声呐蛙人声呐探测系统研究进展

声呐蛙人声呐探测系统研究进展

2008年11月在孟买发生了令人震惊的恐怖袭击事件，死亡195人，295人受伤，被喻为印度的“9.11”，经核查，恐怖分子是由近海乘坐橡皮艇从港口登陆的，这起事件清楚地表明近海/近岸水面或水下探测技术水平的缺失已经成为军用及民用港口安全体系的阿基利斯之踵，将可能遭受到来自恐怖分子或敌对敌方特种作战蛙人的袭击。

从二战以来，采用水下隐蔽袭击港口设施和停泊军舰的战例十分多。2003年，停泊在也门的亚丁港的美国战舰“科尔”号突遭一艘不明身份，满载炸药的橡皮艇的自杀式袭击，携带的炸药将军舰左舷撕开12米长4米宽的大洞，17名美军殉职，37名美国水兵受伤。2008年，泰米尔的猛虎组织的海虎突击队员突破斯里兰卡的亭可马里港的严密防护使用一枚威力巨大的水下炸弹炸伤了一艘斯里兰卡海军的军舰。

近年来越来越多使用蛙人进行攻击的现象说明人们认为从水下对停泊在码头的船只进行攻击是一种相对容易的方法。因此使用声纳或其他技术设备对港口的出入航线等地进行水下监视是应对毒品走私、水下攻击的必要的措施。

敌方蛙人隐蔽进入港口或海岸水域对海军舰艇或民用船只进行攻击方式将不仅对军事安全，同时对民用全球贸易和海运的安全产生威胁。另外，使用水下潜入的方式在毒品走私和恐怖袭击中应用也越来越多。

一、蛙人探测声呐的作用

过去且在现在的许多地方，对水下安全的排查采用的是派遣一个战斗蛙人小组进入相应的水域搜索，这是一个花费大且耗时的工作。采用声呐方式不仅节约经费并且重要的是提高了实时性。

在声呐探测中，时间的花费是必不可少的，然而在水下运载具的帮助下，敌对蛙人的运动速度是很快的。为了挫败敌方破坏意图，声呐系统不仅要把敌方蛙人的信号从复杂的混响背景中分辨出来，并且对其进行的分析越快越好，因为时间就意味着生存或死亡。

由于日益增强的威胁，水域安全问题得到越来越多的重视。主动式、高频率、多波束声呐技术是当前应对水下威胁最好的技术手段。探测距离有限的3D声呐技术对这种安全防护的努力是有补充作用的。但是，由于价值昂贵，

使用大量3D声呐单元进行安全监测经费是难以承受的。对于受限的、高混响环境下，如海峡和运河，当多波束声呐不能的有效工作时，单波束声呐可以产生聚焦的窄波束，从而构成蛙人探测系统或高机动性的移动声呐探测点。

近些年来蛙人探测距离已经有了显著的提高，目前接近了理论上的极限，在可靠性和一致性上仍然在取得进步。声纳系统在过去的十年间的进步主要集中在硬件系统、跟踪软件及数据融合及系统集成等关键领域。

二、硬件系统在轻便性和探测距离上的进步

过去几年里，声纳系统在硬件上最显著的进步就是增大的水平探测视野，从90度到180度，再到现在的360度。这使得人们可以用它快速地监测更广阔的地域。有意思的是，一些声纳技术具备了调整垂直视野的能力，使得波束在垂直方向上可以扩展或缩窄来应对不同的监测需求。

另外，更小型、轻便的声纳单元的发展成为另一种可喜的技术进步。人们可以方便地将这些轻便的声纳单元灵活地部署到港口不同的地方，或者是码头上来临时地保护一些重要目标，如来访的昂贵船只或在码头上的重要活动。

美海军的研究证实，最适合于蛙人探测的声波频率位于85~100kHz之间。

除了使用多波束技术外，单波束声纳对多波束声纳在两个方面可以提供辅助：第一，在有限的探测范围上实施信号覆盖；第二，对近距离的蛙人确认上提供一种成像的工具。单波束(机械扫描声纳)操作原理与雷达波束扫描十分类似，使用一个窄条、高密度的波束来实现高分辨率的成像。多波束声纳，在一次发射动作中同时发射多个波束来覆盖相当宽泛的范围，工作频率为70~200kHz。其工作频率略低于搜索声纳，但功率更高，使得其探测距离更远，提高了探测蛙人的效率。然而，这通常也是距离与分辨率的一种平衡结果。

计算机硬件的进步，尤其是双核与四核处理器的发展，使得声纳处理器硬件的耗费和尺寸稳步下降。网络服务器的可靠性和可接入性的提高，不仅减少了计算的代价同时也改善了系统的的可靠性。刀片服务器通过分布式的处理提高了系统的可靠性，具备当出现问题时通过处理设备的冗余自动地将处理过程转移到不同的刀片(处理板)上去的能力。

为了确认目标是否存在，根据指令派遣一种像鱼雷的小型ROV(水下机器人)根据蛙人探测系统提供的引导自动航行到目标附近的新方法出现了，这种能力是以前不具备的。并且根据国际水下安全公约来处理水中目标，如果仅仅

是无威胁的游泳者或潜水员，使用水下扩音器等设备驱使他们离开警戒水域。

三、软件系统改善成像的分辨率并减少虚警概率

蛙人探测重要的目标之一是减少因为海洋生物造成的虚警。探测处理中通常使用两种不同类型的软件系统。一是声纳处理软件，用于操作声纳头、处理反射回波数据；另一种是自动探测跟踪软件，用于探测、跟踪及威胁等级分类。内建的处理算法采用了人工智能将那些具有水面或水下游泳者特征的信号挑选出来。其它的许多探测参数用来将可能具有威胁性目标进行更细致地分类。这些领域的进步包括更好的可靠性、更低的虚警率、更强的能力来分辨是携带开式呼吸具、闭式呼吸具或水下运载具的蛙人。

使用无自动目标探测与跟踪软件的多波束或单波束声纳系统也是可行的，但是这种情况下需要大量的受过良好训练的操作人员不间断地查看声纳回波图像。由于工作强度大，这些操作人员容易疲劳，为了保证他们的警惕性，必须实现比较密集的轮班，这必然导致对操作人员进行培训的大量费用。

当前海军面临的一个重大挑战就是缺乏能够熟练操作探测系统的人员。因此，海军不断找寻高端但是却好用的技术，能够填补军事需求与使用成本需求之间巨大差距和并且能够用于辅助训练。一种当今的新技术就是为了训练目标的蛙人航迹仿真系统。近期的更加优秀的自动探测算法和计算能力的提高，大大改善了系统的可靠性，并且许多商品化的、货架式的技术已经能够达到海军长期应用的水平。

美国海军发展的最早最有效的反蛙人系统是：AN/WQX-2。在这个系统中，声纳头与声纳处理器、自动探测与跟踪软件构成的探测器可以清楚地分辨蛙人。最近，Kongsberg Mesotech公司将其声纳头DDS9000与防卫者II型自动探测与跟踪软件配置组合研制新式蛙人探测系统。系统输出的目标航迹数据送入防卫者X型软件系统，它能融合高达10个系统的数据。目前警戒系统的目标就是提供尽量早的预警来保护目标不受到攻击。在一个更大规模上，可以使用Kongsberg的C-Scope软件系统融合蛙人探测声纳、雷达、自动识别系统(AIS)等警戒系统的数据用于构建一个更全面的水域安全态势图。

除了能够自动探测和跟踪目标，今天的软件系统能够以标准的军用格式用于监视系统的显示输入，或者送入其他的命令与控制系统(C2)。这种方式的好处是所有的目标跟踪数据都能显示在C2系统上，用于快速反应行动的指挥。

一旦目标被发现，指挥官将收到报警信息及目标的航迹信息。

目标被发现后，系统将进行一系列的测量来判断目标是否已经触及了跟踪算法的门限。如果是，则由指挥机构来决定如何应对正在接近的威胁。在当今已经扩展了的军事斗争环境中，恐怖分子对脆弱的港口城市、海岸线、停泊的船只实际的袭击中，数秒钟的时间可能就是船毁人亡或恐怖袭击被阻止的差别。

四、数据融合及系统集成

应对在远离上发现蛙人并保持不间断监视的挑战，可以综合应用多种类型的探测器。采用主动、被动声纳，同时结合雷达或其他传感器通过整合互补的功能，可以增加探测的可能性。一个例子是对表面雷达、声纳和自动识别系统的组合，这种水域警戒系统能够识别友方的水面船只、不明身份的船只和水下威胁。

在港口管理部门及执法部门中，一种全面的安全监控系统十分重要。在这些系统中通常包括多功能声纳、雷达、光电、AIS和卫星数据的输入。这些系统共同运行在一种实时监控系统中，使用多显示屏的全面融合系统来处理水面及水下攻击。

由于硬件与软件系统的共同进步，水下蛙人的探测技术有了长足地进步。

优异的性能：

1．覆盖直径达3000米；

2．提供足够长的反应时间；

3．可灵活配置地用于探测任何大小的威胁和目标信号强度；

4．可同时处理超过1000个目标；

5．提供一种可灵活缩放的显示功能来调查目标。

模块化灵巧性的结构：

1．适应不同覆盖范围配置的传感器：120°、240°、360°；

2．一种系统具备两种版本来支持用户的安装需求：

(1)系统具有内置的水下电子系统，安装于海床上；

(2)安装于码头上，电子系统在水上；

3．多个单元可以同时工作，并且汇接到同一个控制显示单元。

完全的自动化

1．自动探测；

2．自动跟踪；

3．自动分类；

4．自动报警；

容易集成：

1．开放式的软件体系，使得系统与其他类型的传感器容易集成；2．能够同时送入港口监视系统或其他的命令与控制系统。

支持与反应力量的指示联络：

1．定位威胁具有高度准确性；

2．战术态势图像的高更新率；

3．可以与反应力量进行实时的联系；

友好的人机界面：

1．基于windows的软件，具有直观的显示风格和菜单；

2．包括多种元素：多种显示格式、目标数据、警戒区域及其它。适于长期使用的健壮性的系统：

1．工作于任何气象、水文条件下的全年工作时限；

2．在5米的距离上可承受0.2公斤TNT爆炸的冲击；

3．内置的冗余设计；

用户的低成本：

1．高可靠性；

2．便于维护。