外軍水下偵察技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢＊

鄭君杰 尹 路 李延斌 馬金鋼 姚春富

（1.解放軍國際關系學院 南京 210039)（2.解放軍理工大學 南京 211101)（3.61741部隊 北京 100010)（4.陸軍航空兵學院 北京 100011)

1 引言

第一次世界大戰(zhàn)以后，海洋的戰(zhàn)略地位日益凸顯，擁有制海權成為軍事強國進行軍事威懾、保持戰(zhàn)略優(yōu)勢乃至贏得戰(zhàn)爭的關鍵因素。奪取制海權除了要建設強大的海上力量之外還要擁有立體化的海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)，而水下偵察系統(tǒng)便是其中的重要組成部分。

潛艇、無人潛航器、水下蛙人等裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，海洋是水下兵器優(yōu)良的天然隱蔽所，水下能見度極低，無線電信號嚴重衰減［1］，環(huán)境變化迅速且難以預計，傳統(tǒng)的光學、無線電等偵察手段在水下難以應用，同時隨著技術的進步，近年來安靜型潛艇的噪音幾乎降到了和海洋背景噪聲同等的水平。

因此世界各國都極為重視水下偵察技術的發(fā)展，以美軍為例，美國海軍一向把信息的搜集、獲取、共享視為實施“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”的重要環(huán)節(jié)，把情報搜集、偵察、監(jiān)視（ISR)網(wǎng)絡的建設看得比采購新型作戰(zhàn)平臺和武器裝備還要重要，不斷加強水下ISR系統(tǒng)的建設，并取得了顯著成效。

2 分布式水下監(jiān)測

從上世紀60年代起美軍耗費巨資發(fā)展固定式水聲監(jiān)視系統(tǒng)，在大西洋和太平洋布設深海水聽器陣，通過電纜連接到岸上的分析中心，電纜總長度超過30000海里，是冷戰(zhàn)時期反潛的主要手段之一。

水聽器陣在深水固定，工程難度大，難以維護更新，大量電纜也容易受到魚群的攻擊，因此隨著“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”與美國海軍“近海戰(zhàn)場空間優(yōu)勢”概念的提出，新一代水下分布式探測技術作為作戰(zhàn)網(wǎng)絡體系中的一個重要組成部分被提上日程。

美國海軍的海網(wǎng)水下聲學網(wǎng)絡（Seaweb)［2～5］是分布式水下探測的典型代表。該計劃由美國海軍研究局和空海戰(zhàn)系統(tǒng)中心主持，其目的是在軍事上構建可布放的自主分布系統(tǒng)，用于沿海廣大區(qū)域的警戒、反潛和反水雷，在民用領域可以實施控制、通信和導航功能，節(jié)點之間采用水下聲學通信技術。從1998年起至2008年，Seaweb的研究進展與應用不斷涌現(xiàn)，試驗了其在多種場合下的應用，如海洋環(huán)境測量、使用水下無人潛航器作為移動節(jié)點、潛艇與水聲網(wǎng)絡的通信等（見圖1)。到目前為止，Seaweb是規(guī)模最大的在研實用水聲網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡節(jié)點已達17個。已具有較強的自組織能力，如自動進行節(jié)點識別、時鐘同步（0.1s～1.0s量級)、節(jié)點自定位（100m量級)、節(jié)點更新和失效后的網(wǎng)絡重新配置等。

圖1 美海軍seaweb系統(tǒng)示意圖

近年來，美國空間與海上系統(tǒng)司令部、海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局等部門相繼表示，將繼續(xù)為水下分布式系統(tǒng)引入更先進的技術［6］，其中“可布設自主管理分布式系統(tǒng)"DADS（Deployable Autonomous Distributed System)成為發(fā)展的重點。該系統(tǒng)將能夠大大提高美國海軍在近海區(qū)域的情報、偵察和監(jiān)視能力，有效應對來自敵方國家低噪聲柴電潛艇的威脅。DADS是利用布放于海床的分布式無人傳感器節(jié)點建立的近海海域警戒系統(tǒng)，節(jié)點固定布放在水深50～300m的海底，傳感器節(jié)點間距2～5km，由潛艇、水面艦只、飛機或UUV等布放，每個節(jié)點重16～19kg，設計壽命為180天。節(jié)點包含一個由28個水聽器和3個磁力計組成的陣，附帶獨立的信號處理單元，采用水聲調(diào)制解調(diào)器同其它節(jié)點或網(wǎng)關進行鏈接，主要用于偵測和跟蹤近海水域的水面和水下目標。系統(tǒng)由探測節(jié)點、通信網(wǎng)關和控制終端組成。位于探測節(jié)點中的信號處理部件完成檢測、識別、特征提取、跟蹤、航跡關聯(lián)等功能，然后通過通信網(wǎng)關將信息發(fā)送至控制終端，終端可以對節(jié)點和網(wǎng)關進行控制，并顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)和偵察情報的信息。DADS系統(tǒng)目前仍處于不斷測試、不斷完善的階段。

在美國海軍潛艇聯(lián)合會2006年舉辦的潛艇技術論壇上，披露了當今世界上最先進的水下網(wǎng)絡計劃之一，美國“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”PLUSNet（Persistent Littoral Undersea Surveillance Networkprogram)。PLUSNet是以SSGN（巡航導彈核潛艇)為母船、以UUV等為活動節(jié)點組成的大規(guī)模有纜與無線綜合集成的網(wǎng)絡，由攜帶半自主傳感器的多個潛航器組成，這些潛航器能夠互相通信，并在沒有人為指令的情況下做出基本決策，從而履行多種功能。PLUSNet計劃由美國賓夕法尼亞州立大學承擔，耗資2770萬美元，美國海軍希望其能在2015年前后具備完全作戰(zhàn)能力。

3 蛙人探測聲納

蛙人體積小，水下噪聲極低因此幾乎無法使用被動聲納探測。2000年10月，美軍驅(qū)逐艦“科爾”號在也門受到蛙人的攻擊，導致17名水手死亡，艦艇嚴重受損，因此目前世界各國都在大力發(fā)展蛙人主動探測聲納技術［7］。

美國海軍應用的“冥府守門狗360”能自動探測、分類和跟蹤水下威脅，該系統(tǒng)的聲吶單元能在800m范圍內(nèi)對蛙人進行探測，并且可以在水下500m距離內(nèi)識別出人類所特有的胸腔。該系統(tǒng)的一個獨立單元就可以覆蓋360°范圍，這些聲吶單元可以懸掛在船舷兩側為艦船提供保護，也可以把許多單元部署在海床上，形成一道警戒線，保護海港和航道的安全。

英國的手持式蛙人偵察系統(tǒng)（DRS)能夠在100m深度工作，DRS系統(tǒng)的探測主要是依賴一部前視高頻（500kHz)電子掃描聲納，一般情況下該聲納能夠在230m距離上探測到一個－25dB的目標，導航系統(tǒng)采用長基線主動聲學方式，通過該技術，導航誤差可以控制在0.5m，最大導航距離可達到1200m。

以色列新型蛙人探測聲納（Diver Detection Sonar，DDS)據(jù)認為是目前世界上唯一能遠距離探測封閉式呼吸蛙人的可靠系統(tǒng)。對一個攜帶封閉式呼吸裝置的蛙人，DDS最小的探測距離達到700m；對于使用開放式呼吸器的蛙人，DDS探測距離達到1000m～1200m；對于有動力系統(tǒng)的蛙人運載器，DDS探測距離能夠延伸到1400～2000m。

俄羅斯、烏克蘭研制的探測系統(tǒng)采用匹配場設計原理，最大特點是可以探測帶吸聲材料的隱身蛙人，探測距離達100m左右。

挪威考達公司的Echoscope系列聲納采用三維成像技術用于水下目標成像和蛙人探測。

國內(nèi)目前在蛙人探測方面已有成型產(chǎn)品，國家科技部“863”計劃項目“合成孔徑聲納（SAS)成像技術”目前在水下試驗中取得了令人滿意的結果。

中國科學院聲學研究所、中國科學院沈陽自動化研究所等單位聯(lián)合開發(fā)的水下反恐監(jiān)控系統(tǒng)已成功用于上海世博會和奧運會的水下安保，據(jù)報道可以有效探測到水下六百米內(nèi)的蛙人。

4 拖曳陣聲納

傳統(tǒng)的大功率聲納都要依托艦艇平臺，因而受到許多限制：1)空間有限，特別是容納陣列聲納的空間有限，制約了聲納性能的提高；2)來自艦艇平臺的自噪聲（包括航行水噪聲)是聲納工作的重要干擾源；3)對水面艦艇來說，聲納不能根據(jù)水文條件（聲速分布情況)的變化而改變聲納深度，因此不能隨時接收最佳的水聲信號。拖曳變深聲納的出現(xiàn)，部分地突破了上述局限。為擴展陣列聲納孔徑，變深聲納的拖體逐漸演變成數(shù)百米甚至更長的的長線陣列，形成了拖曳線列陣聲納，見圖2。

拖曳線列陣聲納也稱“拖曳陣聲納”，它是將水聽器鑲嵌在電纜上形成列陣，由拖曳電纜拖在艇尾后在水中探測目標的聲納，由線列基陣、拖曳電纜、收放裝置和絞盤、電子機柜等組成，主要用于聽測潛輻射噪聲，進行遠程監(jiān)視、測向和識別，有的也可用于測距。拖曳線列陣一般由前導段、儀器段、基陣段、后導段和尾段構成，陣長數(shù)十米至數(shù)百米，工作深度可變。拖線陣中的傳感器有水聽器模塊和非聲模塊，后者用以監(jiān)控陣形和姿態(tài)。拖曳陣聲納具有如下優(yōu)點：1)基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測，能遠距離隱蔽地發(fā)現(xiàn)目標；2)基陣入水較深，通過控制拖纜長度可調(diào)節(jié)基陣入水深度，以工作于有利水層；3)基陣遠離平臺，受平臺噪聲干擾小，作用距離遠；4)基陣可隨時收回，維修方便。缺點是基陣、拖纜和收放裝置占用運載平臺的空間大，拖體放入水中工作時，對拖帶艦艇的旋回和倒車等機動有不利影響。

圖2 拖曳線列陣聲納

拖曳陣聲納按用途可分為戰(zhàn)術型拖曳列陣聲納和監(jiān)視型拖曳列陣聲納兩種［8］。戰(zhàn)術型拖曳線列陣聲納用于裝備大、中型反潛水面艦艇和攻擊潛艇，拖曳電纜與線列陣總長達1000m～2000m，被動探測距離50海里～100海里，最大拖曳航速可達30節(jié)，可與艦殼聲納配合工作，被動接收主動聲納信號在目標上產(chǎn)生的回波，其作用距離遠大于艦殼聲納或拖體聲納單獨工作時的主動探測距離，從而提高水面艦艇反潛搜索能力。如美國海軍當前裝備水面艦艇的AN/SQR一19被動聲納，聲陣長800feet，拖纜長5600feet，拖曳深度達1200feet，在大洋中探測距離可超過120km，是目前世界上最先進的戰(zhàn)術拖曳陣聲納。它在綜合反潛系統(tǒng)中承擔了大范圍遠距離初始探測任務，初探之后，艦載反潛直升機迅速飛往目標區(qū)域，使用機載探潛設備對潛實施精確定位，而后用機載反潛武器攻擊或經(jīng)數(shù)據(jù)鏈給母艦傳輸目標數(shù)據(jù)由艦載遠程武器對潛攻擊。

監(jiān)視型拖曳線列陣聲納，主要裝備于海洋監(jiān)視船，其拖曳航速極低，拖曳電纜與線列陣總長5000m以上，在低聲頻和次聲頻段工作時，被動探測距離可達300余海里。

隨著潛艇降噪技術的進展，安靜型常規(guī)動力潛艇的出現(xiàn)，特別是不依賴空氣推動技術投入應用，使?jié)撏л椛湓肼暣蟠鬁p小，隨后核動力潛艇降噪也獲得相應地進展，使被動聲納探測目標變得困難。人們把目光又投向主動式探測聲納，開始了低頻主動拖線陣聲納研究。主動拖線陣聲納利用低頻長發(fā)射脈沖、大孔徑聲納系統(tǒng)來增大探測距離。英國是第一個開始主動式拖曳線列陣聲納研究的國家，它的ATAS試驗陣受到世界各主要海軍國家的高度重視，這種聲納繼承了被動拖曳陣聲納的技術優(yōu)勢，使用大孔徑低頻線陣作為接收陣，配以低頻大功率發(fā)射陣，由水面艦艇拖曳使用。北約水下研究中心在上世紀80年代初就進行主動拖曳陣聲納的方案和技術可行性研究，1992年主動拖線陣聲納首次參加北約組織的“龍錘”演習，后在英吉利海峽水域多次組織海試，假象目標為意大利的“托蒂”潛艇和德國的U30型潛艇，試驗使用主動拖線陣聲納的發(fā)射聲系統(tǒng)和拖體，得到了有價值的成果。

拖曳線列陣聲納的發(fā)展趨勢是繼續(xù)向低頻、大功率、大基陣、主動與被動相結合發(fā)展。

5 光纖水聽器

光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息。它既可用于海洋與陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測以及海洋環(huán)境檢測，又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗的先進檢測手段。自從1977年美國海軍實驗室的Bucaro等人發(fā)表光纖水聽器的首篇論文以來，該技術已經(jīng)從基礎研究發(fā)展到了實用階段［9］。

光纖水聽器與傳統(tǒng)水聽器相比，在未來的聲納系統(tǒng)中作為接收陣列顯示了更大的吸引力。它可以將大量單元的信號經(jīng)由一單根光纖傳輸，具有大規(guī)模成陣的能力并具有水聽器單元設計的靈活性。另外，它還具有靈敏度高、響應的帶寬寬、單元及信號傳輸不受電磁干擾的影響等重要特點。1980年美國成功地進行了“玻璃板（Classboard)”塑料心軸型光纖水聽器試驗。1981年封裝了第一個“黃銅板（Brassboard)”光纖水聽器。1983～1986年期間，美國海軍實驗室進行了多次拖曳陣列海上演示，其中包括光纖水聽器。1987年，美國Gould公司海事系統(tǒng)分公司獲得了美國海上系統(tǒng)司令部價值1300萬美元的全光拖曳陣列合同，1988年，全光拖曳陣列在海上試驗中取得很大成功，1988年6月，美國海軍研究實驗室制訂出潛艇用“光纖水聽器系統(tǒng)標準”，美國國防部認為光纖水聽器技術的時代已經(jīng)到來。

強度型、干涉型和光柵型三大類光纖水聽器中最早出現(xiàn)的是強度型光纖水聽器，到現(xiàn)在研究最為成熟；干涉型光纖水聽器出現(xiàn)稍晚于強度型，迄今為止，干涉型光纖水聽器的關鍵技術已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領域也已經(jīng)形成產(chǎn)品，具有精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點。而光柵型光纖水聽器提出于2000年，現(xiàn)在還處于研究階段，由于它不僅具有精度高、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，且體積小、容易實現(xiàn)波分復用、便于拖拽作業(yè)，越來越引起各國的重視，逐步成為當前研究的熱點?？深A測，今后在光纖水聽器領域，對于單個光纖水聽器元件，性能將更加優(yōu)越（敏感度更高、動態(tài)性能更好、受環(huán)境影響更小等)，并逐漸向小型化發(fā)展，另一方面，光纖水聽器陣列的規(guī)模將越來越大（幾千個光纖水聽器組陣)，對弱小聲信號的探測能力將越來越強；另外專用光纖的研制將對光纖水聽器的研究帶來新的內(nèi)容［5］。

我國在“七五”就開始了光纖水聽器研究，并在“八五”、“九五”、“十五”列為國家預研計劃。在完成光纖水聽器實驗室測試、湖試以后，于2002年8月進行了我國首次大規(guī)模光纖水聽器陣列的海上試驗，試驗參加單位有中科院聲學所、國防科大、西安石油勘探儀器總廠以及天津大港油田集團地球物探公司等，試驗的主要目的是驗證光纖水聽器應用于海洋石油勘探及水聲物理研究的可行性。

6 水下激光偵察

1963年，人們在研究光波在海洋中的傳播特性時，發(fā)現(xiàn)海水對0.47mm～0.58mm波段內(nèi)的藍綠激光的衰減比對其它波段的衰減要小得多，從而證實在海水中存在一個理想的透光窗口。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使激光水下探測成為可能。美國、前蘇聯(lián)、澳大利亞等國均投入了大量的人力和物力，在水下激光測距、成像等領域進了廣泛的研究，并在一些重點方向上取得了突破進展。

水下激光探測模式可分為兩類：直接探測（也稱能量探測)和光外差探測（也稱相干探測)。

直接探測法的基本原理是光電探測系統(tǒng)直接響應激光回波光場的強度變化，并把回波光場相應地轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化信號。

光外差探測系統(tǒng)中的光電探測器響應的是回波信號與本振光波的混頻信號，利用了激光回波光場的頻率和相位變化兩個物理量。該探測模式雖然在強背景噪聲條件下的信噪比較大，但它要求單色高穩(wěn)定度的本振激光器，這對氣體激光器較易做到，但對固體激光器來說難度較大；并且光外差探測性能受海水渾濁度的影響較大，使混頻效率大為降低；在光外差探測的實際系統(tǒng)中，要求接收的信號光波與本振光波有嚴格的時空關系，因而限制了接收視場，減小了接收信號功率。相比之下，光外差探測結構復雜，而直接探測是一種簡單、實用的探測模方式，在水下激光探測中被廣泛采用。

美國是開展海洋激光探測技術研究最早的國家。

1968年美國Syracuse大學建造了世界上第一個光海洋深度測量系統(tǒng)，初步建立了海洋激光探測技術的理論基礎。此后，瑞典、加拿大、俄羅斯等國也相繼開展了藍綠激光水下探測技術的研究工作。美國從上世紀80年代開始研制機載激光探潛系統(tǒng)，最為典型的是卡曼公司研制的直升機載“魔燈”激光探潛系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了大功率的綠光輸出，輸出脈沖的能量達500mJ，脈沖頻率40Hz。接收機使用6個CCD攝像機，利用選通技術克服后向散射光影響，探測深度可達30m。其他國家也相繼制出了性能先進的機載激光探潛系統(tǒng)，如俄羅斯的“紫石英”機載激光探潛系統(tǒng)，瑞典和加拿大聯(lián)合研制的“鷹眼”機載激光探潛系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的探測深度均在30m以上。20世紀90年代發(fā)展起來的水下激光測距和成像系統(tǒng)，可裝在潛艇、水面艦船底部或裝在水下無人器（UUV)上，執(zhí)行水下偵察、獵雷或反潛任務［10～11］。

7 結語

早在600年前，我國偉大的航海家鄭和就曾疾呼：“欲國家富強，不可置海洋于不顧。財富取之海，危險也來自海上。”在最近圍繞中國管轄海域發(fā)生的種種爭端的背景下，此話令我們振聾發(fā)聵。

我國作為陸海兼?zhèn)涞拇髧?，不僅有960萬平方公里的陸地國土，18000多公里的海岸線，6000多個島礁，而且按照《聯(lián)合國海洋法公約》還擁有面積約300萬平方公里的管轄海域，同時作為世界上最大的發(fā)展中國家和世界第二大經(jīng)濟體，海上交通線的重要作用對我國來說是不言而喻的。我國近海水下地貌極其復雜，加之我軍的水下偵察技術和發(fā)達國家相比仍存在很大的差距，敵方高技術水下武器裝備很容易突破我方的水下防線，給我方艦船和島礁特別是南海島礁造成了極大地安全威脅，同時近年來美海軍水下探測系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展對我海軍潛艇的作戰(zhàn)行動造成了很大威脅。因此我們要增大對海洋偵察技術領域的投入，增大水聲技術的研究投入，緊跟世界海洋先進偵察技術的發(fā)展，堅持軍民融合的發(fā)展道路，必要時引進國外先進的海洋探測技術，同時我們也要重視反潛戰(zhàn)術、戰(zhàn)法的研究，為我海軍走向大洋打下堅實的基礎。

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