水下特種防御作戰(zhàn)中港口防御探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

郭萬海，滕 俊，王作超

(1．海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系，遼寧大連116018;2．海司軍訓(xùn)部，北京100360;3．海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連116018)

水下特種防御作戰(zhàn)中港口防御探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

郭萬海1，滕 俊2，王作超3

(1．海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系，遼寧大連116018;2．海司軍訓(xùn)部，北京100360;3．海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連116018)

對(duì)水下特種防御作戰(zhàn)的概念進(jìn)行描述。重點(diǎn)分析港口水下防御的特點(diǎn)及難點(diǎn)，并對(duì)港口水下防御系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，最后設(shè)計(jì)利用無人潛航器裝備旁視聲吶實(shí)現(xiàn)對(duì)港口水下防御探測(cè)。為發(fā)展符合水下特種防御作戰(zhàn)要求的警戒裝備，構(gòu)建水下探測(cè)系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)水下特種作戰(zhàn)防御體系提供依據(jù)。

特種防御;蛙人;無人潛航器

0 引言

水下特種防御作戰(zhàn)是水下特種作戰(zhàn)的一種形式，主要是在港口、碼頭、近岸或者艦艇錨泊時(shí)，綜合運(yùn)用各種探測(cè)手段和武器系統(tǒng)，對(duì)來自水下的威脅目標(biāo)，主要針對(duì)水下蛙人、無人潛航器或者微型潛艇等進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別、攔截、摧毀和對(duì)抗等作戰(zhàn)［1］。針對(duì)水下特種作戰(zhàn)任務(wù)及特點(diǎn)，水下特種防御作戰(zhàn)的主要目的有：防止其對(duì)我方港口停泊潛艇、水面艦艇、商船以及碼頭等重要設(shè)施進(jìn)行襲擊破壞;阻撓其完成偵察、布雷、掃雷以及運(yùn)送小分隊(duì)、器材登陸、水下破障等支援保障任務(wù)。

為此，水下特種防御作戰(zhàn)的主要任務(wù)可總結(jié)如下：一是在港口、碼頭、近岸以及錨泊點(diǎn)等警戒區(qū)探測(cè)搜索、消滅敵水下蛙人、無人潛航器和微型潛艇等目標(biāo);二是在水面艦艇編隊(duì)、護(hù)航運(yùn)輸隊(duì)、登陸輸送隊(duì)航行海區(qū)、進(jìn)出基地港口航道和戰(zhàn)斗活動(dòng)海域，實(shí)施水下搜索和監(jiān)視，保證水下安全;三是布設(shè)水下探測(cè)裝置或反潛水雷障礙;四是搜索并掃除水下探測(cè)裝置或反潛水雷障礙;五是在警戒區(qū)海域進(jìn)行防御性水面和水下巡邏。

1 港口防御探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析

1.1 港口防御探測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)［2］

1)港口及艦船水下防御系統(tǒng)往往都是立體綜合防御系統(tǒng)，集成了水下近程、中程、遠(yuǎn)程的警戒防御體系而形成警戒網(wǎng);

2)具有全向的搜索能力，廣泛采用了數(shù)字多波束和波束形成技術(shù);

3)聲吶工作頻率相對(duì)較高 (當(dāng)然也可同時(shí)選裝中頻主動(dòng)聲吶、低頻被動(dòng)聲吶);

4)廣泛采用最前沿的聲吶系統(tǒng)，如線列陣、光纖聲吶傳感器陣列、三維圖像聲吶;

5)具有多目標(biāo)探測(cè)、跟蹤能力，普遍配置有電子海圖顯示功能;

6)可固定安裝、艦艇吊放，也可采取快速部署方式;

7)普遍融入了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)或C3I甚至C4I系統(tǒng);

8)具有很強(qiáng)的快速反應(yīng)能力，初步具備反擊措施。

1.2 研制港口防御探測(cè)系統(tǒng)的難點(diǎn)

研制港口水下聲吶防御探測(cè)系統(tǒng)，將面臨以下幾個(gè)主要難點(diǎn)。

1)探測(cè)目標(biāo)是蛙人、水下蛙人輸送器、無人潛航器或微型潛艇，其反射半徑很小，難于檢測(cè)。例如，目前蛙人投送工具越來越先進(jìn)、速度越來越快。蛙人本身的裝備也越來越先進(jìn)，各種吸聲材料服裝的使用使蛙人目標(biāo)強(qiáng)度更小。

2)港口及近海的復(fù)雜環(huán)境及水文條件對(duì)水聲裝置的影響很大，而對(duì)敵水下目標(biāo)卻提供了極佳的隱蔽條件。這種要求防御探測(cè)設(shè)備必須具有很強(qiáng)的抗噪聲干擾和抗混響干擾能力。要求防御探測(cè)聲吶對(duì)港口環(huán)境具有較強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)諧能力。

3)噪聲、混響干擾強(qiáng)，目標(biāo)反射半徑小，要求防御探測(cè)聲吶具有較高的距離、方位和角度分辨率指標(biāo)，要求設(shè)備具有低的虛警率和高的探測(cè)率。

4)港口水文變化大，常年泥沙、海流影響大，要求防御探測(cè)聲吶水下基陣部分的可靠性要高，水密性要好。而工作性質(zhì)要求其能夠長(zhǎng)時(shí)間的可靠地工作。

5)要求系統(tǒng)具有自動(dòng)探測(cè)、跟蹤多目標(biāo)能力，能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類，并對(duì)目標(biāo)的威脅等級(jí)進(jìn)行排序。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)回放功能，能實(shí)時(shí)顯示港口圖像，便于進(jìn)行安全形勢(shì)分析。

6)要求系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)，從而為港口情勢(shì)和潛在威脅的評(píng)估和判讀提供足夠的時(shí)間，同時(shí)縮短反應(yīng)時(shí)間。

7)要求設(shè)備具有高性價(jià)比，提高監(jiān)視范圍，減少監(jiān)視節(jié)點(diǎn)數(shù)量，增強(qiáng)可靠性，降低維護(hù)難度。

1.3 港口防御探測(cè)系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用［3］

結(jié)合水下特種作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，通常采用遠(yuǎn)、中、近多層“安全逼近警戒防御”原則，對(duì)保護(hù)水域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、提前預(yù)警、及時(shí)攔截，顯著提高碼頭、港口、重要船只的水下特種防御作戰(zhàn)能力。

第1層要求探測(cè)距離為2～200 km，這主要采用遠(yuǎn)距離小目標(biāo)警戒雷達(dá)、遠(yuǎn)距離警戒聲吶 (探測(cè)水面艦艇或潛艇)、巡邏艇、直升機(jī)進(jìn)行警戒。對(duì)相關(guān)水域遠(yuǎn)距離的蛙人搭載艦艇、輸送裝置、橡皮艇、蛙人輸送器或無人潛航器等的遠(yuǎn)距離水面探測(cè)和預(yù)警?？梢苑Q為遠(yuǎn)程預(yù)警層。

第2層要求的探測(cè)距離為400～2 000 m，主要是針對(duì)各種裝備 (如攜帶助推器、閉路循環(huán)呼吸器或開路循環(huán)呼吸器)的蛙人或無人潛航器，此范圍是目前蛙人探測(cè)聲吶系統(tǒng)可以達(dá)到的探測(cè)距離，稱為蛙人有效探測(cè)層。

第3層要求作戰(zhàn)距離在400 m以內(nèi)，主要是利用各種近距離探測(cè)設(shè)備和反制設(shè)備對(duì)來襲蛙人進(jìn)行快速反應(yīng)、識(shí)別、打擊，在此距離內(nèi)通常也同時(shí)部署各種防潛網(wǎng)等物理障礙阻滯設(shè)備。此層稱為快速反應(yīng)層。

第4層作用距離為目視距離，利用各種熱成像、CCTV等設(shè)備對(duì)入侵蛙人進(jìn)行警戒、搜索，并借助岸防部隊(duì)進(jìn)行對(duì)入侵者的近距離打擊，防止入侵蛙人滲透上岸進(jìn)行破壞。此層稱為近岸警戒層。

2 無人裝備探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人潛航器或無人水面航行器裝備旁視聲吶，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)港口水下全水域、不間斷的警戒探測(cè)。旁視聲吶利用聲吶平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)建立起位于聲源和海床之間的目標(biāo)圖像信息。工作頻率大約在20～500 kHZ，具體頻率要由距離 (深度)和目標(biāo)尺度來決定［4］。

從總的特征參數(shù) (見表1)開始，設(shè)計(jì)在港口區(qū)域使用的旁視聲吶，最大深度設(shè)為50 m，工作頻率設(shè)為100 kHz，且在水平 (拖曳體首部到尾部)平面內(nèi)的組合 (發(fā)射與接收)波束寬度為1°，垂直于拖曳航跡豎直平面內(nèi)的波束寬度為45°。

表1 旁視聲吶設(shè)計(jì)實(shí)例Tab.1 The example of side-looking sonar

傳播損失由球面?zhèn)鞑p失加吸收損失的假設(shè)進(jìn)行估算 (這里由于波振面在抵達(dá)海底后，海底變?yōu)橐粋€(gè)邊界，所以計(jì)算不是很精確)。

發(fā)射和接收在分開的具有相同尺寸的基陣上進(jìn)行，并且都有45°的向下傾斜角度。為實(shí)現(xiàn)所需的組合波束寬度，每個(gè)基陣必須具有2倍的組合波束寬度，基陣尺寸由L=76/fθ3給出［5］。因此，基陣寬76/(100×2)=0.38 m，高為76/(100×90)=0.008 4 m。所以每個(gè)基陣2列，每列有50個(gè)陣元并且陣元之間的距離為λ/2。

發(fā)射和接收的指向性指數(shù)DI是：

隔聲處理將在此之上增加3 dB，使得DI=21 dB。為了能夠?qū)⑼苋撕汪~分辨出來，應(yīng)使用極短的脈沖長(zhǎng)度。設(shè)想由0.1 m來區(qū)分蛙人和魚，則脈沖長(zhǎng)度應(yīng)該為：

設(shè)背景噪聲N是4級(jí)海情SS4時(shí)的環(huán)境噪聲，在100 kHz上等于30 dB。取5lgd=10 dB以及5lgn=3 dB。然后求解噪聲背景下的主動(dòng)聲吶方程，得所需要的聲源級(jí)SL，只要知道目標(biāo)強(qiáng)度TS方可求解。在大掠射角的情況下，來自海底的反向散射將會(huì)比較強(qiáng)，其目標(biāo)強(qiáng)度為：

在更短的距離上，混響面積會(huì)變小但反向散射會(huì)變大 (有更大的掠射角)，因此，TSR不會(huì)太大。單獨(dú)的1條魚 (或魚群)有較小的目標(biāo)強(qiáng)度，這里設(shè)其為－50 dB。

主動(dòng)聲吶方程為：

因此有：

則探測(cè)海底的聲源級(jí)為：

探測(cè)50 m之外距離上魚的聲源級(jí)為：

因此SLmax為177 dB。這里是否實(shí)用：

所以：

對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)是0.03/(0.38×0.084)=1 W/m2，這里顯然也不會(huì)產(chǎn)生空化。所以基陣設(shè)計(jì)是實(shí)用的，可以將其他參數(shù)插入表1中。

保持在港口及其他附近水域的經(jīng)常性巡邏也是水下特種防御作戰(zhàn)的一種重要方法。利用無人裝備實(shí)施24 h不間斷水下警戒探測(cè)，在探測(cè)到可疑目標(biāo)時(shí)，應(yīng)立即跟蹤識(shí)別，并向岸上指揮所發(fā)送信息。通過指揮中心計(jì)算機(jī)對(duì)聲信號(hào)的快速處理，可粗略計(jì)算出目標(biāo)方位、距離和目標(biāo)性質(zhì)，指揮中心隨即按照相應(yīng)的方案預(yù)案作出決策行動(dòng)。岸指可以迅速派出高速巡邏艇或蛙人前往目標(biāo)海區(qū)進(jìn)行查證，也可以由無人潛航器或無人水面航行器直接跟蹤識(shí)別。經(jīng)識(shí)別為敵目標(biāo)后，應(yīng)采用有效手段對(duì)目標(biāo)實(shí)施驅(qū)趕或直接攻擊。

3 結(jié)語

水下特種作戰(zhàn)作為國(guó)外海軍部隊(duì)實(shí)施的一種新的作戰(zhàn)樣式，在未來海上作戰(zhàn)中將發(fā)揮重要的作用。本文分析了港口水下特種防御探測(cè)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，并對(duì)防御探測(cè)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究，為提高我軍水下特種防御作戰(zhàn)能力提供了一定的理論基礎(chǔ)。下一步還應(yīng)加大對(duì)水下特種防御作戰(zhàn)的研究，為在未來的軍事斗爭(zhēng)中取得勝利搶占先機(jī)。

［1］周方毅，張可玉，詹發(fā)民．水下特種作戰(zhàn)行動(dòng)最小戰(zhàn)術(shù)編制研究［J］．潛艇學(xué)術(shù)研究，2009，6(3)：78 －80．

ZHOU Fang-yi，ZHANG Ke-yu，ZHAN Fa-min．Research of the minimum group of tactic of underwater special operation［J］．Academic Research of Submarine，2009，6(3)：78 －80．

［2］邵云生．國(guó)外港口防御聲吶發(fā)展現(xiàn)狀綜述［J］．海軍裝備，2011(4)：59－60．

SHAO Yun-sheng．The review of the development of the defense sonar of the foreign harbor［J］．Navy Equipment，2011(4)：59－60．

［3］張彥敏，佟盛．反蛙人技術(shù)在港口監(jiān)控中的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(6)：168 －171．

ZHANG Yan-min，TONG Sheng．Tactics appliance of antidiver technique in harbor defense［J］．Ship Science and Technology，2008，30(6)：168 －171．

［4］單忠偉，陳伏虎，白興宇．基于UUV的水下警戒探測(cè)技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)［J］．聲學(xué)與電子工程，2009(2)：45－48．

SHAN Zhong-wei，CHEN Fu-hu，BAIXing-yu．The development of the technology of the underwater detecting and guarding equipment［J］．Acoustic and Electric Engineering，2009(2)：45 －48．

［5］WAITE A D．Sonar for practising engineers third edition［M］．2004：210－220．

Application and design of port defense detection system in underwater special defense

GUO Wan-hai1，TENG Jun2，WANG Zuo-chao3
(1．Department of Information Operation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China;2．Department of Operation and Training，Navy Command，Beijing 100360，China;3．Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China)

In this paper，the underwater special defense concepts are described，focusing on analysis of the port underwater defense characterristics and difficulties，and the port underwater defense system of the tactical application has conducted the reaserch，finally design the use of UUV side looking sonar equipment for port underwater defense detection．For the development of consistent with underwater special defense required warning equipment，construction of the underwater detection system the full realization of underwater special warfare defense system provided a basis，to improve our navy underwater special defense capability laid theoretical foundation．

special defense;frogman;unmanned underwater vehicle

TN929．3

A

1672－7649(2014)06－0151－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.031

2013－07－15;

2014－02－15

郭萬海(1963－)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)作戰(zhàn)使用的理論和應(yīng)用。