要地水下反蛙人防御技術

孫建，趙艾奇，王雅芬，王博，馬雪飛

1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094

2. 91977部隊，北京 102249

3. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

蛙人在海洋復雜環(huán)境中進行水下活動時，對其進行有效發(fā)現(xiàn)和探測十分困難。以目前普遍使用的蛙人探測聲納為例，由于武裝蛙人已普遍使用封閉式氧氣型再呼吸器和低噪聲潛航器，其自噪聲約為90 dB左右，接近海洋背景噪聲，難以實現(xiàn)準確識別[1-6]。加之探測聲吶本身存在易暴露、誤報、配套設施要求高、固定基站敷設困難等技術缺陷，嚴重制約了其使用范圍；尤其是在任務緊、海域?qū)挕⑺臈l件復雜等條件下要求快速敷設和應急使用，實施難度更大[7-9]。因此，為滿足軍事防御、海上執(zhí)法和海洋主權(quán)維護需要，對水下低強度目標防御起關鍵作用的技術、裝備、設施進行創(chuàng)新已迫在眉睫[10-15]。

本文提出了一種水下物理安全柵欄結(jié)合高聚能聲波發(fā)生器，具有目標識別、定位、警告、驅(qū)離和被動防御非致命損傷為一體的立體警戒防御裝備技術方案。

1 裝備現(xiàn)狀

國外從20世紀70年代起就非常重視港口等要地尤其是軍港的水下防護，為對付潛入港口和海軍基地不明潛艇、水下航行器和蛙人等威脅，前蘇聯(lián)、瑞典、挪威、美國等軍事強國紛紛研制和裝備了多種要地、港口水下安全防御設施或岸基水下探測系統(tǒng)[16-22]。如美國的港口防御系統(tǒng)（homeland defencing）、瑞典的海岸防御系統(tǒng)（the safe barrier system，如圖1所示）、法國THALES公司開發(fā)的MAPS港口防護系統(tǒng)(modular area protection systems，如圖2所示）、德國a.r.s.TECHNOLOGIES GmhH公司的海港預警系統(tǒng)、加拿大的L-3 Communications Klein Associates公司的海設施保護系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)主要由水面、水下傳感器網(wǎng)和防護網(wǎng)系統(tǒng)所組成：傳感器系統(tǒng)的主要作用是24 h監(jiān)視規(guī)定的水面水下區(qū)域，其中一部分傳感器主要是為發(fā)現(xiàn)和探測水面目標，另一部分主要是針對水下目標，多種類的各個傳感器之間相互協(xié)作與補充，信息綜合處理和顯控，自動對威脅目標識別、報警，輔助防御決策；水面、水下安全防護網(wǎng)主要是防止水面、水下小型航行器和蛙人進入港內(nèi)的安全屏障，從而構(gòu)成一個對海岸要地具備全天候、立體警戒的安全防護系統(tǒng)。

圖1 瑞典海岸警戒和防御系統(tǒng)示意

圖2 法國MAPS港口防護系統(tǒng)示意

2 需求分析

2.1 防御目標及其特點

1) 防御目標為敵方各種小型潛器及蛙人；

2) 防御目標來自于水下，隱蔽性好，給目標探測和定位帶來極大困難；

3) 蛙人執(zhí)行任務時通常都穿潛水服甚至攜帶封閉式的潛水設備，噪音低、聲學特征不明顯；

4) 防御目標的活動范圍較大，且有一定規(guī)律，如小型潛器通常在距島礁，尤其是港口較近的范圍內(nèi)活動，蛙人只在島礁（主要是港口基地）附近出現(xiàn)和活動；

5) 防御目標一次性（在同一海域、同一時間段內(nèi)）出現(xiàn)的數(shù)量少、批次少，對同時探測的數(shù)量要求不高；

6) 防御目標的運動速度低，對反應時間要求不高。

2.2 水下防御重點

要地水下直接威脅不是來自于潛艇、蛙人運載器本身，而是來自行動詭秘、破壞力巨大的水下蛙人特種部隊，以及來自于布放在港口要地出海航道上的各種水雷。因此島礁等要地水下防御的重點側(cè)重于對蛙人入侵的防范和對小型潛器布放水雷的防范，并要求水下防御系統(tǒng)具有較強的水下早期預警能力；此外，系統(tǒng)還必須對非常規(guī)的恐怖式襲擊具有防范能力。

3 系統(tǒng)概述

針對我國海洋環(huán)境安全防護的重大需求，研究提出一種要地水下反蛙人防御系統(tǒng)總體解決方案。

3.1 設計原則

3.1.1 功能動態(tài)性

系統(tǒng)功能將隨時代變遷而不斷向前發(fā)展和變化。例如，UUV等無人平臺的出現(xiàn)，可實現(xiàn)多種以前沒有的作戰(zhàn)功能。即便是在同一時代，由于體系內(nèi)系統(tǒng)的職能發(fā)揮受到國家戰(zhàn)略、防御作戰(zhàn)思想和裝備性能等因素的影響和制約，各國要地水下防御體系的內(nèi)部系統(tǒng)組成也可能不同。因此，不同國家、不同時期的要地水下防御體系概念之內(nèi)涵是動態(tài)變化的。

3.1.2 要素完備性

任何一個體系，為了實現(xiàn)其目標或使命，其組成的某些系統(tǒng)（或要素）是必不可少的，要地水下防御體系也不例外，其要素必然包含目標警戒與探測、指揮與控制、防御手段等。

3.1.3 標準多樣性

根據(jù)系統(tǒng)論的原理，復雜系統(tǒng)可以從不同角度或按不同標準劃分子系統(tǒng)。體系也可從不同角度構(gòu)建出內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的系統(tǒng)。如按功能構(gòu)建體系、按水下防御武器構(gòu)建體系等。為便于研究，通常按一種標準來劃分體系內(nèi)的構(gòu)建系統(tǒng)，并滿足完備性和獨立性要求。

3.2 設計思路

要地水下反蛙人防御系統(tǒng)要實現(xiàn)對蛙人入侵的快速反應，包括探測、定位、通信、警告、殺傷設備，完成從集中指揮、精確識別定位、警告或軟硬殺傷等逐級動作，探測距離相對較短、分辨率更高。采用磁探測系統(tǒng)，完成目標的識別，利用水下高壓脈沖放電并進行警告或反制攻擊。物理安全柵欄是最后一道防線，將光纖和高壓電纜進行復合，經(jīng)特種編織處理制作成物理安全柵欄；一旦物理安全柵欄任意處被割斷，高壓電能自動向網(wǎng)絡供電并在被割斷的線纜斷面形成水中高壓放電，對入侵目標實施非致命性攻擊。

3.3 系統(tǒng)組成

按照任務劃分和應具備的系統(tǒng)主要功能，要地水下反蛙人防御系統(tǒng)由水下警戒分系統(tǒng)、水面監(jiān)控分系統(tǒng)、水下攔阻分系統(tǒng)、蛙人對抗分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心組成。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成示意

4 系統(tǒng)功能及性能

4.1 系統(tǒng)功能

1) 對重點水域的水下目標探測功能；

2) 對水下小目標的物理攔阻功能；

3) 對近程水下小目標的探測功能；

4) 對近程水面小目標的監(jiān)控功能；

5) 對敵蛙人的軟對抗功能。

4.2 系統(tǒng)主要性能

1) 磁場分辨率為 0.5 nT～10 pT；

2) 對水下蛙人目標監(jiān)測距離＞20 m；

3) 對水下蛙人目標軟殺傷距離為2～50 m（可調(diào)）。

5 總體技術方案

5.1 使用流程

當蛙人在海上突破遠程（2～55 km）和中程（400～2 000 m）預警防線后，進入近距離防御區(qū)（＜400 m），首先被微弱磁場傳感器捕捉、識別和定位，由于光纖磁傳感器隱蔽性好、無源且不受海洋環(huán)境影響，近距離捕捉、識別目標能力強，當光纖磁傳感器監(jiān)測到異常信號后將通過光纖直接反饋到控制中心，控制中心經(jīng)信號調(diào)制解調(diào)處理后一旦確認符合蛙人相關特征，可人工或自動啟動高壓電源向聚能器供電，聚能器上的高壓放電頭在海水介質(zhì)產(chǎn)生液電效應，瞬間在水中產(chǎn)生強大的壓縮沖擊波并釋放強烈的超聲波和次聲波，經(jīng)聚能罩匯聚后形成強大的定向沖擊波向蛙人發(fā)出警告和攻擊（通過放電電壓和頻率調(diào)整實現(xiàn)），蛙人在此沖擊波的作用下難以在水中繼續(xù)潛伏，直至失去行為能力。

如果蛙人躲過光纖磁傳感器的探測，其前進途中將遇到由光電復合高壓水密電纜構(gòu)成的物理安全防御柵欄，具有物理阻止、安全監(jiān)控和非致命損傷功能。光電復合高壓水密電纜由光纖、同軸線芯（傳輸高壓脈沖）、屏蔽層、抗拉層、外護套和屏蔽層組成，編織成網(wǎng)格狀，網(wǎng)格密度為150 mm×150 mm，單線及網(wǎng)格節(jié)點抗拉強度達1.5 t，向上高出水面2 m，向下延伸40 m以上（蛙人裝具使用極限）。對此，蛙人只能使用刀具進行水下切割才能穿過此網(wǎng)，而一旦割斷柵欄任一處，光纖斷點引起的光傳輸變化將及時反饋到控制中心，控制中心可自動向高壓儲能裝置發(fā)出放電信號，高壓儲能裝置向柵欄輸送100 kV以上的高壓脈沖電能，高壓脈沖電能將在被割的斷點處進行水中放電，其液電效應產(chǎn)生的力學、聲學、光學、化學、電磁輻射等效應對蛙人機體造成損傷，使蛙人無法繼續(xù)在水下完成相應動作，達到軟殺傷目的。

5.2 微弱磁場傳感器方案

圖4 光纖傳感器原理

本項目所設計的磁場傳感器是通過確定光纖腔衰蕩時間實現(xiàn)磁場測量，該模型要反映光纖腔衰蕩時間與磁場之間的關系。傳統(tǒng)光纖元器件設計方式如圖5和6所示：前者靈敏度較高，但工藝復雜、復用難度大；后者靈敏度低，但具有抗干擾、耐腐蝕、體積小、易復用等有點。

圖5 法布里-珀羅（F-P）結(jié)構(gòu)

圖6 光纖光柵器件結(jié)構(gòu)

在總結(jié)上述2種傳統(tǒng)光纖傳感器優(yōu)缺點的基礎上，將兩者進行有效復合，研制“機械場-光場”耦合型光纖器件，使兩者優(yōu)勢互補，具有高靈敏度、易復用能力，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 新型光纖微弱磁場傳感器結(jié)構(gòu)

5.3 特種光纖復合高壓電纜方案

特種光纖復合高壓電纜的作用是將光纖微弱磁場傳感器捕捉到的弱磁信號傳輸?shù)叫盘柼幚砥鞯奈ㄒ煌ǖ?，同時，通過特殊的網(wǎng)格狀編織構(gòu)成水下防阻安全柵欄。當特種光纖復合高壓電纜被蛙人割斷時，光纖發(fā)出的斷路信號將啟動高壓電源向該網(wǎng)絡供電，高壓電在電纜斷面處構(gòu)成水中等離子體放電條件，其等離子體聲源電極尖端瞬時高壓放電產(chǎn)生的強聲波及光電效應等物理場將對蛙人產(chǎn)生非致命的被動攻擊效果，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，由纜芯、絕緣、光纖、屏蔽層、抗拉纖維及外護套組成。

圖8 特種光纖高壓復合電纜結(jié)構(gòu)

5.4 高聚能沖擊波發(fā)射裝置方案

“液電效應”高壓放電產(chǎn)生高強度沖擊波的基本原理是：把數(shù)萬伏的高壓電存儲在電容上并通過一個觸發(fā)信號使開關導通，則電容上的高壓電將在瞬間加載到電極間隙上，由于電極間距較短（1～10 mm），在高場強的作用下，間隙之間的介質(zhì)將被擊穿而生成一條高溫、高壓的等離子體通道，等離子通道迅速擠壓周圍的介質(zhì)而產(chǎn)生沖擊波，該類聲源被稱為等離子體聲源。放電通道形成后，在焦耳熱的作用下，水中的放電通道之間產(chǎn)生一個較大的球狀氣泡。放電完成后，氣泡停止膨脹。在周圍介質(zhì)的壓迫下，氣泡半徑開始收縮，在氣泡半徑達到極小的坍縮時刻，氣泡向液體中輻射較強的沖擊波脈沖。電弧放電產(chǎn)生沖擊波的同時還伴隨著流光的產(chǎn)生。相比傳統(tǒng)的爆炸式聲源、電聲換能器和流體動力式等類型的聲源，等離子體聲源具有聲源級高、脈沖波形可調(diào)、頻帶范圍廣等優(yōu)點。

本項目研制的反射式聚能裝置包含了兩大部分：一是能量存儲部分，包括電容、間隙開關、控制電路和防水密封外殼；二是能量釋放及聚能部分，包括放電電極、反射罩和反饋電路。如圖9所示。

圖9 反射式聚能裝置設計示意

6 試驗驗證

本項目試制了高壓脈沖放電聲源樣機和水下沖擊波測量系統(tǒng)。主要用于測試特種光纖高壓復合電纜剪切后，其斷面在高壓狀態(tài)下水中脈沖放電效果；以及測試橢球反射罩的聚焦效果和聲場分布特性。試驗樣機如圖10所示。

圖10 原理試驗現(xiàn)場測試

6.1 旋轉(zhuǎn)橢球面聚能反射罩水中放電結(jié)果

根據(jù)采集的電壓電流數(shù)據(jù)計算出放電通道建立時的功率曲線（如圖11所示），在放電的過程中，峰值功率可達150 MV，計算注入放電通道的能量為195.5 J。理想情況下，實驗裝置中4.0 μF儲能電容的電壓為25 kV，可計算出總能量為1 250 J，從而可得出放電能量注入效率為15.64%。

圖11 單次放電功率曲線

6.2 特種光纖高壓復合電纜斷面水中放電結(jié)果

通過壓力傳感器對特種旋轉(zhuǎn)橢球面反射罩水中放電沖擊波的采集及后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理，得到了不同電壓強度下產(chǎn)生的沖擊波壓力值。其中電容1 μF，電壓35 kV典型數(shù)據(jù)結(jié)果及曲線如圖12所示，其峰值壓力可達88 MPa。

圖12 1 μF、35 kV 采集壓力值

7 結(jié)論

1）提出了一種要地水下反蛙人防御系統(tǒng)總體方案。

2）完成了弱磁場傳感器、高能脈沖定向聚能、光電復合高壓水密電纜設計。

3）試制了主要產(chǎn)品原理樣機，完成了水下測試。本項目為后續(xù)工程型號應用奠定了基礎，具有廣泛的軍事價值和經(jīng)濟價值。