文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190328
中文引用格式： 胡延平，黃曉霜，政書鈞. 單兵便攜式水下綜合信息系統設計與實現[J].電子技術應用，2019，45(8)：83-86.
英文引用格式： Hu Yanping，Huang Xiaoshuang，Zheng Shujun. Design and implementation of portable underwater integrated information system for individual soldiers[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(8)：83-86.
0 引言
水下環境與陸上環境差異很大，主要表現為：(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勢在必行。在軍用水下特戰、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
經調研分析，單兵便攜式水下綜合信息系統的任務定位如圖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 系統組成與工作原理
單兵綜合信息系統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信息，并實時監視系統工作狀態。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射、接收等操作，還負責完成聲納數據的采集、處理、轉換、存儲。一方面處理后的數據由水密電纜傳送集中盔顯系統進行顯示；另一方面進行實時存儲，以便上岸后提取數據做進一步挖掘處理。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，暫時采用進口產品，主要技術指標為：
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，將現在安裝固定在頭盔外的聲吶頭直接嵌入在頭盔內部頭頂位置。
(2)水下匹配導航子系統
導航設備在水下單兵任務中發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，本文研發組合導航系統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，實現了水下單兵任務無縫高精度定位。在蛙人執行任務時，利用傳感器獲得蛙人所在位置的海底地形信息，并與數據庫中的基準數字地形圖進行比較，經過連續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誤差不隨任務時間或任務距離的增加而積累或發散，且蛙人無需升出水面，可以邊作業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]及數據外推產生的定位誤差。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，具備語音和數據通信功能，可以實現1主16從的組網，數據速率120 b/s，通信距離大于3 km。除了蛙人之間相互通話外，數據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勢，便于保持隊形和防止掉隊。
(4)綜合處理監控軟件
根據系統功能定位，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和圖形化界面顯示。
3 實現情況
該系統樣機已經研制完畢，并經過初步試用。圖6是參加阿布扎比國際防務展實物宣傳效果圖，圖7為專門改造開發的頭盔界面。
經展會用戶試戴，普遍感覺該系統集成度高，界面友好，監控顯示狀態清晰實用。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。發現目標后，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，根據用戶建議，下一步將增加一些組合快捷鍵來簡化操作。
4 結論
蛙人單兵信息化系統是水下作業和作戰的高技術裝備，具有廣泛的用途，對小型、便攜和方便實用要求很高。目前，研發的這套樣機系統已經具有實戰應用的能力，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水下導航系統關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.
[3] 劉現鵬，張立華，賈帥東，等.基于自適應格網數字水深模型的水下地形匹配定位算法[J].中國慣性技術學報，2017，25(4)：488-494.
[4] 蘭華林.深海水聲應答器定位導航技術研究[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
(上海瀚界科技發展有限公司，上海201700)