0 引言
水下环境与陆上环境差异很大，主要表现为：(1)能见度差，目视距离只有几米；(2)方向感差，定位、导航困难；(3)通信不畅、信息交流不便。这导致水下蛙人面临着诸多风险和不便，极端情况甚至可能危及生命安全。因此，研发具备交互通信、定位导航、目标探测等功能的单兵便携式综合信息系统势在必行。在军用水下特战、民用水下施工、水下考古、目标搜索、水下观光等领域都具有迫切需求。
1 主要功能
经调研分析，单兵便携式水下综合信息系统的任务定位如图1所示。
分析梳理主要面临的问题和所需具备功能如表1所示。
2 系统组成与工作原理
单兵综合信息系统主要由腰部处理控制盒、头戴式声呐探测头、水声通信、组合导航、集中盔显五部分组成，如图2所示。
声纳头和OLED显示眼镜都置于潜水员头盔上，腰间处理控制盒挂置于潜水员腰间，都不需要潜水员用手把持，从而解放潜水员的双手。潜水员可以直接通过眼前的OLED眼镜显示多波束成像声呐和各种状态信息，并实时监视系统工作状态。腰间处理控制盒通过水密电缆与声纳头连接，除了控制声纳头信号的发射、接收等操作，还负责完成声纳数据的采集、处理、转换、存储。一方面处理后的数据由水密电缆传送集中盔显系统进行显示；另一方面进行实时存储，以便上岸后提取数据做进一步挖掘处理。接口关系如图3所示。
(1)多波束扫描成像声呐
多波束扫描成像声呐头[1]的主要作用有两个：一是用于水下目标扫描搜索；二是用于水下地形匹配导航的传感器。目前，暂时采用进口产品，主要技术指标为：
①工作频率：750 kHz/1.2 MHz；
②探测范围：0.1～120 m（有效范围2～60 m）；
③最大波束数目：512；
④水平开角：120°；垂直开角：20°；
⑤角度分辨率：1.2°；波束间隔：0.25°；
⑥距离分辨率：8 mm。
为了进一步减轻重量，提高集成度，本文考虑进行共形设计，将现在安装固定在头盔外的声呐头直接嵌入在头盔内部头顶位置。
(2)水下匹配导航子系统
导航设备在水下单兵任务中发挥着至关重要的作用。目前的导航手段无法满足长时间、大范围、低成本和保证精度等需求，本文研发组合导航系统可在不同水体浑浊度下快速完成目标物体定位、导航和水下环境了解，满足蛙人单兵任务的低成本水下导航需求。利用高精度北斗定位、惯性导航[2]和地形匹配定位[3]多种定位技术融合，并通过集中处理的算法，包含图像去噪与增强、运动补偿、图像边缘检测和分割、地貌搜索匹配等算法，获得较为精确的位置信息，同时不断修正校准INS参数，实现了水下单兵任务无缝高精度定位。在蛙人执行任务时，利用传感器获得蛙人所在位置的海底地形信息，并与数据库中的基准数字地形图进行比较，经过连续测量和合适的算法进行匹配运算，最终确定蛙人的准确位置信息。这种水下地形辅助定位技术误差不随任务时间或任务距离的增加而积累或发散，且蛙人无需升出水面，可以边作业边利用测量的地形信息进行辅助定位，有效避免了DVL、GPS以及声学导航[4]存在的不足，可以较好地修正MEMS惯性传感器漂移[5]及数据外推产生的定位误差。其工作原理如图4所示。
获得自己位置后，可以在头盔眼镜上标注显示出发地点、目的地、前进的航迹以及指示前进方向等信息，防止迷失方位。
(3)水声通信
采用成熟的通信模块，具备语音和数据通信功能，可以实现1主16从的组网，数据速率120 b/s，通信距离大于3 km。除了蛙人之间相互通话外，数据通路定时传输交换彼此位置，在集中盔显上显示相互分布态势，便于保持队形和防止掉队。
(4)综合处理监控软件
根据系统功能定位，主要软件模块如图5所示。
单片机控制板主要负责监视5个按键动作并通过串口推送给嵌入式计算机，同时接收来自上层软件命令并根据命令对各个模块的供电进行控制。低功耗、小型化计算机负责复杂处理算法的实现和图形化界面显示。
3 实现情况
该系统样机已经研制完毕，并经过初步试用。图6是参加阿布扎比国际防务展实物宣传效果图，图7为专门改造开发的头盔界面。
经展会用户试戴，普遍感觉该系统集成度高，界面友好，监控显示状态清晰实用。尤其是自动告警，避免了氧气不足或者点亮不知足造成的危险，还可以实时指示水温、水深、方位。发现目标后，还可以利用摄像头自动取证，自动目标搜检告警模块特别契合用户需要。当然，用5个按键模拟鼠标进行操作还有一些繁琐，根据用户建议，下一步将增加一些组合快捷键来简化操作。
4 结论
蛙人单兵信息化系统是水下作业和作战的高技术装备，具有广泛的用途，对小型、便携和方便实用要求很高。目前，研发的这套样机系统已经具有实战应用的能力，但还有很大的改进空间，需要不断努力提高用户体验，才能形成好用、管用、耐用的装备。
参考文献
[1] 张德俊.声成像的研究进展及应用前景[J].科技导报，1994(9)：15-18.
[2] 何东旭.AUV水下导航系统关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.
[3] 刘现鹏，张立华，贾帅东，等.基于自适应格网数字水深模型的水下地形匹配定位算法[J].中国惯性技术学报，2017，25(4)：488-494.
[4] 兰华林.深海水声应答器定位导航技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.
[5] 代刚.MEMS-IMU误差分析补偿与实验研究[D].北京：清华大学，2011.
作者信息:
胡延平，黄晓霜，政书钧
(上海瀚界科技发展有限公司，上海201700)
