0 引言

    水下環(huán)境與陸上環(huán)境差異很大，主要表現(xiàn)為：(1)能見度差，目視距離只有幾米；(2)方向感差，定位、導航困難；(3)通信不暢、信息交流不便。這導致水下蛙人面臨著諸多風險和不便，極端情況甚至可能危及生命安全。因此，研發(fā)具備交互通信、定位導航、目標探測等功能的單兵便攜式綜合信息系統(tǒng)勢在必行。在軍用水下特戰(zhàn)、民用水下施工、水下考古、目標搜索、水下觀光等領域都具有迫切需求。

1 主要功能

    經(jīng)調(diào)研分析，單兵便攜式水下綜合信息系統(tǒng)的任務定位如圖1所示。

    分析梳理主要面臨的問題和所需具備功能如表1所示。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

    單兵綜合信息系統(tǒng)主要由腰部處理控制盒、頭戴式聲吶探測頭、水聲通信、組合導航、集中盔顯五部分組成，如圖2所示。

    聲納頭和OLED顯示眼鏡都置于潛水員頭盔上，腰間處理控制盒掛置于潛水員腰間，都不需要潛水員用手把持，從而解放潛水員的雙手。潛水員可以直接通過眼前的OLED眼鏡顯示多波束成像聲吶和各種狀態(tài)信息，并實時監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)。腰間處理控制盒通過水密電纜與聲納頭連接，除了控制聲納頭信號的發(fā)射、接收等操作，還負責完成聲納數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)換、存儲。一方面處理后的數(shù)據(jù)由水密電纜傳送集中盔顯系統(tǒng)進行顯示；另一方面進行實時存儲，以便上岸后提取數(shù)據(jù)做進一步挖掘處理。接口關系如圖3所示。

    (1)多波束掃描成像聲吶

    多波束掃描成像聲吶頭^[1]的主要作用有兩個：一是用于水下目標掃描搜索；二是用于水下地形匹配導航的傳感器。目前，暫時采用進口產(chǎn)品，主要技術(shù)指標為：

    ①工作頻率：750 kHz/1.2 MHz；

    ②探測范圍：0.1～120 m（有效范圍2～60 m）；

    ③最大波束數(shù)目：512；

    ④水平開角：120°；垂直開角：20°；

    ⑤角度分辨率：1.2°；波束間隔：0.25°；

    ⑥距離分辨率：8 mm。

    為了進一步減輕重量，提高集成度，本文考慮進行共形設計，將現(xiàn)在安裝固定在頭盔外的聲吶頭直接嵌入在頭盔內(nèi)部頭頂位置。

    (2)水下匹配導航子系統(tǒng)

    導航設備在水下單兵任務中發(fā)揮著至關重要的作用。目前的導航手段無法滿足長時間、大范圍、低成本和保證精度等需求，本文研發(fā)組合導航系統(tǒng)可在不同水體渾濁度下快速完成目標物體定位、導航和水下環(huán)境了解，滿足蛙人單兵任務的低成本水下導航需求。利用高精度北斗定位、慣性導航^[2]和地形匹配定位^[3]多種定位技術(shù)融合，并通過集中處理的算法，包含圖像去噪與增強、運動補償、圖像邊緣檢測和分割、地貌搜索匹配等算法，獲得較為精確的位置信息，同時不斷修正校準INS參數(shù)，實現(xiàn)了水下單兵任務無縫高精度定位。在蛙人執(zhí)行任務時，利用傳感器獲得蛙人所在位置的海底地形信息，并與數(shù)據(jù)庫中的基準數(shù)字地形圖進行比較，經(jīng)過連續(xù)測量和合適的算法進行匹配運算，最終確定蛙人的準確位置信息。這種水下地形輔助定位技術(shù)誤差不隨任務時間或任務距離的增加而積累或發(fā)散，且蛙人無需升出水面，可以邊作業(yè)邊利用測量的地形信息進行輔助定位，有效避免了DVL、GPS以及聲學導航^[4]存在的不足，可以較好地修正MEMS慣性傳感器漂移^[5]及數(shù)據(jù)外推產(chǎn)生的定位誤差。其工作原理如圖4所示。

    獲得自己位置后，可以在頭盔眼鏡上標注顯示出發(fā)地點、目的地、前進的航跡以及指示前進方向等信息，防止迷失方位。

    (3)水聲通信

    采用成熟的通信模塊，具備語音和數(shù)據(jù)通信功能，可以實現(xiàn)1主16從的組網(wǎng)，數(shù)據(jù)速率120 b/s，通信距離大于3 km。除了蛙人之間相互通話外，數(shù)據(jù)通路定時傳輸交換彼此位置，在集中盔顯上顯示相互分布態(tài)勢，便于保持隊形和防止掉隊。

    (4)綜合處理監(jiān)控軟件

    根據(jù)系統(tǒng)功能定位，主要軟件模塊如圖5所示。

    單片機控制板主要負責監(jiān)視5個按鍵動作并通過串口推送給嵌入式計算機，同時接收來自上層軟件命令并根據(jù)命令對各個模塊的供電進行控制。低功耗、小型化計算機負責復雜處理算法的實現(xiàn)和圖形化界面顯示。

3 實現(xiàn)情況

    該系統(tǒng)樣機已經(jīng)研制完畢，并經(jīng)過初步試用。圖6是參加阿布扎比國際防務展實物宣傳效果圖，圖7為專門改造開發(fā)的頭盔界面。

    經(jīng)展會用戶試戴，普遍感覺該系統(tǒng)集成度高，界面友好，監(jiān)控顯示狀態(tài)清晰實用。尤其是自動告警，避免了氧氣不足或者點亮不知足造成的危險，還可以實時指示水溫、水深、方位。發(fā)現(xiàn)目標后，還可以利用攝像頭自動取證，自動目標搜檢告警模塊特別契合用戶需要。當然，用5個按鍵模擬鼠標進行操作還有一些繁瑣，根據(jù)用戶建議，下一步將增加一些組合快捷鍵來簡化操作。

4 結(jié)論

    蛙人單兵信息化系統(tǒng)是水下作業(yè)和作戰(zhàn)的高技術(shù)裝備，具有廣泛的用途，對小型、便攜和方便實用要求很高。目前，研發(fā)的這套樣機系統(tǒng)已經(jīng)具有實戰(zhàn)應用的能力，但還有很大的改進空間，需要不斷努力提高用戶體驗，才能形成好用、管用、耐用的裝備。

參考文獻

[1] 張德俊.聲成像的研究進展及應用前景[J].科技導報，1994(9)：15-18.

[2] 何東旭.AUV水下導航系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[3] 劉現(xiàn)鵬，張立華，賈帥東，等.基于自適應格網(wǎng)數(shù)字水深模型的水下地形匹配定位算法[J].中國慣性技術(shù)學報，2017，25(4)：488-494.

[4] 蘭華林.深海水聲應答器定位導航技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[5] 代剛.MEMS-IMU誤差分析補償與實驗研究[D].北京：清華大學，2011.

作者信息:

胡延平，黃曉霜，政書鈞

(上海瀚界科技發(fā)展有限公司，上海201700)