水下安保声栅栏设备总体结构设计与应用

当今，国内外恐怖袭击事件时有发生，而水下恐怖袭击则是众多事件中的一个重要缩影。随着科学技术的进步，恐怖分子可以利用远航程的小型水下机器人、蛙人运载器、目标特性小的闭式呼吸器等先进装备进行水下恐怖袭击活动，其攻击目标往往选择军事设施、政府设施、重要经济设施、重大活动等。因此为了能更有效的预防水下恐怖袭击事件的发生，世界各国都在纷纷投入大量人力物力进行技术开发，研制新的水下安保装备，并构建重要目标的水下安保系统，形成一套完备的水下安保机制。

本文主要介绍了声栅栏设备的总体结构、工作布置及水下姿态分析，并对实际工程应用做了简要的叙述。

声栅栏结构设计

1、总体结构组成

水下声栅栏设备主要用于探测跟踪水下威胁小目标，并实时警戒，保证指定海域的水下安全。其主要由水密电子舱、收发合置换能器、浮力圈、铅鱼、浮球、锚及钢丝缆等组成如图1所示。

图1 声栅栏设备总体结构组成图

水密电子舱是声栅栏设备的中枢，包括水密不锈钢筒体、水密端盖、通讯接口及控制电路等。其内部控制电路驱动水声换能器对威胁小目标信息进行探测，并将可疑目标信息通过移动通讯网络回传至控制中心实时告警。通过水密端盖上GPS天线可以实时监控GPS坐标位置，另外通过警示灯的频繁闪烁尤其在夜晚能够起到一定的警示作用，防止人为破坏或其它船只碰撞破坏。

收发合置换能器为圆柱体结构，是声栅栏的声源设备，受水密电子舱内驱动电路控制，主要用于探测水下威胁小目标。其工作深度由声栅栏性能指标及指定海域水深决定。

浮力圈选用大浮力新材料，与水密电子舱使用卸扣连接固定。用于水密电子舱提供浮力，确保水密电子舱始终漂浮于水面，为通讯天线正常工作创造有利条件。

铅鱼悬挂于水声换能器底部，通过万向旋转吊环与电子舱连接。其流线外形可以确保其始终处于迎流面，主要用于减小水声换能器水中的流体阻力，并保证其在水中的工作姿态。

浮球是为锚系提供浮力的橙红色球体，确保一定流速条件下水密电子舱始终漂浮于水面。

锚通过钢丝缆将整个声栅栏设备锚定在指定海域的指定位置，而不被潮汐流、海浪、风等自然因素将其刮走。

2、电子舱结构设计

电子舱整体结构简单如图2所示，便于加工，利于装配。可实施快速布放，具有轻量化的、可移动的特点。

1为通信天线，2为GPS天线，3为警示灯，

4为电源开关及充电接口，5为信号传输接口，

6为控制电路，7为电池组，8为筒体

图2 电子舱结构组成图

电子舱结构设计中需考虑以下原则和要求[3]:①良好的耐腐蚀性;②足够的强度与水密性;③良好工艺性与经济性。

因此水密电子舱采用不锈钢筒体结构，外层涂覆光亮油漆，具有一定的耐腐蚀和防海生物生长的能力。要求在布放与回收时具有足够的强度，保证布放时不被入水冲击破坏、回收时不被磕碰损坏。筒体顶部法兰加工有密封槽用于端面密封，底部为焊接结构水密。

电子舱顶部端盖由铝合金板加工而成并经硬质阳极氧化。上面集成有移动通讯天线、GPS天线、警示灯、电源开关及充电接口及信号传输接口。端盖上安装有圆形保护框，对端盖上的器件具有一定的保护作用。各类控制单元板安装于端盖底部，便于设备调试与后期维修。

电子舱内部装有大容量电池组为声栅栏设备提供充足的工作电源，连续免维护工作时间长。此外通过端盖顶部的充电接口可以给电池组进行充电，为后期运营维护提供便利。

3、工作布置设计

对指定海域的水下安保，需多套(多节点)声栅栏设备进行组网警戒工作才能发挥其优势。图3即为某安保海域声栅栏多节点组网工作布置警戒示意图，警戒布置形态为“L”形。

图3 声栅栏设备多节点组网工作布置示意图

总体工作布置对声栅栏设备的使用性能是非常重要的因素，其布置的数量、布置的位置直接影响到声栅栏设备的总体性能和使用。

首先，需对指定安保海域实地勘察，确定安保海域的位置与安保海域的范围。

其次，根据实地勘察的结果进行声栅栏设备节点的布置。而节点间的布置距离由声栅栏设备探测性能指标决定。据此声栅栏设备布置的数量、布置的位置警戒形态即可确定。

最后，还需将安保海域附近人为活动因素一并考虑，以确定最终的工作布置方案。图3中的工作布置警戒形态可根据不同的安保海域进行变换。

锚系及姿态分析

1、锚系设计

锚系设计需对以下几个方面进行实地勘察:

①指定海域的海深和海底情况

②指定海域的洋流、潮汐、水文情况

③布放海域的海图情况

④便于布放与回收

勘察内容包括采用测深仪测深、采用侧扫声纳进行地形地貌测绘、采用浅地层剖面仪初步探测海床表层底质类型等。

根据勘察结果可以确定:

①锚的选型(丹福尔锚、波尔锚、霍尔锚等)

②浮球的尺寸

③钢丝缆的长度

锚系由锚、钢丝缆、浮球等组成，如图4所示，主要用于将声栅栏设备锚定在布放位置处，防止其随意走动。锚系设计的好坏直接影响到声栅栏设备工作的可靠性，其设计的着重点在于锚系用钢丝缆索的长度与受力关系。

图4 锚系设计组成图

锚系使用前需在陆地上连接固定好，便于人工快速布放，并能适应各类船只实施布放。

2、姿态分析

水中姿态分析包括两方面的内容:水密电子舱姿态分析;水声换能器姿态分析。水密电子舱姿态受锚系影响，本文不着重研究，仅对水声换能器姿态进行详细分析。

水声换能器能正常工作，其水中姿态倾角θ必须保持在一定数值范围内。首先对未悬挂铅鱼水声换能器进行力的分析，见图5。换能器受到洋流的水平力Fh，换能器自身重力G，以及海洋给它的浮力Ff和悬挂牵引力F，其重心与浮心重合于O点。

图5 水声换能器受力分析图

流体力学理论知换能器在海水中受到的水平力:

式(1)中:CD为流体阻力系数;A为换能器迎流面积，m2;ρ为流体密度，kg/m2;V为流体平均速度，m/s。

换能器在海水中所受到的浮力:

式(2)中:g为重力加速度，m/s2;v为换能器排开水的体积，m3。

现对换能器O点列力距平衡方程有:

式(3)中:H为换能器高度，m。由式(1)、式(2)、式(3)可得:

将指定安保海域实地勘察后洋流平均速度、换能器结构参数等代入式(1)～式(3)，并由式(4)求得倾角θ。若倾角θ超出正常数值范围，则需悬挂铅鱼以保证换能器水中姿态。

铅鱼通过刚性连接悬挂于水声换能器底部，其受力情况如图6所示。由流体力学理论知铅鱼在海水中受到的水平力：

图6 悬挂铅鱼水声换能器受力分析图

式(5)中:Aq为铅鱼迎流面积，m2。由式(5)计算可知铅鱼在水中的水平力非常小，可以忽略不计，可以认为铅鱼在海水中是基本保持垂直状态。

由图6中知铅鱼仅受到自身重力Gq，海水给它的浮力Fqf，以及刚性连接的拉力F'1，因此对铅鱼有力的平衡关系式:

式(6)中:F1为F'1的反作用力。由式(6)得:

铅鱼在海水中的浮力:

式（8）中：Vq为铅鱼排开水的体积，m3。对换能器O点列力距平衡方程有：

由式(7)、式(8)、式(9)可得:

将指定安保海域实地勘察后洋流平均速度、选用铅鱼结构参数等代入式(7)～式(9)，并由式(10)求得倾角θ。考虑经济性，设备整体的轻便性，满足水声换能器正常工作倾角条件下，选用合适的配重铅鱼即可。

工程应用

本文设计的水下声栅栏设备已成功应用于深圳大亚湾某大型体育赛事水上项目水下安保系统。具体设计过程如下。

由实地勘察大亚湾海域的海深和水文情况并综合声栅栏设备性能指标，可以确定水声换能器布放深度。

由实地勘察大亚湾海域的洋流、潮汐、海底情况，可以确定选用合适的锚系及选用合适的配重铅鱼。锚系为丹福尔锚50 kg、钢丝缆长为1.5倍海深、配重铅鱼8kg，由此可计算出水声换能器倾角θ，其数值在允许范围内。

由实地勘察大亚湾海域的海图情况，可以确定选用何种声栅栏工作布置形态。布置声栅栏设备节点数也可以确定。

本次工程应用选用的是“U”字形工作布置警戒形态，具体工作布置警戒态势图如图7(a)所示。图7(b)为声栅栏系统综合显控台显示界面。显示界面主要由电子海图态势区、目标信息区、系统信息显示与操控区组成。实际应用中，声栅栏设备在海上实际布设形成长度约为12 km的海上警戒线，并经过约30d海上连续工作验证[6]，其工作稳定可靠，得到赛事组委会及安保部门的一致肯定。

图7 深圳大亚湾海域声栅栏设备多节点组网工作布置图

结论

(1)声栅栏设备整体结构简单，具有良好的工艺性和经济性。

(2)声栅栏设备的成功开发并成功应用，充分验证了其工作的可靠性、稳定性及便利性，具有创新性和实用性。

(3)声栅栏设备多点组网形成的警戒系统不仅可以应用于重要活动水下安保，还可以应用于军用和民用港口水下警戒、驻泊舰船与海上高价值设施保护，具有广泛的应用前景。