海洋论坛▏蛙人水下信息系统发展综述
一、引言
蛙人是指接受过特别训练，能够浮潜或水肺潜水，并且具有水下作业和战斗能力的潜水员。主要有水下潜水娱乐，施工打捞，搜索救援和两栖作战等蛙人，分布于水下旅游、生产、救援、治安和特种作战等广泛领域。
水下环境与水上有着很大区别:(1) 能见度低，目视距离只有几米;(2)方向感差;(3)通信困难。当蛙人需要长时间，大范围水下作业时，无法搜素或准确到达预定目标，容易在水下失去方向，无法和水面或水下队友进行通信。这不但降低蛙人水下作业和作战效率，还会对蛙人心里造成巨大压力。特别是在军事领域，蛙人侦察部队需要远距离水下泅渡渗透，以上因素导致蛙人难以准确到达预定区域，或完成任务后不能准确返回水下母舰，蛙人作战小队无法相互定位，易于失散，缺少通信联络，无法指挥与协调作战。这些都将直接关系蛙人水下作业效果或作战任务成败，甚至危及蛙人生命安全，也是蛙人水下信息系统寻求解决的主要问题。
蛙人水下信息系统主要用于蛙人持续潜水作业或作战过程中的通信、引导、定位，导航和水下探测低等信息保障。系统主要包括蛙人水声通信设备，水声信标及定位设备，水下导航设备和水声探测声呐设备等。
二、蛙人通信设备
水声通信设备用于潜水员与岸上指挥员之间的通信。传声器将指挥员的声音信号转换成电信号，电信号通过主机处理器转换为超声波信号发送到水里。超声波信号处理器接收到信号后，将其转换为电信号，电信号再通过面罩转换为声音信号传输给潜水员。水声无线通信是蛙人水下通信的主要发展趋势。相比于有线通信，水声通信距离远，可以达到10km，通信设备不影响蛙人水下作业，特别适合水下作战蛙人使用。
目前，蛙人水声通信设备主要采用单边带模拟语音通信技术。国外产品主要以OTS 公司为代表，其通信距离为1000～6000m。如图1所示，OTS公司的70W水下通信电台Magnacom® SW-1000-SC2-CH具有A(28.500kHz下边带(LSB))、B(32.768kHz上边带(USB))两个信道，信道A平静海面通信距离达到6000m，6级海况下为1000m。信道B平静海面通信距离达到1000m，6级海况下为100m。其民用版的10W水下通信电台Aquacom®SSB-1001B8-CH支持1～8个通信信道，通信距离200～3000m。
国内自主研发的产品主要有面罩一体式、分体式和基站式通信机，在通信距离、信道数、质量、语音清晰度方面还有一定的差距。其中，某单位开发的双向2000m水下语音通信电台如图2所示。并配有面罩和骨导式传声器。
三、蛙人引导定位设备
蛙人水下引导设备是一种蛙人水下定位装置，一般有信标和信标定位装置组成，蛙人通过佩戴信标可以像信标定位端实时通报自身位置信息，有助于实时掌控蛙人水下活动动态，也可以用于水下设施和目标的位置导引，蛙人通过佩戴信标定位装置，可以定位佩戴信标的队友，到达信标所在目标或地点，起到蛙人水下引导作用。
信标一般周期性地发射定位信号，用于信标定位装置根据信号到达时间和方向进行定位。目前信标主要采用CW脉冲信号，接收装置采用三元短基阵方式进行定向。为了提高信号定向精度，目前正在研究采用线性调频信号和脉冲编码信号进行精确定位。
目前，国内研究蛙人水下引导设备由引导声标器和引导腕表组成，如图3所示。引导声标器可以发送多个信道的引导信号，支持多人小队水下同时引导定位，引导腕表可识别各引导信号，根据接收到的信息来判断引导声标器的所在方位。一般蛙人小队内部定位距离可达1000m以上，对基地的定位距离最大可达10000m以上。
四、蛙人水下导航设备
水下导航设备是一种蛙人水下定位和运动轨迹跟踪导航装置，主要可分为潜水指北针、电磁罗盘导航仪、水声多普勒导航仪和GPS导航仪。其中，潜水指北针是一种较为简单、可靠的导航设备，目前蛙人普遍装备，能够为蛙人指示水下方向信息，需要依靠蛙人自己根据经验和其他信息进行水下运动方向和位置判断。电磁罗盘导航仪是在电磁罗盘进行水下方向判断基础上进行水下运动轨迹跟踪和导航的设备，不但能给出地理方向，还能通过跟踪蛙人运动轨迹给出导航信息。水声多普勒导航仪是基于相对运动产生的水声多普勒原理进行水下导航的设备，通过测量水声回波信号的多普勒频偏得到相对海底或平稳流层的瞬时速度，辅以航向、摇摆、俯仰信息经过时间累积得到蛙人的运动轨迹，在已知起始点和目标点位置的情况下，得到蛙人当前相对目标点的距离和方位，从而引导蛙人在能见度很低的水下到达指定目标点，能跟踪蛙人运动速度和轨迹，给出水下导航信息。GPS导航仪主要由水面GPS 接收天线和水下导航信息显示器构成，根据GPS对蛙人进行精确定位和导航。
以上导航技术中，潜水指北针简单可靠，但仅能提供水下方向，不能提供水下导航信息;电磁罗盘导航仪可以提供导航信息，但会产生误差累计，长时间和远距离潜航时会造成较大偏差;水声多普勒导航仪导航手段较多，能提供蛙人多种运动状态，但也存在导航误差累计的问题；GPS导航仪精度高，但需要水面接收天线，应用受到限制。
综上所述，未来水下导航仪的发展趋势是通过综合利用以上导航手段，将地磁导航、水声多普勒导航结合，借助GPS修正，提高水下的导航精度、可靠性和实用性。
目前，水下综合导航仪具有代表性的有Sharkmarine公司生产的一款水下潜水员导航设备Diver Navigator(潜水员导航器)，该设备集水下导航和水下声纳成像于一体，可在不同水体浑浊度下快速完成目标物体定位、导航和水下环境感知，如图4所示。
图5为某单位研制的电磁和水声多普勒联合导航仪。
五、蛙人水下探测设备
水下探测设备主要用于蛙人感知水下环境信息，主要是对水下作业和作战目标进行探测，常用的有水下强光灯和手持式声呐。其中水下强光灯主要用于水下一般作业，灯光作用距离一般5～10m，蛙人探测声呐可分为定向回波测距声呐和超声成像声呐，探测距离一般在50～200m。超声探测声呐作用距离远，特别适合水下大范围搜索和作战，其中超声成像声呐技术不断发展，最新的多波束成像声呐探测精度高，具有256个以上的波束，角度分辨率在0.18°以上。
目前，在蛙人手持声呐领域技术和产品最为先进的是BlueView公司，其产品覆盖450，900，1350，2250kHz频段，探测成像距离5～175m。主要用于蛙人水下探测，二维/三维成像、UUV等水下导航、避碰等，是各国蛙人水下探测的主要装备。国内的相关产品主要有手持式回报测距仪，手持成像声呐尚在研制中。
六、蛙人水下信息系统
蛙人水下信息系统主要由以上设备构成，但不仅仅只是设备的统称或堆积，而是一种功能联合，设备模块化集成的有机系统。基于减少蛙人佩戴设备数量和质量，考虑可以将水声信息设备进行系统集成，研制通用的蛙人水下信息处理器，通过配备不同的终端按需完成各种信息保障任务。甚至可以集成蛙人生命保障、作业工具盒作战武器等终端信息处理器，系统构成如图6所示。
七、总结
蛙人水下信息系统涵盖了蛙人水下作业和作战过程中所需要的水下通信、引导、导航和探测设备，能够全面保障和提升蛙人执行水下任务的能力，未来其信息处理器将向着更加通用，更加综合和可靠发展，其终端设备的除了向高精度、远距离和高可靠发展以外，将趋向模块化、标准化和多样化发展，可以扩展蛙人水下作战信息保障各项需要，联合提升蛙人水下信息系统保障能力。
【作者简介】文/白峻 曾锋 刘峰 郭晓敏 余俊，第一作者白峻，工程师，中国电子科技集团公司第三研究所，主要研究方向为水中兵器技术；文章来自《电声技术》（2014年第9期），用于学习与交流，版权归出版社与作者共同拥有。
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