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(dǎo)航困難,；(3)通信不暢、信息交流不便,。這導(dǎo)致水下蛙人面臨著諸多風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)航,、目標(biāo)探測(cè)等功能的單兵便攜式綜合信息系統(tǒng)勢(shì)在必行。在軍用水下特戰(zhàn),、民用水下施工,、水下考古、目標(biāo)搜索,、水下觀光等領(lǐng)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(wù)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(cè)頭,、水聲通信,、組合導(dǎo)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(shí)時(shí)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(hào)的發(fā)射,、接收等操作，還負(fù)責(zé)完成聲納數(shù)據(jù)的采集,、處理,、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ),。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(jìn)行顯示,；另一方面進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以便上岸后提取數(shù)據(jù)做進(jìn)一步挖掘處理,。接口關(guān)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(gè)：一是用于水下目標(biāo)掃描搜索；二是用于水下地形匹配導(dǎo)航的傳感器,。目前,，暫時(shí)采用進(jìn)口產(chǎn)品,，主要技術(shù)指標(biāo)為：

    ①工作頻率：750 kHz/1.2 MHz；

    ②探測(cè)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(jìn)一步減輕重量,，提高集成度，本文考慮進(jìn)行共形設(shè)計(jì),，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(dǎo)航子系統(tǒng)

    導(dǎo)航設(shè)備在水下單兵任務(wù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前的導(dǎo)航手段無法滿足長(zhǎng)時(shí)間,、大范圍,、低成本和保證精度等需求，本文研發(fā)組合導(dǎo)航系統(tǒng)可在不同水體渾濁度下快速完成目標(biāo)物體定位,、導(dǎo)航和水下環(huán)境了解,，滿足蛙人單兵任務(wù)的低成本水下導(dǎo)航需求。利用高精度北斗定位,、慣性導(dǎo)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(qiáng),、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,、圖像邊緣檢測(cè)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(shí)不斷修正校準(zhǔn)INS參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了水下單兵任務(wù)無縫高精度定位,。在蛙人執(zhí)行任務(wù)時(shí),，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(zhǔn)數(shù)字地形圖進(jìn)行比較,，經(jīng)過連續(xù)測(cè)量和合適的算法進(jìn)行匹配運(yùn)算,，最終確定蛙人的準(zhǔn)確位置信息。這種水下地形輔助定位技術(shù)誤差不隨任務(wù)時(shí)間或任務(wù)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(cè)量的地形信息進(jìn)行輔助定位，有效避免了DVL,、GPS以及聲學(xué)導(dǎo)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(biāo)注顯示出發(fā)地點(diǎn),、目的地、前進(jìn)的航跡以及指示前進(jìn)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(shí)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(shí)傳輸交換彼此位置，在集中盔顯上顯示相互分布態(tài)勢(shì),，便于保持隊(duì)形和防止掉隊(duì),。

    (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(jī)控制板主要負(fù)責(zé)監(jiān)視5個(gè)按鍵動(dòng)作并通過串口推送給嵌入式計(jì)算機(jī),，同時(shí)接收來自上層軟件命令并根據(jù)命令對(duì)各個(gè)模塊的供電進(jìn)行控制。低功耗,、小型化計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)復(fù)雜處理算法的實(shí)現(xiàn)和圖形化界面顯示,。

3 實(shí)現(xiàn)情況

    該系統(tǒng)樣機(jī)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(wù)展實(shí)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(huì)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(shí)用,。尤其是自動(dòng)告警，避免了氧氣不足或者點(diǎn)亮不知足造成的危險(xiǎn),，還可以實(shí)時(shí)指示水溫,、水深、方位,。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,，還可以利用攝像頭自動(dòng)取證，自動(dòng)目標(biāo)搜檢告警模塊特別契合用戶需要,。當(dāng)然,，用5個(gè)按鍵模擬鼠標(biāo)進(jìn)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(jiǎn)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(duì)小型,、便攜和方便實(shí)用要求很高,。目前，研發(fā)的這套樣機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)具有實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的能力,，但還有很大的改進(jìn)空間,，需要不斷努力提高用戶體驗(yàn)，才能形成好用,、管用,、耐用的裝備。

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作者信息:

胡延平,，黃曉霜,，政書鈞

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