一种新型水下安防用设备

【摘要】介绍了一种新型水下安防用设备，该设备是一种主要采用宽带收发合置的水下声防护设备（简称MAB）；主要用于探测海面漂浮目标以及水下目标，并对其进行跟踪和识别。目前已将宽带收发合置声防护设备与其它传感器有机结合，应用于海港防护。这种防护设备在浅海显得更为有效，尤其适合防护船坞、泊地、海港入口及码头内的舰船，同时也可以弥补在复杂水声环境下声纳探测能力的不足。

【关键词】收发装置；水下；声防护设备

1.引言

目前，世界各国都十分重视水下安防工作，为了能够更加有效地进行水下安防工作，世界各国都在研制新一代的水下安防装备。对于海港水下安全防护需要对沿海区域进行连续监测以防御外来入侵，探测海面漂浮目标（如游泳者、水上漂浮式炸药和小船）以及水下目标（潜水员和自主式水下航行器），并进行跟踪和识别是水下安防工作的一项重要内容。今天，海洋监控可以通过安装于海港入口的各种结构的水下防护声呐（DDS）来实现，基于这种主动声呐方式的水下防护系统主要用于保护某些重要的单个目标，或海港入口处的部分区域，但其造价昂贵。

本文提出了一种新的水下防护装置和方法，该方法就是采用一种新型的收发合置声防护设备（简称MAB）来实现，MAB能够探测和跟踪目标强度为-25dB以上的所有目标。舰队技术中心CTM在制定水下防护策略时已经意识到，需要一种测距动态范围大、测量精度高、具有更好的抗噪声和抗混响能力的便携式声防护系统。因此CTM建议采用主动声学防护设备（AAB）构建防护系统，代替仅仅基于DDS的系统，以用于大型海港和泊地的水下防护。AAB设备能安装在被保护的船坞、泊地和海港入口处以及码头内的舰船上，且可以弥补DDS探测能力的不足。AAB的主要优点是：造价比DDS低；设备能按所防护的大型海港的基本构造形状来进行安装分布；设备具有便携式和固定式两种使用方式；易于安装；对声传播环境变化的适应性好。CTM已经开始研制开发首个收发合置宽带防护系统，该系统由使用宽带换能器进行工作的发射和接收装置构成。同时MAB作为声防护系统的基本设备，也用于收发分置声防护系统或更大规模的海港防护系统。本文提供了对MAB研究的初步结果。

2.MAB设备的结构及工作原理

MAB是水下防护系统设备的设计原型。其组成结构框图如图1所示。宽带MAB由轻型换能器端和具有处理、显示功能的工作站组成。换能器端包括宽带换能器、发射机、数字接收机、基准传感器和必要的电子部件，电子部件主要通过电缆实现与岸上设备（工作站）的通信。在设计MAB时，宽带换能器的选择，在码头安装的位置，位于海中还是海底，这些都是需要重点考虑的问题。接收到的目标回波经数据处理后，可以得到被探测目标的有用信息：位置、速度、目标强度、航向和方位角，根据这些信息能够对目标进行分类。样机和设备原型如图2所示。

2.1 宽带换能器端的安装位置

换能器的发射和接收波束宽度（水平和垂直）、声源级、信号调制类型、接收灵敏度等参数对探测范围有重要影响。合适恰当的参数以及安装使用时正确选择换能器的位置、深度和倾斜度都能提高系统的探测性能。轻型换能器端的安装非常容易，能够以适当的倾斜度安装在最佳深度。安装于海底的换能器，其声学波束所能覆盖的柱形区域如图3所示。

换能器发射波束覆盖不到的区域为探测声影区，具有特定分布式旁瓣的圆锥形波束结构和发射脉冲宽度这两个因素，共同确定了声影区大小，通过适当安装换能器或设置水下栅栏可以消除声影区。对于圆形换能器，水平和垂直波束图是相同和对称的，但在浅海，圆锥形波束被海面和海底所限制。图4是浅海中圆锥形波束的垂直剖面图。

在远距离处，Smin与Smax的数值偏差较小，可以忽略不计。例如：在100m距离处、波束宽度13°条件时，偏差小于覆盖区域宽度的10%。

2.2 目标跟踪原理

发射信号参数在目标跟踪过程中发挥着重要作用，采用恰当的目标跟踪方法能提高系统探测性能。假定已知探测脉冲周期，就可以计算出目标回波数量，然后根据被探测目标与发射机间的距离确定目标的大致方位和速度。如图6所示，在换能器波束区域内，目标的第一个回波信号和最后一个（设为第N个）回波信号所对应的与发射机间的距离差能从下面的公式中求得：

式中，T0—目标处于换能器探测区域内的时间。

3.MAB试验

在海港区域进行的MAB初期试验是探测目标强度为-25dB的假目标，MAB安装在水下2.5m深处，记录目标反射回波信号并进行FFT分析，得到回波信号及频谱图。

对记录的回波信号进行相关处理，目标探测结果如图5所示。在试验中没有使用时间可变增益（TVG）技术，但我们应该注意到，即使没有TVG技术，应用相关处理技术，MAB也能探测水下小型目标。试验结果证明MAB是防护系统的有效工具，能够应用于海港入口和泊地等区域的防护。

4.结束语

通过实验证明：单换能器宽带技术在设计和研制有效的、小型的主动式声防护系统中已经得到广泛应用，这种系统用以保护重要泊地和海港的安全。MAB收发合置声防护设备具有以下优点：第一，链式安装使用能形成长距离的防护带，以适应泊地的防护需求。第二，采用目标跟踪原理能计算出被探测目标的近似方位角和速度分量。针对具体的海港环境，通过设置和调整技术参数，MAB可配置为固定或便携两种使用方式。由专用声组件构成的MAB系统性能优良，并且用于海港防护的费用大大低于DDS系统。

作者简介：岳孝磊（1984—），男，湖北宜昌人，毕业于中国地质大学，现供职于中国船舶重工集团公司第七一研究所，从事民品研制工作。