搜捕利器，疏而不漏
——蛙人探測聲吶揭秘

張智強 李 媛/文

蛙人，又名“水鬼”，是一個國家極其精銳的兵種之一，具有分散性、獨立性、破壞性大等特點。隨著冷戰的結束，西方各國的海上軍事戰略重心從深海向淺海逐漸轉移。同時，經過911 恐怖襲擊后，以蛙人、UUV 等方式恐怖襲擊碼頭、港口的活動愈演愈烈，并且隨著現代科技快速發展，蛙人的裝備越來越先進，對海軍水面艦艇、淺水碼頭以及海上重要資產威脅也日益增大，因此，反蛙人聲吶探測設備的研發愈加重要，新反蛙人裝備的研發迫在眉睫。蛙人聲吶探測設備是反蛙人裝備建設體系中的重要裝備之一，是針對蛙人或其他水下小目標的搜捕利器，其重要性也越發被各國重視。

“麻雀雖小五臟俱全”

蛙人探測聲吶探測目標雖然較小，但其系統組成卻應有盡有。其主要包括三個部分，即水上部分、水下部分和轉換部分。

水上部分主要有電源、聲吶顯示單元、主控單元以及聲吶數據處理器等，其中主控單元是整個系統的“大腦”，控制高頻多波束蛙人探測聲吶頭的運行，使聲吶在全方向掃描模式或定向探測模式下工作。聲吶處理器數據主要是基于工控機軟件處理器，是整個系統的主要數據處理中心。

水下部分主要包括聲吶發射陣和接收陣、聲吶處理器和強聲驅離裝置等。其中最重要的是聲吶發射陣和接收陣，它們是整個系統的“左膀右臂”。發射陣相當于一個喊話器，它會向四面八方發出一定的聲波，其頻率可達幾十K 或上百K，屬于高頻信號。而接收陣則用來“回收”這些信號，如果在掃描過程中從某個方向“回收”到了高頻信號，則可以懷疑此方向存在蛙人。強聲驅離裝置是水下攻擊類武器，在系統對接收到的信號進行分析并確認入侵方向后，會以多種不同的語言輪流對入侵者發出喊話警告，也可以發出強脈沖波，使一定范圍內的入侵者感到不適或受到傷害，以達到驅離入侵者的目的。

蛙人聲吶系統組成

蛙人“特色”

聲吶發射陣發出的聲波遇到蛙人后會被反射回來一部分，而相同的發射聲波，對于不同的蛙人目標反射聲波的強度不同，蛙人的這種反射聲波的能力即目標強度。而呼吸器、潛水服和蛙人人體本身是影響蛙人目標強度的主要因素。

蛙人憑借呼吸器才能在水下長時間停留，目前市面上的呼吸器有開式和閉式兩種。開式呼吸器，顧名思義，在水下使用過程中處于開放狀態會產生呼吸氣泡群；閉式呼吸器較開式呼吸器體積小，且采用循環方式，使用過程中不會產生呼吸氣泡群。由于閉式呼吸器具有更小的目標強度，所以蛙人這種要求隱蔽性高的技術分隊多采用閉式呼吸器。

蛙人裝備的干式潛水服一般與人體本身之間有隔離氣層，而這層隔離層也在一定程度上增大了蛙人被探測到的可能性。

由于人體的肌肉、脂肪等組織與水的阻抗相近，對于反射回波強度貢獻很小，起主要作用的是人體的肺部，人體的肺部是發射聲波的主要散射體。

如何探測

主動探測聲吶和被動探測聲吶是蛙人探測聲吶的兩種主要探測方式。

污泥熱解反應特征參數見表2，不同升溫速率下的 DTG、TG曲線具有較好的一致性。在較低的升溫速率下，由于升高到相同溫度所需的時間長，污泥在第二反應階段的失重率相對較高升溫速率下的失重率變大。由圖1可見，不同升溫速率下的TG曲線相交于334 ℃～361 ℃，而且在高溫區域，較低升溫速率下的污泥失重率小于較高升溫速率下的污泥失重率。這可能是由于低升溫速率下的污泥熱解時間延長，導致縮聚等二次反應加強，揮發分析出量減少[5]。隨著溫度的升高，二次反應減弱，污泥的失重率又略有增大。但在熱解反應終溫階段，不同升溫速率過程下的總失重率基本接近。

蛙人具有各種自身“特色”，根據這些特點，便可以直接對其進行探測，這就是被動探測方式，即通過探測蛙人自身發出聲波信號進行探測與識別。由于蛙人需要在水下呼吸，區別于其他水下設備，它不僅具有聲散射特性，還具有聲輻射特性。被動探測即通過聲吶檢測蛙人的輻射信號確定蛙人位置。蛙人的輻射信號主要由呼吸產生。蛙人攜帶的呼吸器具有調節器，而調節器上的設備會隨著蛙人的呼吸輻射出周期性的信號。而被動探測方式即通過聲吶探測蛙人在水下吸氣時所輻射出的高頻信號，此信號具有信噪比高的特點，通過檢測具有這種特征的信號分析確定蛙人的具體位置。

被動探測優點是不會產生環境干擾，但由于其主要依靠蛙人自身輻射的信號，信號強度較弱，因此探測距離短，一般為200 米左右，而且被動探測局限性較大，僅適合探測噪聲較大的目標。

被動探測方式

主動探測方式

相對于被動探測方式，主動探測方式是通過水下聲吶換能器發射一定頻率的聲波，可以定向發射也可以360 度掃描的方式發射。聲波傳播到蛙人時會產生反射回波。聲吶接收陣接收到回波后，通過聲吶處理器確定蛙人的距離和方位信息。

由于主動探測方式人為發射了具有一定能量的聲波，因此在同等條件下，其收到的回波信號強度較被動探測強，其探測距離較遠，最遠可達2000 米，但需要換能器在水下長時間工作，而且發射的聲波信號對環境有一定的污染。

四大技術——“如虎添翼”

海洋生物、環境噪聲等的各種干擾，會使聲吶探測特定信號的信噪比大大降低，為了提高探測精度，不只要求系統的硬件要硬，軟件方面也要與硬件“強強聯手”。在蛙人探測聲吶技術方面，主要有以下關鍵幾項。

蛙人探測主要應用于淺水區，距離海岸較近，而在淺水區通常存在船只、雜物，就需要提高聲吶探測的抗混響技術。主要的方式主要有以下幾種。

一是改變主動聲吶的發射聲信號模式。不同的發射聲信號模式具有不同的探測距離和距離分辨率，選擇合適的模式可以在一定程度上提高探測率。二是通過一定的算法抑制背景噪聲的干擾，提高探測準確度。如對得到的聲波圖像做二次處理。三是使用垂直發射波束，結合通常使用的水平發射波束，也可以提高識別精度。

冥府守門狗360

目標識別技術是指在得到聲圖像之后，通過對多幀圖像的對比，區分出運動目標，然后將其與專家系統或數據庫中的特征數據對比，進而識別目標種類。

聲吶的接收陣列具有不同的形式，如平面式、凸弧形或柱面形。平面式的接收陣接收角度范圍有限，一般不大于90度，且不易與發射陣共用，而凸弧形的探測角度范圍理論上可以達到360 度且可以與發射陣共用。但目前使用最多的是柱形陣，結合壓電高分子材料組成聲吶換能器。

國內外發展狀況

英國奎奈蒂克公司研發的冥府守門狗360，不僅可以實現自動探測，還可以對目標進行分類和跟蹤。其探測距離可達到700 米左右，探測深度可至500 米，在此范圍內可以準確地識別入侵物的特征，進行識別與判斷。其應用場景主要為船舷兩側或海底，安裝在船舷兩側可以在一定程度上保障船只的安全，部署在海床上時可以形成一道警戒線，對一定的海域提供實時預警功能，同時，也可以延長探測范圍至1000 米。

聲吶探測到的蛙人圖像

除此之外，英國的手持式蛙人偵查系統，具有易攜帶、易傳輸、精確定位目標、可導航、應用廣泛等特點。使用時可以利用探測主傳感器高頻電子掃描聲吶精確定位疑似水雷的目標，并將相關數據進行壓縮后回傳給母船。同時，該偵查系統采用的導航系統是基于長基線主動聲學發射方式技術進行定位的，導航距離最遠可達到1200 米，并且導航定位誤差在0.5 米以內，相較于傳統的海底放繩索定位的方式，能更大程度節約人力、物力、財力。

以色列的蛙人探測聲吶對于開式、閉式蛙人呼吸裝置以及有動力的蛙人裝備都具有較好的探測性能。如對開式呼吸系統來說，其探測距離可以達到1000～1200 米。對于閉式呼吸裝備，其探測距離一般為700 米左右，而且可以在海洋混響比較嚴重的環境下工作，并具有較好的性能，其虛警率在閉式探測聲吶中屬于較低的范圍。而對于蛙人運載器，因其目標強度較大，因此探測距離更遠，一般可以達到1400～2000 米。

國內的蛙人聲吶探測研究雖起步晚于歐美國家，但如今在某些方面也取得實際成功。例如，成功研制了全自主知識產權的DDS，是當時國內唯一的數字多波束DDS。國內第一所研究蛙人探測聲吶的機構在2010 年與國內其他單位聯合生產研發了2020 型反蛙人探測聲吶，其帶寬約10KHz，但探測距離較近，約為500 米。同時該型聲吶可以實現多臺聯合使用，大大降低了探測虛警率。除此之外，國內其他單位也在蛙人探測領域進行了相應的研究，如在“十二五”期間，某研究機構所研制的聲吶探測距離可達到公里級，達到了國際先進水平。

現存問題

就目前我國蛙人探測聲吶的研究來說，硬件方面的難點問題基本已經攻克，但在其他方面仍有一些問題亟待解決，其主要體現在以下幾方面。

1)在海岸地區可能存在較大型海洋動物，這些海洋動物可能造成蛙人探測聲吶的虛警；

2)在沿海地區，一般水中雜物較多，蛙人探測聲吶易受到影響，導致無法準確識別入侵者；

3)在港口等船只較多的沿海地帶，由于船只航行會產生一定的氣泡，這些氣泡也會干擾探測聲吶的工作，如何有效減少干擾氣泡或排除船只氣泡對聲吶的影響，是一項急需解決的問題；

4)在探測距離上仍需進一步的提升。

結束語

隨著水下裝備技術的不斷發展，蛙人、UUV 等水下小型設備的探測與識別日益凸顯其重要位置，尤其是在沿海經濟帶及港口等重要場所，如何有效地探測到潛在的危險對于港口安全具有十分重要的意義，蛙人探測聲吶作為一種有效的檢測手段被各國逐漸重視起來。雖然我國在蛙人探測方面較一些國家晚，但目前也取得了很大的成績，在某些方面已經接近國際先進水平。隨著蛙人探測數據的逐漸豐富以及多波束形成技術的發展，未來的蛙人探測聲吶性能一定會有進一步的提升，展現出全新的面貌。