水下非聲探測與隱身技術綜述

彭 亮，王建勛，鄧海華，劉 宏

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

水下非聲探測與隱身技術綜述

彭 亮，王建勛，鄧海華，劉 宏

(武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

非聲隱身技術的重要性日益凸顯，本文從分析艦艇的磁場、電場和尾跡這幾種國外重點關注的非聲特性入手，介紹了國外的非聲探測手段和探測水平，分析了水下非聲探測的機理;在此基礎上，本文介紹了國外磁場、電場、尾跡、雷達波和可見光等先進非聲隱身單項技術的發展現狀和特點，分析了水下非聲隱身技術的原理;最后對非聲隱身技術的發展趨勢進行展望。

非聲探測技術;非聲隱身技術;磁場;電場;尾跡

0 引言

良好的隱蔽性能是艦艇軍事價值的源泉。由于部分發達國家的聲隱身技術已經達到了較高的水平，加之在近岸海區的聲探測環境比較惡劣，發展非聲隱身技術已經成為各國海軍非常關注的一個方向［1］。美國海軍在《2000－2035年海軍技術－反潛戰》報告中指出，非聲反潛是水聲探測的必要輔助手段。

目前，國內研究單位初步掌握了國外部分非聲探測技術的概況。文獻［1］介紹了一些20世紀在淺海區域使用的非聲探測手段;文獻［2］研究了部分航空非聲探測設備的應用情況;文獻［3］說明了幾種非聲探測技術的現狀;文獻［4］探討了關于艦艇水下非聲物理場特性測量的一些基本問題。國外的非聲探測和隱身技術早已進入實用階段，但出于保密原因，僅能查閱到一些關于測量系統的介紹［5］和建模分析的論文［6］。

本文從水下非聲隱身技術的軍事需求出發，在說明國外非聲探測技術水平的基礎上，重點分析幾種對水下目標較為重要的非聲隱身單項技術。

1 水下非聲探測與隱身技術現狀

艦艇的主要非聲物理特性有磁場特性、電場特性和尾跡特性等。在不同的航行工況以及在執行不同的任務時，各種非聲探測手段對水下目標的威脅程度是不同的。對于航速較高、航行深度較大的艦艇來說，合成孔徑雷達 (SAR）探測內波尾跡的方式對其威脅較大;對于處于水面航態的艦艇來說，雷達波探測和可見光成像的方式對其威脅較大;當艦艇以較低航速駛過在海底布設有磁場傳感器陣列的海峽時，磁場探測設備對其威脅最大。為對抗來自空中、水下各種武器裝備的探測、跟蹤與攻擊，艦艇必須采取多方面的非聲隱身防護措施，對自身物理場特性進行控制，以有效降低被探測和攻擊的可能性。

1.1 磁場探測與隱身技術

艦艇由于自身磁場特性面臨的威脅主要來自于2個方面，一是遠場航空磁探，即反潛機上的地磁異常探測儀可以在不受海況影響的情況下發現水下目標并對其進行精確定位;二是近場磁引信水雷。矢量磁場傳感器在晃動的條件下無法進行精確測量，不適用于飛機平臺，因此反潛機上搭載的是測量磁場強度總量的光泵式磁探儀。

常用的磁場隱身技術有消磁站消除固定磁場(外消磁）、艇載消磁系統實時補償感應磁場 (內消磁）［7］、對艇上設備進行低磁化設計消除交變磁場以及用低磁材料建造艦艇。

在艇載消磁系統控制算法方面，發達國家已從磁羅經控制 (第1代）發展到地磁解算和磁探頭控制 (第2代）的開環消磁系統，并向閉環消磁系統(第3代）進行過渡。開環控制方式的艇載消磁系統采用地磁解算方法得到艦艇航行位置處的地磁場值，進而計算得到艦艇的感應磁場值，然后根據此感應磁場值實時調整在消磁繞組中通入的電流。在消磁控制技術應用方面，國外采用嵌入式數字控制、分布式網絡控制和熱備份冗余等工業控制技術，以保證消磁系統的可靠性。

為配合磁場隱身技術研究工作的開展以及對磁隱身措施的效果進行驗證，國外在艦艇磁場特性建模分析方面開展了深入的研究工作，包括艦艇磁場遠距離推算技術、艦艇磁場特性分布仿真技術、艇載消磁系統仿真技術。目前國外主要采用數學模型仿真為主、物理模型仿真為輔的方法開展水下艦艇磁場特性仿真研究。在數學模型仿真方面主要應用大平面法、諧波分析法、磁體模擬法、邊界元法和有限元法等方法。

法國Cedrat公司開發的電磁仿真軟件FLUX在艦艇磁場特性建模分析方面的仿真計算功能很強大，被廣泛使用，但該軟件在以下方面有待改進:

1）繪圖功能不足。該軟件難以繪制出由較多曲面組成的精確的艦艇模型;另外，該軟件與其他三維繪圖軟件 (如Catia）的接口功能較弱。

2）無法對固定磁場進行仿真分析。該軟件在靜磁場仿真分析方面只能對感應磁場進行計算，無法綜合考慮影響固定磁場的眾多因素。

在磁隱身措施的效果驗證方面，俄羅斯經過多年的研究積累，在綜合考慮對抗水雷和對抗反潛機需求的基礎上，采用2套考核指標 (艦艇磁場幅值及磁矩）配合使用的方式，較好實現了對水下艦艇靜態磁場近場、遠場磁防護性能評估的兼顧。發達國家還通過不斷改進磁場測量技術，將試驗研究的范圍從傳統意義上的艦艇靜態磁場擴展到了低頻電磁場，對雜散磁場、腐蝕相關電磁場、渦流磁場以及尾流磁場的分布規律開展了大量的研究工作。

1.2 電場探測與隱身技術

艦艇的電場特性主要由2個因素引起，一是艦艇受到海洋環境的腐蝕，二是用于防腐的陰極保護系統。這兩者會在艦艇周圍的海水中產生電流，導致艦艇被布放于水中的電場傳感器探測到，以及被電場引信水雷 (西班牙MINEA水雷和美國LSM水雷）攻擊。水下電場傳感器一般采用氯化銀電極或碳纖維電極作為電場感應元件［8］，用相隔一定距離的2個電極測量電勢差的方式得到某一區域的電場強度。瑞典和英國的電場傳感器系統自噪聲可以達到 1 nV，測量頻率范圍約為1Hz～3kHz，精度可以達到1nV/m。

與腐蝕相關的艦艇電場主要分為靜電場、軸頻電場以及工頻電場［9］。海水、艦艇殼體和螺旋槳等導電介質構成的電流通路中的腐蝕電流和陰極保護電流產生的能量集中在DC～0.1Hz頻段的電場，稱為靜電場;由于螺旋槳的旋轉使螺旋槳－軸－艇體－海水電流回路的電阻發生周期性變化，流經海水的腐蝕和防腐電流因此受到調制，產生頻率與軸旋轉頻率相同的交變電場，稱為軸頻電場;陰極保護系統的電源諧波，以及艇上機電設備的漏電流和電磁輻射引起的工頻及其倍頻分量的交變電場，稱為工頻電場。

被動軸接地和主動軸接地系統可以有效抑制軸頻電場。主動軸接地系統通過額外的電路實現主軸接地，從而將軸承旁路掉，以抑制軸承電阻波動所引起的軸頻電場。進行陰極保護系統優化設計可以在保證艦艇防腐性能的同時兼顧電場隱身性能，該方法通過優化輔助陽極的位置和輸出電流的大小等參數來實現降低靜電場強度的目的。抑制工頻電場的措施主要是使用內置無源濾波和有源濾波系統的低紋波系數電位儀為陰極保護系統提供電源。俄羅斯的艦艇所采用的電場抑制裝置與其他國家不同，其Каскад電場消除系統對所有接觸的異種金屬進行了有效的電絕緣，并利用磁性調制傳感器測量軸頻電流特征參數，在尾部陽極施加反向電流消除軸頻電磁場;俄羅斯還制定了系統的電場防護結構工藝標準，通過在艦艇的結構工藝上盡量避免不同金屬材料之間電連接的方式從源頭上降低艦艇電場。

為配合電場隱身技術研究工作的開展以及對電場隱身措施的效果進行評價，英國、法國和加拿大等國家開發了有限元、邊界元和偶極子分析軟件，能夠對艦艇電場的主要來源——防腐系統所產生的靜電場、軸頻電場以及工頻電場進行分析計算。在分析軟件中輸入艦艇尺寸結構和陰極保護系統的陽極位置，就可以預測靜電場或低頻電場的空間分布特性。

1.3 尾跡探測與隱身技術

艦艇的尾跡是造成艦艇暴露并破壞其隱身性能的重要物理特征。內波尾跡和熱尾跡是2種主要的水下艦艇尾跡。水下艦艇尾跡的產生原因可以歸結于體積和溫度2種因素。海水是密度分層流體［10］，在海洋中航行的水下艦艇，其艇體的擾動和航行引起的尾流會破壞海水原來的密度分層，因而會在海洋中產生內波。這種不規則的內波會對海面的水波有調制作用，從而改變海面的粗糙程度。當使用星載合成孔徑雷達 (SAR）對海面進行探測時，被調制了的海面水波會影響電磁波的后散射［11］，引起SAR圖像的明顯像變，導致水下艦艇的尾跡被發現。美國的星載SAR在0.006 s的時間之內就可以生成一幅覆蓋范圍達到1 000 km2、分辨能力為3 m的圖像。通過多個星載SAR的不間斷掃描，就可以實時遠距離監測全球范圍內海洋艦艇的活動。水下艦艇的下潛深度即使超過了100 m，其產生的內波尾跡依然可以被探測到。由于水下艦艇的體積產生的水動力學尾跡還包括開爾文尾跡、渦尾跡、湍流尾跡、冷尾跡、伯努利“水丘”等。

另一方面，水下艦艇的熱排水在上浮過程中會形成一條持續時間較長、持續范圍較大的熱尾流(與周圍海水的溫差可達到0.001℃ ～0.01℃），并可能上浮到海面 (水下艦艇在密度躍層之下航行時熱尾流無法浮升至海面）。使用最小可分辨溫差已達到0.001℃的的紅外熱像儀可以觀察到水下艦艇的熱尾跡。水下艦艇尾跡探測設備除了上述的SAR和紅外熱像儀外，還有發射藍綠激光的光學探測器。由于水下艦艇尾跡擴散范圍大，可延伸幾千米，配備機載SAR和機載紅外探測設備的反潛機在幾千米的高空就可以探測到水下艦艇的尾跡，探測距離可達數十千米。

抑制水下艦艇的內波尾跡是非常困難的，這方面的研究基本都處于探索階段。美國正在研究的一項尾跡隱身技術的原理是在艇體表面覆蓋一層內嵌微型水泵的三維晶格多孔金屬材料［12］，使從覆層中流出的水流速度與艇體外的水流速度相當，從而減弱水下艦艇的尾跡。對熱尾跡的抑制一般采用冷卻水分級排放技術，以降低水下艦艇熱排水與環境海水的溫差。

1.4 其他非聲探測與隱身技術

除磁場、電場和尾跡探測技術外，雷達波探測技術和可見光探測技術對處于近水面狀態航行的艦艇也有一定的威脅。

雷達可以對艦艇暴露在海面以上部分的艇體結構和升降裝置進行遠距離探測和識別。減小艦艇露出水面部分的雷達波散射截面積 (RCS）可以取得較好的雷達波隱身效果。指揮臺圍殼自下而上呈一定角度內傾、升降裝置小型化設計、在升降裝置上加裝導流罩或屏蔽罩、涂覆雷達波吸波材料是美國、德國、瑞典和日本部分艦艇目前采用的減小RCS的主要手段。

艦艇露出水面的升降裝置，其表面顏色、光譜特性與環境水色和光譜有明顯差別，多光譜探測設備可以遠距離探測到這種差別。涂覆多光譜迷彩隱身涂料，可以起到良好的可見光隱身效果。

除上述5種非聲物理場外，目前已知的艦艇非聲物理特性還包括紅外、水壓場、通信電磁波、激光、生物熒光、核輻射和重力場等。

紅外:艦艇在水面航行時，太陽光對艦艇水面以上部分的金屬結構的加熱和反射，會產生較強的紅外輻射。反潛機上裝備的紅外探測器可以探測到這種紅外輻射。紅外輻射的強度與艦艇水面以上部分的表面溫度密切相關。紅外輻射的波長為3～5 μm和8～13μm。

水壓場:艦艇航行于水下時，會使周圍水流場的流速發生變化，從而引起流場壓力的變化。水壓場引信的水雷就是基于這種非聲特性對艦艇進行攻擊的。

通信電磁波:艦艇在進行通信時，天線發射的電磁波容易被敵方的偵察電臺截獲。

激光:向水下發射的大功率窄脈沖激光遇到艦艇會發生反射，利用這種特性可以對水下艦艇進行探測，0.5μm左右的藍綠光波段是激光探潛的最佳波段。

生物熒光:艦艇的螺旋槳攪動和艇體運動引起的擾動會使一些特殊的生物體因受到刺激而發光。基于高靈敏度光譜分析儀構建的水下生物光探測器可以通過探測這種生物熒光來發現水下艦艇。

核輻射:核反應堆產生的γ光子會穿透核動力裝置一、二次屏蔽和艙壁射入水中。反應堆中的中子通過使海水活化和慢化的方式可以產生γ射線。高分辨率γ探測器可以捕獲上述γ光子和γ射線。另外，γ射線與海水相互作用產生的切倫科夫光，可以被具有微光探測能力的衛星發現。

2 水下非聲探測與隱身技術發展趨勢

水下非聲探測技術的發展趨勢主要包括以下2個方面:

1）建立專用的艦艇非聲特性測量場。法國國防部下屬武器裝備總署 (DGA）于2004年在布雷斯特完成了對3個測試場的現代化改造，使其具備在水深25 m，15 m和9 m處測量艦艇的磁場和水壓場的能力;2011年，DGA在布雷斯特又新建了一個測量深度為25 m的電場信號測量場。建立專用測量場的目的是為了準確掌握艦艇的非聲物理特性，以便在后續型號艦艇的設計建造階段就對非聲隱身問題加以考慮。

2）研制更高性能的探測設備。歐美各國近年來一方面著力于提高磁場傳感器和電場探測電極的靈敏度、頻率響應范圍和穩定性，并降低其自噪聲;另一方面致力于將電場和磁場測量設備進行集成，構建多場測量系統。

水下非聲隱身技術的發展趨勢主要包括以下幾個方面:

1）閉環消磁技術。相比于開環控制方式，閉環消磁技術的控制精度更高。使用閉環控制方式的艇載消磁系統需要根據艇內傳感器的磁場強度測量值，推算艇底部的近場磁場強度，然后根據此數值實時調整在消磁線圈中通入的電流。因此，為了使艦艇近場磁場強度的測量計算結果受到艇上鐵磁物質的影響較小，需要使用低磁材料建造艦艇。

2）新型推進技術。目前，美國、英國等國家的新型水下艦艇使用了泵噴推進裝置，不僅降低了水動力噪聲，同時在減弱尾跡方面也有較大貢獻。俄羅斯開展的研究表明，磁流體推進技術在降低水下艦艇水動力噪聲和減弱尾跡方面也有較好的效果。

3）多功能隱身材料。未來的隱身材料需要具有寬頻帶特性，能同時應對雷達和紅外熱像儀的探測。發達國家正在研制的薄膜型材料和半導體型材料既能吸收雷達波，又具有低紅外輻射特性。

4）非聲隱身措施的兼容性設計。為了減少腐蝕，陰極保護系統會產生電流，使得艦艇的電場特性變得更為明顯。類似的，為了補償感應磁場，消磁繞組中通入的電流也可能會增大艦艇的電場強度。為解決諸如此類的兼容性問題，需要進行非聲隱身措施的兼容性設計，比如發達國家已經上艇應用的考慮靜電場隱身的陰極保護統優化設計技術。

3 結語

作為聲隱身技術的補充手段，非聲隱身技術對提高艦艇的綜合隱身性能來說至關重要。加快艦艇多目標特征的綜合隱身技術研究和應用的步伐，對提高艦艇的隱蔽作戰能力和生存能力是非常有意義的。

［1］宮繼祥.淺海非聲探潛［J］.現代艦船，1996(11）:29－31.

GONG Ji-xiang.Shallow sea non-acoustics detection［J］.Modern Ships，1996(11）:29 －31.

［2］王祖典.航空反潛非聲探設備［J］.電光與控制，2006(4）:6－8.

WANG Zu-dian.Airborne anti-submarine non-acoustic detection equipment［J］.Electronics Optics and Control，2006(4）:6－8.

［3］崔國恒，于德新.非聲探潛技術現狀及其對抗措施［J］.火力與指揮控制，2007(12）:10－13.

CUI Guo-heng，YU De-xin.Status quo of non-acoustics antisubmarine detecting technology and its countermeasures［J］.Fire Control and Command Control，2007(12）:10－13.

［4］李帝水.艦艇水下非聲隱身性能測試體系探討［J］.艦船科學技術，2008(6）:86－90.

LI Di-shui.Discuss for warship underwater non-noise stealth performance test system［J］.Ship Science and Technology，2008(6）:86－90.

［5］LUCAS B.DGA/TN and GESMA ranges focus on electromagnetic ranges［C］.UDT Europe，2012:1 －25.

［6］DIAZ E S，TIMS R.A complete underwater electric and magnetic signature scenario using computational modeling［EB/OL］.http://www.beasy.com.

［7］周耀忠，張國友.艦船磁場分析與計算［M］.北京:國防工業出版社，2004.

ZHOU Yao-zhong， ZHANG Guo-you. Analysis and calculation of vessel magnetic field［M］.Beijing:Defense Industry Press，2004.

［8］史文娥.海軍反潛戰傳感器與市場［J］.船舶物資與市場，1997(5）:43－45.

SHIWen-e.Navy anti-submarine sensor and market［J］.Marine Fquipment/Materials and Marketing，1997(5）:43－45.

［9］林春生，龔沈光.艦船物理場(2版）［M］.北京:兵器工業出版社，2007.

LIN Chun-sheng，GONG Shen-guang.Vessel physical field(2nd）［M］.Beijing:Weapon Industry Press，2007.

［10］魏崗，吳寧，徐小輝，等.線性密度分層流體中半球體運動生成內波的實驗研究［J］.物理學報，2011(4）:1－7.

WEIGang，WU Ning，XU Xiao-hui，et al.Experiments on the generation of internal waves by a hemispheroid in a linearly stratified fluid［J］.Acta Physica Sinica，2011(4）:1－7.

［11］張效慈，張軍.潛艇內波波跡—航空獵潛的新對象［J］.船舶力學，2007(4）:508－513.

ZHANG Xiao-ci，ZHANG Jun.Internal wave wake of submarine—A new target of aerial submarine hunting［J］.Journal of Ship Mechanics，2007(4）:508 －513.

［12］呂強，黃冬.2011年世界海軍裝備與技術發展態勢綜述［J］.現代艦船，2012(02A）:10 －18.

LV Qiang，HUANG Dong.Development summarize of 2011 World navy equipment and technology［J］.Modern Ships，2012(02A）:10－18.

Review of the non-acoustic detection and stealth technology

PENG Liang，WANG Jian-xun，DENG Hai-hua，LIU Hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

The importance of non-acoustics stealth technology is increasing.Firstly，the magnetic field，electric field，and wake characteristics of vessels focused abroad are analyzed.The non-acoustics detection method and ability are introduced.The mechanism of underwater non-acoustics detection is discussed.Secondly，the state-of-the-art and characteristics of advanced non-acoustic stealth technology abroad are introduced involving magnetic field，electric field，wake，radar and visible light.Finally，the future developments and prospects of non-acoustic stealth technology are presented.

non-acoustics detection technology;non-acoustics stealth technology;magnetic field;electric field;wake

M937

A

1672－7649(2014）05－0006－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.002

2013－07－17;

2013－08－16

彭亮(1983－），男，博士，工程師，從事艦船技術研究工作。