水下激光探測與告警?

楊國華 張永峰 儲澤國

1 引言

占地球表面積71%的海洋是人類賴以生存發展的資源寶庫，世界各國對海洋的爭奪從未停止，大有愈演愈烈之勢。在水下探測技術飛速發展的今天，世界各國對水下空間的爭奪日趨白熱化。其中，水下信息的獲取是水下戰場爭奪的焦點，掌握水下信息主動權的一方往往就掌握了水下空間戰的勝利。

水下信息獲取的手段早期以聲學探測［1］為主，但聲波波長較長，探測精度有限，并且探測受洋流、溫度等條件影響［2］，探測有一定的不確定性。特別是在淺海探測時，淺海水聲環境復雜，使得水聲信道干擾大、損耗高、不穩定，導致聲學探測效果不佳［3］，難以發現水雷、漁網等小目標。而水下激光探測技術的發展正好彌補這一缺陷。水下激光探測不受現行潛艇降噪手段的影響，可精確定位水下目標（水雷、潛艇等），適用于淺海、港口水域。特別是水下激光探測系統搭載于飛機時，具有優異的機動性能，可快速對大面積海域進行有效探測［4］。由于水下激光探測精度佳、效率高等一系列優勢，自然而然成為探測水中目標絕佳選擇。

為了反制敵方運用水下激光探測手段對潛艇、水雷等水下軍事目標進行偵察，水下激光告警應運而生。

2 水下激光探測的發展現狀

自20世紀60年代發現存在于海水中的理想透光窗口［5］以來，水下激光探測技術在軍事應用方面飛速發展。目前一些發達國家如美國、加拿大、澳大利亞、瑞典進行了激光水下探測系統的研制［6］，并將其裝備到潛艇、水下機器人或飛機上。

美國是最先研究水下激光探測技術的國家，1963年美國海軍航空電子實驗室研究了藍綠激光探潛的可行性。1968年，世界上第一臺激光海洋探測系統在美國Syracuse大學誕生，Syracuse大學奠定了海洋激光探測技術的理論基礎［7～9］。此后，美國多家公司開展了水下激光探測系統研究。20世紀90年代海灣戰爭期間，美軍使用卡曼公司研制的“魔燈”機載激光探雷系統執行探雷任務，直升機以400～1500英尺高度巡航，探雷系統發射單脈沖能量為500mJ的窄脈沖，重復頻率為40Hz，探測深度達30米，僅投入4天，就發現了數量相當于其他水聲探雷系統前7個月所探到的總數的12%［10］，此后美國對“魔燈”系統進行多次改進。同時期，美國Raytheon公司研制的RAMICS快速飛機排雷系統專門探測淺水層水雷［11］，虛警率極低；Sparta水下激光成像系統，最大探測深度小于50m；SM2000水下激光成像系統，最大探測深度為45米。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。

1994年瑞典研制“鷹眼”水下激光海洋探測系統，其掃描速度與掃描角度可根據實際情況調整，在波羅的海完成海試，最大探測深度達到70m，并于后期列裝服役。1998年澳大利亞測試LADSMKⅡ水深測量系統［12］，搭載于飛機平臺，飛行高度為500m，探測深度為0m～70m，并大力推廣銷售到多個國家。2003年加拿大對LUCIE2水下激光探測進行海試［13］；上世紀90年代俄羅斯已在“熊Ⅳ”型轟炸機的頭部安裝了“紫石英”機載藍綠激光潛艇探測系統［14-15］，以搜索沿海潛艇和水雷。雖然激光水下探測系統型號多樣，但有許多共性：探測光源多采用重復頻率低（幾十至數百赫茲）、脈沖寬度窄（納秒級）、單脈沖能量大的藍綠激光（Nd：YAG激光器），激光波長以532nm為主，海洋測量型激光探測系統測量深度一般在70m以下，水下目標探測型激光探測系統探測深度在50m以下。

3 水下激光告警的意義及技術難點

3.1 水下激光告警的意義

隨著水下激光探測技術的發展，以“魔燈”系統為代表的水下激光探測裝備使我方使得潛艇、水雷、水下機器人等水下武器平臺隱蔽性能大大減弱，對其安全構成了嚴重威脅，及時感知敵方激光探測威脅以便采取相應的對抗措施，對提高我方水下武器平臺的生存概率、掌握水下戰場的主動權具有重要意義。

水下激光告警正是為了滿足這一需求而產生的新概念：激光告警器搭載在水下武器平臺上，可實時探測到并識別出有別于水下背景光的光信號，從而完成對敵方水下激光探測威脅實施告警的任務。水下激光告警技術是一種重要的反激光水下探測的手段，它在一定程度上可以保證已方水下目標的安全。當對方發射探測激光時，搭載于水下武器平臺上的水下激光告警器實時探測到并識別出有別于水下背景光的光信號，獲取探測激光的信息（頻率、強度、方向等），發出警報，以便及時采取規避、干擾、甚至啟動火攻武器實施對抗。在發現即毀滅的現代信息化戰爭中，水下激光告警技術有助于快速掌握對方的偵查行動，保證水下武器平臺不被發現并掌握對方活動，奪取水下空間爭奪戰的信息優勢，進而掌握水下戰場的主動權。

雖然水下激光探測技術發展迅速，但有關水下激光告警器的研究報道還比較少，海軍工程大學吳廣成等人通過分析激光在水體的傳輸特性，提出了一種水下激光告警器的實現方案。

3.2 水下激光告警的技術難點

水下激光告警，顧名思義其工作的環境是水下，而水體對光的衰減往往很嚴重［15-17］，這將導致告警器在不同的工作深度接收到的告警信號強度相差非常大，即告警信號動態范圍很大。同時，水體對光具有很強的散射效應，告警器接收到的光信號有可能含有較少激光原始方向信息，告警信號方向的準確識別將較困難。因此水下激光告警技術難點可總結如下：

1）大動態范圍輸入信號處理。當告警器接收到的信號十分微弱時，告警器的信號處理電路必須對小信號進行高增益放大才能進行后續處理；而當告警器接收到的信號比較強時，信號處理電路進行低增益放大避免系統“過載”。因此信號處理電路不能采用線性放大模式來工作，必須具備壓縮信號動態范圍的能力。

2）告警信號方向識別。水體對光的散射效應從微觀上來看是光子傳播方向被改變，如圖2所示。當光子經歷多次散射后，其方向變化很大，難以如實反應初始方向；告警器接收到大量經歷多次散射的光子，但難以從中提取出光源的準確初始方位信息。

4 結語

水下激光探測技術快速發展并被應用于軍事領域，對我方潛艇、水雷、機器人等水下作戰平臺的安全構成嚴重威脅，對水下激光探測進行告警是擺在科研人員面前的一個新課題。水下激光告警面臨動態范圍大、信號方向識別難的技術難題，但其軍事運用價值巨大值得深入研究。

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