反蛙人声呐技术结构分析

刘 洋，李先伟，张 波

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

反蛙人声呐技术结构分析

刘 洋，李先伟，张 波

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

围绕系统结构、中心频率选取、数据传输、信号处理和目标跟踪与识别技术等方面介绍1种可以实现远距离实时自动跟踪、报警的反蛙人声呐，并阐述了反蛙人声呐配套设施——蛙人驱逐装置的基本概念和实施方法。

蛙人;声呐;数据传输;目标识别;驱逐装置

0 引言

现代海战中，蛙人在攻击港湾停靠舰船、对近岸地带实施两栖侦察等任务中有着其他海军武器装备所不可取代的巨大作用。正是由于蛙人对舰船及其他海上设施的巨大威胁，反蛙人声呐系统的研制开发成为许多国家重点投入力量的军事项目。本文将围绕反蛙人声呐系统中频率选取、数据传输、信号处理、目标跟踪识别技术以及配套的蛙人驱逐装置等方面，较为详细地介绍1种可以实现远距离实时自动跟踪、报警的反蛙人声呐及其配套设施。

1 反蛙人声呐系统结构

系统主要组成部分包括水下部署的高频发射换能器、窄波束接收换能器基阵以及数据采集模块，码头或甲板上的控制与数据处理装置以及大功率供电系统。

图1为水下发射与接收系统的结构框图，其中各部分主要参数如下:

信号中心频率:100 kHz;

波束水平指向性开角:2°;

垂直指向性开角:10°～12°;

图1 水下发射与接收系统结构框图Fig.1 Underwater transmit and receive system block diagram

实时采样率:20 MS/s。图2为控制与数据处理系统的结构图，其中各部分参数如下:

数据传输速率:200 Mbit/s;

传输误码率:10－12;

电源功率:5 kW。

图2 控制与数据处理系统结构框图Fig.2 Control and data processing system block diagram

2 反蛙人声呐系统技术分析

2.1 中心频率选取

声呐应用中，工作频率越高，系统方位分辨率越高，对小目标的探测和识别就越准确。但是，由于水下声信号传播过程中，吸收衰减与信号的频率成正比，这就限制了作用距离。

海上试验测得了蛙人目标强度［1］，测试频率为100 kHz，使用闭式呼吸器时，蛙人目标强约为－20～－25 dB，开式呼吸所产生的气泡群目标强度约为－15 dB。

大连测控技术研究所张波等人通过码头试验［2］，测得了75 kHz频率下蛙人目标强度，其中开式呼吸情况下对目标回波贡献最大的气泡群目标强度大于－16.9 dB;开式呼吸用呼吸气瓶目标强度约为－24 dB;而蛙人身体目标强度约为－27.2 dB。

综合考虑以上因素，选择中心频率为100 kHz，频带宽度大于30 kHz的声呐换能器基阵，可实现作用距离大于500 m的远距离高精度蛙人探测。

2.2 数据传输

为实现高精度蛙人探测，提高系统方位分辨率并满足水平方向不小于270°的探测范围，接收换能器基阵至少需要由135个阵元构成。结合采集系统采样率参数，不难计算出整个系统庞大的数据传输量。另外，由于作用距离的要求，电缆长度至少要达到1 km。如果使用传统的铅铜复合电缆或同轴电缆在满足带宽和机械强度要求的前提下，电缆直径将会相当惊人。在20世纪80年代初，成功论证了海洋中低衰减光纤拖曳电缆的可行性之后，光纤成为了现代声呐数据传输的主要媒介。根据公式:

可以算得当带宽达到200 MHz时可以支持200～300 Mbit/s的最大数字信号传输速率，当然还取决于译码速度和接收器灵敏度等参数。

根据实际情况可列出长度为2 km时的光纤衰减预算(包括光源和连接器衰减):

图3 光纤衰减曲线Fig.3 Optical attenuation curve

综上考虑，光纤传输可以完全满足系统对实时性、作用距离以及系统安装布防等要求。

2.3 信号处理

信号处理主要包括背景抵消和目标检测2个方向。

通常对每个像素点的最近N帧数据进行统计，算出其均值、方差等统计特征量，然后用当前帧减去此均值，如果差值大于统计方差，则此帧作为前景帧，否则作为背景帧。最后可以建立滑动背景模型，用于背景抵消。

采用将实时目标产生的回波通过信号模拟加载到前放输入端，而后进行相关运算的方法。换句换说，就是信号模拟系统产生1个包含相位角度和时间距离参数的回波模型参与运算。图4为数据采集处理单元示意图。

回波信号公式如下:使用以上相关算法进行有效的目标检测，并结合系统多核、多进程运算与硬件预算，可明显提高信号处理效率，实现2 s左右的发射、接收、信号调理和运算周期，最终完成对蛙人的实时跟踪。

2.4 目标跟踪与识别技术

目标自动跟踪与识别是反蛙人声呐技术发展的关键点和难点。其中的核心技术是如何分辨蛙人、舰船、鱼类与礁石等目标。

通常多目标跟踪的基本方法可以概括为极大似然类滤波器算法和贝叶斯滤波算法两大类。其中，极大似然类滤波器算法是以观测序列的似然比为基础;贝叶斯类滤波算法是以贝叶斯准则为基础的。以上方法在雷达数据处理方面应用较广泛。

本系统除算法外，还结合大量实测数据，对目标进行对比跟踪。

首先，通过分析舰船辐射的连续谱噪声，可以识别水面舰船目标，避免水面目标导致错误报警。

其次，根据大连测控技术研究所张波等实验测得的75 kHz频率下海豚的目标强度约为－23 dB，远小于使用开式呼吸的蛙人，以及鱼类的游动速度和运动轨迹特征，有效分辨蛙人与鱼类目标。

最后，通过动态设置报警门限，可大大降低虚警率，实现蛙人的自动识别与跟踪。

3 蛙人驱逐装置

在反蛙人声呐系统发现并跟踪目标后，除了迅速出动巡逻艇以及加强戒备外，有效的驱逐装置更是舰船及海上设施安全的保障。国内外相关研究表明，大功率低频声波对水下生物尤其是蛙人的呼吸系统有着很强的杀伤。依据该原理，于反蛙人声呐装置以及保护目标附近安置大功率低频发射换能器，当发现蛙人入侵并处于有效距离时，可由系统自动或由声呐操作手手动发射驱逐声波脉冲，配合其他防范措施迅速消灭入侵蛙人。

4 结语

本文介绍了能实现远距离实时自动跟踪、报警的反蛙人声呐的结构和相关技术，并简单叙述了蛙人驱逐装置的概念和实施办法。相信这种反蛙人声呐今后无论在大型国际国内水上赛事，还是军用港口监测中都将有广阔的应用前景。

［1］SARANGAPANI S，MILLER J H，POTTY G R，et al.Measurements and modeling of the target strength of diver［J］.Oceans，2005.952 －956.

［2］张波，等.蛙人回波建模与实验研究［J］.应用声学，2010，29(4):313 －320.

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

［3］GREY A.Optical transmission of towed sonar array data［Z］.DRAFT.11thNovember.

［4］王立宣.工程中光纤衰减的测试［J］.邮电设计技术，1996，(6):18 －21.

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

刘洋(1982－)，男，工程师，主要从事水中目标回波特性研究工作。