搜捕利器，疏而不漏——蛙人探测声呐揭秘

张智强 李 媛/文

蛙人，又名“水鬼”，是一个国家极其精锐的兵种之一，具有分散性、独立性、破坏性大等特点。随着冷战的结束，西方各国的海上军事战略重心从深海向浅海逐渐转移。同时，经过911 恐怖袭击后，以蛙人、UUV 等方式恐怖袭击码头、港口的活动愈演愈烈，并且随着现代科技快速发展，蛙人的装备越来越先进，对海军水面舰艇、浅水码头以及海上重要资产威胁也日益增大，因此，反蛙人声呐探测设备的研发愈加重要，新反蛙人装备的研发迫在眉睫。蛙人声呐探测设备是反蛙人装备建设体系中的重要装备之一，是针对蛙人或其他水下小目标的搜捕利器，其重要性也越发被各国重视。

“麻雀虽小五脏俱全”

蛙人探测声呐探测目标虽然较小，但其系统组成却应有尽有。其主要包括三个部分，即水上部分、水下部分和转换部分。

水上部分主要有电源、声呐显示单元、主控单元以及声呐数据处理器等，其中主控单元是整个系统的“大脑”，控制高频多波束蛙人探测声呐头的运行，使声呐在全方向扫描模式或定向探测模式下工作。声呐处理器数据主要是基于工控机软件处理器，是整个系统的主要数据处理中心。

水下部分主要包括声呐发射阵和接收阵、声呐处理器和强声驱离装置等。其中最重要的是声呐发射阵和接收阵，它们是整个系统的“左膀右臂”。发射阵相当于一个喊话器，它会向四面八方发出一定的声波，其频率可达几十K 或上百K，属于高频信号。而接收阵则用来“回收”这些信号，如果在扫描过程中从某个方向“回收”到了高频信号，则可以怀疑此方向存在蛙人。强声驱离装置是水下攻击类武器，在系统对接收到的信号进行分析并确认入侵方向后，会以多种不同的语言轮流对入侵者发出喊话警告，也可以发出强脉冲波，使一定范围内的入侵者感到不适或受到伤害，以达到驱离入侵者的目的。

蛙人声呐系统组成

蛙人“特色”

声呐发射阵发出的声波遇到蛙人后会被反射回来一部分，而相同的发射声波，对于不同的蛙人目标反射声波的强度不同，蛙人的这种反射声波的能力即目标强度。而呼吸器、潜水服和蛙人人体本身是影响蛙人目标强度的主要因素。

蛙人凭借呼吸器才能在水下长时间停留，目前市面上的呼吸器有开式和闭式两种。开式呼吸器，顾名思义，在水下使用过程中处于开放状态会产生呼吸气泡群；闭式呼吸器较开式呼吸器体积小，且采用循环方式，使用过程中不会产生呼吸气泡群。由于闭式呼吸器具有更小的目标强度，所以蛙人这种要求隐蔽性高的技术分队多采用闭式呼吸器。

蛙人装备的干式潜水服一般与人体本身之间有隔离气层，而这层隔离层也在一定程度上增大了蛙人被探测到的可能性。

由于人体的肌肉、脂肪等组织与水的阻抗相近，对于反射回波强度贡献很小，起主要作用的是人体的肺部，人体的肺部是发射声波的主要散射体。

如何探测

主动探测声呐和被动探测声呐是蛙人探测声呐的两种主要探测方式。

污泥热解反应特征参数见表2，不同升温速率下的 DTG、TG曲线具有较好的一致性。在较低的升温速率下，由于升高到相同温度所需的时间长，污泥在第二反应阶段的失重率相对较高升温速率下的失重率变大。由图1可见，不同升温速率下的TG曲线相交于334 ℃～361 ℃，而且在高温区域，较低升温速率下的污泥失重率小于较高升温速率下的污泥失重率。这可能是由于低升温速率下的污泥热解时间延长，导致缩聚等二次反应加强，挥发分析出量减少[5]。随着温度的升高，二次反应减弱，污泥的失重率又略有增大。但在热解反应终温阶段，不同升温速率过程下的总失重率基本接近。

蛙人具有各种自身“特色”，根据这些特点，便可以直接对其进行探测，这就是被动探测方式，即通过探测蛙人自身发出声波信号进行探测与识别。由于蛙人需要在水下呼吸，区别于其他水下设备，它不仅具有声散射特性，还具有声辐射特性。被动探测即通过声呐检测蛙人的辐射信号确定蛙人位置。蛙人的辐射信号主要由呼吸产生。蛙人携带的呼吸器具有调节器，而调节器上的设备会随着蛙人的呼吸辐射出周期性的信号。而被动探测方式即通过声呐探测蛙人在水下吸气时所辐射出的高频信号，此信号具有信噪比高的特点，通过检测具有这种特征的信号分析确定蛙人的具体位置。

被动探测优点是不会产生环境干扰，但由于其主要依靠蛙人自身辐射的信号，信号强度较弱，因此探测距离短，一般为200 米左右，而且被动探测局限性较大，仅适合探测噪声较大的目标。

被动探测方式

主动探测方式

相对于被动探测方式，主动探测方式是通过水下声呐换能器发射一定频率的声波，可以定向发射也可以360 度扫描的方式发射。声波传播到蛙人时会产生反射回波。声呐接收阵接收到回波后，通过声呐处理器确定蛙人的距离和方位信息。

由于主动探测方式人为发射了具有一定能量的声波，因此在同等条件下，其收到的回波信号强度较被动探测强，其探测距离较远，最远可达2000 米，但需要换能器在水下长时间工作，而且发射的声波信号对环境有一定的污染。

四大技术——“如虎添翼”

海洋生物、环境噪声等的各种干扰，会使声呐探测特定信号的信噪比大大降低，为了提高探测精度，不只要求系统的硬件要硬，软件方面也要与硬件“强强联手”。在蛙人探测声呐技术方面，主要有以下关键几项。

蛙人探测主要应用于浅水区，距离海岸较近，而在浅水区通常存在船只、杂物，就需要提高声呐探测的抗混响技术。主要的方式主要有以下几种。

一是改变主动声呐的发射声信号模式。不同的发射声信号模式具有不同的探测距离和距离分辨率，选择合适的模式可以在一定程度上提高探测率。二是通过一定的算法抑制背景噪声的干扰，提高探测准确度。如对得到的声波图像做二次处理。三是使用垂直发射波束，结合通常使用的水平发射波束，也可以提高识别精度。

冥府守门狗360

目标识别技术是指在得到声图像之后，通过对多帧图像的对比，区分出运动目标，然后将其与专家系统或数据库中的特征数据对比，进而识别目标种类。

声呐的接收阵列具有不同的形式，如平面式、凸弧形或柱面形。平面式的接收阵接收角度范围有限，一般不大于90度，且不易与发射阵共用，而凸弧形的探测角度范围理论上可以达到360 度且可以与发射阵共用。但目前使用最多的是柱形阵，结合压电高分子材料组成声呐换能器。

国内外发展状况

英国奎奈蒂克公司研发的冥府守门狗360，不仅可以实现自动探测，还可以对目标进行分类和跟踪。其探测距离可达到700 米左右，探测深度可至500 米，在此范围内可以准确地识别入侵物的特征，进行识别与判断。其应用场景主要为船舷两侧或海底，安装在船舷两侧可以在一定程度上保障船只的安全，部署在海床上时可以形成一道警戒线，对一定的海域提供实时预警功能，同时，也可以延长探测范围至1000 米。

声呐探测到的蛙人图像

除此之外，英国的手持式蛙人侦查系统，具有易携带、易传输、精确定位目标、可导航、应用广泛等特点。使用时可以利用探测主传感器高频电子扫描声呐精确定位疑似水雷的目标，并将相关数据进行压缩后回传给母船。同时，该侦查系统采用的导航系统是基于长基线主动声学发射方式技术进行定位的，导航距离最远可达到1200 米，并且导航定位误差在0.5 米以内，相较于传统的海底放绳索定位的方式，能更大程度节约人力、物力、财力。

以色列的蛙人探测声呐对于开式、闭式蛙人呼吸装置以及有动力的蛙人装备都具有较好的探测性能。如对开式呼吸系统来说，其探测距离可以达到1000～1200 米。对于闭式呼吸装备，其探测距离一般为700 米左右，而且可以在海洋混响比较严重的环境下工作，并具有较好的性能，其虚警率在闭式探测声呐中属于较低的范围。而对于蛙人运载器，因其目标强度较大，因此探测距离更远，一般可以达到1400～2000 米。

国内的蛙人声呐探测研究虽起步晚于欧美国家，但如今在某些方面也取得实际成功。例如，成功研制了全自主知识产权的DDS，是当时国内唯一的数字多波束DDS。国内第一所研究蛙人探测声呐的机构在2010 年与国内其他单位联合生产研发了2020 型反蛙人探测声呐，其带宽约10KHz，但探测距离较近，约为500 米。同时该型声呐可以实现多台联合使用，大大降低了探测虚警率。除此之外，国内其他单位也在蛙人探测领域进行了相应的研究，如在“十二五”期间，某研究机构所研制的声呐探测距离可达到公里级，达到了国际先进水平。

现存问题

就目前我国蛙人探测声呐的研究来说，硬件方面的难点问题基本已经攻克，但在其他方面仍有一些问题亟待解决，其主要体现在以下几方面。

1)在海岸地区可能存在较大型海洋动物，这些海洋动物可能造成蛙人探测声呐的虚警；

2)在沿海地区，一般水中杂物较多，蛙人探测声呐易受到影响，导致无法准确识别入侵者；

3)在港口等船只较多的沿海地带，由于船只航行会产生一定的气泡，这些气泡也会干扰探测声呐的工作，如何有效减少干扰气泡或排除船只气泡对声呐的影响，是一项急需解决的问题；

4)在探测距离上仍需进一步的提升。

结束语

随着水下装备技术的不断发展，蛙人、UUV 等水下小型设备的探测与识别日益凸显其重要位置，尤其是在沿海经济带及港口等重要场所，如何有效地探测到潜在的危险对于港口安全具有十分重要的意义，蛙人探测声呐作为一种有效的检测手段被各国逐渐重视起来。虽然我国在蛙人探测方面较一些国家晚，但目前也取得了很大的成绩，在某些方面已经接近国际先进水平。随着蛙人探测数据的逐渐丰富以及多波束形成技术的发展，未来的蛙人探测声呐性能一定会有进一步的提升，展现出全新的面貌。