潛水員水下探測裝備發(fā)展現(xiàn)狀及展望?

李太偉 張志強(qiáng) 龐彥東 孫玉臣 吳 璠

（海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

海洋是人類賴以生存與發(fā)展的自然資源寶庫，蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)資源、能源資源、生物資源等。進(jìn)入21 世紀(jì)，世界各國逐漸將發(fā)展重心從陸地轉(zhuǎn)移到海洋，重視海洋空間的開發(fā)利用，推動海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)現(xiàn)代化海洋強(qiáng)國［1］。而潛水技術(shù)也成為了一種人類參與海洋活動的主要手段，廣泛應(yīng)用在水下救援打撈、海洋資源開發(fā)、水下目標(biāo)探測和水下特種作戰(zhàn)等任務(wù)中。由于水下環(huán)境較空氣環(huán)境更加復(fù)雜，這使得潛水員水下作業(yè)過程中需要面臨著更多的困難和挑戰(zhàn)。而潛水裝備對于潛水員水下作業(yè)水平就起到?jīng)Q定性的作用。

潛水員裝備按用處可分為水中運(yùn)載裝備、個人潛水裝備、水下探測裝備、水下導(dǎo)航裝備、水下通信裝備、水下武器裝備等。本文重點(diǎn)介紹當(dāng)前國內(nèi)外潛水員水下探測裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

2 探測裝備發(fā)展現(xiàn)狀

潛水員的探測裝備主要有便攜式聲吶、手持磁探儀、水下照明燈、水下攝錄機(jī)等。水下照明燈和水下攝錄機(jī)進(jìn)行水下探測時主要憑借光照度獲取水下目標(biāo)的圖像，而在水質(zhì)較差時則無法使用，具有較大的局限性。在水下復(fù)雜環(huán)境，對于潛水員而言，便攜式聲吶是一種輕便的水下探測設(shè)備，可幫助潛水員在水中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。常見的水下便攜式聲吶主要有兩種：水下手持聲吶和水下頭盔式聲吶［2］。

2.1 手持聲吶發(fā)展現(xiàn)狀

手持聲吶利用聲波在水中的傳播特性，通過電-聲之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過信息處理后產(chǎn)生水下目標(biāo)圖像來實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的探測，聲吶探測對水質(zhì)沒用要求，任何水質(zhì)都可以使用。以下列舉了國內(nèi)外幾款典型的便攜式聲吶裝備的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1.1 美國西比姆儀表公司生產(chǎn)的AN/PQS-2A 潛水員手持聲吶

美軍廣泛使用的西比姆儀表公司生產(chǎn)的AN/PQS-2A 潛水員手持聲吶是一型手持式連續(xù)發(fā)射、調(diào)頻無磁聲吶，潛水員可用它來探測水下最大91m水深內(nèi)的目標(biāo)，如水雷、飛機(jī)和沉船殘骸等，并且可以單手操作。其無磁特性設(shè)計，潛水員可以安全地抵達(dá)水下磁感應(yīng)爆炸裝置的附近。該聲吶具有主被動兩種模式，在被動模式下，該聲吶能探測到24kHz～45kHz范圍內(nèi)的主動聲源，最遠(yuǎn)能夠探測到1800m 外的39kHz 的聲吶浮標(biāo)。在主動模式下，聲信號以大于30kHz 的帶寬傳輸，探測頻率115kHz～145kHz。當(dāng)探測到水下物體時，會在耳機(jī)中產(chǎn)生振鈴聲，其頻率與到物體的距離成比例。聲吶的波數(shù)寬度為6°，能夠探測到110m 外直徑30.5cm 的充氣球體［3］。

圖1 AN/PQS-2A手持聲吶

2.1.2 美國Sound Metrics 公司的ARIS Defender 3000手持聲吶

美國Sound Metrics 公司的聲吶產(chǎn)品ARIS Defender 3000 型手持聲吶（見圖2），非常適合潛水員水下100m手持式聲納成像應(yīng)用，方便單手操作，在渾濁水環(huán)境下也可捕捉高質(zhì)量的視頻圖像。其識別頻率為3 MHz 時有效距離5m，探測頻率為1.8 MHz 時有效距離15m，垂直探測角度0°～14°，水平探測角度0°～30°，發(fā)射波束寬度為0.25°，空氣中重11kg，在水中呈中性，安裝在面罩上的彩色顯示器最多進(jìn)行12幀/s的更新從而實(shí)時工作，電池續(xù)航時間長達(dá)4h，動力完全自主操作；可選的監(jiān)控套件允許同時平臺上觀察和持續(xù)工作的電源輸入。這款手持式成像聲納非常適合指揮潛水員進(jìn)行水下泊位清掃，水下搜索和回收任務(wù)以及水下檢查［4，11］。

圖2 ARIS Defender 3000 手持式聲吶

2.1.3 加拿大RJE 國際公司生產(chǎn)的DLS-2A 無磁聲吶

加拿大RJE 國際公司生產(chǎn)的DLS-2A 無磁聲吶（如圖3）是一款便攜、有獨(dú)立聲吶、用于軍事爆炸性軍械處理潛水員定位水下水雷及其他水下東西。此系統(tǒng)提供目標(biāo)的方向及范圍信息，也可用于定位水聲信標(biāo)或其他聲音源。DLS-2A會給水聲信標(biāo)提供方向信息或其他在24kHz～45kHz 的聲音源。該聲吶也是一型連續(xù)發(fā)射、調(diào)頻無磁聲吶，其參數(shù)與AN/PQS-2A基本相同［5］。

圖3 DLS-2A聲吶

圖4 手持式潛水員偵察系統(tǒng)（DRS）

2.1.4 英國QinetiQ 公司生產(chǎn)的手持式潛水員偵察系統(tǒng)（DRS）

英國QinetiQ 公司生產(chǎn)的手持式潛水員偵察系統(tǒng)（DRS），具有高頻前視聲吶搜索能力，利用非常準(zhǔn)確的導(dǎo)航技術(shù)和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備來輔助反水雷操作，在水雷探測功能的基礎(chǔ)上還集成了導(dǎo)航功能。該系統(tǒng)質(zhì)量10kg，水下重0.5kg，工作深度100m，水下持續(xù)工作6.5h。水下導(dǎo)航系統(tǒng)定位方式為長基線聲學(xué)定位，通過在海底固定兩至四個工作頻率40kHz～80kHz 的水聲信標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，誤差0.5m，導(dǎo)航的最大距離可達(dá)1200m［6］。潛水員通過高頻電子掃描聲吶定位疑似水雷的目標(biāo)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)壓縮成數(shù)據(jù)包，傳回母船。聲吶探測圖像和導(dǎo)航信息可同時顯示在平板顯示器上，任務(wù)完成后可進(jìn)行過程回放，便于分析。相比傳統(tǒng)的在海床上敷設(shè)長反射器的方法，該系統(tǒng)大大提高潛水員清除水雷的效率，借助該系統(tǒng)，一名潛水員便可在相同的時間內(nèi)完成原來需要20 名以上的潛水員才能完成的狹長海域的探測任務(wù)［7］。

2.1.5 英國Blueprint Subsea公司的Artemis BP00707導(dǎo)航儀

英國Blueprint Subsea 公司的Artemis BP00707（如圖5）是一款手持式水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)?？梢栽谒绿綔y90°范圍內(nèi)的目標(biāo)圖像，并可根據(jù)需求調(diào)整探測距離，探測距離可達(dá)100m，系統(tǒng)所采用噪聲消除技術(shù)可減少噪聲對目標(biāo)成像的影響，提高圖像的質(zhì)量效果。用于潛水員探測目標(biāo)和輔助水下導(dǎo)航。其最初用于民用潛水員及搜救潛水員來定位和再定位海底物體，后對其進(jìn)行優(yōu)化，用于海軍反水雷和爆炸物處理潛水員對爆炸物進(jìn)行再定位。該系統(tǒng)直觀、易使用，潛水員可以通過界面5個按鈕選擇聲吶、導(dǎo)航和其他的功能［2，8］。

圖5 Artemis BP00707導(dǎo)航儀

圖6 HT-90多波束手持式成像聲吶

2.1.6 我國的HT-90多波束手持式成像聲吶

HT-90 多波束手持成像聲吶為新型潛水員用水下視頻成像系統(tǒng)，可獲取各類水體中物體的實(shí)時動態(tài)2D 聲學(xué)影像，可在淺水區(qū)域（不大于50m）進(jìn)行水下觀測。HT-90 聲吶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，由聲學(xué)探頭、電子艙、觀測窗及把手組成，整體為圓柱體結(jié)構(gòu)。聲吶圖像由觀測窗5.5 寸高清屏顯示，同時顯示羅經(jīng)信息用于水下導(dǎo)航。聲吶工作頻率600kHz，成像視角90°（H）/15°（V），成像距離最遠(yuǎn)可達(dá)80m，成像幀率4幀/s～8幀/s（40m），在水中零浮力［9］。

2.2 頭盔式聲吶發(fā)展現(xiàn)狀

頭盔式聲吶固定在潛水員的潛水裝備的頭盔上，潛水員可直接從視頻眼鏡中查看到聲吶生成的目標(biāo)圖像。并可將裝備連接至水面上的工控計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)水中和水上同時觀測聲吶產(chǎn)生的圖像。

2.2.1 中船重工集團(tuán)公司第750 試驗(yàn)場的TKIS-I的頭盔式聲吶系統(tǒng)

中船重工集團(tuán)公司第750 試驗(yàn)場TKIS-I 的頭盔式聲吶系統(tǒng)（見圖7），該型聲吶系統(tǒng)主要包括腰帶式控制器、聲吶頭、視頻圖像眼鏡和水上工控計算機(jī)四大部分。其中腰帶式控制器、聲吶頭、視頻圖像眼鏡具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，潛水員可以隨身攜帶。腰帶式控制器掛置潛水員腰部，探測聲吶頭可被固定在胸前或頭盔式，視頻圖像眼鏡可被固定在潛水員的頭盔上，使用上非常方便。潛水員可以通過視頻眼鏡對水下目標(biāo)探測情況進(jìn)行探測，并且水上人員也可以通過通信纜線連接工控計算機(jī)，在顯示器上可以對水下目標(biāo)探測情況進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)對探測情況水下和水上同步雙顯示。該聲吶系統(tǒng)的工作頻率678kHz，掃描角度為150°，同時設(shè)置1.5m、3m、12m、23m、50m、100m 六個檔位量程開關(guān)成像距離，有效作用范圍不小于60m，系統(tǒng)電路功率總功耗小于6W，工作時間大于6h，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為0.9，掃描角度為150°，波束垂直開角為20°。兼顧了近距離目標(biāo)分辨率及遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測，適用于更多的工作環(huán)境［10］。

圖7 TKIS-I 的頭盔式聲吶系統(tǒng)

2.2.2 英國Blueprint Subsea 公司的ArtemisHMD潛水頭戴顯示眼鏡潛水聲吶可視系統(tǒng)

頭戴顯示眼鏡潛水聲吶可視系統(tǒng)Artemis HMD（如圖8）近眼顯示潛水員視覺增強(qiáng)系統(tǒng)主要用于裝備高科技潛水頭盔上改善潛水員水下任務(wù)的安全性。就像谷歌眼鏡一樣，可以讓潛水員在水下實(shí)時感知到前方態(tài)勢，即使在渾水、零可見度的水體里一樣可以工作。Artemis HMD 提供了一個安裝在面罩上的全彩色雙目顯示器，可再現(xiàn)Artemis 界面以進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)操作。該系統(tǒng)重0.37kg，水中重0.2kg，耐壓深度100m，可模塊化結(jié)合Artemis 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)下的水下探測。

圖8 頭戴顯示眼鏡潛水聲吶可視系統(tǒng)

3 探測裝備發(fā)展展望

潛水員探測裝備的發(fā)展主要有兩個方向：一是潛水員手持水下探測設(shè)備，該類裝備能夠?qū)崿F(xiàn)水下環(huán)境的照明、攝錄以及聲吶成像等功能。水下照明和攝錄在未來發(fā)展主要在于提高其在透明度較好的水下環(huán)境中的探測能力；二是聲吶成像未來發(fā)展主要在于水質(zhì)渾濁等復(fù)雜水下環(huán)境中的高質(zhì)量、高分辨率水下成像能力。

探測裝備的發(fā)展將提高潛水員水下目標(biāo)探測識別的能力水平，在未來水下救援中具有重大的意義。在綜合分析現(xiàn)階段國內(nèi)外水下探測裝備發(fā)展的基礎(chǔ)上提出未來潛水員水下探測形式及裝備發(fā)展展望。

3.1 便攜式探測裝備發(fā)展展望

現(xiàn)階段便攜式探測設(shè)備主要是以手持聲吶和頭盔聲吶為主，針對潛水員等水下作業(yè)的需求，集成化、模塊化、便攜化、智能化、輕量化、低能耗的水下綜合探測系統(tǒng)已經(jīng)成為未來水下探測主要方向。系統(tǒng)可以集探測成像、水下定位、水下導(dǎo)航、水下通信、水下作業(yè)等功能于一體，可有效解決潛水員水下環(huán)境面臨的各類困難。

3.2 人機(jī)協(xié)同探測發(fā)展展望

近年來，空中無人機(jī)、水面無人艇及水中航行器的發(fā)展突飛猛進(jìn)，技術(shù)日益成熟，功能愈發(fā)完善，朝著多功能、便攜式、小型化等方向發(fā)展，完全能夠滿足潛水員水下探測的需要。空中無人機(jī)、水面無人艇、水下航行器與潛水員的協(xié)同探測也逐漸成為現(xiàn)實(shí)。?？樟Ⅲw探測具有概念先進(jìn)、探測范圍廣泛、探測效率顯著等優(yōu)點(diǎn)，以下具體闡述各平臺協(xié)同探測發(fā)展［2］。

3.2.1 空中無人機(jī)與潛水員協(xié)同探測

在進(jìn)行水下作業(yè)時，使用空中無人機(jī)作為潛水員的輔助探測平臺成為未來發(fā)展的趨勢?？罩袩o人機(jī)作為“天眼”，可以與潛水員進(jìn)行協(xié)同水下目標(biāo)探測，可以提高潛水員水下作業(yè)的效率。使用無人機(jī)協(xié)同探測，一般通過無人機(jī)吊放聲吶以及磁探儀等探測設(shè)備。國內(nèi)空中無人機(jī)發(fā)展較為成熟，根據(jù)任務(wù)需要可選用旋翼機(jī)型、固定翼機(jī)型，固旋混合翼機(jī)型等型無人機(jī)。吊放聲吶一般采用旋翼無人機(jī)或固旋混合無人機(jī)，通過無人機(jī)將吊放聲吶放在海面以下進(jìn)行探測。使用磁探儀時，可用無人機(jī)掛載磁探儀方式進(jìn)行水下搜潛作業(yè)，將磁探儀固定在無人機(jī)機(jī)身下方，通過無人機(jī)掠海飛行進(jìn)行探測，或?qū)⒋盘絻x吊放在水面以下進(jìn)行探測［12］。

潛水員在水下探測效率有限，空中無人機(jī)憑借自身高度的機(jī)動性和靈活性，快速搜索目標(biāo)后引導(dǎo)潛水員根據(jù)探測信息在水下對目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步探測。

3.2.2 水面無人艇與潛水員協(xié)同探測

無人艇是一種具有一定自主能力、可在不搭載操作人員的情況下自主航行并完成一定作業(yè)任務(wù)的水面平臺，具有成本低廉、行動隱蔽、機(jī)動靈活等特點(diǎn)。無人艇顯現(xiàn)的巨大應(yīng)用價值得到各國的廣泛關(guān)注［13～14］。

水面無人艇可使用艦殼聲吶、拖曳聲吶進(jìn)行水下探測；探測到目標(biāo)后，將信息傳遞到潛水員，并對目標(biāo)進(jìn)行識別、確認(rèn)。

3.2.3 水下航行器與潛水員協(xié)同探測

水下航行器是一種遙控控制或自主控制的水下機(jī)器人，其綜合了海洋環(huán)境技術(shù)、探測、計算、能量儲存與轉(zhuǎn)換、推進(jìn)、新材料、新工藝等多個領(lǐng)域的高新技術(shù)。無人水下航行器主要包括遙控水下航行器（ROV）和自主式水下航行器（AUV）兩類。遙控水下航行器通過拖帶臍纜，與母船連接，由人進(jìn)行遙控控制。自主水下航行器沒有臍纜的連接，在水下進(jìn)行自主作業(yè)。水下航行器具有操縱靈活、體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，并可搭載各類探測設(shè)備及傳感器［15］。它作為潛水員攜行裝備可用于水下目標(biāo)的初步探測，以提高潛水員執(zhí)行任務(wù)的效率。從安全方面看，水下航行器工作深度更大，可以到達(dá)潛水員所不能到達(dá)的深度進(jìn)行作業(yè)。

4 結(jié)語

潛水員作為一種重要的水下目標(biāo)探測的方式，其水下探測裝備的技術(shù)性能直接影響水下作業(yè)的效率和結(jié)果。本文梳理了當(dāng)前國內(nèi)外潛水員水下探測裝備的研究現(xiàn)狀，羅列了相關(guān)代表性裝備的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)。并對未來潛水員水下探測裝備發(fā)展進(jìn)行了分析，同時結(jié)合近年來無人裝備的發(fā)展，對未來水下人機(jī)協(xié)同探測進(jìn)行了展望。