0 引言

水下无人搜探系统是以搜探型水下无人航行器(以下简称航行器)为主体的水下无人系统。整个系统功能由母船或岸上部分的指挥与控制功能、操作与保障功能, 1 个或若干个航行器功能构成。其担负的使命任务主要是搜索和探测水下各类静止目标。任务载荷是航行器重要组成部分, 是航行器完成任务的基础和条件。其使用模式与水下无人搜探系统任务类型和性质、任务海域海洋环境、航行器行动方式、任务载荷性能和搜探对象(或目标)特征关系密切。针对上述影响因素, 本文分析和提出水下无人搜探系统任务载荷的使用模式。

1 水下无人搜探系统任务载荷使用模式 1.1 任务载荷类型

按照探测设备的工作原理, 分为声学探测载荷和非声探测载荷。声学探测载荷包括声信标探测仪、侧扫声呐、合成孔径声呐、多波束测深声呐、前视成像声呐等; 非声探测载荷包括水下电视、磁力仪和 CTD 测量仪等。按照探测对象不同, 分为目标探测载荷和海洋环境要素与参数探测载荷, CTD 测量仪属于海洋环境探测载荷, 其他属于目标探测载荷, 有的兼顾海洋环境探测, 如多波束测深声呐等。

1.2 任务载荷性能与功能^[1]

1) 声信标探测仪

使用水听器接收声信标发出的声信号, 属于被动接收声信号工作方式。具备对声信标信号的检测、识别、定位和数据存储功能。工作频率 37.5 kHz, 作用距离 1 800～3 600 m。其功能类似于人耳, 能听到航行器周围的超声波信号。该设备使用航速没有严格限制, 在整个任务海域可能持续使用。用于对失事舰艇、飞机的黑匣子或其他声信标的探测、识别、定位或再定位。该类设备具备对目标声信号的自动识别和定位能力。

2) 侧扫声呐

侧扫声呐等目标成像声呐的功能类似于人的眼睛, 用来观察航行器周围几百米左右的水下目标。侧扫成像声呐安装在航行器两舷侧中线下方。工作时, 发射换能器向航行器两侧下方发射扇形波束的声脉冲, 遇海底(或水下目标)产生反射波, 接收换能器按回波到达的时间先后依次接收。经信号处理后形成二维目标声图像。侧扫成像声呐工作频率在 200～600 kHz 之间, 探测距离一般在 100～500 m 之间, 距离分辨率为 5～8 厘米级。美国的 2200-S 型侧扫成像声呐, 可用在小型航行器上。既可全自动工作, 也可由航行器或水声链控制。通过任务载荷控制界面, 功率放大器的功率输出可以人工选择, 声波发射速率可以人工调节。在水面, 1 台带有 DISCOVER 软件的便携式 PC 机, 显示和储存由航行器卸载的声呐数据。该类设备用于扫侧可能出现在航行器两侧下方的失事舰艇、飞机等较大目标。可在整个任务海域持续使用, 也可间断使用。为确保成像质量, 使用时距离海底高度几十米, 使用航速有一定限制。由于目标图像数据量很大, 航行器机内设备数据实时处理后的信息, 不足以形成可供航行器自动识别和确认目标的情报级信息, 需要通过上行水声通信链将目标图像上传到母船, 由任务数据分析员进行分析与处理后, 再人工识别和确认。

3) 合成孔径声呐

合成孔径声呐也安装在航行器两舷侧中线下方。它是一种新型高分辨水下成像声呐。其原理是利用小孔径基阵的移动来获得移动方向上大的合成孔径, 从而得到方位方向的高分辨力。其分辨率比常规侧扫声呐高 1～2 个量级, 可用于探测掩埋目标。获得这种高分辨率的代价是复杂的成像算法和对航行器运动的严格要求。挪威 HUGIN1000 航行器上采用了 4400 型合成孔径侧扫声呐系统。该系统由水下声发射和接收阵、母船载数据处理和显示控制计算机 2 个主要部分组成。声呐工作频率 120 kHz, 探测最大距离范围 500 m 左右, 水平距离分辨率 10 cm, 实时处理时延 20～60 s, 航行器航速 4～7 km。系统可实时处理合成孔径声呐数据, 其结果可用于数据后处理系统。合成孔径声呐的指令和控制来自水面显示处理器, 未处理的原始图像数据上传给母船上的合成孔径处理器进行处理。处理后的声呐图像发送到水面显示处理器上, 作为最终的声呐结果用于数据显示。该类设备可用于精细扫侧航行器两侧下方可能出现的黑匣子等较小海底裸露或掩埋目标。可在整个任务海域持续使用, 也可间断使用。为确保成像质量, 使用时距离海底高度几十米, 使用航速有严格限制。同样, 由于目标图像数据量很大, 航行器机内设备数据实时处理后的信息, 不足以形成可供航行器自动识别和确认目标的情报级信息, 需要通过上行水声通信链将目标图像上传到母船, 由任务数据分析员进行分析与处理后, 再人工识别和确认。

4) 多波束测深声呐

多波束测深声呐可同时获得与航行器航迹相垂直面内的数十个深度值, 属于回声测深声呐范畴, 通常安装在航行器底部。发射换能器发射一束扇形立体波束, 接收换能器接收海底或目标的回波信号。通过计算机实时处理后, 可获得全覆盖海底地形图及航行障碍物的位置和深度等资料。其工作频率一般为 200～400 kHz, 作用距离一般为 200～500 m, 工作深度 1 500 m。该类设备可用于探测航行器正下方的水下目标。可兼顾用于海洋调查的大面积海底高度测量。可在整个任务海域持续使用, 也可间断使用。为确保成像质量, 使用时距离海底高度几十米, 使用航速有严格限制。同样, 该类声呐不具备对目标自动识别能力。需要通过上行水声通信链将目标图像上传到母船, 由任务数据分析员进行分析与处理后, 再人工识别。

5) 前视成像声呐

前视成像声呐使用自身发射和目标反射的声波, 对航行器前进方向的水中目标进行探测、识别和定位。前视成像声呐工作频率一般在 75～500 kHz 之间, 探测距离一般在 200～500 m 之间, 距离分辨率为厘米级, 垂直波束宽度 15°～27°, 水平波束宽度 128°～165°, 声呐阵工作深度一般在 500 m 左右。当航行器距水面和海底较近时, 受海面和海底反射影响, 有时成像质量难以保证。该类设备能用于对航行器正前方的水中目标进行近距离探测和声学目标成像, 其图像分辨率很高, 可用于目标识别与确认。可在整个任务海域持续使用, 也可间断使用。为确保成像质量, 对航行器航速有一定限制。同样, 该类设备不具备对目标的自动识别和确认能力, 需要通过上行水声通信链将目标图像上传到母船, 由任务数据分析员分析与处理后, 再人工识别与确认。

6) 水下光学成像设备

水下光学成像设备的功能类似于人的眼睛, 能观察到航行器周围几十米以内的水下目标。挪威 Kongsberg Maritime 公司研发的 OE 系列水下照相机, 是高清晰度增强型 CCD 照相机。分辨率为 400～570 电视线, 灵敏度为 1.0 × 10^-5～2.0 × 10^-2l ux, 工作深度为 3 000～4 500 m。该类设备用于近距离拍摄水下疑似目标, 获取目标光学图像信息, 用以人工判定是否为待寻目标, 如沉底水雷或锚雷。通常在整个任务海域短时使用。该类设备成像质量受海水浑浊度和航速影响很大。为确保成像质量, 使用航速有严格限制。同样, 由于目标图像数据量很大, 航行器机内设备数据实时处理后的信息, 不足以形成可供自动识别和确认目标的情报级信息, 需要通过上行水声通信链将目标图像上传到母船, 由任务数据分析员进行分析与处理后, 再人工识别和确认。

7) 磁力仪

磁力仪利用水下目标具有磁性特性, 会影响地球表面磁力线的原理作为探测的基本理论。磁力仪采用被动方式工作, 具有隐蔽性好, 可靠性高, 受水文、底质等海洋环境因素影响小等优点。磁力仪的功能可类似于人的嗅觉器官。根据探测目标磁场强度的不同, 磁力仪作用距离在几米至几百米。G-880 海洋铯光泵磁力/梯度仪, 具有测量磁场、海底深度等功能, 磁力测量范围为 17 000～100 000 nT, 采样周期 0.1 s 的灵敏度为 0.05 nT, 可在航行器上使用。每套 G-880 设备提供一套数据纪录和系统控制的基本软件包, 软件记录了磁力数据及 GPS 数据, 这些数据可在船上或岸上的计算机上显示。磁力仪可在整个任务海域持续使用, 对航行器航速没有严格限制。该类设备可用于目标精确定位和类型辨识。特定时空点的磁特征数据, 可通过水声通信链上传给母船, 便于使用人员对疑似目标的识别和确认。

8) CTD 测量仪

CTD 测量仪的功能可类似于人的触觉器官-皮肤, 能感受到周围海水的温度、盐度和水压。FastCAT SBE 49 型 CTD 测量仪, 传导率测量范围 0～9 S/m, 温度测量范围-5 ℃～+ 35 ℃, 压力测量范围 0～7 000 m, 采样频率 16 Hz, 可以提供非常高的海洋构造和梯度空间分辨率, 最大工作深度 7 000 m。采样模式包括自动采样和选择采样。CTD 测量仪使用时对航行器航速没有严格限制, 可在整个任务海域持续使用。该种仪器作为海洋环境要素和参数探测载荷时, 其测量的原始数据不需实时处理, 可以记录在航行器机内设备中, 特定时空点的测量数据, 可通过水声通信链上传给母船。

1.3 基于任务载荷的航行器态势感知自主水平^[2]

根据航行器态势感知能力的不同, 美国 F2541 标准给出了航行器态势感知自主水平度量的定义：1) 原始。传感器收集的信息未经处理; 2) 半处理。传感器信息经过初步的半处理; 3) 特征。经过过滤、标准化并描绘特征; 4) 聚类。聚类整个时间、空间和/或特征以及多种形态(多种传感器)的信息; 5) 解读。与某些知识数据库进行比较(将特征集与特定真实物体关联)或与某些特征数据库进行比较(数据形态表明真实物体), 以便根据物理测量值来推测物体特征; 6) 推理。与态势或行为特征知识库相关联; 7) 意图。与已知运行模式知识库相关联, 包括识别计划和目的、识别并/或推测意图。根据上述定义, 枚举若干个任务载荷传感器, 以及传感器与航行器和人员的组合方式, 给出基于任务载荷传感器的航行器态势感知自主水平。

1.4 各类任务载荷使用模式

1) 按照任务载荷是否同时或分时使用模式

① 同时使用模式。

即航行器进入搜探海区后, 同时打开和使用若干个任务载荷。优点是获取目标和环境数据多, 不容易遗漏目标。不足是造成蓄电池能源部分浪费。通常, 侧扫成像声呐、合成孔径声呐、前视成像声呐、多波束测深声呐适宜同时打开使用。

② 分时使用模式。

即航行器进入搜探海区开始搜探后, 根据任务载荷性质和性能, 按照一定时间顺序打开预设任务载荷。优点是节约蓄电池能源, 搜探行动针对性较强。如对于搜探黑匣子等发声目标, 先打开声信标探测仪, 当其发现目标后, 引导航行器向疑似目标方向航行, 并激活侧扫成像声呐、合成孔径声呐、前视成像声呐和多波束测深声呐等声学成像设备进入工作状态。由于声信标探测仪探测距离远, 且能够自动识别目标并确定方位, 可以减少成像声呐在不确定位置和方向上的搜索。

2) 按照任务载荷探测距离可分为远距离“粗略”探测、中距离“粗略”探测和近距离定点“精准”探测。

① 远距离 “粗略”探测。指作用距离在千米级的声信标探测仪, 结合航行器机动对水下目标的探测, 用以获取目标概略位置和方向。

② 中距离“粗略”探测。指作用距离在百米级的侧扫声呐、合成孔径声呐多波束测深声呐、前视声呐等成像声呐和磁力仪, 结合航行器机动对水下目标的探测, 用以自动发现水下疑似目标, 获取目标位置、概略声图像和概略磁特征, 并对已观察目标进行初步判断, 为目标图像人工识别和确认提供支持。

③ 近距离定点“精准”探测。指作用距离在 10 米级的水下电视, 结合航行器定点或小半径回转工况, 对水下目标进行的探测, 用以自动或人工识别与确认目标。该探测模式的特点是：距离目标近, 定点或回转工况, 可采用多方位、多角度、变化高度进行观察。

3) 按照搜探目标类型和属性分类

① 对掩埋目标使用合成孔径声呐探测, 其他任务载荷可不开机。

② 对不发声目标, 声信标探测仪不需要开机。

③ 对非磁性目标, 磁力仪不必开机。由此, 节省能源, 避免浪费。在水下无人搜探系统任务载荷实际使用和应用软件设计中, 要综合考虑搜探任务性质、已掌握待搜寻目标情报、海区海洋环境情况、航行器行动方式、任务载荷性质和性能、搜探目标的属性和特征, 统筹各类任务载荷使用时机和策略。在掌握目标位置和属性情况下, 可以采用针对性强的使用策略。

4) 按照使用人员对航行器(含任务载荷)干预程度分类

按照使用人员对航行器(含任务载荷)干预程度, 可大致分为：

① 不干预。是指航行器从布放后到回收前, 航行器和任务载荷始终自动运行, 使用人员在必要情况下向航行器发出指令。

② 弱干预。是指任务载荷通过航行器按一定规则(如按时间间隔、发现疑似目标等)向使用人员报告情况, 使用人员根据报告情况提出处理意见, 航行器按照使用人员的反馈意见, 自主制订航行器和任务载荷规划, 并执行和评估。

③ 中干预。使用人员在航行器行动前, 审查航行器所有行动和任务载荷工作参数和状态, 但不直接操作航行器。

④强干预。是指使用人员使用视频和/或其他传感器, 通过“持续”的通信方式(如光缆通信)直接控制任务载荷, 如连续直接遥控操作航行器的目标成像声呐、水下电视等传感器, 航行器和任务载荷没有主动动作。该模式如同有缆无人潜器(ROV)使用模式, 除了不需要母船供电。

5) 人员干预程度和任务组合的使用模式

与航行器使用模式类似, 任务载荷采用何种使用模式, 与航行器任务类型、任务性质、任务载荷传感器工作原理和基于任务载荷传感器的航行器态势感知自主水平有很大关系。以面向防险救生的水下目标搜探任务为例, 分析给出各类任务载荷传感器人员干预程度。

其中, 声信标探测仪可实时给出目标方位; 磁力仪可实时或近实时给出目标距离和目标磁特征信息; CTD 测量仪可实时或近实时给出海洋环境数据。各类成像声呐和水下电视可以将观察到的目标视频图像截取成静止图片, 按照一定时间间隔或事件触发方式(如发现疑似目标), 将目标图像上传给母船, 经过任务数据分析员的分析和处理后, 由指挥员决策航行器后续行动。

2 结语

正确分析和提出水下无人搜探系统任务载荷使用模式, 对于确定水下无人搜探系统任务剖面、搞好装备应用软件研制和部队训练使用具有重要意义。本文结合国内外水下无人航行器相关任务载荷的功能和性能, 初步提出了任务载荷的使用模式, 所选任务载荷组合使用方式不够全面和完整, 对任务载荷使用时序关系的描述还不到位, 有待于今后进一步研究和丰富该方面的工作。