”式搜索系統(tǒng)是在搜索船停船漂泊狀態(tài)下將系統(tǒng)的水聲探測基陣固定在船舷吊放至水中工作，按照規(guī)劃路線逐個探測點完成水聲信標(biāo)的搜索，通過多個探測點的搜索排查，完成整個區(qū)域的搜索。

常用的探測基陣的陣元可以為多個全向性水聽器組成短基線陣進行目標(biāo)近距離的精確定位，配合以指向性水聽器進行目標(biāo)的遠距離探測發(fā)現(xiàn)；也可以采用矢量水聽器或水聲傳感器陣列進行單點測向、多點定位實現(xiàn)水聲信標(biāo)搜索及定位。搜索船采用上述逐個的搜索方法這里均統(tǒng)一歸結(jié)為“蛙跳”式搜索方法。

（2）搜索效率。

①探測搜尋。在適合搜索船作業(yè)的海域及海況條件下，搜索船在搜尋海域停船后放下水聲探測基陣，操作人員在搜索船上如在當(dāng)前位置未發(fā)現(xiàn)信標(biāo)信號，則利用搜尋定位軟件，在導(dǎo)航界面確定下一探測點，引導(dǎo)搜索船機動至下一探測點，停船后繼續(xù)搜索水聲信標(biāo)信號，重復(fù)以上步驟，擴大搜索區(qū)域，直至找到水聲信標(biāo)信號。

為了可靠探測搜尋，相鄰探測點之間的探測區(qū)域采用重疊覆蓋，如圖4所示。單個探測點的搜索半徑按照1000米、搜索6分鐘計算，相鄰2個探測之間搜索船需要6分鐘到達并就位，一小時系統(tǒng)可完成5個探測點作業(yè)，搜索約13.7平方公里海域，一天（按12小時計算）可搜索約164平方公里海域。

圖4 船載“蛙跳”式搜索系統(tǒng)搜索路線示意圖

②目標(biāo)定位。搜尋到水聲信標(biāo)信號后，通過系統(tǒng)的引導(dǎo)靠近水聲信標(biāo)。在近距離范圍內(nèi)，操作系統(tǒng)主機的搜索軟件，在軟件界面記錄當(dāng)前位置獲得的一條定位射線，然后引導(dǎo)搜索船至與該探測點具有一定夾角的下一探測點，利用同樣的方式探測水聲信標(biāo)信號，操作搜索軟件獲得另一條探測射線，結(jié)合北斗/GPS的位置信息，可解算出兩條射線的交點，獲得水聲信標(biāo)相對于大地的位置坐標(biāo)，完成精確定位操作。

（3）設(shè)備特點。

①系統(tǒng)作業(yè)時需要頻繁的搜索船機動和探測基陣的收放；

②適用于船舷便于收放探測基陣的各類中、小型船只；系統(tǒng)的探測基陣結(jié)構(gòu)需要與搜索船的船舷結(jié)構(gòu)適配性安裝，船舷距離水面距離不能過大，否則會影響基陣的穩(wěn)定性和布放回收的難度；

③適用于淺海（搜索船只可到達水域）、深度不大于1000米的深海海域，一般在不大于四級海況下作業(yè)；

④系統(tǒng)便于安裝，可操作性強，探測、定位能力能夠滿足大多數(shù)場景的搜尋定位需要。

4.4 無人平臺“漂浮式”搜索系統(tǒng)

（1）工作原理。無人平臺“漂浮式”搜尋系統(tǒng)是通過在浮標(biāo)、水下無人航行器（UUV）等無人平臺上安裝水聲傳感器和信號處理裝置，通過無人平臺的位置移動實現(xiàn)其覆蓋區(qū)域內(nèi)的水聲信標(biāo)信號搜索。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號后，通過無線通信方式將信息發(fā)送至搜索艦船或搜索飛機。

圖5 船載“蛙跳”式搜索系統(tǒng)水聲信標(biāo)定位示意圖

（2）搜索效率。自由漂浮的無人系統(tǒng)在海風(fēng)、海流、涌等自然條件作用下移動搜索。以非錨定式的浮標(biāo)為例，根據(jù)某海上試驗測得的數(shù)據(jù)，40 分鐘浮標(biāo)可漂離布放點1000 米。按 照單枚浮標(biāo)搜索半徑為500米計算，相鄰浮標(biāo)的投放距離為1000 米，10枚浮標(biāo)1小時可搜索約16.5 平方公里，一天（按12小時計算）可搜索約198平方公里海域。當(dāng)發(fā)現(xiàn)水聲信標(biāo)信號后，在該區(qū)域內(nèi)成一定角度投放多個（三個以上）浮標(biāo)可組成水聲長基線陣實現(xiàn)水聲信標(biāo)的精確定位。

水下無人航行器（UUV）配裝水聲傳感器可在低速航向下完成水聲信標(biāo)的探測，其探測方式與拖曳式搜尋系統(tǒng)類似。搜索半徑500m計算，UUV以3節(jié)速度（5.56公里/小時）航行，則一小時可以搜尋約5.6平方公里，一天（按12小時計算）可以搜尋67.2平方公里海域。

（3）設(shè)備特點。

①適用于能夠布放浮標(biāo)和UUV等無人平臺的各類艦船和飛機平臺，系統(tǒng)與平臺之間無適配性問題；

②適用于淺海、深海等各類搜索區(qū)域；

③系統(tǒng)工作方便，投放后系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)自主工作，搜索效率受自然條件影響較大，搜索區(qū)域存在隨機和不確定性；

④系統(tǒng)主要用于探測和搜索，需要定期對系統(tǒng)的搜索結(jié)果進行接收。

4.5 便攜式搜索系統(tǒng)

（1）工作原理。便攜式搜索系統(tǒng)主要用于潛水員手持水下搜尋水聲信標(biāo)使用。其原理為采用指向性水聽器或水聲傳感器陣列的波束形成方法，其水聲接收探頭具有一定的指向性，一般指向性開角不大于±15°。探測時，潛水員手持該系統(tǒng)像操作“手電筒”對水聲信標(biāo)進行搜索。當(dāng)搜索設(shè)備指向水聲信標(biāo)在指向性開角范圍內(nèi)時，信號強度變大；水聲信標(biāo)超出設(shè)備的指向性開角范圍時，信號強度明顯變小或接收不到，通過該方式引導(dǎo)潛水員向信號強的方向移動，引導(dǎo)其找到水聲信標(biāo)及其安裝目標(biāo)。

（2）設(shè)備特點。

①適用于潛水員水下手持使用；結(jié)構(gòu)上安裝簡易探測支架也可用于工作艇、小型船只在良好海況下搜尋作業(yè)使用，此時搜索方式和搜索效率參考船載“蛙跳”式搜索系統(tǒng)；

②設(shè)備整體密封，具有信號強度的顯示功能；

③其信號通過降頻的方法，可直接以人耳能夠聽到的音頻信號形式輸出，潛水員通過水密耳機收聽。

4.6 其他技術(shù)手段的搜索技術(shù)

在某些情況下，搜尋作業(yè)海域環(huán)境背景噪聲高、信標(biāo)信號受到遮擋及水下混響等因素會嚴重影響對信標(biāo)信號的探測效果，這種情況下對信標(biāo)的遠距離探測和高精度定位是一個難題；另一方面，由于水下地形地貌復(fù)雜，光線少，流速急等因素給打撈作業(yè)帶來很多困難，而潛水員水下作業(yè)時間有限，常常需要精確的目標(biāo)定位才能滿足快速高效打撈的要求。復(fù)雜環(huán)境精確定位技術(shù)是輔助打撈設(shè)備的一項關(guān)鍵技術(shù)。

該技術(shù)的解決途徑有：

（1）采用回聲測深原理的側(cè)掃聲納，其聲學(xué)換能器陣裝在側(cè)掃聲納的拖曳體中，走航時向兩側(cè)下方發(fā)射扇形波束的聲脈沖，利用“聲波陰影”判斷物體高度并形成圖像，搜索MH370時美國海軍使用的“藍鰭金槍魚-21”即就是采用該技術(shù)手段的搜索設(shè)備。

（2）采用海洋磁測技術(shù)發(fā)現(xiàn)信標(biāo)及其水下目標(biāo)磁場，使用磁探設(shè)備的方式類似掃雷具，在復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境下可近距離精確探知目標(biāo)位置。

5.結(jié)語

如本文所述，各搜尋系統(tǒng)都有其技術(shù)特點和適用范圍。實際使用時，需要根據(jù)作業(yè)區(qū)域的水深和海況條件、疑似區(qū)域范圍、搜索船只特點選擇適合的搜索設(shè)備。海上目標(biāo)探測搜索是實際工程作業(yè)，需要不斷積累實際作業(yè)經(jīng)驗，不斷完善技術(shù)手段、優(yōu)化搜索策略，才能提高搜尋定位打撈保障能力。

目標(biāo)海上發(fā)生落水一般為突發(fā)事件，尤其像“飛機黑匣子”這樣的重要目標(biāo)發(fā)生落水事故后需要緊急進行搜尋定位保障，準備過程通常是時間緊任務(wù)重，并且很難獲得足夠的失事現(xiàn)場情況信息，容易造成設(shè)備準備不充分，就會導(dǎo)致海上作業(yè)時無法充分發(fā)揮設(shè)備技術(shù)能力，降低作業(yè)效率，甚至有可能延誤最佳時機。另外只有搜尋定位及打撈各個環(huán)節(jié)相關(guān)的人員及設(shè)備、各個環(huán)節(jié)之間銜接到位，操作人員做到默契配合，才能事半功倍。