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(zhàn)斗力來(lái)源于隱蔽性。潛艇通信技術(shù)的進(jìn)步極大提升了潛艇的隱蔽性，但潛艇探測(cè)技術(shù)手段的發(fā)展也從未停止，潛艇隱蔽通信所面臨的形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

潛艇在通信過(guò)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(hào)暴露等。聲音暴露因素是通信時(shí)通信裝置發(fā)出的聲音被聲探測(cè)設(shè)備探測(cè)導(dǎo)致的暴露。光電暴露，如紅外輻射暴露和可見(jiàn)光暴露。紅外暴露是指通信時(shí)產(chǎn)生的熱量被紅外探測(cè)設(shè)備探測(cè)?？梢?jiàn)光暴露是指通信時(shí)暴露在海水表面的天線、通氣管、潛望鏡等可見(jiàn)的情況。RCS暴露是指潛艇通信時(shí)暴露在海面上的通信天線或者其他設(shè)備反射雷達(dá)波，致使?jié)撏П焕走_(dá)探測(cè)設(shè)備探測(cè)的情況。電磁暴露是指通信信號(hào)被通信偵察設(shè)備偵測(cè)［8］。

2 暴露因素及相關(guān)原理

2.1 聲音暴露分析

2.1.1 聲吶探測(cè)原理

考慮潛艇聲音暴露主要由于聲納對(duì)潛艇輻射噪聲的探測(cè)，屬于被動(dòng)探測(cè)，由被動(dòng)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(cè)距離，DI-DT是聲吶本身的參數(shù)，NL是聲吶裝載平臺(tái)的自噪聲系數(shù)，SL為輻射噪聲級(jí)，對(duì)于被測(cè)潛艇而言，可將等式右邊除SL以外的項(xiàng)看成常數(shù)A，SL越大，則被探測(cè)的距離越大。

2.1.2 通信過(guò)程中的聲音暴露分析

潛艇隱蔽通信過(guò)程中涉及的聲音暴露主要體現(xiàn)在兩方面，一是收放天線時(shí)產(chǎn)生的噪聲，另一方面是通信浮標(biāo)隨潛艇航行過(guò)程中與水流之間產(chǎn)生的噪聲。雖然噪聲較弱，但會(huì)影響探測(cè)距離［1］。特別是由于收放天線時(shí)，瞬間產(chǎn)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(qiáng)度越大［2］。紅外輻射非肉眼可見(jiàn)，但紅外成像技術(shù)能夠把紅外輻射轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光圖像。反潛飛機(jī)裝載的紅外探測(cè)裝備探測(cè)潛艇露出海面部分所產(chǎn)生的紅外特征，區(qū)別于海面的紅外特征，進(jìn)而探測(cè)到潛艇［9］。潛艇在潛望狀態(tài)、水面航行狀態(tài)通信時(shí)，露出水面部分的天線在發(fā)送通信信號(hào)的過(guò)程，會(huì)伴隨一定的發(fā)射功率，進(jìn)而產(chǎn)生一定的熱量，導(dǎo)致被紅外探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，給隱蔽性帶來(lái)一定的影響。

紅外探測(cè)距離是紅外成像系統(tǒng)的一個(gè)重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)［10］。典型的紅外探測(cè)距離公式為

其中，D0為光學(xué)系統(tǒng)通光口徑；D*為探測(cè)器在工作波段的比探測(cè)率；J為目標(biāo)輻射強(qiáng)度；τa為大氣透過(guò)率；τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率；Ad為探測(cè)器有效元面積（單位為m2）；Δf為電子學(xué)系統(tǒng)寬帶，且為探測(cè)器駐留時(shí)間；為圖像檢出信噪比?？梢?jiàn)，紅外探測(cè)距離受目標(biāo)輻射特性、大氣傳輸、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)以及信號(hào)處理水平等幾個(gè)方面的影響。其中，目標(biāo)輻射強(qiáng)度與露出海面的裝置面積、特性及信號(hào)的功率等有關(guān)。

2.3 RCS暴露分析

2.3.1 RCS暴露原理

雷達(dá)散射截面積（RCS）表征目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的散射能力，是目標(biāo)雷達(dá)隱身能力的重要指標(biāo)。根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)作用距離R的四次方與目標(biāo)RCSσ成正比。目標(biāo)的RCS與目標(biāo)本身的大小、材質(zhì)等特征密切相關(guān)。

2.3.2 通信過(guò)程中RCS暴露分析

分艇本體通信和艇離體通信兩種情況來(lái)看。艇本體通信時(shí)，潛艇要處于水面或潛望狀態(tài)，有桅桿天線、潛望鏡等其他露出水面的設(shè)備。艇離體通信時(shí)，一般處于水下?tīng)顟B(tài)，僅天線露出水面，如圖1所示。露出水面的部分會(huì)對(duì)探測(cè)雷達(dá)發(fā)出的雷達(dá)波進(jìn)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(hào)暴露分析

潛艇通信過(guò)程中發(fā)出無(wú)線電通信信號(hào)，一旦被敵方的通信偵察系統(tǒng)截獲并進(jìn)行信號(hào)分析，就可以得到潛艇的通信體制信息，甚至還可對(duì)信號(hào)輻射源進(jìn)行定位。因此，電磁信號(hào)暴露會(huì)給潛艇隱蔽性帶來(lái)很大影響［12］。

影響偵察接收機(jī)截獲潛艇信號(hào)的指標(biāo)有接收機(jī)的靈敏度、信號(hào)接收帶寬和信號(hào)的功率、持續(xù)時(shí)間［5］。接收靈敏度一定的情況下，如果發(fā)射信號(hào)的功率較低，則不容易被截獲到。通信偵察系統(tǒng)的接收帶寬，大都是非全頻段的固定帶寬掃描搜索信號(hào)，因此，通信頻率的設(shè)定對(duì)于通信偵察系統(tǒng)也有一定的影響。信號(hào)持續(xù)時(shí)間，也叫信號(hào)的空中駐留時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，則給偵察系統(tǒng)偵察的時(shí)間就越長(zhǎng)，則信號(hào)越容易被發(fā)現(xiàn)。若通信偵察系統(tǒng)長(zhǎng)期截獲到某種特征的信號(hào)并進(jìn)行分析，則益于建立關(guān)于信號(hào)輻射源的通信體制內(nèi)容的先驗(yàn)知識(shí)［6］，另外，定位系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的空中停留時(shí)長(zhǎng)也有要求，如果信號(hào)停留時(shí)間太短，則定位的可能性就會(huì)大大減小。

因此，對(duì)于在通信過(guò)程中對(duì)電磁信號(hào)的暴露影響較大的因素有信號(hào)空中駐留時(shí)長(zhǎng)、信號(hào)功率等。

3 構(gòu)建潛艇隱蔽通信能力評(píng)估指標(biāo)體系

3.1 評(píng)估方法分析

潛艇隱蔽通信能力是指潛艇通信系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)通信的同時(shí)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(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)通信且不暴露潛艇的概率來(lái)評(píng)估潛艇通信系統(tǒng)的隱蔽通信能力，則概率值越大，潛艇隱蔽通信能力越強(qiáng)。

其中，P(A)為潛艇通信成功的概率，P(B)為潛艇無(wú)暴露的概率。

綜上，若能計(jì)算通信成功和潛艇無(wú)暴露事件的發(fā)生概率，則可度量出潛艇的隱蔽通信能力，尤其可以對(duì)不同通信系統(tǒng)的隱蔽通信能力進(jìn)行比較。對(duì)于通信成功和潛艇無(wú)暴露的發(fā)生，需滿足一系列指標(biāo)，這些指標(biāo)既是系統(tǒng)或裝備的性能指標(biāo)，又是潛艇隱蔽通信能力的評(píng)估指標(biāo)。

3.2 評(píng)估指標(biāo)體系建立

如圖2所示，構(gòu)建潛艇隱蔽通信能力評(píng)估指標(biāo)體系，此指標(biāo)體系給出了利用概率方法計(jì)算隱蔽通信能力的具體概率指標(biāo)，同時(shí)，給出了影響概率指標(biāo)對(duì)應(yīng)的具體內(nèi)容，可為提高潛艇隱蔽通信能力提供參考。

除以上所列指標(biāo)外，艇本體通信和艇離體通信也是一項(xiàng)重要指標(biāo)，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(jìn)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(píng)估指標(biāo)體系

4 提高潛艇隱蔽通信能力

通過(guò)分析可知，探測(cè)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(guò)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(guò)程中所涉及的暴露因素對(duì)潛艇隱蔽性的影響，是提高潛艇隱蔽通信能力的關(guān)鍵。

4.1 減小發(fā)射天線的輻射噪聲

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

對(duì)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(guò)改進(jìn)發(fā)射裝置、使用發(fā)射新技術(shù)進(jìn)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(guī)律，可在不影響潛艇正常執(zhí)行任務(wù)的前提下，在戰(zhàn)術(shù)上通過(guò)控制相應(yīng)的航速、航向，減小發(fā)射、升降天線的輻射噪聲［6］。

4.2 降低天線紅外輻射強(qiáng)度以及RCS

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

由前面的分析可知，艇外通信和艇體通信對(duì)于RCS大小以及光電暴露有直接的影響。因此，可以通過(guò)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(fā)信時(shí)露出水面的部分，其反射雷達(dá)波的情況是需要重點(diǎn)考慮的對(duì)象［7，11］。

4.3 減少電磁信號(hào)的暴露

減少電磁信號(hào)的暴露，主要考慮減小信號(hào)空中駐留時(shí)長(zhǎng)、降低信號(hào)功率以及減少有利的先驗(yàn)知識(shí)等因素。

減小信號(hào)的空中駐留時(shí)間，可以從戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)兩方面來(lái)考慮。戰(zhàn)術(shù)上，主要通過(guò)少發(fā)信、發(fā)短信來(lái)縮短通信時(shí)間，并且潛艇通信完畢后要立即下潛到安全深度。技術(shù)上，主要通過(guò)猝發(fā)通信技術(shù)縮短時(shí)間，研究相應(yīng)的猝發(fā)通信體制，降低信號(hào)空間的駐留時(shí)間。

降低信號(hào)的功率，一方面在戰(zhàn)術(shù)上可以在保證通信能達(dá)成的情況下，減小信號(hào)的發(fā)射功率；另一方面技術(shù)上可以通過(guò)降低功率譜密度，提高信號(hào)抗截獲的能力。降低功率譜密度，可以通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)，展寬信號(hào)的頻譜，使信號(hào)的功率分布在更寬的頻帶內(nèi)，從而降低信號(hào)的功率譜密度［3～4］。

減少對(duì)偵察提供有利的先驗(yàn)知識(shí)，就要求潛艇通信不能一直進(jìn)行有規(guī)律的通信，需及時(shí)更換通信頻率。另外，在戰(zhàn)術(shù)上區(qū)分平時(shí)用和戰(zhàn)時(shí)用的通信體制，降低戰(zhàn)時(shí)被偵察的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

潛艇隱蔽通信過(guò)程中的各種暴露不容忽視。文章在分析相關(guān)探測(cè)手段及原理的基礎(chǔ)上，分析了通信過(guò)程中的具體暴露指標(biāo)?；谶x取的概率評(píng)估方法，建立了由潛艇無(wú)暴露概率以及通信成功概率組成的評(píng)估指標(biāo)體系，并重點(diǎn)建立了潛艇無(wú)暴露概率的相關(guān)指標(biāo)?；谥笜?biāo)體系，提出通過(guò)降低相關(guān)指標(biāo)來(lái)提高潛艇隱蔽通信能力的對(duì)策建議。