水声信标在救助与打捞中的应用

◎ 杨松 张琼 曲元鑫 曲加圣

水声信标在救助与打捞中的应用

◎ 杨松 张琼 曲元鑫 曲加圣

水下声信标是为海上作业人员或重要设备落水后进行搜救与打捞，并为落水人员救助，设备打捞提供准确位置，在救助与打捞中节省人力、物力及时间。

水下定位 人员救助 设备打捞

引言

我国海岸线总长为3.2万公里，其中大陆海岸线1.8万公里，岛屿海岸线1.4万公里。从事海上作业人员极其广泛。这些作业人员在海上作业时极有可能发生人员或设备意外落水现象，一些重要设备一旦落水，在茫茫大海进行打捞犹如大海捞针，十分困难。

近年来随着海洋经济的迅速发展，海上作业迅速增长。由于海情海况非常复杂，加上寒潮、雾季、台风以及人为因素等的影响海难事故日益增多，给海上搜救工作带来很大的压力，同时搜救手段的落后致使搜救的成功率很低，搜救时需要动用大量的人力、物力和时间，耗费大量的资金。而人员落水在天气和海况较差时救援也是比较困难的，特别是在夜间更为困难。为了安全，目前按照国际海事组织及我国海事有关规定，海船上大多安装有VHF电台、海事无绳电话、GPS定位系统以及卫星船站等通信救援设备。海上作业人员通常配备的海上救生物品包括救生船、救生电台、联络用的光烟管、海水染色剂、太阳反光镜、闪光器、信号枪、罗盘等。但目前配备的救生物品几乎全部需要人员手工操作，一旦事故发生，人员出现昏迷或因伤无法操作时，这些救生设备将失去作用；并且现有救生设备只限水面以上使用，如果设备和人员沉入水中则无法进行联络，更不能对落水人员进行搜索定位。

1、国内外发展

基于海事活动及军事发展的需求，国内、外都在积极研究发展水下探测定位技术，作为水下目标的搜寻，重要设备的海上定位手段。在水下探测定位技术日趋成熟，设备体积、可靠性等都已满足人员搜寻的要求，目前已作为海军航空兵落水搜寻的一种新的有效手段。

国外研发的航母战斗群人员落水指示系统，该系统是通过每个舰员佩戴信标，当有人落水时通过舰员身上的信标进行人员身份识别，迅速进行定位，美国的水声通讯信标，如图1所示，用于救生设备的定位，其入水即上电工作，利用声信号及无线频道发送呼救信息。图2为国外水下小型水声信标，其入水即上电工作，发射指定频率的CW脉冲水声信号。

目前国内主要依靠空中无线信标定位，有时甚至依靠搜索飞机上搜救人员目测寻找如救生装置中的被染色剂染色的海水，落水人员发射的信号弹，太阳反光镜的反光，夜间冷光管的光线等。图3为依靠烟雾定位的海上救援工作场景。

图1 水声通讯信标

图2 国外小型水声信标

目前水上作业人员大多数只是携带发射无线电波和烟雾等一些救生设备，当落水人员沉入海底或失去知觉时这些设备都无法工作。而当重要设备落入水中，由于广播和电磁波在水中的衰减非常大，远不能满足人们在海洋活动中的需要，打捞搜寻工作更为困难。

图3 依靠烟雾定位的海上救援工作场景

为弥补上述问题，利用声波信号能够在水下探测、通讯、导航等特点，研发一种入水即可工作的声信标，为救援和打捞提供准确示位，利用声信标对水下目标进行示位是海洋考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段，本文以声信标为关注对象，应用于水上、水下作业的各个领域：

海洋生物科考保障

海上集装箱运输安全保障

渔业船只安全保障

水面作业人员安全保障

水下作业人员安全保障

2、水下声信标的安装及特点

本文所介绍的水声信标是一种小型、独立工作的设备，可固定安装在设备上或被人携带。该声信标尺寸较小（如图4所示），通过固定卡具安装在设备上；信标安装在人员身上的时候，采用尼龙带附着，捆绑在水上作业人员腰上或者腿上（如图5所示）。声信标入水自动工作为打捞和救助提供有力保障。

水下声信标具有体积小重量轻、便于安装和携带，水下工作时间长，入水即工作等特点。

图4 水下声信标

图5 水上作业人员的声信标佩戴方式

3、声信标组成与工作原理

本文所述水声信标的工作环境要求水声信标体积小，工作时间长，水下耐压性能好，入水自动工作。水声信标主要由水密壳体、发射模块、控制模块、电极和电池组成。图6所示声信标结构示意图。发射模块、控制模块及电池紧密固定后，安装于水密壳体内；水开关电极裸露在水声信标一侧外表面；电池密封盖位于水声信标另一侧，便于进行电池更换。

水声信标采用水开关控制工作，入水之后自动上电工作，无需人员操作。为了节省空间，内部控制电路与发射声音的压电陶瓷一体化设计，其余空间留下安装电池。

图6 声信标结构示意图

水声信标壳体上具有电极端，电极端与壳体同处在水中时由于水的导电作用，水声信标上电工作。当水下声信标离开水后，电极端与壳体之间的联系被切断，内部电源控制电路休眠，声信标停止工作。

声信标入水工作后，内部电路被激活，连续周期性发射固定宽度的声脉冲信号，信号为固定频率的单频信号。信号形式采用周期性声脉冲信号，能够便于检测的脉冲宽度，填充频率为30～50kHz内单频信号，填充信号由两路相位相差180°，具有一定占空比。单片机的两路比较器负责输出信号。控制模块产生两路相位相差180°脉冲信号，由功率放大三极管输出到高压电路模块，通过水声换能器发射水声信号。

4、水下声信标探测与定位原理

4.1 探测与定位

水下声信标探测搜寻已是一项成熟的技术。我们利用指向性水听器接收声信标信号，处理声信标信号将其转换成音频信号，通过处理后的信号的强弱判断声信标方向，音频信号最强时接收换能器所对应的方向即为声信标所在方向，通过两个全向水听器接收到声信标时间差，结合即时GPS定向信息将测得的声信标方向转换成大地坐标系下的真方向，同时结合即时GPS定位信息解算出当前探测点大地坐标系下的定位射线，计算不同探测点的定位射线的交点得到水声目标定位点。

4.2 探测与定位原理

图7 定位方法示意图

定位方法是一点定向两点定位。如图7所示，图中坐标系为大地坐标系，P为待测的声目标，A、B为两个测量点。分别获得A、B两点的坐标及真北方向与射线AP、BP的夹角，即可解算出目标方位。

假设A点坐标为a1、b1，B点坐标为a2、b2，P点坐标为Xp、Yp，真北方向与AP、BP的夹角分别为α1、α2，那么P点的坐标值Xp、Yp可由射线AP、BP相交而得：

对1式方程组进行变换、求解：

A点坐标和B点坐标由GPS给出，通过2式可得到P坐标。

5、结束语

这种小型、高效、独立工作的水声信标体积小，适合安装在贵重仪器上及水下作业人员身上携带，入水既工作，无需任何操作。现已在某些领域得到了很好的应用。希望这种既实用又经济实惠的产品能够为人们开发海洋资源提供更多的保障。

作者单位: 大连测控技术研究所

[1] [美]A.V.奥本海姆 R.W.谢弗著.董士嘉，杨耀增译.数字信号处理.科学出版社，1986.

[2] 康华光.电子技术基础.高等教育出版社，1988.

[3] 刘伯胜，雷家煜.水声学原理.哈尔滨工程大学出版社，1997.

国家科技支撑计划资助项目（2013BAK03B06）