水下声信标应用现状与发展前景

陈志刚，张伟宁，程 晶

(1.海军装备部沈阳局驻大连地区第三军事代表室，辽宁 大连 116083；2.大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引 言

水下声信标是一种小型声呐设备，一般直接安装在“被搜寻目标”上，入水前处于待机状态，入水后能够发出一定特征的声波脉冲，用于“被搜寻目标”的水下示位。搜寻人员利用飞机空投、船载拖曳吊放、潜器自主引导等多种平台作业方式，使用专用的声呐接收设备，接收声信标发出的声波脉冲，分析信标在水中的位置，实现对水中目标的搜寻定位。声信标最广泛的应用是安装在飞机或舰船的“黑匣子”（飞行参数记录器）上，用于意外情况下沉入水中的“黑匣子”搜寻和打捞辅助引导。“五七”空难和马航370 空难搜寻任务中搜寻的直接目标就是“黑匣子”上安装的声信标发出的声脉冲信号。其中，“五七”空难因搜寻到声信标信号而快速确定了“黑匣子”位置，为成功打捞“黑匣子”提供了重要支持。

声信标作为专用的水下声示位设备，在国外已历经几十年发展历程，一般被称为ULD（Underwater Location Device），美国、法国等欧美发达国家已有多种型号的商用成熟产品，美国制定了行业标准，美国联邦航空局（FAA）规定大多数携带驾驶舱语音记录器和飞行参数记录器的商用飞机必须安装经认证的ULD。声信标因其体积小、安装方便、作用时间长等优点已被日益广泛应用于各类海上活动中，作为发射声源指示目标在水中的位置，比如水声通信、水下定位、海洋测绘、海洋捕捞、海底科学研究、海底资源勘察、海洋工程、水下载体的导航和跟踪、水下军事等多个领域。

1 声信标的原理与分类

声信标依据工作原理的不同，可分为广播式声信标、应答式声信标等。广播式声信标是指声信标以接触海水作为触发方式，可即时工作、可延时工作，以一定的时频特征模式向周围发射声波，但不具备接收声波功能，只发不收，类似广播；应答式声信标不仅具有发射声波功能，还具有接收声波的功能，并能够对接收到的预设编码声波信号进行解码，应答式声信标因其编解码特性能够附带更多信息量，其应答模式有固有的应用优势，但体积与重量相对偏大。

广播式声信标因其体积小、应用方便，用途最为广泛，广播式声信标一般为圆柱形，如图1 所示。主要包括：金属外壳、端盖（含水开关）（A）、电路模块（B）、压电陶瓷（C）、电池（D）等组成。其工作原理是当端盖的水开关与水接触时，激活电路模块（B）中的脉冲发生电路，脉冲发生电路驱动压电陶瓷（C），将电脉冲转换为声压脉冲，通过壳体向外辐射声波[1]。

图1 广播式声信标组成示意图Fig.1 Broadcast style beacon compositon sketch

声信标依据配备对象的不同，可分为多种工作频率，市场上普遍应用的飞机黑匣子航空声信标标准规定采用37.5 kHz 工作频率，对于一些其他应用，比如作业人员、装备设备等配备，考虑体积小和安装方便等因素，一般在20～50 kHz 超声波频段内选择一个频率点作为工作频率，用以区别于黑匣子声信标。此外，在一些对体积与便携性要求不高、对作用距离要求比较远的应用情况下，一般在几千赫兹～十几千赫兹的低频段中选择合适的工作频率，比如安装在飞机机身上用于搜寻飞机残骸。

声信标依据应用场景的不同，可选择不同的材料以及工作模式，比如对于一些技术要求较低的民用领域，可选用低成本的材料以及工艺，降低使用门槛，利于推广应用；对于装载在水中兵器、潜艇等军事敏感应用场景，考虑到应用期间对时间窗口和海域位置的高度机密性，需要对信号编码在一定形式上进行加密；对装载在舰船、浮平台、浮标等长期暴露在海洋环境下的装备设备情况，需要考虑信标壳体表面采用防腐镀层处理以及误触发方面的环境适应性。

2 声信标现状

2.1 声信标产品现状

声信标产品起源于飞机黑匣子坠海打捞需求，欧美国家对该技术已经发展几十年，产品比较成熟，其系列产品在美国由多家公司制造。其中，位于美国伊利诺伊州圣查尔斯市的Dukane Seacom 是全球市场份额最大的公司，其他制造商包括Data Sonics 股份有限公司、Sonatech股份有限公司和EFCOM Subsea Technology 公司也有相应产品。Dukane-Seacom 公司声信标产品主要技术参数见表1[2]。

表1 Dukane-Seacom 公司主要型号信标对比Tab.1 Dukane-Seacom company main model contrast of underwater locating devices

大多数的声信标都是圆柱形。其中，飞机黑匣子应用的声信标工作频率为37.5 kHz，典型尺寸为直径31.75 mm 和长度96.52 mm，可承受6 000 g 的冲击力和6 000 m 海洋深度的静水压力，壳体为铝合金材料，连续工作时间近年来已经由原来的30 d 增加到了90 d。

国内声信标产品研发至今已有十余年，虽然起步较晚，但也已经研制了多种型号的声信标产品，并逐步形成系列化。主要生产商有大连测控技术研究所等，其产品已在多型海上装备试验中大量应用，依据搭载平台的不同，工作频率一般在几千赫兹～几十千赫兹之间。产品技术特征包括了多种外形尺寸、多种信号频率、多种功率特性，并且支持按需个性化定制，产品性能已达到了国外同类产品的技术水平，技术指标与美国DK120 和DK140 声信标相当，符合SAE AS8045a标准。

2.2 声信标标准

目前，声信标的设计与生产都使用或参照美国的信标标准，如表2 所示。这些标准全面规定了设计和生产水下声信标的最低性能要求、环境要求、使用电池要求以及软件要求等[3–4]。

表2 美国水下声信标主要标准Tab.2 America underwater locating devices main standard

我国和欧洲使用的声信标标准都是由美国上述标准演变而来，标准命名是在原名上加区分符，如欧洲命名为ETSO-C121b，而我国命名为CTSO-C121b。我国声信标环境试验参照GJB150A-2009 标准规定的方法、程序执行。以上标准均主要针对航空信标设立，其他信标依据使用环境及装载平台等条件适当按上述标准进行适应性裁剪。

2.3 声信标产品发展方向

1）延长工作寿命

在茫茫深海，声波的传播受到声信道、障碍物、吸收扩散衰减等多种因素的限制，声信标即使正常发出声波也并不容易被定位。比如1974 年，环球航空公司84 号航班在爱奥尼亚海湾上空遭到破坏，飞参记录器里装配有一个声信标，尽管经目击者叙述得到准确的坠机地点，但美国第6 舰队仍花了27 d 的时间搜索才定位了该信标信号。延长工作寿命是声信标持续追求的目标。

2）扩展信号频率形式

目前，大多数声信标的信号形式都是单一工作频率的周期性脉冲信号，相同频率的声信标在水下发声，搜寻定位设备无法区分，且不具备保密特性，信号所含信息量小以至对噪声的抑制不够。扩频信标采用调制载波信号替代单一频率脉冲信号，增加信号信息量，由于扩频调制固有的低功率密度，只有通过将接收信号（加噪声）与预设编码信号相关联，才能从扩频信号中恢复基带信息，既从原理上提高了接收设备的信噪比，又增加了信号的保密性，有利于应用在军事敏感领域。在扩频编码信号形式方面，国内已有科研单位采用2FSK 调制和FFT 鉴频解调技术设计编码信号形式，并配合同步字头实现声信标的指令控制，抑制信号多径效应[5]。

3）应答信标小型化

应答信标由询问信号控制应答器发射声回应信号，具备编码加密功能，可同时配备多个分别安装在多个目标上，利用一台定位设备实现同时对多个目标的定位，在水下潜器作业、水下施工活动、水下多点位置标记等多种领域应用前景广泛，但目前的应答式信标体积较大、重量较重，不便于装配，应用受限，因此开展应答式信标的小型化势在必行。

4）信标的低成本化

声信标目前大多应用于军事领域以及航空商业领域，还极少应用到民用领域，主要原因就是其成本较高，不利于推广应用，而在海洋渔业、水下工程、石油钻井等海上平台作业人员等多种海上民用作业安全领域对声信标都有一定的应用技术需求，这些需求虽然技术要求相对不高，但对低价声信标的要求却较高，因此如何改进工艺、优化材料、将整个信标零部件供应链价格降下来，降低声信标整体成本，也是声信标研发未来需要发展的方向。

3 声信标搜寻定位技术简介

水下声信标搜寻定位是一个复杂的系统工程，涉及声脉冲检测识别技术、声定位处理算法方法、水声换能器技术、大容量数据获取与传输技术、作业平台适配技术、海上搜寻作业技术等多个方向领域。

水下声信标搜寻定位设备根据不同的工作场景需求，可以选择飞机空投、舰船拖曳、舰船吊放、潜器搭载、潜水员手持等多种作业方式，不同的作业方式涉及的搜寻定位技术有所不同，各有侧重，比如飞机空投一般为一次性浮标，侧重于低成本的抛弃式作业；舰船拖曳一般侧重于大范围海域内的高效率搜寻作业；船载吊放一般侧重于疑似区域内的精确定位作业；潜器搭载更侧重于装备的智能化与自主识别引导；潜水员手持则更侧重于小型便携化近距搜索。

在马航MH370 飞机黑匣子搜寻过程中，作业区域水深3 000 m，国外主要采用的搜寻设备为美国的TPL-25 拖曳式声信标探测仪（见图2）。其工作水深可达6 000 m，搜寻频段3.5～50 kHz，拖曳速度1～5 kn，可进行深海大范围声信标信号搜寻工作，因声学探头使用的只是一个全向换能器，该设备不具备声信标定位功能。

图2 TPL-25 拖曳声波探测仪Fig.2 TPL-25 Towed acoustic detector

美国海军协会近年对类似功能的拖曳产品声学探头进行了改进，采用多元（如32 元）声学直线阵取代原有的单换能器作为声学探头[6]，利用波束形成技术增强了拖曳搜寻系统的目标测向功能，（见图3），使其具备了一定的定位能力。

图3 采用直线阵作为声学探头的声波定位仪Fig.3 Acoustic locator used linear array as transducer

自2002 年大连“五.七”空难开始，受需求牵引我国逐步开展了声信标搜寻定位技术研究，研制了浅海作业的某型信标搜寻装备，应用于军事领域。马航MH370 事件后，我国在深海声信标搜寻定位技术与设备、水下声信标自主引导技术等方向，以国家科技支撑计划项目等形式进行了一定资金投入，完成了一定的技术积累[7]。目前国内已经有大连测控技术研究所、哈尔滨工程大学等多家单位，在搜寻定位关键技术、弱信号提取方法等方面开展了深入研究[8–11]，并开发出了相关产品，形成了一批国产化的浅深海声信标搜寻定位设备，如舰船拖曳式、舷侧吊放式、手持便携式等，技术指标达到了国外同类产品水平，但产品成熟度有待进一步提高。

4 声信标的发展前景

随着海洋开发、科考、军事等领域水下技术研究的不断深入和精细化发展，对水下透明化提出了强烈的应用需求，水下示位日益受到各个涉海领域的普遍重视，受水介质对物理场的衰减特性以及水下环境特殊性影响，目前水下远距离的信号传输最有效的手段依然是声波，因此利用声波对水下目标进行示位的声信标必将在更多水下作业领域发挥重要作用，比如坠海打捞、海上救助、海洋测绘、海洋捕捞、海底科学研究、海底资源勘察、海洋工程、海洋军事、水下目标导航追踪等诸多方向，声信标的发展前景十分广阔。