鄭君杰 尹 路 李延斌 馬金鋼 姚春富

（1.解放軍國際關(guān)系學(xué)院 南京 210039)（2.解放軍理工大學(xué) 南京 211101)（3.61741部隊 北京 100010)（4.陸軍航空兵學(xué)院 北京 100011)

1 引言

第一次世界大戰(zhàn)以后，海洋的戰(zhàn)略地位日益凸顯，擁有制海權(quán)成為軍事強(qiáng)國進(jìn)行軍事威懾、保持戰(zhàn)略優(yōu)勢乃至贏得戰(zhàn)爭的關(guān)鍵因素。奪取制海權(quán)除了要建設(shè)強(qiáng)大的海上力量之外還要擁有立體化的海洋偵察監(jiān)視系統(tǒng)，而水下偵察系統(tǒng)便是其中的重要組成部分。

潛艇、無人潛航器、水下蛙人等裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，海洋是水下兵器優(yōu)良的天然隱蔽所，水下能見度極低，無線電信號嚴(yán)重衰減［1］，環(huán)境變化迅速且難以預(yù)計，傳統(tǒng)的光學(xué)、無線電等偵察手段在水下難以應(yīng)用，同時隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來安靜型潛艇的噪音幾乎降到了和海洋背景噪聲同等的水平。

因此世界各國都極為重視水下偵察技術(shù)的發(fā)展，以美軍為例，美國海軍一向把信息的搜集、獲取、共享視為實施“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的重要環(huán)節(jié)，把情報搜集、偵察、監(jiān)視（ISR)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)看得比采購新型作戰(zhàn)平臺和武器裝備還要重要，不斷加強(qiáng)水下ISR系統(tǒng)的建設(shè)，并取得了顯著成效。

2 分布式水下監(jiān)測

從上世紀(jì)60年代起美軍耗費巨資發(fā)展固定式水聲監(jiān)視系統(tǒng)，在大西洋和太平洋布設(shè)深海水聽器陣，通過電纜連接到岸上的分析中心，電纜總長度超過30000海里，是冷戰(zhàn)時期反潛的主要手段之一。

水聽器陣在深水固定，工程難度大，難以維護(hù)更新，大量電纜也容易受到魚群的攻擊，因此隨著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”與美國海軍“近海戰(zhàn)場空間優(yōu)勢”概念的提出，新一代水下分布式探測技術(shù)作為作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)體系中的一個重要組成部分被提上日程。

美國海軍的海網(wǎng)水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)（Seaweb)［2～5］是分布式水下探測的典型代表。該計劃由美國海軍研究局和空海戰(zhàn)系統(tǒng)中心主持，其目的是在軍事上構(gòu)建可布放的自主分布系統(tǒng)，用于沿海廣大區(qū)域的警戒、反潛和反水雷，在民用領(lǐng)域可以實施控制、通信和導(dǎo)航功能，節(jié)點之間采用水下聲學(xué)通信技術(shù)。從1998年起至2008年，Seaweb的研究進(jìn)展與應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，試驗了其在多種場合下的應(yīng)用，如海洋環(huán)境測量、使用水下無人潛航器作為移動節(jié)點、潛艇與水聲網(wǎng)絡(luò)的通信等（見圖1)。到目前為止，Seaweb是規(guī)模最大的在研實用水聲網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點已達(dá)17個。已具有較強(qiáng)的自組織能力，如自動進(jìn)行節(jié)點識別、時鐘同步（0.1s～1.0s量級)、節(jié)點自定位（100m量級)、節(jié)點更新和失效后的網(wǎng)絡(luò)重新配置等。

圖1 美海軍seaweb系統(tǒng)示意圖

近年來，美國空間與海上系統(tǒng)司令部、海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局等部門相繼表示，將繼續(xù)為水下分布式系統(tǒng)引入更先進(jìn)的技術(shù)［6］，其中“可布設(shè)自主管理分布式系統(tǒng)"DADS（Deployable Autonomous Distributed System)成為發(fā)展的重點。該系統(tǒng)將能夠大大提高美國海軍在近海區(qū)域的情報、偵察和監(jiān)視能力，有效應(yīng)對來自敵方國家低噪聲柴電潛艇的威脅。DADS是利用布放于海床的分布式無人傳感器節(jié)點建立的近海海域警戒系統(tǒng)，節(jié)點固定布放在水深50～300m的海底，傳感器節(jié)點間距2～5km，由潛艇、水面艦只、飛機(jī)或UUV等布放，每個節(jié)點重16～19kg，設(shè)計壽命為180天。節(jié)點包含一個由28個水聽器和3個磁力計組成的陣，附帶獨立的信號處理單元，采用水聲調(diào)制解調(diào)器同其它節(jié)點或網(wǎng)關(guān)進(jìn)行鏈接，主要用于偵測和跟蹤近海水域的水面和水下目標(biāo)。系統(tǒng)由探測節(jié)點、通信網(wǎng)關(guān)和控制終端組成。位于探測節(jié)點中的信號處理部件完成檢測、識別、特征提取、跟蹤、航跡關(guān)聯(lián)等功能，然后通過通信網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送至控制終端，終端可以對節(jié)點和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制，并顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和偵察情報的信息。DADS系統(tǒng)目前仍處于不斷測試、不斷完善的階段。

在美國海軍潛艇聯(lián)合會2006年舉辦的潛艇技術(shù)論壇上，披露了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的水下網(wǎng)絡(luò)計劃之一，美國“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”PLUSNet（Persistent Littoral Undersea Surveillance Networkprogram)。PLUSNet是以SSGN（巡航導(dǎo)彈核潛艇)為母船、以UUV等為活動節(jié)點組成的大規(guī)模有纜與無線綜合集成的網(wǎng)絡(luò)，由攜帶半自主傳感器的多個潛航器組成，這些潛航器能夠互相通信，并在沒有人為指令的情況下做出基本決策，從而履行多種功能。PLUSNet計劃由美國賓夕法尼亞州立大學(xué)承擔(dān)，耗資2770萬美元，美國海軍希望其能在2015年前后具備完全作戰(zhàn)能力。

3 蛙人探測聲納

蛙人體積小，水下噪聲極低因此幾乎無法使用被動聲納探測。2000年10月，美軍驅(qū)逐艦“科爾”號在也門受到蛙人的攻擊，導(dǎo)致17名水手死亡，艦艇嚴(yán)重受損，因此目前世界各國都在大力發(fā)展蛙人主動探測聲納技術(shù)［7］。

美國海軍應(yīng)用的“冥府守門狗360”能自動探測、分類和跟蹤水下威脅，該系統(tǒng)的聲吶單元能在800m范圍內(nèi)對蛙人進(jìn)行探測，并且可以在水下500m距離內(nèi)識別出人類所特有的胸腔。該系統(tǒng)的一個獨立單元就可以覆蓋360°范圍，這些聲吶單元可以懸掛在船舷兩側(cè)為艦船提供保護(hù)，也可以把許多單元部署在海床上，形成一道警戒線，保護(hù)海港和航道的安全。

英國的手持式蛙人偵察系統(tǒng)（DRS)能夠在100m深度工作，DRS系統(tǒng)的探測主要是依賴一部前視高頻（500kHz)電子掃描聲納，一般情況下該聲納能夠在230m距離上探測到一個－25dB的目標(biāo)，導(dǎo)航系統(tǒng)采用長基線主動聲學(xué)方式，通過該技術(shù)，導(dǎo)航誤差可以控制在0.5m，最大導(dǎo)航距離可達(dá)到1200m。

以色列新型蛙人探測聲納（Diver Detection Sonar，DDS)據(jù)認(rèn)為是目前世界上唯一能遠(yuǎn)距離探測封閉式呼吸蛙人的可靠系統(tǒng)。對一個攜帶封閉式呼吸裝置的蛙人，DDS最小的探測距離達(dá)到700m；對于使用開放式呼吸器的蛙人，DDS探測距離達(dá)到1000m～1200m；對于有動力系統(tǒng)的蛙人運載器，DDS探測距離能夠延伸到1400～2000m。

俄羅斯、烏克蘭研制的探測系統(tǒng)采用匹配場設(shè)計原理，最大特點是可以探測帶吸聲材料的隱身蛙人，探測距離達(dá)100m左右。

挪威考達(dá)公司的Echoscope系列聲納采用三維成像技術(shù)用于水下目標(biāo)成像和蛙人探測。

國內(nèi)目前在蛙人探測方面已有成型產(chǎn)品，國家科技部“863”計劃項目“合成孔徑聲納（SAS)成像技術(shù)”目前在水下試驗中取得了令人滿意的結(jié)果。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等單位聯(lián)合開發(fā)的水下反恐監(jiān)控系統(tǒng)已成功用于上海世博會和奧運會的水下安保，據(jù)報道可以有效探測到水下六百米內(nèi)的蛙人。

4 拖曳陣聲納

傳統(tǒng)的大功率聲納都要依托艦艇平臺，因而受到許多限制：1)空間有限，特別是容納陣列聲納的空間有限，制約了聲納性能的提高；2)來自艦艇平臺的自噪聲（包括航行水噪聲)是聲納工作的重要干擾源；3)對水面艦艇來說，聲納不能根據(jù)水文條件（聲速分布情況)的變化而改變聲納深度，因此不能隨時接收最佳的水聲信號。拖曳變深聲納的出現(xiàn)，部分地突破了上述局限。為擴(kuò)展陣列聲納孔徑，變深聲納的拖體逐漸演變成數(shù)百米甚至更長的的長線陣列，形成了拖曳線列陣聲納，見圖2。

拖曳線列陣聲納也稱“拖曳陣聲納”，它是將水聽器鑲嵌在電纜上形成列陣，由拖曳電纜拖在艇尾后在水中探測目標(biāo)的聲納，由線列基陣、拖曳電纜、收放裝置和絞盤、電子機(jī)柜等組成，主要用于聽測潛輻射噪聲，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、測向和識別，有的也可用于測距。拖曳線列陣一般由前導(dǎo)段、儀器段、基陣段、后導(dǎo)段和尾段構(gòu)成，陣長數(shù)十米至數(shù)百米，工作深度可變。拖線陣中的傳感器有水聽器模塊和非聲模塊，后者用以監(jiān)控陣形和姿態(tài)。拖曳陣聲納具有如下優(yōu)點：1)基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測，能遠(yuǎn)距離隱蔽地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；2)基陣入水較深，通過控制拖纜長度可調(diào)節(jié)基陣入水深度，以工作于有利水層；3)基陣遠(yuǎn)離平臺，受平臺噪聲干擾小，作用距離遠(yuǎn)；4)基陣可隨時收回，維修方便。缺點是基陣、拖纜和收放裝置占用運載平臺的空間大，拖體放入水中工作時，對拖帶艦艇的旋回和倒車等機(jī)動有不利影響。

圖2 拖曳線列陣聲納

拖曳陣聲納按用途可分為戰(zhàn)術(shù)型拖曳列陣聲納和監(jiān)視型拖曳列陣聲納兩種［8］。戰(zhàn)術(shù)型拖曳線列陣聲納用于裝備大、中型反潛水面艦艇和攻擊潛艇，拖曳電纜與線列陣總長達(dá)1000m～2000m，被動探測距離50海里～100海里，最大拖曳航速可達(dá)30節(jié)，可與艦殼聲納配合工作，被動接收主動聲納信號在目標(biāo)上產(chǎn)生的回波，其作用距離遠(yuǎn)大于艦殼聲納或拖體聲納單獨工作時的主動探測距離，從而提高水面艦艇反潛搜索能力。如美國海軍當(dāng)前裝備水面艦艇的AN/SQR一19被動聲納，聲陣長800feet，拖纜長5600feet，拖曳深度達(dá)1200feet，在大洋中探測距離可超過120km，是目前世界上最先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)拖曳陣聲納。它在綜合反潛系統(tǒng)中承擔(dān)了大范圍遠(yuǎn)距離初始探測任務(wù)，初探之后，艦載反潛直升機(jī)迅速飛往目標(biāo)區(qū)域，使用機(jī)載探潛設(shè)備對潛實施精確定位，而后用機(jī)載反潛武器攻擊或經(jīng)數(shù)據(jù)鏈給母艦傳輸目標(biāo)數(shù)據(jù)由艦載遠(yuǎn)程武器對潛攻擊。

監(jiān)視型拖曳線列陣聲納，主要裝備于海洋監(jiān)視船，其拖曳航速極低，拖曳電纜與線列陣總長5000m以上，在低聲頻和次聲頻段工作時，被動探測距離可達(dá)300余海里。

隨著潛艇降噪技術(shù)的進(jìn)展，安靜型常規(guī)動力潛艇的出現(xiàn)，特別是不依賴空氣推動技術(shù)投入應(yīng)用，使?jié)撏л椛湓肼暣蟠鬁p小，隨后核動力潛艇降噪也獲得相應(yīng)地進(jìn)展，使被動聲納探測目標(biāo)變得困難。人們把目光又投向主動式探測聲納，開始了低頻主動拖線陣聲納研究。主動拖線陣聲納利用低頻長發(fā)射脈沖、大孔徑聲納系統(tǒng)來增大探測距離。英國是第一個開始主動式拖曳線列陣聲納研究的國家，它的ATAS試驗陣受到世界各主要海軍國家的高度重視，這種聲納繼承了被動拖曳陣聲納的技術(shù)優(yōu)勢，使用大孔徑低頻線陣作為接收陣，配以低頻大功率發(fā)射陣，由水面艦艇拖曳使用。北約水下研究中心在上世紀(jì)80年代初就進(jìn)行主動拖曳陣聲納的方案和技術(shù)可行性研究，1992年主動拖線陣聲納首次參加北約組織的“龍錘”演習(xí)，后在英吉利海峽水域多次組織海試，假象目標(biāo)為意大利的“托蒂”潛艇和德國的U30型潛艇，試驗使用主動拖線陣聲納的發(fā)射聲系統(tǒng)和拖體，得到了有價值的成果。

拖曳線列陣聲納的發(fā)展趨勢是繼續(xù)向低頻、大功率、大基陣、主動與被動相結(jié)合發(fā)展。

5 光纖水聽器

光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器。它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息。它既可用于海洋與陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測以及海洋環(huán)境檢測，又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗的先進(jìn)檢測手段。自從1977年美國海軍實驗室的Bucaro等人發(fā)表光纖水聽器的首篇論文以來，該技術(shù)已經(jīng)從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了實用階段［9］。

光纖水聽器與傳統(tǒng)水聽器相比，在未來的聲納系統(tǒng)中作為接收陣列顯示了更大的吸引力。它可以將大量單元的信號經(jīng)由一單根光纖傳輸，具有大規(guī)模成陣的能力并具有水聽器單元設(shè)計的靈活性。另外，它還具有靈敏度高、響應(yīng)的帶寬寬、單元及信號傳輸不受電磁干擾的影響等重要特點。1980年美國成功地進(jìn)行了“玻璃板（Classboard)”塑料心軸型光纖水聽器試驗。1981年封裝了第一個“黃銅板（Brassboard)”光纖水聽器。1983～1986年期間，美國海軍實驗室進(jìn)行了多次拖曳陣列海上演示，其中包括光纖水聽器。1987年，美國Gould公司海事系統(tǒng)分公司獲得了美國海上系統(tǒng)司令部價值1300萬美元的全光拖曳陣列合同，1988年，全光拖曳陣列在海上試驗中取得很大成功，1988年6月，美國海軍研究實驗室制訂出潛艇用“光纖水聽器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)”，美國國防部認(rèn)為光纖水聽器技術(shù)的時代已經(jīng)到來。

強(qiáng)度型、干涉型和光柵型三大類光纖水聽器中最早出現(xiàn)的是強(qiáng)度型光纖水聽器，到現(xiàn)在研究最為成熟；干涉型光纖水聽器出現(xiàn)稍晚于強(qiáng)度型，迄今為止，干涉型光纖水聽器的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)域也已經(jīng)形成產(chǎn)品，具有精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。而光柵型光纖水聽器提出于2000年，現(xiàn)在還處于研究階段，由于它不僅具有精度高、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，且體積小、容易實現(xiàn)波分復(fù)用、便于拖拽作業(yè)，越來越引起各國的重視，逐步成為當(dāng)前研究的熱點?？深A(yù)測，今后在光纖水聽器領(lǐng)域，對于單個光纖水聽器元件，性能將更加優(yōu)越（敏感度更高、動態(tài)性能更好、受環(huán)境影響更小等)，并逐漸向小型化發(fā)展，另一方面，光纖水聽器陣列的規(guī)模將越來越大（幾千個光纖水聽器組陣)，對弱小聲信號的探測能力將越來越強(qiáng)；另外專用光纖的研制將對光纖水聽器的研究帶來新的內(nèi)容［5］。

我國在“七五”就開始了光纖水聽器研究，并在“八五”、“九五”、“十五”列為國家預(yù)研計劃。在完成光纖水聽器實驗室測試、湖試以后，于2002年8月進(jìn)行了我國首次大規(guī)模光纖水聽器陣列的海上試驗，試驗參加單位有中科院聲學(xué)所、國防科大、西安石油勘探儀器總廠以及天津大港油田集團(tuán)地球物探公司等，試驗的主要目的是驗證光纖水聽器應(yīng)用于海洋石油勘探及水聲物理研究的可行性。

6 水下激光偵察

1963年，人們在研究光波在海洋中的傳播特性時，發(fā)現(xiàn)海水對0.47mm～0.58mm波段內(nèi)的藍(lán)綠激光的衰減比對其它波段的衰減要小得多，從而證實在海水中存在一個理想的透光窗口。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使激光水下探測成為可能。美國、前蘇聯(lián)、澳大利亞等國均投入了大量的人力和物力，在水下激光測距、成像等領(lǐng)域進(jìn)了廣泛的研究，并在一些重點方向上取得了突破進(jìn)展。

水下激光探測模式可分為兩類：直接探測（也稱能量探測)和光外差探測（也稱相干探測)。

直接探測法的基本原理是光電探測系統(tǒng)直接響應(yīng)激光回波光場的強(qiáng)度變化，并把回波光場相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化信號。

光外差探測系統(tǒng)中的光電探測器響應(yīng)的是回波信號與本振光波的混頻信號，利用了激光回波光場的頻率和相位變化兩個物理量。該探測模式雖然在強(qiáng)背景噪聲條件下的信噪比較大，但它要求單色高穩(wěn)定度的本振激光器，這對氣體激光器較易做到，但對固體激光器來說難度較大；并且光外差探測性能受海水渾濁度的影響較大，使混頻效率大為降低；在光外差探測的實際系統(tǒng)中，要求接收的信號光波與本振光波有嚴(yán)格的時空關(guān)系，因而限制了接收視場，減小了接收信號功率。相比之下，光外差探測結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而直接探測是一種簡單、實用的探測模方式，在水下激光探測中被廣泛采用。

美國是開展海洋激光探測技術(shù)研究最早的國家。

1968年美國Syracuse大學(xué)建造了世界上第一個光海洋深度測量系統(tǒng)，初步建立了海洋激光探測技術(shù)的理論基礎(chǔ)。此后，瑞典、加拿大、俄羅斯等國也相繼開展了藍(lán)綠激光水下探測技術(shù)的研究工作。美國從上世紀(jì)80年代開始研制機(jī)載激光探潛系統(tǒng)，最為典型的是卡曼公司研制的直升機(jī)載“魔燈”激光探潛系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了大功率的綠光輸出，輸出脈沖的能量達(dá)500mJ，脈沖頻率40Hz。接收機(jī)使用6個CCD攝像機(jī)，利用選通技術(shù)克服后向散射光影響，探測深度可達(dá)30m。其他國家也相繼制出了性能先進(jìn)的機(jī)載激光探潛系統(tǒng)，如俄羅斯的“紫石英”機(jī)載激光探潛系統(tǒng)，瑞典和加拿大聯(lián)合研制的“鷹眼”機(jī)載激光探潛系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的探測深度均在30m以上。20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的水下激光測距和成像系統(tǒng)，可裝在潛艇、水面艦船底部或裝在水下無人器（UUV)上，執(zhí)行水下偵察、獵雷或反潛任務(wù)［10～11］。

7 結(jié)語

早在600年前，我國偉大的航海家鄭和就曾疾呼：“欲國家富強(qiáng)，不可置海洋于不顧。財富取之海，危險也來自海上?！痹谧罱鼑@中國管轄海域發(fā)生的種種爭端的背景下，此話令我們振聾發(fā)聵。

我國作為陸海兼?zhèn)涞拇髧?，不僅有960萬平方公里的陸地國土，18000多公里的海岸線，6000多個島礁，而且按照《聯(lián)合國海洋法公約》還擁有面積約300萬平方公里的管轄海域，同時作為世界上最大的發(fā)展中國家和世界第二大經(jīng)濟(jì)體，海上交通線的重要作用對我國來說是不言而喻的。我國近海水下地貌極其復(fù)雜，加之我軍的水下偵察技術(shù)和發(fā)達(dá)國家相比仍存在很大的差距，敵方高技術(shù)水下武器裝備很容易突破我方的水下防線，給我方艦船和島礁特別是南海島礁造成了極大地安全威脅，同時近年來美海軍水下探測系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展對我海軍潛艇的作戰(zhàn)行動造成了很大威脅。因此我們要增大對海洋偵察技術(shù)領(lǐng)域的投入，增大水聲技術(shù)的研究投入，緊跟世界海洋先進(jìn)偵察技術(shù)的發(fā)展，堅持軍民融合的發(fā)展道路，必要時引進(jìn)國外先進(jìn)的海洋探測技術(shù)，同時我們也要重視反潛戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法的研究，為我海軍走向大洋打下堅實的基礎(chǔ)。

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