李太偉 張志強 龐彥東 孫玉臣 吳 璠

（海軍工程大學兵器工程學院 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，蘊含著豐富的礦產(chǎn)資源、能源資源、生物資源等。進入21 世紀，世界各國逐漸將發(fā)展重心從陸地轉移到海洋，重視海洋空間的開發(fā)利用，推動海洋經(jīng)濟發(fā)展，建設現(xiàn)代化海洋強國［1］。而潛水技術也成為了一種人類參與海洋活動的主要手段，廣泛應用在水下救援打撈、海洋資源開發(fā)、水下目標探測和水下特種作戰(zhàn)等任務中。由于水下環(huán)境較空氣環(huán)境更加復雜，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載裝備、個人潛水裝備、水下探測裝備、水下導航裝備、水下通信裝備、水下武器裝備等。本文重點介紹當前國內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、水下攝錄機等。水下照明燈和水下攝錄機進行水下探測時主要憑借光照度獲取水下目標的圖像，而在水質較差時則無法使用，具有較大的局限性。在水下復雜環(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備，可幫助潛水員在水中發(fā)現(xiàn)目標。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-聲之間進行轉換，經(jīng)過信息處理后產(chǎn)生水下目標圖像來實現(xiàn)水下目標的探測，聲吶探測對水質沒用要求，任何水質都可以使用。以下列舉了國內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、調頻無磁聲吶，潛水員可用它來探測水下最大91m水深內的目標，如水雷、飛機和沉船殘骸等，并且可以單手操作。其無磁特性設計，潛水員可以安全地抵達水下磁感應爆炸裝置的附近。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范圍內的主動聲源，最遠能夠探測到1800m 外的39kHz 的聲吶浮標。在主動模式下，聲信號以大于30kHz 的帶寬傳輸，探測頻率115kHz～145kHz。當探測到水下物體時，會在耳機中產(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手持式聲納成像應用，方便單手操作，在渾濁水環(huán)境下也可捕捉高質量的視頻圖像。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行12幀/s的更新從而實時工作，電池續(xù)航時間長達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行水下泊位清掃，水下搜索和回收任務以及水下檢查［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)提供目標的方向及范圍信息，也可用于定位水聲信標或其他聲音源。DLS-2A會給水聲信標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，利用非常準確的導航技術和數(shù)據(jù)記錄設備來輔助反水雷操作，在水雷探測功能的基礎上還集成了導航功能。該系統(tǒng)質量10kg，水下重0.5kg，工作深度100m，水下持續(xù)工作6.5h。水下導航系統(tǒng)定位方式為長基線聲學定位，通過在海底固定兩至四個工作頻率40kHz～80kHz 的水聲信標進行準確定位，誤差0.5m，導航的最大距離可達1200m［6］。潛水員通過高頻電子掃描聲吶定位疑似水雷的目標，并將相關數(shù)據(jù)壓縮成數(shù)據(jù)包，傳回母船。聲吶探測圖像和導航信息可同時顯示在平板顯示器上，任務完成后可進行過程回放，便于分析。相比傳統(tǒng)的在海床上敷設長反射器的方法，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［7］。

2.1.5 英國Blueprint Subsea公司的Artemis BP00707導航儀

英國Blueprint Subsea 公司的Artemis BP00707（如圖5）是一款手持式水下導航定位系統(tǒng)?？梢栽谒绿綔y90°范圍內的目標圖像，并可根據(jù)需求調整探測距離，探測距離可達100m，系統(tǒng)所采用噪聲消除技術可減少噪聲對目標成像的影響，提高圖像的質量效果。用于潛水員探測目標和輔助水下導航。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、導航和其他的功能［2，8］。

圖5 Artemis BP00707導航儀

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時動態(tài)2D 聲學影像，可在淺水區(qū)域（不大于50m）進行水下觀測。HT-90 聲吶系統(tǒng)結構緊湊，由聲學探頭、電子艙、觀測窗及把手組成，整體為圓柱體結構。聲吶圖像由觀測窗5.5 寸高清屏顯示，同時顯示羅經(jīng)信息用于水下導航。聲吶工作頻率600kHz，成像視角90°（H）/15°（V），成像距離最遠可達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圖像。并可將裝備連接至水面上的工控計算機，實現(xiàn)水中和水上同時觀測聲吶產(chǎn)生的圖像。

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

中船重工集團公司第750 試驗場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，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探測情況進行探測，并且水上人員也可以通過通信纜線連接工控計算機，在顯示器上可以對水下目標探測情況進行觀察，實現(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°，同時設置1.5m、3m、12m、23m、50m、100m 六個檔位量程開關成像距離，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，步進電機步進角為0.9，掃描角度為150°，波束垂直開角為20°。兼顧了近距離目標分辨率及遠距離的目標探測，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的安全性。就像谷歌眼鏡一樣，可以讓潛水員在水下實時感知到前方態(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 界面以進行戰(zhàn)術操作。該系統(tǒng)重0.37kg，水中重0.2kg，耐壓深度100m，可模塊化結合Artemis 系統(tǒng)實現(xiàn)不同任務下的水下探測。

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備，該類裝備能夠實現(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)展主要在于水質渾濁等復雜水下環(huán)境中的高質量、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)階段國內外水下探測裝備發(fā)展的基礎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 人機協(xié)同探測發(fā)展展望

近年來，空中無人機、水面無人艇及水中航行器的發(fā)展突飛猛進，技術日益成熟，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?？罩袩o人機、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。海空立體探測具有概念先進、探測范圍廣泛、探測效率顯著等優(yōu)點，以下具體闡述各平臺協(xié)同探測發(fā)展［2］。

3.2.1 空中無人機與潛水員協(xié)同探測

在進行水下作業(yè)時，使用空中無人機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人機作為“天眼”，可以與潛水員進行協(xié)同水下目標探測，可以提高潛水員水下作業(yè)的效率。使用無人機協(xié)同探測，一般通過無人機吊放聲吶以及磁探儀等探測設備。國內空中無人機發(fā)展較為成熟，根據(jù)任務需要可選用旋翼機型、固定翼機型，固旋混合翼機型等型無人機。吊放聲吶一般采用旋翼無人機或固旋混合無人機，通過無人機將吊放聲吶放在海面以下進行探測。使用磁探儀時，可用無人機掛載磁探儀方式進行水下搜潛作業(yè)，將磁探儀固定在無人機機身下方，通過無人機掠海飛行進行探測，或將磁探儀吊放在水面以下進行探測［12］。

潛水員在水下探測效率有限，空中無人機憑借自身高度的機動性和靈活性，快速搜索目標后引導潛水員根據(jù)探測信息在水下對目標進行進一步探測。

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)任務的水面平臺，具有成本低廉、行動隱蔽、機動靈活等特點。無人艇顯現(xiàn)的巨大應用價值得到各國的廣泛關注［13～14］。

水面無人艇可使用艦殼聲吶、拖曳聲吶進行水下探測；探測到目標后，將信息傳遞到潛水員，并對目標進行識別、確認。

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器人，其綜合了海洋環(huán)境技術、探測、計算、能量儲存與轉換、推進、新材料、新工藝等多個領域的高新技術。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，由人進行遙控控制。自主水下航行器沒有臍纜的連接，在水下進行自主作業(yè)。水下航行器具有操縱靈活、體積小、速度快等優(yōu)點，并可搭載各類探測設備及傳感器［15］。它作為潛水員攜行裝備可用于水下目標的初步探測，以提高潛水員執(zhí)行任務的效率。從安全方面看，水下航行器工作深度更大，可以到達潛水員所不能到達的深度進行作業(yè)。

4 結語

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