◎ 楊松 張瓊 曲元鑫 曲加圣

水聲信標在救助與打撈中的應(yīng)用

◎ 楊松 張瓊 曲元鑫 曲加圣

水下聲信標是為海上作業(yè)人員或重要設(shè)備落水后進行搜救與打撈，并為落水人員救助，設(shè)備打撈提供準確位置，在救助與打撈中節(jié)省人力、物力及時間。

水下定位 人員救助 設(shè)備打撈

引言

我國海岸線總長為3.2萬公里，其中大陸海岸線1.8萬公里，島嶼海岸線1.4萬公里。從事海上作業(yè)人員極其廣泛。這些作業(yè)人員在海上作業(yè)時極有可能發(fā)生人員或設(shè)備意外落水現(xiàn)象，一些重要設(shè)備一旦落水，在茫茫大海進行打撈猶如大海撈針，十分困難。

近年來隨著海洋經(jīng)濟的迅速發(fā)展，海上作業(yè)迅速增長。由于海情海況非常復雜，加上寒潮、霧季、臺風以及人為因素等的影響海難事故日益增多，給海上搜救工作帶來很大的壓力，同時搜救手段的落后致使搜救的成功率很低，搜救時需要動用大量的人力、物力和時間，耗費大量的資金。而人員落水在天氣和海況較差時救援也是比較困難的，特別是在夜間更為困難。為了安全，目前按照國際海事組織及我國海事有關(guān)規(guī)定，海船上大多安裝有VHF電臺、海事無繩電話、GPS定位系統(tǒng)以及衛(wèi)星船站等通信救援設(shè)備。海上作業(yè)人員通常配備的海上救生物品包括救生船、救生電臺、聯(lián)絡(luò)用的光煙管、海水染色劑、太陽反光鏡、閃光器、信號槍、羅盤等。但目前配備的救生物品幾乎全部需要人員手工操作，一旦事故發(fā)生，人員出現(xiàn)昏迷或因傷無法操作時，這些救生設(shè)備將失去作用；并且現(xiàn)有救生設(shè)備只限水面以上使用，如果設(shè)備和人員沉入水中則無法進行聯(lián)絡(luò)，更不能對落水人員進行搜索定位。

1、國內(nèi)外發(fā)展

基于海事活動及軍事發(fā)展的需求，國內(nèi)、外都在積極研究發(fā)展水下探測定位技術(shù)，作為水下目標的搜尋，重要設(shè)備的海上定位手段。在水下探測定位技術(shù)日趨成熟，設(shè)備體積、可靠性等都已滿足人員搜尋的要求，目前已作為海軍航空兵落水搜尋的一種新的有效手段。

國外研發(fā)的航母戰(zhàn)斗群人員落水指示系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過每個艦員佩戴信標，當有人落水時通過艦員身上的信標進行人員身份識別，迅速進行定位，美國的水聲通訊信標，如圖1所示，用于救生設(shè)備的定位，其入水即上電工作，利用聲信號及無線頻道發(fā)送呼救信息。圖2為國外水下小型水聲信標，其入水即上電工作，發(fā)射指定頻率的CW脈沖水聲信號。

目前國內(nèi)主要依靠空中無線信標定位，有時甚至依靠搜索飛機上搜救人員目測尋找如救生裝置中的被染色劑染色的海水，落水人員發(fā)射的信號彈，太陽反光鏡的反光，夜間冷光管的光線等。圖3為依靠煙霧定位的海上救援工作場景。

圖1 水聲通訊信標

圖2 國外小型水聲信標

目前水上作業(yè)人員大多數(shù)只是攜帶發(fā)射無線電波和煙霧等一些救生設(shè)備，當落水人員沉入海底或失去知覺時這些設(shè)備都無法工作。而當重要設(shè)備落入水中，由于廣播和電磁波在水中的衰減非常大，遠不能滿足人們在海洋活動中的需要，打撈搜尋工作更為困難。

圖3 依靠煙霧定位的海上救援工作場景

為彌補上述問題，利用聲波信號能夠在水下探測、通訊、導航等特點，研發(fā)一種入水即可工作的聲信標，為救援和打撈提供準確示位，利用聲信標對水下目標進行示位是海洋考察、海洋資源勘探、海洋資源開發(fā)、深?？臻g站建設(shè)等工程的必備手段，本文以聲信標為關(guān)注對象，應(yīng)用于水上、水下作業(yè)的各個領(lǐng)域：

海洋生物科考保障

海上集裝箱運輸安全保障

漁業(yè)船只安全保障

水面作業(yè)人員安全保障

水下作業(yè)人員安全保障

2、水下聲信標的安裝及特點

本文所介紹的水聲信標是一種小型、獨立工作的設(shè)備，可固定安裝在設(shè)備上或被人攜帶。該聲信標尺寸較?。ㄈ鐖D4所示），通過固定卡具安裝在設(shè)備上；信標安裝在人員身上的時候，采用尼龍帶附著，捆綁在水上作業(yè)人員腰上或者腿上（如圖5所示）。聲信標入水自動工作為打撈和救助提供有力保障。

水下聲信標具有體積小重量輕、便于安裝和攜帶，水下工作時間長，入水即工作等特點。

圖4 水下聲信標

圖5 水上作業(yè)人員的聲信標佩戴方式

3、聲信標組成與工作原理

本文所述水聲信標的工作環(huán)境要求水聲信標體積小，工作時間長，水下耐壓性能好，入水自動工作。水聲信標主要由水密殼體、發(fā)射模塊、控制模塊、電極和電池組成。圖6所示聲信標結(jié)構(gòu)示意圖。發(fā)射模塊、控制模塊及電池緊密固定后，安裝于水密殼體內(nèi)；水開關(guān)電極裸露在水聲信標一側(cè)外表面；電池密封蓋位于水聲信標另一側(cè)，便于進行電池更換。

水聲信標采用水開關(guān)控制工作，入水之后自動上電工作，無需人員操作。為了節(jié)省空間，內(nèi)部控制電路與發(fā)射聲音的壓電陶瓷一體化設(shè)計，其余空間留下安裝電池。

圖6 聲信標結(jié)構(gòu)示意圖

水聲信標殼體上具有電極端，電極端與殼體同處在水中時由于水的導電作用，水聲信標上電工作。當水下聲信標離開水后，電極端與殼體之間的聯(lián)系被切斷，內(nèi)部電源控制電路休眠，聲信標停止工作。

聲信標入水工作后，內(nèi)部電路被激活，連續(xù)周期性發(fā)射固定寬度的聲脈沖信號，信號為固定頻率的單頻信號。信號形式采用周期性聲脈沖信號，能夠便于檢測的脈沖寬度，填充頻率為30～50kHz內(nèi)單頻信號，填充信號由兩路相位相差180°，具有一定占空比。單片機的兩路比較器負責輸出信號。控制模塊產(chǎn)生兩路相位相差180°脈沖信號，由功率放大三極管輸出到高壓電路模塊，通過水聲換能器發(fā)射水聲信號。

4、水下聲信標探測與定位原理

4.1 探測與定位

水下聲信標探測搜尋已是一項成熟的技術(shù)。我們利用指向性水聽器接收聲信標信號，處理聲信標信號將其轉(zhuǎn)換成音頻信號，通過處理后的信號的強弱判斷聲信標方向，音頻信號最強時接收換能器所對應(yīng)的方向即為聲信標所在方向，通過兩個全向水聽器接收到聲信標時間差，結(jié)合即時GPS定向信息將測得的聲信標方向轉(zhuǎn)換成大地坐標系下的真方向，同時結(jié)合即時GPS定位信息解算出當前探測點大地坐標系下的定位射線，計算不同探測點的定位射線的交點得到水聲目標定位點。

4.2 探測與定位原理

圖7 定位方法示意圖

定位方法是一點定向兩點定位。如圖7所示，圖中坐標系為大地坐標系，P為待測的聲目標，A、B為兩個測量點。分別獲得A、B兩點的坐標及真北方向與射線AP、BP的夾角，即可解算出目標方位。

假設(shè)A點坐標為a1、b1，B點坐標為a2、b2，P點坐標為Xp、Yp，真北方向與AP、BP的夾角分別為α1、α2，那么P點的坐標值Xp、Yp可由射線AP、BP相交而得：

對1式方程組進行變換、求解：

A點坐標和B點坐標由GPS給出，通過2式可得到P坐標。

5、結(jié)束語

這種小型、高效、獨立工作的水聲信標體積小，適合安裝在貴重儀器上及水下作業(yè)人員身上攜帶，入水既工作，無需任何操作?，F(xiàn)已在某些領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。希望這種既實用又經(jīng)濟實惠的產(chǎn)品能夠為人們開發(fā)海洋資源提供更多的保障。

作者單位: 大連測控技術(shù)研究所

[1] [美]A.V.奧本海姆 R.W.謝弗著.董士嘉，楊耀增譯.數(shù)字信號處理.科學出版社，1986.

[2] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，1988.

[3] 劉伯勝，雷家煜.水聲學原理.哈爾濱工程大學出版社，1997.

國家科技支撐計劃資助項目（2013BAK03B06）