秦金涛，隋海琛，么 彬，鲁 东

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院 天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456；3.北京海卓同创科技有限公司，北京 100176)

“黑匣子”(Black Box)作为飞行记录仪的俗称，已成为现代航空器的标配电子设备之一。对于海上空难突发事件，快速而有效地实现对“黑匣子”的探测、定位和打捞，有助于及时分析飞机失事原因，从而正确做出事故调查结论。

空难事故发生后，“黑匣子”在水中的探测和定位，主要是搜寻“黑匣子”上声信标发出的超声波信号。当“黑匣子”坠入水中后，自动发射频率为37.5 kHz、声源级为160.5 dB、脉冲宽度9 ms、脉冲频率0.9 Hz的超声波信号，内置电池只可持续工作30 d。因此，“黑匣子”的探测、定位和打捞，实际上是在与时间竞赛，而且由于信标信号频率较高导致传输距离有限，要求水下“黑匣子”搜寻定位设备必须具备作业深度大、搜寻面积广、探测距离远和定位效率高等特点。

近年来，我国参加过多起空难事故“黑匣子”的搜寻工作，采用的设备主要为进口产品且为浅海产品。特别是在马航MH370失联事件的搜寻行动中，暴露出我国在水下“黑匣子”搜寻与定位领域还存在较为明显的不足，开展此类技术和设备的研究非常必要。

1 国内外技术现状

国内外使用的水下“黑匣子”声信标搜寻定位设备和技术大致分为以下几种。

1.1 手持式探测仪

手持式探测仪典型产品为Teledyne Benthos的DPL-275，最大作业水深200 m，最大量程1 200 m。我国在2002年大连五七空难、2014年马航MH370失联、2015年亚航QZ8501空难后搜索黑匣子使用的都是这款设备。

DPL-275是给潜水员设计的，可接收频率范围5～80 kHz，采用单个有一定方向指向性的基元测量目标信号的幅度，波束角25°@37.5 kHz，通过旋转的方式，依据人耳听到的幅度变化和磁罗经来对目标进行定向，不能直接给出目标的位置，也不具备数据采集和记录能力、没有实现信号数字化，需要繁琐的分析和计算才能得到目标的大致位置。

1.2 拖曳式搜寻仪

拖曳式搜寻仪典型产品为美国Phoenix公司使用的TPL-25，最大作业水深6 000 m，最大量程3 000 m。TPL-25可接收频率范围3.5～50 kHz，作业速度1～5节，由水下拖体、线缆、绞车、液压动力系统、发电机以及控制台等部分组成。曾在2009年法航AF447空难、2014年马航MH370失联的黑匣子搜索中使用。

由于覆盖范围广、工作水深大，可以快速地对大面积海域进行搜索，极大地提高了黑匣子的搜寻效率。为加强深远海搜救能力建设，我国在2014年“国家科技支撑计划项目”、2017年“深海关键技术与装备重点专项项目”均对此类设备的研发进行了支持，以形成在深远海对遇险船舶、失事飞机等远程探测、快速搜索和精确定位能力。

1-a 传统阵Traditional Array 1-b 8元阵 8x Elements Array图1 超短基线定位基阵Fig.1 USBL positioning array

1.3 超短基线定位仪

超短基线(USBL)水声设备工作频率虽然一般在8～36 kHz，但对于37.5 kHz的声学信号仍有一定的探测能力。通过设置黑匣子所在的水深，可直接获得其三维位置，定位精度与超短基线设备本身的性能有关。但由于超短基线多为船上固定安装，对于深水的黑匣子信标，随着距离的加大，定位精度逐步降低。

传统的超短基线基阵阵形如图1-a所示，三个阵元排列成等腰直角三角形，阵元间距为d。为抗相位测量模糊，d≤λ/2，λ为波长。单独利用这么小尺寸的基阵对远程目标进行定位很难达到高的定位精度，传统超短基线的定位精度约为3%左右。为在远程达到较高的定位精度，增大基阵孔径、采用多元阵处理技术是提高系统定位精度的有效办法，如图1-b所示[1]。

1.4 浮标式定位仪

浮标式定位仪典型产品为法国ACSA公司的GIB，采用水下GPS定位技术、超短基线和长基线技术，通过在事故海域布设4个以上内置黑匣子探测仪的浮标，可获得优于1 m定位精度的目标位置，可接收频率范围1～50 kHz，覆盖范围3 700 m×3 700 m，探测水深可达1 000 m，探测距离可达5 000 m。已在2004年埃及闪光航空FSH604空难、2006年亚美尼亚航空空客A320空难搜索中成功应用，从探测到声学信号到“黑匣子”打捞出水，仅历时4 hrs，大大提高了工作效率。

ACSA-GIB浮标式定位仪的优点是无需校准、定位速度快、重复性高、米级定位精度，但是覆盖范围小，使用时需要提前知道大致位置，不适合大范围搜索，而且布放时需要专用的空投飞机[2]。

1.5 技术发展趋势

综上所述，水下“黑匣子”搜寻定位技术的发展有如下趋势：

(1)探测深度由浅水向深水发展；

(2)探测形式由手持向深拖和浮标发展；

(3)探测技术逐渐由单阵元小孔径基阵向多阵元大孔径基阵发展；

(4)探测单元由单一设备向多设备组网模式发展。

2 圆型基阵设计与仿真

相较于基于十字线阵的超短基线定向方案，均匀圆阵不仅可以在方位角上提供360°的覆盖范围，还能进行二维DOA估计，同时消除相位模糊现象，并且在各个方向上具有相同的测向性能[3]。因此，圆阵方案更加适于黑匣子声信号的搜索。

图2 圆阵的几何模型Fig.2 Geometric model of circular arrays

2.1 圆阵波束形成原理

圆阵的几何模型如图2所示，如果圆阵在t时刻接收到的信号为X(t)=[x1(t),x2(t),…,xi(t),…xM(t)]H，基阵的阵列流型W=[w1,w2,…,wi,…wM]H，其中wi=e-jτi，i为阵元序号；M为阵元总数；τi是阵元Hi相对于基阵中心O点的延时，表示为

(1)

式中：r为基阵半径;θ为俯仰角;α为方位角；c为声速。

则圆阵波束形成的输出YCBF表示为[4]

(2)

2.2 多元圆阵接收换能器设计

图3 复合棒灵敏度曲线 图4 多元圆型换能器阵 Fig.3 Sensitivity curve of Fig.4 Multi-element circularcompound bar transducer array

目前主要的黑匣子信标产品包括Dukane公司的DK120和Benthos公司的ELP362D等，其发射声源级都在160.5 dB左右。海水中声信号损失主要为声吸收导致，参考水声学中吸收系数的表达式[5]可以得到信号频率37.5 kHz的声吸收系数为4.84×10-3dB/m，在黑匣子信号搜索中通常要求探测距离达到3 km，其声信号损失约为85 dB，因此接收端的信号余量仅为75.5 dB。为了使接收换能器的输出电压级保证大于-100 dB(即接收换能器输出1 uV的电信号)，接收换能器阵元的灵敏度则不能低于-175.5 dB。而在考虑实际情况下的环境噪声和电路噪声影响后，1 uV的电信号几乎不能被接收换能器有效检测和处理，因此，若要实现3 km的探测距离，一方面需要采用灵敏度较高的接收换能器，另一方面需要采用多元基阵的形式来进行接收处理，获取额外的阵增益。

图5 64元波束形成指向性仿真图Fig.5 Simulation diagram of 64x elements array beam forming directivity

经对比发现复合棒换能器在5～100 kHz频段内灵敏度和指向性相对较好[6]，较为适合黑匣子声信号的探测，挑选一款复合棒接收换能器，实测接收灵敏度曲线如图3所示，其在37.5 kHz频点时的接收灵敏度为-172 dB，则接收换能器输出电压级为-96.5 dB，考虑到环境噪声和电路噪声等影响下噪声等级一般等效为-100 dB，检测阈余量仅为3.5 dB，若环境稍微苛刻，就不能正常检测，因此需要引入基阵增益来进一步提高信噪比。

本次系统设计中采用64元半波长圆型布阵，一方面在避免相位模糊的同时又可保证水平方向分辨力达到4°，另一方面可提供最大约log(64)×10≈18 dB的基阵增益，使检测阈余量增加到21.5 dB，能较好的应对复杂的搜寻环境，同时考虑到所采用的复合棒换能器的开角为90°，为确保基阵的全角度覆盖，增大有效接收范围，将每个接收阵元面向上倾斜45°，图4即为本系统设计的多元圆型换能器基阵模型图。

2.3 多元圆阵接收换能器仿真

在64阵元下仿真水平方向0°方位角来波的波束指向性，如图5-a所示，-3 dB开角大约为4°，最高副瓣级为-8 dB。然后仿真了0°和30°方向同时水平来波的分辨情况如图5-b所示，由图中看到可清晰准确的分辨两个目标。

在不同信噪比下对水平方向单目标来波做5 000次统计仿真，按置信度为95%统计目标角度估计精度对比如图6所示，由图6可知，最低信噪比为0 dB时，目标方位角估计精度约为0.45°，而当信噪比达到15 dB时，目标方位角估计精度达到了0.1°。因此工作船搜索过程中离黑匣子越来越近时，信噪比越来越高，方位估计精度也越来越高，目标定位精度也越来越准确。

由前述的声吸收系数可知，在距离黑匣子1 km时传播损失为65 dB左右，相对3 km的85 dB而言，传播损失小了20 dB。结合前面的分析可知，距离黑匣子1 km时信噪比明显大于15 dB，理想角度估计精度可认为在0.1°左右。根据方位交会法计算可知，在不考虑其他因素影响下沿直线行进约500 m即可将黑匣子的位置定位到5 m以内，有着较高的搜索效率。

3 系统设计

3.1 系统框架设计

图7 拖曳式黑匣子声信号搜索系统Fig.7 Towed acoustic signal searching system

黑匣子声信号搜索过程中，船体噪声和水面噪声将会对探测距离产生重要的影响，为降低其干扰，整体系统框架采用拖曳方案，将声信号采集与处理部分放到水下拖体中，使其尽可能远离母船和水面并接近水下黑匣子。其系统构成如图7所示，包含显控与导航软件、GPS、水声定位系统、拖缆和水下拖体等。其中，水下拖体包含耐压电子舱、高精度电子罗盘、高精度姿态仪、压力传感器、高度计、声速计和拖体定位信标等。

耐压电子舱是本系统的核心组成部分，主要负责采集并处理黑匣子的来波信号方向，具体结构如图8所示，由多元圆阵接收换能器、超低噪声电源、多通道模拟调理电路、混频控制器、增益控制器、多通道模数转换器、基于FPGA的信号采集与处理模块和网络传输模块构成。

图8 耐压电子舱结构Fig.8 Structure of waterproof and pressure resistant electronic cabin

系统工作流程为：

(1)搜寻工作船航行至黑匣子疑似遗落区域，根据当 前的水下地形、海流、海况等信息，设定拖体的工作深度，并利用绞车收放系统布放拖体；

(2)待拖体抵达指定深度后，根据黑匣子信标的声信号特征进行参数设置，启动黑匣子声信号搜索功能；

(3)64路圆阵接收换能器实时接收黑匣子声信号，并分别依次通过阻抗匹配电路、低噪声放大器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、压控增益放大器、模数转换器转换为数字信号，其中低噪声放大器的电源由超低噪声电源提供；

(4)64路数字信号进入大规模的FPGA后，分别依次经过脉冲压缩、正交变换、实时圆阵波束形成、脉冲信号特征统计、方向估计等运算得到黑匣子相对于圆型基阵的方位信息；

(5)将相对于圆型基阵的方位信息及此方向对应的原频信号、罗盘方向、姿态信息、压力传感器信息和高度计信息等通过网络传输至显控与导航软件；

(6)显控与导航软件同时接受水声定位系统对拖体信标的定位信息和GPS的高精度位置信息，一方面显示最优方向信号波形并输出音频信号，另一方面根据各类传感器的信息，在导航界面上实时显示拖体的位置及黑匣子疑似信号的方向信息和绝对位置；

(7)操作人员通过音频信号和界面显示信息综合判断是否搜索到目标，在确认声信号方向后，指挥船舶在疑似黑匣子位置区域进行测线加密；

(8)显控与导航软件依据加密定位过程中不断积累的方向信息和位置信息，并结合当地的地形信息综合得到黑匣子的最终位置。

3.2 模拟信号处理设计

图9 模拟信号处理流程Fig.9 Analog signal processing flow

搜索声信号的过程往往是由远及近，由粗及细的过程，其中搜索效率主要体现在远距离情况时捕获信号的能力，而距离越远，信号越微弱，同时还混杂着海面噪声、鱼类噪声、船舶噪声，甚至会混入其他声呐的噪声干扰。系统设计中除了采用高灵敏度的接收换能器和多阵元设计获取优质的信号外，在微弱信号转换为数字信号的过程尤为关键。如图9所示，当接收换能器接收到微弱声信号并转换为微伏级电信号后，将依次进行如下处理：

(1)通过差分阻抗匹配电路，与换能器的输出阻抗进行匹配，增强微弱电信号在换能器到电路过程中的抗干扰能力；

(2)通过中心频点37.5 kHz、带宽30 kHz的无源带通滤波器降低离中心频点较远的带外噪声级；

(3)利用仪表运放优良的差分信号放大能力将微弱信号放大100～1 000倍，降低共模噪声等级，使其达到毫伏级信号；

(4)通过8阶窄带有源带通滤波器，将信号限定到固定的频段，由于采用了高阶带通滤波器，可以将带外噪声更好的抑制；

(5)由于探测声信号时，距离有近有远，信号有强有弱，小信号时可达微伏级，而大信号时则达到数十毫伏，为避免信号的限幅失真，这里采用80 dB动态范围的压控增益放大器，来适应不同距离情况下的信号输入，其压控端由FPGA根据回波信号大小来自动给出；

(6)为适应不同黑匣子类型，适应不同频点的声信号，将信号通过乘法器与本振做差频处理，得到固定以2 kHz为中心频率的信号，本振由现场黑匣子的具体参数来进行相应的设置；

(7)乘法器的输出结果存在差频与和频两个频点，再设置截止频率为2 kHz的8阶低通滤波器将和频信号压低，保留差频信号，再送入高速AD多通道同时采样，即可转换为数字信号并进入到FPGA做后续的数字信号处理。

3.3 数字信号处理设计

图10 数字信号处理流程Fig.10 Digital signal processing flow

64通道数字信号采集进FPGA后，需要圆阵波束形成来进行进一步的方向估计，其具体处理流程如图10所示，依次进行：

(1)为充分节省FPGA宝贵的处理资源，AD采集控制器将64路AD同时采集的信号并转串输出；

(2)通过中心频点为2 kHz，带宽为1 kHz的101阶数字滤波器抑制带外干扰，使信号更为纯净；

(3)考虑到部分声信号为线性调频信号，将带通滤波输出通过一个由滤波器结构组成的脉冲压缩器，进一步提高信噪比，当信号为非LFM时需将该模块旁路掉；

(4)进入正交变换器，将实数信号，转换为复信号；

(5)考虑到后续运算的压力和信号一定的冗余度，将信号经过抽取滤波器进行抽取，使抽取后的采样率降到2 kHz；

(6)圆阵波束形成器：为尽可能提高方位分辨力的精度，同时考虑实际需要达到的4°分辨角，按照2°间隔均分得到180个方位角，同时考虑按2°均分得到45个俯仰角，则共计8 100个方向，对每个方向做波束形成即可形成二维的波束指向图；

(7)脉冲信号特征统计模块，对抽取完后的数据进行噪声统计，并确定信号出现的位置；

(8)方向估计模块，根据信号出现的位置，找出二维波束图中的波束输出最大值，与附近波束插值后即为声信号的来波方向。

3.4 控制与导航软件功能设计

通过圆阵处理的信号回波方位角仅能指示黑匣子相对基阵的方位，因此控制与导航软件需要融合多种传感器的信息，联合处理并将处理结果和关键信息直接显示出来，辅助现场操作人员作出决策，其具体功能如下：

(1)原始信号波形图和频谱图显示功能，将采集的原始数据中离估计回波方向最近的信号波形及其频谱图直接显示到界面上，方便现场经验丰富的操作人员直观的判断信号是否为黑匣子声信标信号；

(2)原始信号转音频输出功能，将原始信号调制到3 kHz中频上，再利用音频设备直接输出；

(3)瞬时信号方位显示功能，统计各方位的最大波束输出并结合罗盘方位和拖体位置，按极坐标归一化显示到界面上，便于现场直观指导船舶的航行方向；

(4)绝对位置分布图显示功能，结合当地的地形数据、拖体的高度、拖体的深度、拖体的绝对位置、罗盘的方位角和声信号的来波相对方位角，综合计算出黑匣子的绝对位置，并将其连续标示于背景海图上；

(5)黑匣子最终位置估计功能，统计多次黑匣子绝对位置的估计值，计算出可能性最大的绝对位置，并在背景海图上显示，当船舶逐渐接近黑匣子时，随着来波信号信噪比越来越高，方位估计精度越来越高，积累数据越来越多，该统计值越来越准确。

4 结论

综上所述，本文设计相对于其他黑匣子搜索方案有如下优点：

(1)相对于手持式探测仪，利用圆阵技术不仅提高了处理信号的信噪比，同时有着较高的方向分辨力；

(2)相对于常规多元超短基线定位仪，由于本文设计充分利用圆阵的多元阵设计，提高了处理信号的信噪比，极大的提高了系统的作用距离和在复杂环境下的适应能力；

(3)相对基于十字阵的超短基线定位仪，由于圆阵在360°方向上具有相同的测向性能，在大范围搜索阶段，将具备更灵活和更快速的搜索能力；

(4)相对浮标式定位仪，本文设计更加灵活，一方面可以快速机动的大范围搜索目标，另一方面在搜索到目标大概方位后，可以迅速机动靠近目标，在信噪比越来越高的情况下可快速实现黑匣子的高精度定位。

由此说明，该设计拥有探测距离远、方向分辨力高、使用相对灵活的特点，具有重要的工程应用价值，值得进一步深入研究与开发。

[1]李想,张殿伦,孙大军,等. 高精度超短基线定位系统的实现[J]. 计算机工程与应用,2007,43(24):176-178.

LI X,ZHANG D L,SUN D J,et al. Realization of High Precision Ultra-short Baseline Positioning System[J]. Computer Engineering and Applications,2007,43(24):176-178.

[2]李小民,李建增,宋军,等. 水下GPS应用方法研究[J]. 测控技术, 2004,23(6):57-59.

LI X M,LI J Z,SONG J,et al. Study of Underwater GPS Application Method[J]. Measurement and Control Technology, 2004,23(6):57-59.

[3]谢菊兰,李会勇,何子述. 均匀圆阵相干信源DOA估计的差分算法[J]. 电子科技大学学报, 2012, 41 (4) :516-521.

XIE J L,LI H Y,HE Z S. DOA Estimation of Coherent Sources Using Difference Algorithm with Uniform Circular Arrays[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2012,41(4):516-521.

[4]李启虎. 声呐信号处理引论[M]. 北京:科学出版社,2012.

[5]汪德昭,尚尔昌. 水声学：第二版[M]. 北京:科学出版社,2015.

[6]李志强,张运强,陈元民,等. 双激励纵弯耦合宽带复合棒水声换能器[J]. 应用声学,2013,32(6):473-479.

LI Z Q,ZHANG Y Q,CHEN Y M,et al. A Longitudinal-flexural Coupling Broadband Tonpilz Underwater Transducer with Double Excitation[J]. Applied Acoustics,2013,32(6):473-479.