新型水下監控器設計與可行性分析

高玉保，房茂燕，武志勇，喻 平

（1.航天工程大學，北京 101416；2.中國人民解放軍75831部隊，廣東 廣州 510000）

0 引言

潛艇具有良好的水下隱蔽性和較強的水聲對抗能力，加上現代潛艇朝高速、深潛和低噪聲方向發展，使搜索發現潛艇更加困難和復雜[1]。傳統對潛作戰主要依靠各反潛作戰平臺進行目標指示，并據此實施火力打擊。潛艇發現水面艦艇編隊的距離大于編隊發現潛艇的距離[2]，給反潛帶來很大的困難，亟需研究設計新型水下監控器。

1 水下預警探測系統的局限性

水下預警探測體系就是為了實現對潛艇早期感知預警而建立的，能夠為反潛兵力提供目標信息輸入端口，為反潛平臺實施對潛火力打擊提供了高精度的目標指示[3]。水下預警探測系統主要包含：水下監控設備、水下通訊設備、反潛指控中心、水面空中搜反潛設備等，整個系統的信息流轉過程如圖1所示。

圖1 水下預警探測系統信息流轉過程Fig.1 Information flow process of underwater early warning and detection system

顯然，水下預警探測系統的核心是水下監控設備，當前主要采用的是水聲監視系統、聲吶基陣等，這些水聲設備存在以下不足[4-7]：

1）高成本、低效率。

以某國固定式水聲監視系統為例，其在大西洋、太平洋的重要海域建立起一系列安裝在海底的固定式被動水聽器陣，通過電纜連接到岸上的觀察站（最多時23座岸基站），總投資超160億美元。此外，由于水聽器基陣固定在海底，無法機動，不能對目標進行長時間、連續跟蹤定位，一般只能測向，少數能測距，但精度不高，只能在系統作用范圍內提供較為概略的目標位置信息。

2）易破壞、難維護。

位于淺海的基陣可能遭到眾多遠洋漁輪沉底拖網的破壞，民船的船錨對淺海基陣也有很大的破壞作用。水下岸站的水聽器基陣孔徑達公里級，布放工程巨大，而海洋環境復雜，不利于戰時快速維護和臨時補網。水聽器基陣布設在較深的海底，一旦系統出現故障或受損，難以迅速修復。水下電纜（包括主干電纜）掩埋較淺，大量電纜集中布放，極易受到魚群等的攻擊。

2 新型水下監控器設計

新型水下監控器應具有研制成本低、可靠性高，易于布設、組網和補網，維護方便等特點，這是其研發設計的主要考慮。

2.1 新型水下監控器的主要構成

要實現易于布設、組網、補網，維護方便等要求，水下監控器應具有獨立的海底偵搜能力、信息傳輸能力、海底錨泊能力。基于能力反推構成，3種設備必不可少：高效水下偵搜設備、水下無限通訊設備、水下錨泊設備。

高效的水下偵搜設備是水下監控器的關鍵系統之一，水下偵搜設備的偵搜能力直接影響搜反潛的效果。當前水下偵搜設備主要采用的是聲吶技術，但隨著潛艇靜音技術的改進，單純依靠聲吶一種手段很難有效發現水下潛艇。因此，需要研制多手段融合的高效水下偵搜設備。

水下無線通訊設備是實現水下預警探測系統快速布設、組網、補網的重要設備。利用相互獨立的水下監控器可以在世界海洋任何需要的地方快速布設組網。水下短距通訊要能夠實現水下監控器之間的數據通訊，水下長距通訊能夠實現某一水域水下偵控網絡與指控中心或者通訊中繼之間的數據通訊。

水下錨泊設備是將水下監控器按照布設要求懸停在某一水下點位，要能夠保證水下監控器長時間處于設定的位置范圍內。

2.2 新型水下監控器工作原理分析

新型水下監控器通過水下無線組網，實現對某一關鍵水域的水下監控。其工作原理如圖2所示。

圖2 新型水下監控器組網工作原理圖Fig.2 Networking principle of new type underwater monitor

將新型水下監控器按照優化策略布設在需要監控的水域，通過短距水下無線通訊設備實現水下監控器組網，從而實現對整個水域的監控，并提高整體的探測效率。在這些布設的水下監控器中，選擇適當位置布設多枚帶有遠距水下通訊設備的水下監控器，將水下監控網絡探測到的信息通過這些水下監控器傳遞到通訊中繼設備再轉發到作戰指控中心，或者這些水下監控器直接將信息發送到作戰指控中心。

2.3 主要技戰術指標

根據新型水下監控器的工作原理，要實現高效水下監控，需具備以下指標：

1）探測精度。

能夠精確偵控到附近L km（L可以根據探測技術的發展來設定）內潛艇的相對位置信息，如果技術允許，能判斷出潛艇的噸位和類型。

2）待機時間。

由于對關鍵水域要進行長期偵控，需要水下監控器能夠長時間水下待機，因此水下待機時間越長越好，至少能夠達到半年以上。

3）水下通訊。

水下監控器之間能夠進行短距無線通訊。部分水下監控器具備水下長距無線通訊技術，能夠減少受到的區域限制，可大范圍布設。作為中繼設備，將附近水下監控器采集到的信息傳遞到信息中繼平臺或搜反潛裝備。

4）建造成本。

成本不能太高，每臺水下監控器的價格盡可能控制在 2～3萬元人民幣。主要是因為要大范圍布設，需求量大。例如：監控一個寬200 km的海峽，以L=5為例，若布控海峽兩側，則需要40枚，若為了提高偵控效果，在兩側布設兩層柵欄，則需要80枚。以2萬元計，則需要至少160萬元，按照重要海峽、水道、陣位等布設更多柵欄，至少需要幾萬枚甚至更多。

5）定點錨泊。

能夠在某一區域內固定，下潛深度可控。由于潛艇在不同水域的潛航深度不同，水下監控器位于不同深度的偵控效果差異很大，因此要能夠按照偵控需求調控下潛深度。

6）易于布設。

設備小型化，易于布設。能夠利用漁船或民商船穿行需要監控區域，通過投擲或釋放等簡單方式進行布設。布設后不易被發現，且能采用多手段偵控技術，確保對潛艇的偵搜效果。對于因部分水下監控器失效引起的監控缺口，只需要在缺口處投入新的水系監控器即可。

7）其他功能。

可以考慮進一步增加其他功能，如在水下監控器中安裝遙控爆破裝置。主要是考慮未來發生戰爭的條件下，在發現非我方潛艇試圖進入我方管控區域或潛入陣位對我攻擊時，對其發動突襲。

3 關鍵技術需求分析

新型水下監控器要達到設計要求，必須要解決以下幾個關鍵技術：

3.1 水下多手段偵控技術

在聲吶探測技術的基礎上，采用多手段的復合技術，以有效應對潛艇日新月異的反探測技術。

3.2 水下無線通訊技術

新型水下監控器基于獨立個體組網，各監控器之間和中繼監控器之間均須依靠水下無線通訊技術。這其中主要涉及2種樣式：1）水下監控器之間的信息通訊；2）水下監控器與通訊中繼平臺之間的通訊。第1種是水下短距無線通訊，第2種是水下長距無線通訊。

3.3 水下監控器布設優化技術

海洋面積廣闊，關鍵水道、重要航道、海峽既多且廣，不可能在所有關鍵海域水下都布設監控器。水下監控器的布設涉及到以下幾個方面：

1）布設海域。

這需要從敵我態勢及安全角度出發，通過評估優化，確定需要布設海底柵欄的區域。

2）布設樣式。

對不同類型水域設計最優的布設樣式。例如：對關鍵海峽進行偵控，是在海峽的兩端布設還是在海峽內測布設或者是其他方式；對敵方潛艇可能陣位的布設，是布設成圓形還是方形。這些都需要進行綜合優化評估，確定合適的方案。

3）布設層數。

層數越多投入越大，偵控效率越高。

4）布設深度。

不同的深度，水下監控器對潛艇的探測能力不同。根據潛艇可能的潛航深度設計水下監控器水下布設深度，以達到最大發現概率。

4 關鍵技術的可行性分析

4.1 水下多手段偵控技術的可行性

當前搜反潛平臺主要裝備的搜潛設備有2類：1）聲吶設備；2）磁探測設備。除此之外，潛艇在水下航行，也會導致周圍水文環境的變化。如潛艇水下航行對航行區域水流水壓產生影響，且潛艇體積越大、航速越快對水下水文環境的影響越大。對水面艦艇來說，正常航行的水面艦艇對水下幾十米甚至幾百米下水文環境的影響，要比行駛在此深度的潛艇的影響小的多。特別是萬噸級以上的核動力航母，其在水下航行時，對周圍水文環境的影響更大。因此，為了提高水下監控器的水下偵控效果，除了將聲吶偵控技術、磁探測技術融合在一起之外，還可以融入水文感知技術，從而實現對水下潛艇的快速偵搜。

隨著我國科技的發展，聲吶感知技術、磁探測技術和水文感知技術都已經較為成熟，當前的技術難題是如何根據聲吶、磁場、水文的變化來判斷是否有潛艇在附近活動。這其中的核心就是數據融合與人工智能模式識別，目前已經有人從事這方面的研究，《水中目標信息智能識別方法研究》中提出了智能識別方法等[8]。當前我國數據融合技術和智能模式識別技術已經非常先進，技術上不存在困難，主要困難來自用于訓練智能模式識別的數據樣本。要訓練機器根據多方面采集到的信息識別出潛艇以及潛艇的噸位、類型，需要大量數據。目前我們缺少敵潛艇性能參數，同時發現偵搜到敵方潛艇的機會少之又少，更不要說獲取潛艇的相關數據。不過我們可以采用從簡到繁、從已知到未知的方法來逐步解決。首先，利用我們自己的潛艇來訓練，通過采集我方潛艇相關數據來訓練智能識別系統，在此基礎上，根據我們對敵潛艇數據的收集，修正模型，同時在實踐中逐步完善。

4.2 水下無線通訊技術的可行性

對于水下無線通訊技術，目前從公開資料來看，短距離水下通訊技術已經不存在問題，如《水下光學無線通信的海水信道特性研究》中提出的光學無線通信技術[9]。目前，長距離水下通訊技術也已經取得重大突破。

4.3 水下監控器布設優化的可行性

對于布設優化技術，核心的是優化算法，在人工智能仿生優化技術和計算機仿真技術非常完善的今天，已經不是問題。

5 結束語

本文針對傳統水下預警探測設備的局限性，圍繞提高水下預警探測系統的工作效率和可靠性，提出了新型水下監控器的性能要求和技術指標，分析論證了應解決的關鍵技術及可行性，對于研制新型水下監控器具有非常高的借鑒意義和助推作用。