提高潛艇隱蔽通信能力的思考?

（海軍研究院 北京 100036）

1 引言

潛艇的戰斗力來源于隱蔽性。潛艇通信技術的進步極大提升了潛艇的隱蔽性，但潛艇探測技術手段的發展也從未停止，潛艇隱蔽通信所面臨的形勢依然嚴峻。

潛艇在通信過程中涉及到的暴露有聲音暴露、光電暴露、RCS暴露和電磁信號暴露等。聲音暴露因素是通信時通信裝置發出的聲音被聲探測設備探測導致的暴露。光電暴露，如紅外輻射暴露和可見光暴露。紅外暴露是指通信時產生的熱量被紅外探測設備探測。可見光暴露是指通信時暴露在海水表面的天線、通氣管、潛望鏡等可見的情況。RCS暴露是指潛艇通信時暴露在海面上的通信天線或者其他設備反射雷達波，致使潛艇被雷達探測設備探測的情況。電磁暴露是指通信信號被通信偵察設備偵測［8］。

2 暴露因素及相關原理

2.1 聲音暴露分析

2.1.1 聲吶探測原理

考慮潛艇聲音暴露主要由于聲納對潛艇輻射噪聲的探測，屬于被動探測，由被動聲吶方程和聲波在海水中的傳播損失公式得出：

其中，R為探測距離，DI-DT是聲吶本身的參數，NL是聲吶裝載平臺的自噪聲系數，SL為輻射噪聲級，對于被測潛艇而言，可將等式右邊除SL以外的項看成常數A，SL越大，則被探測的距離越大。

2.1.2 通信過程中的聲音暴露分析

潛艇隱蔽通信過程中涉及的聲音暴露主要體現在兩方面，一是收放天線時產生的噪聲，另一方面是通信浮標隨潛艇航行過程中與水流之間產生的噪聲。雖然噪聲較弱，但會影響探測距離［1］。特別是由于收放天線時，瞬間產生的具有特殊聲譜特征的噪聲。

2.2 紅外暴露分析

紅外輻射帶有物體本身的特性，溫度越高，紅外輻射強度越大［2］。紅外輻射非肉眼可見，但紅外成像技術能夠把紅外輻射轉化成電信號，從而將不可見的紅外輻射轉化為可見光圖像。反潛飛機裝載的紅外探測裝備探測潛艇露出海面部分所產生的紅外特征，區別于海面的紅外特征，進而探測到潛艇［9］。潛艇在潛望狀態、水面航行狀態通信時，露出水面部分的天線在發送通信信號的過程，會伴隨一定的發射功率，進而產生一定的熱量，導致被紅外探測設備發現，給隱蔽性帶來一定的影響。

紅外探測距離是紅外成像系統的一個重要戰術指標［10］。典型的紅外探測距離公式為

其中，D0為光學系統通光口徑；D*為探測器在工作波段的比探測率；J為目標輻射強度；τa為大氣透過率；τ0為光學系統透過率；Ad為探測器有效元面積（單位為m2）；Δf為電子學系統寬帶，且為探測器駐留時間；為圖像檢出信噪比。可見，紅外探測距離受目標輻射特性、大氣傳輸、光學系統、探測器系統以及信號處理水平等幾個方面的影響。其中，目標輻射強度與露出海面的裝置面積、特性及信號的功率等有關。

2.3 RCS暴露分析

2.3.1 RCS暴露原理

雷達散射截面積（RCS）表征目標對雷達波的散射能力，是目標雷達隱身能力的重要指標。根據雷達方程，雷達作用距離R的四次方與目標RCSσ成正比。目標的RCS與目標本身的大小、材質等特征密切相關。

2.3.2 通信過程中RCS暴露分析

分艇本體通信和艇離體通信兩種情況來看。艇本體通信時，潛艇要處于水面或潛望狀態，有桅桿天線、潛望鏡等其他露出水面的設備。艇離體通信時，一般處于水下狀態，僅天線露出水面，如圖1所示。露出水面的部分會對探測雷達發出的雷達波進行反射，造成RCS暴露，因此，艇本體通信較離體通信而言暴露在海面部分的RCS更大［11］。

圖1 艇本體通信和艇離體通信

2.4 電磁信號暴露分析

潛艇通信過程中發出無線電通信信號，一旦被敵方的通信偵察系統截獲并進行信號分析，就可以得到潛艇的通信體制信息，甚至還可對信號輻射源進行定位。因此，電磁信號暴露會給潛艇隱蔽性帶來很大影響［12］。

影響偵察接收機截獲潛艇信號的指標有接收機的靈敏度、信號接收帶寬和信號的功率、持續時間［5］。接收靈敏度一定的情況下，如果發射信號的功率較低，則不容易被截獲到。通信偵察系統的接收帶寬，大都是非全頻段的固定帶寬掃描搜索信號，因此，通信頻率的設定對于通信偵察系統也有一定的影響。信號持續時間，也叫信號的空中駐留時間，時間越長，則給偵察系統偵察的時間就越長，則信號越容易被發現。若通信偵察系統長期截獲到某種特征的信號并進行分析，則益于建立關于信號輻射源的通信體制內容的先驗知識［6］，另外，定位系統對信號的空中停留時長也有要求，如果信號停留時間太短，則定位的可能性就會大大減小。

因此，對于在通信過程中對電磁信號的暴露影響較大的因素有信號空中駐留時長、信號功率等。

3 構建潛艇隱蔽通信能力評估指標體系

3.1 評估方法分析

潛艇隱蔽通信能力是指潛艇通信系統在實現通信的同時不暴露潛艇本身的能力。將概率作為潛艇隱蔽通信能力可能性的度量，即通過計算實現通信且不暴露潛艇的概率來評估潛艇通信系統的隱蔽通信能力，則概率值越大，潛艇隱蔽通信能力越強。

其中，P(A)為潛艇通信成功的概率，P(B)為潛艇無暴露的概率。

綜上，若能計算通信成功和潛艇無暴露事件的發生概率，則可度量出潛艇的隱蔽通信能力，尤其可以對不同通信系統的隱蔽通信能力進行比較。對于通信成功和潛艇無暴露的發生，需滿足一系列指標，這些指標既是系統或裝備的性能指標，又是潛艇隱蔽通信能力的評估指標。

3.2 評估指標體系建立

如圖2所示，構建潛艇隱蔽通信能力評估指標體系，此指標體系給出了利用概率方法計算隱蔽通信能力的具體概率指標，同時，給出了影響概率指標對應的具體內容，可為提高潛艇隱蔽通信能力提供參考。

除以上所列指標外，艇本體通信和艇離體通信也是一項重要指標，直接涉及暴露在海面的通信裝置與潛艇本身的工作深度，進而影響RCS暴露概率和光電暴露概率。

圖2 潛艇隱蔽通信能力評估指標體系

4 提高潛艇隱蔽通信能力

通過分析可知，探測潛艇的手段很多，影響因素也更加多樣化，本文只考慮在通信過程中涉及的暴露因素。潛艇隱蔽通信可能暴露的因素有很多，不同的暴露情況涉及的影響因素也大不相同。減小通信過程中所涉及的暴露因素對潛艇隱蔽性的影響，是提高潛艇隱蔽通信能力的關鍵。

4.1 減小發射天線的輻射噪聲

減小發射天線的輻射噪聲，首先了解發射天線在工作過程中輻射的噪聲均為機械噪聲，噪聲的大小跟天線的發射裝置緊密相關，同時，噪聲還跟潛艇的實際工作的狀態，如航速、航向有很大關系。

對于不同種類的天線，輻射噪聲的大小也不一樣，但均可以通過改進發射裝置、使用發射新技術進行降噪。另外，研究潛艇在不同的航速航向下，天線的輻射噪聲變化規律，可在不影響潛艇正常執行任務的前提下，在戰術上通過控制相應的航速、航向，減小發射、升降天線的輻射噪聲［6］。

4.2 降低天線紅外輻射強度以及RCS

降低天線的紅外輻射強度主要考慮天線發射端的功耗。因此，在保證通信達成的前提下，盡量減小發射天線的發射功率，可降低天線的紅外輻射強度。

由前面的分析可知，艇外通信和艇體通信對于RCS大小以及光電暴露有直接的影響。因此，可以通過選擇艇外通信降低天線的RCS。另外，降低天線的RCS主要考慮天線的外形、尺寸、材料等因素。發信時露出水面的部分，其反射雷達波的情況是需要重點考慮的對象［7，11］。

4.3 減少電磁信號的暴露

減少電磁信號的暴露，主要考慮減小信號空中駐留時長、降低信號功率以及減少有利的先驗知識等因素。

減小信號的空中駐留時間，可以從戰術和技術兩方面來考慮。戰術上，主要通過少發信、發短信來縮短通信時間，并且潛艇通信完畢后要立即下潛到安全深度。技術上，主要通過猝發通信技術縮短時間，研究相應的猝發通信體制，降低信號空間的駐留時間。

降低信號的功率，一方面在戰術上可以在保證通信能達成的情況下，減小信號的發射功率；另一方面技術上可以通過降低功率譜密度，提高信號抗截獲的能力。降低功率譜密度，可以通過擴頻技術，展寬信號的頻譜，使信號的功率分布在更寬的頻帶內，從而降低信號的功率譜密度［3～4］。

減少對偵察提供有利的先驗知識，就要求潛艇通信不能一直進行有規律的通信，需及時更換通信頻率。另外，在戰術上區分平時用和戰時用的通信體制，降低戰時被偵察的風險。

5 結語

潛艇隱蔽通信過程中的各種暴露不容忽視。文章在分析相關探測手段及原理的基礎上，分析了通信過程中的具體暴露指標。基于選取的概率評估方法，建立了由潛艇無暴露概率以及通信成功概率組成的評估指標體系，并重點建立了潛艇無暴露概率的相關指標。基于指標體系，提出通過降低相關指標來提高潛艇隱蔽通信能力的對策建議。