國(guó)外航空磁探潛裝備應(yīng)用分析及發(fā)展趨勢(shì)

陶榮華,王 丹,遲 鋮

國(guó)外航空磁探潛裝備應(yīng)用分析及發(fā)展趨勢(shì)

陶榮華,王 丹,遲 鋮

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島,266199)

航空磁探儀(MAD)作為目前主要的非聲探潛裝備,是對(duì)水下潛艇進(jìn)行探測(cè)、定位、識(shí)別和跟蹤的可靠手段之一。當(dāng)前,隨著磁探頭組件、磁補(bǔ)償水平及磁性目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的迅猛發(fā)展,MAD作用距離得到較大提升,承擔(dān)著局域搜潛和應(yīng)召反潛等任務(wù)。文中從反潛作戰(zhàn)應(yīng)用出發(fā),詳細(xì)分析了國(guó)外先進(jìn)航空磁探潛裝備的戰(zhàn)技術(shù)性能和應(yīng)用設(shè)計(jì)特點(diǎn),并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,提出無(wú)人機(jī)載MAD與有人機(jī)配合、MAD編組集群將是航空磁探潛的發(fā)展重點(diǎn)。文章內(nèi)容可為我國(guó)相關(guān)裝備建設(shè)提供參考。

航空磁探儀; 非聲探測(cè); 反潛作戰(zhàn); 應(yīng)用能力; 發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

反潛作戰(zhàn)包括搜潛和攻潛2個(gè)階段,其中的難點(diǎn)是搜潛。隨著減振降噪措施的有效運(yùn)用,潛艇逐步趨向靜音,對(duì)潛非聲探測(cè)技術(shù)也在對(duì)抗中不斷提升。航空磁異常探潛(簡(jiǎn)稱磁探潛)是一種重要的非聲探潛手段,它利用機(jī)載標(biāo)量磁探儀(magnetic anomaly detector,MAD)對(duì)水下潛艇的磁性進(jìn)行航測(cè),通過(guò)數(shù)據(jù)處理監(jiān)測(cè)背景磁場(chǎng)的變化和對(duì)磁異常的判斷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)潛艇的探測(cè)、定位和確認(rèn)。與其他探潛設(shè)備相比,MAD具有不受水文氣象條件限制、可以連續(xù)搜索、使用簡(jiǎn)單可靠、反應(yīng)迅速、定位精度高以及隱蔽性好等顯著特點(diǎn),特別適用于攻擊水下目標(biāo)前的運(yùn)動(dòng)要素解算。自二戰(zhàn)期間投入使用后,MAD就成為了航空反潛的標(biāo)配裝備,并被認(rèn)為是當(dāng)今水下目標(biāo)鑒別和提高對(duì)潛攻擊效率最可靠的手段之一[1]。文中以國(guó)外先進(jìn)航空磁探潛裝備為研究對(duì)象,分析其圍繞最大化支持航空搜潛的戰(zhàn)技術(shù)性能、應(yīng)用開(kāi)發(fā)和發(fā)展趨勢(shì),為我國(guó)相關(guān)裝備建設(shè)提供參考。

1 現(xiàn)役航空磁探潛裝備應(yīng)用特點(diǎn)分析

潛艇鐵磁外殼因磁化產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)信號(hào)非常微弱,一艘中型潛艇在上方400 m處的磁場(chǎng)約為0.4 nT[2],該量值僅約為背景地磁場(chǎng)的十萬(wàn)分之一。因此,在標(biāo)準(zhǔn)的綜合反潛流程中,當(dāng)其他探測(cè)器材將水下疑似目標(biāo)限定在局域范圍內(nèi)后,MAD通常才會(huì)派上用場(chǎng),通過(guò)航路機(jī)動(dòng)接觸該目標(biāo)并實(shí)施跟蹤。由于潛艇探測(cè)與反探測(cè)是一個(gè)博弈問(wèn)題,因此,航空磁探潛結(jié)果存在諸多不確定性,而勝任“找到”和“跟住”的航空磁探潛系統(tǒng),無(wú)不在磁異探測(cè)技術(shù)和應(yīng)用設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)優(yōu)異。目前,P-3C反潛巡邏機(jī)、P-8A反潛巡邏機(jī)、P-1反潛巡邏機(jī)、SH-2反潛直升機(jī)、S-70B/C反潛直升機(jī)、SH-2D反潛直升機(jī)、SH-60B/F/J/K反潛直升機(jī)、S-2T/3艦載反潛機(jī)及MQ-8B無(wú)人偵察機(jī)等多型反潛平臺(tái)上都載有多類MAD,它們以其優(yōu)越性能在綜合反潛中承擔(dān)著局域搜索和應(yīng)召反潛等任務(wù)。綜合梳理發(fā)現(xiàn),這些MAD系統(tǒng)圍繞勝任搜潛任務(wù)在技術(shù)層面和應(yīng)用層面上具備如下顯著優(yōu)勢(shì)。

1.1 技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)集成高

MAD包括探頭、磁補(bǔ)償及識(shí)別軟件,因此,實(shí)施磁探潛的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在研制高精度、高分辨率的磁測(cè)量探頭和研究更好的濾波算法,以便測(cè)量微弱的潛艇磁場(chǎng)信號(hào)并將其從強(qiáng)背景噪聲中分離出來(lái)[3]。目前,國(guó)外先進(jìn)MAD設(shè)備研制廠家在弱磁采集、低動(dòng)態(tài)噪聲濾除、自動(dòng)磁補(bǔ)償及微弱信號(hào)檢測(cè)等方面頗有建樹(shù)。加拿大CAE公司是全球設(shè)計(jì)、制造和集成MAD系統(tǒng)的引領(lǐng)者,其最新產(chǎn)品先進(jìn)綜合MAD系統(tǒng)(裝備編號(hào)AN/ASQ-508,圖1為該型MAD的探頭和控制顯示組件)外銷美國(guó)、英國(guó)、日本、澳大利亞、印度及智利等多國(guó)海軍。該型MAD代表當(dāng)前業(yè)界的頂級(jí)水平,其靈敏度優(yōu)于0.3 pT,擁有18項(xiàng)磁補(bǔ)償項(xiàng),在深海條件下對(duì)常規(guī)潛艇和核潛艇的最大探測(cè)距離分別為800 m和1200 m。美國(guó)Polatomic公司為美海軍研制的Polatomic-2000(裝備型號(hào)AN/ASQ-233A)是一型數(shù)字化MAD(Digital MAD,DMAD)設(shè)備,它是P-3C反潛巡邏機(jī)升級(jí)改裝的指定MAD型號(hào)(圖2為該型MAD的探頭和控制顯示組件),其整體水平十分先進(jìn),靈敏度優(yōu)于0.3 pT,探測(cè)距離達(dá)千米級(jí)[4]。

另外,在綜合性能穩(wěn)定提升的前提下,先進(jìn)MAD研制廠家還力求進(jìn)一步減少探測(cè)系統(tǒng)專用輔助設(shè)備,這樣既可以壓縮整體質(zhì)量同時(shí)又方便維護(hù)。以美國(guó)研制的系列MAD為例: 早期的AN/ASQ-81V型MAD由16項(xiàng)武器可更換組件(weapons replaceable assemblies,WRAs)構(gòu)成,其衍生型AN/ASQ-208(V)型MAD將WRAs精簡(jiǎn)為3件,最新的AN/ASQ-233A型MAD則進(jìn)一步縮減為2件。需指出的是,磁補(bǔ)償后潛艇目標(biāo)信號(hào)仍會(huì)淹沒(méi)在背景干擾中[5],國(guó)外先進(jìn)MAD設(shè)備采用更精細(xì)的濾波方法剝離出目標(biāo)磁異常信號(hào)。例如: 加拿大CAE公司采用大帶寬頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù),降低了較高頻率情況下的背景噪聲。美國(guó)Polatomic公司則通過(guò)磁通門MAD、加速計(jì)和低噪聲C碼全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)等輔助傳感器協(xié)力噪聲模型來(lái)降低其影響。

圖1 AN/ASQ-508先進(jìn)綜合MAD系統(tǒng)

圖2 AN/ASQ-233A數(shù)字化MAD

1.2 輸出多樣、綜合識(shí)別強(qiáng)

作為一類被動(dòng)探測(cè)器材,航空MAD通過(guò)平臺(tái)機(jī)動(dòng)采集磁總場(chǎng)數(shù)據(jù),經(jīng)磁補(bǔ)償、帶通濾波、異常信號(hào)檢測(cè)及識(shí)別等步驟完成數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)換工作,并將處理結(jié)果呈現(xiàn)給MAD操作員。美海軍自AN/ASQ-208(V)開(kāi)始,采用微處理技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),摒棄AN/ASQ-81(V)、AN/ ASQ-10(V)等跟蹤式MAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案,電子電路及終端顯示全部采用數(shù)字化,探測(cè)性能得以提升,用戶使用也更為便捷。圖3和圖4分別是AN/ASQ-10的輸出結(jié)果和AN/ASQ-233A的顯示界面,這2型MAD都實(shí)時(shí)呈現(xiàn)檢測(cè)到的磁異常信號(hào),差別在于前者是機(jī)械式的條形圖記錄器,后者則將數(shù)字信號(hào)的結(jié)果直接顯示在顯控臺(tái)上。在此基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步挖掘補(bǔ)償后磁信號(hào)中蘊(yùn)含的疑似目標(biāo)信息,先進(jìn)MAD研制廠家對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行多域別特征分析,并以時(shí)頻圖形式呈現(xiàn)出磁異信號(hào)與背景信號(hào)的差異化特征,時(shí)頻空間中的典型結(jié)構(gòu)為MAD操作員綜合判別提供了另一種信息來(lái)源。圖5是AN/ASQ-508的輸出界面,顯見(jiàn),位于顯示窗口下方的子圖即為時(shí)頻圖。另外,為提高檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和減輕MAD操作員的壓力,外軍將疑似潛艇信號(hào)的鑒別工作由人工識(shí)別改為自動(dòng)識(shí)別為主,如: 美方的AN/ASQ-208 (V)在經(jīng)過(guò)三通道濾波及門限處理后,自動(dòng)進(jìn)行異常信號(hào)識(shí)別; AN/ASQ-233A型MAD配有專門的自動(dòng)識(shí)別裝置; 加拿大CAE公司自AN/ASQ- 504(V)開(kāi)始就采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷和處理,并將特征識(shí)別結(jié)果連續(xù)傳輸。

1.3 技戰(zhàn)一體、作戰(zhàn)能力優(yōu)

搜索和跟蹤是對(duì)潛實(shí)施攻擊的前提,因此,在與水下目標(biāo)取得首次接觸后,能否高效地獲得下一次接觸是MAD 發(fā)揮作用的關(guān)鍵。目前,外軍以作戰(zhàn)需求引導(dǎo)MAD應(yīng)用設(shè)計(jì),除了提供視聽(tīng)覺(jué)探測(cè)警報(bào),還能基于接觸到的潛艇磁信號(hào)及其特征挖掘出更多的關(guān)聯(lián)信息,不斷拓展其輔助反潛作戰(zhàn)的能力水平。一方面,在單次接觸后能快速對(duì)水下目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)和左右側(cè)判別。資料顯示,AN/ASQ-208(V)具有顯示目標(biāo)距離的功能,AN/ASQ-504(V)能夠給出目標(biāo)位置(存在左右側(cè)模糊),其后續(xù)產(chǎn)品AN/ASQ-508及MAD-XR (增程型)則能進(jìn)一步分辨出水下目標(biāo)位航測(cè)平臺(tái)的左右側(cè)。獲得的目標(biāo)位置信息為反潛戰(zhàn)術(shù)長(zhǎng)規(guī)劃搜索航路提供了依據(jù),進(jìn)而大大縮短了接續(xù)磁接觸的時(shí)間。另一方面,能夠根據(jù)接觸到的潛艇目標(biāo)磁信號(hào)強(qiáng)弱及特征值大小對(duì)自動(dòng)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行置信度估計(jì)。資料顯示,AN/ASQ-208(V)、AN/ ASQ-233A及AN/ASQ-508[6]的識(shí)別程序中都帶有置信度輸出標(biāo)簽。事實(shí)上,任何異常信號(hào)檢測(cè)都是基于一定的假設(shè)前提,探測(cè)距離越遠(yuǎn)意味著檢測(cè)工作面臨的信噪比越低,因此,識(shí)別結(jié)果本身帶有不確定性。在這種情況下,以概率形式給出識(shí)別結(jié)果的可信度,即為反潛戰(zhàn)術(shù)長(zhǎng)采信磁探系統(tǒng)輸出結(jié)果提供了合理提示。另外,還能夠根據(jù)目標(biāo)磁特性的強(qiáng)弱對(duì)潛艇實(shí)施潛在分類[7]。資料顯示,AN/ASQ-508及MAD-XR(見(jiàn)圖6)內(nèi)置了新研制的識(shí)別軟件,其亮點(diǎn)之一就是能夠基于單次接觸到的水下目標(biāo)磁信號(hào)特征間的相互關(guān)系反推出潛艇磁矩,進(jìn)而預(yù)估出水下目標(biāo)的噸位大小及類別(常規(guī)潛艇或核潛艇)。此項(xiàng)功能豐富了目標(biāo)特性獲取維度,改變了以往反潛作戰(zhàn)行動(dòng)僅依據(jù)聲學(xué)手段進(jìn)行目標(biāo)分類的不足,對(duì)指揮員的輔助決策支持極大,有利于提高水下威脅判斷結(jié)果的可靠性。

圖3 AN/ASQ-10系統(tǒng)輸出結(jié)果示意圖

圖4 AN/ASQ-233A系統(tǒng)界面

圖5 AN/ASQ-508系統(tǒng)界面

圖6 加拿大CAE公司研制的MAD-XR

2 航空磁探潛裝備應(yīng)用展望

目前,航空MAD大多載于反潛巡邏機(jī)和反潛直升機(jī),隨著探測(cè)距離的不斷增大,加之空中無(wú)人平臺(tái)技術(shù)的日漸成熟,在體系反潛作戰(zhàn)思想牽引下,航空MAD的運(yùn)用方式日益多元。今后一段時(shí)間,無(wú)人機(jī)載MAD與有人機(jī)配合、無(wú)人機(jī)載MAD編組集群將是航空磁探潛的又一應(yīng)用重點(diǎn)。

2.1 機(jī)載空投磁探無(wú)人機(jī),高低搭配聯(lián)合探測(cè)

2020年5月起,美P-8A反潛巡邏機(jī)完全接替P-3C反潛巡邏機(jī)執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)。按照廣域海上監(jiān)視(broad area maritime surveillance,BAMS)作戰(zhàn)理念,美P-8A反潛巡邏機(jī)專注于高空反潛作戰(zhàn)(high altitude anti-submarine warfare,HAASW),其低空反潛則由無(wú)人瞄準(zhǔn)航空系統(tǒng)(unmanned targeting air system,UTAS)和“磁鷹”(Mag-Eagle)無(wú)人機(jī)共同執(zhí)行[8]。后者由波音公司以“掃描鷹” (Scan Eagle)無(wú)人機(jī)為基礎(chǔ)研發(fā),自帶低成本MAD,配備GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。實(shí)際反潛過(guò)程中,P-8A反潛巡邏機(jī)視任務(wù)需要將該無(wú)人機(jī)投放至低空,并對(duì)其實(shí)施控制[9],“磁鷹”無(wú)人機(jī)使用降落傘下降至作業(yè)高度后(見(jiàn)圖7),一旦探測(cè)到水下磁性目標(biāo)即將目標(biāo)位置上報(bào)至反潛機(jī),顯著縮短“從傳感器到射手”的時(shí)間。

圖7 “磁鷹”無(wú)人機(jī)使用降落傘降低高度

2.2 多架磁探無(wú)人機(jī)編組,高度集成協(xié)同探測(cè)

無(wú)人系統(tǒng)具有成本低廉、機(jī)動(dòng)靈活、模塊化配置及便于組網(wǎng)等突出優(yōu)點(diǎn),特別適合執(zhí)行大范圍的網(wǎng)絡(luò)化持久監(jiān)視任務(wù)。目前,國(guó)外先進(jìn)MAD的探測(cè)距離雖已達(dá)千米量級(jí),但單個(gè)MAD探測(cè)能力仍然有限,多個(gè)微型無(wú)人機(jī)集群載MAD協(xié)同工作不但可提升探潛效率,而且測(cè)量數(shù)據(jù)差分有助于探測(cè)精度和定位精度的提升。資料顯示,美軍已對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群集成及作戰(zhàn)應(yīng)用開(kāi)展系統(tǒng)研究,曾設(shè)計(jì)過(guò)利用數(shù)十個(gè)磁探無(wú)人機(jī)執(zhí)行自上而下探潛的技術(shù)方案[10],英國(guó)宇航系統(tǒng)公司、美國(guó)海軍研究院、加拿大BAS公司都在開(kāi)展磁探無(wú)人機(jī)蜂群及識(shí)別算法的研制攻關(guān)[11]。隨著緊湊性、小型化、低功耗MAD陸續(xù)面世(表1中MAD-XR在質(zhì)量、尺寸及功耗等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),適用于無(wú)人機(jī)、直升機(jī)和小型固定翼飛機(jī)等多種平臺(tái)),將有力推進(jìn)無(wú)人機(jī)在水下戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

表1 MAD-XR與AN/ASQ-508典型參數(shù)比較

3 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了國(guó)外航空磁探潛裝備應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢(shì)。潛艇磁異常量值較小,航空磁探潛裝備探測(cè)性能受MAD靈敏度、平臺(tái)磁噪聲及弱信號(hào)檢測(cè)水平等共同制約。當(dāng)前,隨著高靈敏磁異常傳感器、集成電路技術(shù)及磁信號(hào)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展,探測(cè)距離遠(yuǎn)、小型功耗低、平臺(tái)適配性強(qiáng)的高質(zhì)量MAD在航空探潛系統(tǒng)市場(chǎng)中成長(zhǎng)較為迅猛,磁探潛也越來(lái)越受到各海軍強(qiáng)國(guó)的重視。在立體反潛和協(xié)同反潛等先進(jìn)作戰(zhàn)思想牽引下,有人和無(wú)人機(jī)載MAD必將發(fā)揮自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步面向未來(lái)作戰(zhàn)環(huán)境創(chuàng)新應(yīng)用模式。

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18. 胡橋,劉鈺,趙振軼,等. 水下無(wú)人集群仿生人工側(cè)線探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展. 2019,27(2).

19. 張萌,譚思煒,張林森. 美海軍三型魚雷最新研發(fā)進(jìn)展及技術(shù)途徑. 2019,27(1).

20. 魏博文,呂文紅,范曉靜,等. AUV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望. 2019,27 (1).

Application Analysis and Development Trend of Foreign Airborne Magnetic Anomaly Detection Equipment

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(Navy Submarine Academy,Qingdao 266199,China)

Currently,as the main non-acoustic submarine detection equipment,using an airborne magnetic anomaly detector (MAD) is one of the most reliable methods to detect,locate,identify,and track underwater submarines. The action distance of an airborne MAD has been greatly improved due to the rapid development of magnetic probe components,the magnetic compensation level,and magnetic target recognition technology; therefore,this equipment has been applied in local search and on-call anti-submarine operations. In this study,the technical performance and design characteristics of foreign advanced airborne magnetic anomaly detection equipment are analyzed regarding its application in supporting anti-submarine operations. Furthermore,the development trend of this technology is discussed,which indicates that the cooperation of the MAD performed by unmanned aerial vehicles (UAVs),manned aerial vehicles,and the MAD cluster will be the development focus.

airborne magnetic anomaly detector; non-acoustic detection; anti-submarine operation; application ability; development trend

TJ67; P716.82

R

2096-3920(2021)04-0369-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.001

陶榮華,王丹,遲鋮. 國(guó)外航空磁探潛裝備應(yīng)用分析及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2021,29(4): 369-373.

2020-09-01;

2021-03-18.

陶榮華(1971-),男,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榉锹曁綔y(cè)技術(shù)及應(yīng)用.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)