蛙人探测声纳的研究与应用

蛙人探测声纳的研究与应用

0蛙人探测纳探测技术目前，国外恐怖袭击发生得多。就水域反恐安保来说,目前水域监控安全措施多数集中覆盖水面以上的区域,而水下区域安保环节薄弱,恐怖分子完全有可能利用水下蛙人、机器人以及小型水下运载器等从水下乘虚而入,对水域重要设施进行破坏,造成重大财产损失,人员安全受到威胁。因此,尽快建立起一套完备的水下安保机制,对重点水域实施严密监控,保证关键设施的安全是相当有必要的。目前,世界上很多发达国家基本上都从事了重点水域水下防护与监控的研究和设备开发工作,其中最主要的监控设备便是蛙人探测声纳。当蛙人不依赖于运载器在水下行动时,对港口等重点水域设施的威胁相当大。由于其体积小反射回波太弱,只有蛙人探测声纳能够探测到。因此,蛙人探测声纳是水域防御的关键设备。蛙人探测声纳通常采用高频主动声纳探测技术,并具有高分辨率,实时声图等特性,其探测范围在几百米至上千米,工作频率一般为60～100kHz。常布放在岸边或海(江)底,可以实现对蛙人、游泳者以及小型水下运动目标的自动探测、跟踪、识别与报警,是目前对海港、码头、海上石油平台、舰船系泊区等重点水域进行水下监控的主要设备。蛙人探测声纳系统的方位分辨率越高,就越有利于对目标的探测和识别。然而,由于水下声传播的特性为水下声波信号衰减与信号频率成正比,所以,同等条件下,频率越高,衰减越快,有效传输距离也越近。蛙人探测声纳运用于水下安保,就需要有尽量远的探测距离,以达到较长的预警处理时间。目前蛙人探测声纳的设计主要受到分辨率和作用距离的制约。1ds-65系统英国Sonardyne公司的哨兵系统,能够跟踪水下目标,鉴别目标危险等级。其特点为360°全方位探测、探测追踪距离远、误报率低,很少发生跟踪目标信号断开的情况。英国QinetiQ公司开发的Cerberus蛙人探测声纳,其工作频率在70kHz,可以选择从30°～360°全方位对800m范围内可疑目标进行探测,并且可在水下500m距离内识别出人类所特有的胸腔。加拿大C-tech公司的CSDS-85是第5代高性能海港监测声纳,它的工作频率为80kHz,信号类型只有连续波CW(ContinuousWave),带宽为3kHz,探测量程为多档可选,最大能达到2000m,能够360°水域全方位监视,也能选择扇面监视范围。它既可以单一地在海港口展开监视,也可以多台声纳构成网络联合工作,组成较大的监控区域。以色列DSIT公司开发的一套蛙人探测声纳(DDS),在强烈的海洋噪音和水生物混响条件下,远距离探测封闭式呼吸蛙人,并且保持最低的虚警率,工作频率是60kHz,信号类型不仅有CW还有FM(FrequencyModulation),带宽最长为20kHz。由于DDS采用了相对很低的工作频率(60kHz)和相对更大的阵列,并且运用了先进的信号处理算法自动探测、跟踪和分类,因而具有较大的探测距离,其最小的探测距离达到700m,可以提供十几分钟的反应时间,以阻止蛙人入侵;而对于开放式呼吸器的蛙人,它的探测距离可以达到1000m以上;至于有动力系统的蛙人运载器,DDS的探测距离最多能够延伸至2000m。该系统可以选择5种配置方案,包括可覆盖360°,270°,180°或90°扇面的固定设备,及360°扫描阵列。系统能够自动跟踪目标,并以三维的图像显示,同一时刻最多能跟踪20个目标,且运用目标图像特征提取和图像处理技术对目标进行分类。2水下异常探测成像国内对蛙人探测声纳的研究是近几年来才逐渐展开的,并曾在青岛奥帆赛的水下安保中得到了成功应用。而最新的2010型反蛙人探测声纳由上海船舶运输科学研究所与中国科学院声学研究所联合研发生产。该声纳系统覆盖范围从90°升级为180°,工作频率为70kHz,宽带滤波器带宽为10kHz,有CW以及线性调频LFM(LinearFrequencyModulation)2种信号形式,带宽从4～20kHz不等,能很好地调节分辨率与作用距离的关系,达到较好的状态。为了很好地匹配水下复杂地形,它还能调节垂直相控发射,最大调节为±15°。在复杂多变混浊水域条件下有效探测水下危险目标,探测距离大于200m(在清澈水域达到500m以上),并自动跟踪识别,在危险目标进入警戒区域时立即给出报警。其技术指标达到国内领先水平,技术难度国际领先。此外,该声纳能实现多台声纳之间的同步工作,抑制相互影响以及各种干扰,以达到更大探测范围的需求。这是蛙人探测声纳在水下安保运用方面的重要发展方向。3发射指向性指数ls2010型反蛙人探测声纳采用多通道水声接收机和多路相控发射机电路。在详细介绍该声纳系统的工作原理之前,先来了解一下它的收发机电路的声纳方程:SL=2ΤL-ΤS+ΝL+DΤ(1)SL=2TL−TS+NL+DT(1)式(1)中:SL为声源级;TL为传播损失;NL为噪声级;TS为目标强度;DT为检测阀。传播损失(以探测量程500m计算)为2ΤL=30lg(r)+2αr/1000=30lg(500)+2×25×500×10-3≈106dB(2)2TL=30lg(r)+2αr/1000=30lg(500)+2×25×500×10−3≈106dB(2)式(2)中:吸收系数α=25dB/km。噪声主要由3部分组成,即环境噪声级(NL1)、舰船自噪声级(NL2)、电噪声级(NL3)。环境噪声级ΝL1=ΝLΤ-DΙs+10lgB(3)NL1=NLT−DIs+10lgB(3)式(3)中:DIs为换能器接收指向性指数;B为滤波器-3dB带宽(Hz)。先计算换能器指向性指数DI,接收指向性指数由接收换能器的波束开角为2°×30°,可得DΙs=10lg(4πSλ2)≈10lg(4πθΗθv)≈10lg4π/(2×π/180)(30×π/180)≈28.4dB(4)DIs=10lg(4πSλ2)≈10lg(4πθHθv)≈10lg4π/(2×π/180)(30×π/180)≈28.4dB(4)发射指向性指数由发射换能器的波束开角为5°×30°,可得DΙf=10lg(4πSλ2)≈10lg(4πθΗθv)≈10lg4π/(5×π/180)(30×π/180)≈24.4dB(5)DIf=10lg(4πSλ2)≈10lg(4πθHθv)≈10lg4π/(5×π/180)(30×π/180)≈24.4dB(5)再计算水分子热噪声ΝLΤ=-15+20lgf0=-15+20lg70≈22dB(6)NLT=−15+20lgf0=−15+20lg70≈22dB(6)式(6)中:f0为信号工作频率(kHz)因此,ΝL1=ΝLΤ-DΙs+10lgB=22+40-28.4=33.6dB(7)NL1=NLT−DIs+10lgB=22+40−28.4=33.6dB(7)舰船噪声级ΝL2=ΝLs-DΙs+10lgB(8)NL2=NLs−DIs+10lgB(8)式(8)中:本舰噪声级NLS保守估计为40dB。由于蛙人探测声纳与舰船有一定的距离,因此本舰噪声级一般小于40dB(无指向性),由此计算得ΝL2=ΝLs-DΙs+10lgB=40-28.4+10lg10000=51.6dB(9)NL2=NLs−DIs+10lgB=40−28.4+10lg10000=51.6dB(9)电路自噪声级ΝL3=20lgv-Μx+10lgB=20lg(10×10-9)-(-190)+10lg10000=70dB(10)式(10)中:v为前置放大器等效输入端噪声,值为10nV/√Ηz;Mx为接收机灵敏度,值为-190dB;B为滤波器-3dB带宽(Hz)。由于环境噪声和本舰噪声对换能器来说都有指向性,而电路噪声没有指向性,所以总的噪声约等于电路噪声,即NL≈70dB目标强度以开式蛙人计算:TS=-25dB检测阈DT根据指标要求从检测特性曲线上可以查得检测指数d=16,因此,DΤ=10lgd=10lg16≈12dB最后根据声纳方程,可以得到声源级为SL=2ΤL-ΤS+ΝL+DΤ=106-(-25)+70+12=213dB(11)声纳硬件部分由多路发射通道、多通道水声接收机电路以及信号处理机组成。多路发射机瞬时发射高压峰,峰值高达600V以上,最高能发射10ms脉宽的高压信号,发射距离远、能量高,经过CW或者LFM线性调频信号调制以后由发射换能器转换为声波向水中发射,经过探测到的水下目标反射后以回波形式返回。平面接收阵接收到回波后换转为微弱电信号送给多通道水声接收机,接收机将信号做多级放大、滤波处理,然后送给信号处理机作相关处理,抑制混响,提高输出信噪比,最后送到显控终端以实时声图形式显示。现介绍该声纳系统收发机电路的设计。发射机主要由发射机板以及多路发射模块组成(见图1)。图1中,发射模块完成发射信号的隔离、逻辑保护、驱动和功率放大(见图2)。发射模块的功率输出可依据设备声源级计算求得,声源级为213dB,发射换能器灵敏度Mf为170dB,单基元阻抗Ri为80Ω左右,因此,发射电压Vi为20lgVi=SL-Μf=213-170=43dB(12)计算得Vi为141V,单基元发射瞬时功率为Wi=Vi2/Ri=1412/80=250W,瞬时总发射功率为Wf=8∑i=1Wi=250×8=2000W。发射模块给出的发射信号,最后经发射机板上的变压器匹配后送给发射换能器进行能量转换(见图3)。多通道水声接收机由接收机板及多路接收模块组成,由于接收通道数较多,设计为主从结构(见图4)。图4中:接收模块由前置放大器、可控增益放大电路、带通滤波器以及多级固定增益放大电路组成(见图5)。在多通道设计中,通道间的相位一致性是非常重要的,接收机各通道引入的附加相移不同对后续的信号处理(波束形成)会产生很大影响。为了取得较好的相位一致性,采用模块化微型设计,单条接收通道的硬件电路长不足5cm,宽不足1cm,减小了电路本身的分布电容以及元器件之间的差异性带来的影响,并且做出最为合理的相位一致性排序,保证单套接收机内各通道的相位差异在±0.5°以内,幅度一致性保证在±1dB以内。DSP板为接收模块提供控压信号,控压信号通过接收机板反相后输出至接收模块。接收机将接收模块输出的信号进一步处理,使得信号完全处在DSP板认识的范围内。为了得到较为合理的动态范围设计,先计算最大增益,设备最大工作距离处回波最弱,接收增益最大。最远点r为500m,接收灵敏度Mx为-190dB,发射声源级SL为213dB,计算最远点对应接收信号的强度为Vomin=10-(SL+Μx)/20=10-1.15=0.071mV,接收模块输出期望值700mV,此时可以计算得到接收模块最大增益为80dB。同样计算最小增益,接受信号在盲区临界点最近,回波最强,接收增益最小。设盲区距离为2m,已知接收灵敏度Mx为-190dB,且计算得到发射声源级SL为213dB,通过计算可以得出盲区点对应接收信号的强度Vomax为200mV,接收模块输出期望值700mV,此时可计算得出接收模块最小增益为10.9dB。因此,要求动态增益范围为80-10.9=69.1dB。设计中采用可控增益放大芯片,其可控制增益范围为-40～40dB,满足需求。前置放大器的增益设置受输出不失真的限制,所以前置放大增益不宜过大,设置为30dB,可控增益为±40dB,二级固定增益设为20dB,滤波器电路基本无增益,三级固定增益设为20dB,最大总增益为110dB。4中国青蛙检测先进技术4.1改进带宽信号的信号特性由于探测蛙人的回波强度较小,因此,为了得到较高的探测有效距离,就要尽可能的提高信号强度,同时抑制混响的影响。一般来说,声纳系统提高信混比都从2个方面考虑:1)从信号形式和系统设计角度进行改进。最初蛙人探测声纳采用CW信号,CW信号的脉冲宽度决定了距离分辨率,信号脉冲越长自然能得到更大的探测距离,但是发射太长的CW脉冲又会影响到距离分辨率。因此,为了解决探测距离与分辨率这一对矛盾因素,进一步抗混响,改善信噪比,信号形式改用宽带信号。它的距离分辨率由带宽决定,因此可以发射长脉冲来改善信噪比,从而在不减小距离分辨率的基础上探测更远距离的目标;2)从信号处理方面入手,在输入信混比一定的情况下,尽量抑制混响来提高输出信噪比。为了更有效地对小目标进行探测,需要在信号处理上采用一系列的方法来进行背景平稳化,抑制信道的频率选择性,保证信号平稳,显示声图更为精细。为减小盲区范围,增大探测距离,采取自动图像配准、动静目标的分离等一系列技术,扩大有效自动探测和跟踪范围,提升声纳检测性能。4.2非平滑型水下地形的相控发射技术声纳性能的发挥必须适应它工作的水域环境,国内新型蛙人探测声纳采用垂直相控发射技术实现声纳与复杂水域环境的自适应匹配。对于非平坦型水下地形,采用垂直方向的相控发射技术解决了复杂地形下声纳覆盖范围和声纳混响之间的矛盾,同时巧妙避开了大束宽造成的能量发散问题。实现了声纳盲区抑制和混响抑制的完美调和,使得蛙人探测声纳在复杂地形下发挥更为精准的探测作用。4.3运动目标检测为实现混响背景下的运动目标自动跟踪,国内最新型声纳采用动静目标分离算法,即把图像信息分离为运动目标图像与静态目标图像,再通过一系列手段进行图像处理,完成运动目标的提取和检测。采用基于交互式多模型的滤波器蛙人目标轨迹提取算法和基于多信息联合贝叶斯准则的多目标轨迹判别与关联算法,实现同一时刻跟踪多个目标,并以声图显示。采用基于心理声学参量和基于运动特性参量的水下运行小目标识别算法以及