反UUV 探測聲吶系統(tǒng)發(fā)展綜述

蘭同宇,劉本奇,劉 亮

(上海船舶電子設(shè)備研究所,上海,201108)

0 引言

隨著無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)、蛙人作戰(zhàn)裝備等水下裝備的快速發(fā)展和世界恐怖主義威脅的日趨嚴(yán)重,對沿海軍事設(shè)施和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的水下威脅問題已經(jīng)得到了越來越廣泛的關(guān)注。UUV 能夠快速、隱蔽地抵近港口、船只等設(shè)施,執(zhí)行情報(bào)偵察、水下監(jiān)視和反潛作戰(zhàn)等多種任務(wù)[1],其可以在水下停留較長時間,可在深海操作,它的出現(xiàn)徹底改變了水下作業(yè)模式;相比蛙人作戰(zhàn)裝備,UUV 不用顧及潛水員的安全,維護(hù)成本也要小得多?？梢灶A(yù)見,UUV 將承擔(dān)更多的特種作戰(zhàn)任務(wù),也將給水下安保防御工作帶來極大的困難。

美國海軍很早就意識到反UUV 問題的重要性。2015 年,美國核武器安全戰(zhàn)略系統(tǒng)提出《港口環(huán)境下無人水下航行器的探測與分類》需求,提出反UUV 探測聲吶探測距離應(yīng)大于1 000 m,最多可以容忍一天一次的虛警[2-3]。我國也意識到對小型UUV 等新型水下威脅的探測是港口和船只等防御的重中之重[4]。文中從UUV 的特征、典型反UUV 探測聲吶系統(tǒng)、UUV 探測的關(guān)鍵技術(shù)、主要問題和發(fā)展方向等幾個方面簡要分析了反UUV探測聲吶系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

1 UUV 主要特征

1.1 水下聲輻射特征

UUV 水下航行時,其輻射噪聲分為機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。UUV 的輻射噪聲與UUV 種類、速度和水深等因素有關(guān)。UUV 低速行駛時,主要輻射噪聲是機(jī)械噪聲,集中在低頻段;高速行駛時,主要輻射噪聲是螺旋槳噪聲,集中在中高頻段[5]。試驗(yàn)得到,行駛中的UUV 輻射噪聲頻率范圍一般集中在0.5～4 kHz[5-6]。UUV 輻射噪聲具有指向性,其首部和尾部輻射噪聲級更大,中部相對較小。

以小型UUV Remus 100(見圖1)為例,其長度為1.6 m,半球型機(jī)頭直徑為19 cm。試驗(yàn)中測得航行速度為5 kn 的 Remus 100 聲源級約為133 dB,最強(qiáng)輻射噪聲頻率約為1 065 Hz;聲源譜級指向性如圖2 所示,聲源譜級為104.8±8.4 dB[7]。

圖1 無人水下航行器Remus 100Fig.1 UUV Remus 100

圖2 檀香山試驗(yàn)Remus100 輻射聲譜級指向性圖Fig.2 Directivity diagram of radiation sound spectrum level of Remus100 in Honolulu Harbor test

蛙人、軍艦、潛艇的聲源級對比分析見表1[8-10]。可以看出,小型UUV 的輻射噪聲功率低于開式蛙人、戰(zhàn)艦和噪聲潛艇,與半閉式蛙人、安靜型潛艇大致相當(dāng),大于全閉式蛙人。因此被動探測蛙人和安靜型潛艇的辦法可以應(yīng)用到UUV 探測中,但同時也面臨被動探潛、被動探蛙人的問題與困難。

表1 水下武器聲源級對比Table 1 Comparison of the sound source levels of underwater weapons

1.2 水下目標(biāo)強(qiáng)度特征

目標(biāo)強(qiáng)度是反映目標(biāo)聲反射能力大小的物理量,目標(biāo)強(qiáng)度與目標(biāo)體積、信號入射方位、入射信號頻率等因素有關(guān)。UUV 的幾何形狀基本上是帶有半球體頭部的圓柱體,尾部有推進(jìn)器,其正橫方向或頭部會有較強(qiáng)的目標(biāo)強(qiáng)度值,尾部的目標(biāo)強(qiáng)度一般較小。下面給出剛性圓柱體和剛性球體的目標(biāo)強(qiáng)度理論值[11]。

剛性圓柱體的目標(biāo)強(qiáng)度為

式中:a為球(柱)半徑;L為柱長;β=klsinθ,θ為入射方向與法線方向夾角。其正橫方向的目標(biāo)強(qiáng)度為

剛性球體的目標(biāo)強(qiáng)度為

理論分析可得,UUV 身部正橫方向的目標(biāo)強(qiáng)度大于UUV 首部和尾部。UUV 的身部為柱型體,一般柱長越長、柱半徑越大,入射方向越接近正橫方向,目標(biāo)強(qiáng)度就越大。此外,圓柱體的目標(biāo)強(qiáng)度還會隨入射信號頻率起伏變化[12]。對于UUV 的端部,形狀多為半球型,其目標(biāo)強(qiáng)度理論上只與球半徑有關(guān)。

以Remus 100 為例,該型UUV 長度為1.60 m,半球型機(jī)頭直徑為19 cm,理論計(jì)算得到其端部半球型機(jī)頭的目標(biāo)強(qiáng)度為-26 dB,柱型身部正橫方向50 kHz 入射信號條件下的目標(biāo)強(qiáng)度為6 dB。UUV 端部的目標(biāo)強(qiáng)度較小,與閉式蛙人的目標(biāo)強(qiáng)度大致相同,身部正橫方向的目標(biāo)強(qiáng)度較大[13]。UUV 的形狀與水雷、魚雷類似,在主動探測上可以借鑒相關(guān)方法。

1.3 UUV 探測方式

UUV 探測分為被動和主動聲吶探測。被動聲吶通過接收UUV 的輻射噪聲進(jìn)行探測,其能耗低、隱蔽性強(qiáng),可用于長時間水下監(jiān)測,但小型UUV 輻射噪聲級較低,港口環(huán)境復(fù)雜,因此目前被動聲吶探測距離較短。主動聲吶通過接收UUV目標(biāo)的聲反射信號進(jìn)行探測,小型UUV 尺寸較小,目標(biāo)強(qiáng)度較低,目前高頻主動聲吶是各國探測小型UUV 的主要裝備,探測距離可達(dá)1 km 以上。

此外,UUV 的航行速度可達(dá)4～10 kn,其運(yùn)動軌跡由計(jì)算機(jī)導(dǎo)航,一般按照規(guī)劃路徑運(yùn)動,軌跡更為平滑。與蛙人等水下小目標(biāo)相比,UUV 的航行速度更快,運(yùn)動軌跡更規(guī)律,這些特征給UUV的探測和識別提供了一些新的思路。

2 國外反UUV 探測聲吶系統(tǒng)發(fā)展概況

現(xiàn)階段各國對UUV 的探測主要依靠蛙人探測聲吶系統(tǒng)(diver detection sonar,DDS)和海岸監(jiān)測聲吶[14-15]。下面介紹國外幾種典型的UUV 聲吶探測系統(tǒng)。

2.1 AN/WQX-2 聲吶

美國目前正在開展利用AN/WQX-2 蛙人探測聲吶進(jìn)行UUV 的探測工作,如圖3 所示[16]。AN/WQX-2 蛙人探測聲吶由加拿大 Kongsberg Mesotech 公司、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校共同研發(fā)生產(chǎn),1996 年開始裝備,并不斷進(jìn)行技術(shù)升級。如今,AN/WQX-2 安裝了新一代聲吶頭DDS 9000/9001 與Defender II 自動探測跟蹤軟件[4],系統(tǒng)裝置如圖4 所示。DDS 9000 港口防御聲吶由Kongsberg Mesotech 公司于2007 年推出,工作頻率為90 kHz,水平探測范圍角度為200°,質(zhì)量小于90 kg,2010 年引進(jìn)寬帶信號處理技術(shù)。系統(tǒng)可單獨(dú)使用也可組網(wǎng)使用,具有廣闊的聲吶覆蓋范圍,可以探測蛙人、UUV、蛙人運(yùn)載工具(swimmer delivery vehicle,SDV)、蛙人推進(jìn)器(dive propulsion vehicle,DPV)和潛艇等目標(biāo),最大探測距離為1 000 m,具體取決于水的溫度和鹽度。DDS 9001 提供360°全覆蓋,增加了移動中的運(yùn)動補(bǔ)償,采用多種發(fā)射脈沖類型,具有更大的脈寬和帶寬,提高了發(fā)射聲源級和接收采樣率,同時質(zhì)量更輕。Defender II 軟件可有效探測目標(biāo),然后將其位置轉(zhuǎn)換為GPS 方位,上傳至數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng);內(nèi)置目標(biāo)識別系統(tǒng),能夠?qū)UV、蛙人的回波同海洋哺乳動物、碎片和氣泡的回波區(qū)分開。DefenderII 處理系統(tǒng)具有很低的虛警率,其在檢測過程中采用了2 種不同的軟件程序。聲吶處理軟件控制聲吶頭并處理返回的數(shù)據(jù),自動檢測和跟蹤軟件利用這些數(shù)據(jù)來檢測、跟蹤和分類潛在的威脅。軟件內(nèi)置的算法融合了人工智能的元素,只選擇那些具有威脅特征的目標(biāo)。目標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)可以輸入到DefenderX 軟件中,該軟件具有融合多達(dá)10 個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的能力,能夠模擬、回放威脅目標(biāo)軌跡,以供訓(xùn)練使用。除了目標(biāo)的自動檢測和跟蹤,軟件能夠以標(biāo)準(zhǔn)軍事格式顯示輸出,以便快速操作。一旦探測到目標(biāo),操作人員會收到警報(bào)以及關(guān)于目標(biāo)的附加信息。

圖3 AN/WQX-2 聲吶自動跟蹤和分類UUVFig.3 Automated tracking and classification of UUVs utilizing AN/WQX-2

圖4 DDS 9000 與Defender II 自動探測跟蹤軟件示意圖Fig.4 Schematic diagram of DDS 9000 and Defender II automated detection and tracking software

Kongsberg Mesotech 公司于2010 年推出了Defender III 軟件系統(tǒng)。Defender III 軟件基于LINUX 操作系統(tǒng),該系統(tǒng)提供了一個安全、低維護(hù)、可靠、可預(yù)測和可復(fù)制的環(huán)境。Defender III還具備了更高水平的操作員支持和分析能力。分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)狀態(tài)分析和聲吶性能分析。數(shù)據(jù)分析可以更詳細(xì)地檢查個別跟蹤數(shù)據(jù),以幫助確認(rèn)或消除潛在的威脅目標(biāo);系統(tǒng)狀態(tài)分析可報(bào)告系統(tǒng)不同部分的總體情況和細(xì)節(jié);聲吶性能分析通過對當(dāng)前不同環(huán)境條件下的聲吶性能進(jìn)行建模,使操作人員能夠根據(jù)環(huán)境變化最大限度地提高聲吶探測能力。

2.2 “海盾”系統(tǒng)

以色列DSIT 公司研發(fā)的“海盾”(SeaShield)靜態(tài)主動聲吶系統(tǒng)是世界上最先進(jìn)的遠(yuǎn)程海底海岸監(jiān)視系統(tǒng)之一,該聲吶系統(tǒng)如圖5 所示[17]。系統(tǒng)安裝在關(guān)鍵海岸線、海上邊界和港口入口處,具有水下遠(yuǎn)程、實(shí)時海岸監(jiān)視能力,可提供對水下領(lǐng)域的全面態(tài)勢感知。

圖5 SeaShield 遠(yuǎn)程沿海監(jiān)視聲吶系統(tǒng)Fig.5 SeaShield long range underwater coastal surveillance system

SeaShield 由1 個主動發(fā)射陣列、2 個長接收陣列和1 個安裝在海床上的電子單元組成。幾個SeaShield 水下裝置可以串聯(lián)放置,形成大型反潛靜態(tài)主動聲吶海岸監(jiān)視系統(tǒng)。SeaShield 的功能包括水下威脅目標(biāo)的自動檢測、跟蹤和分類,可區(qū)分潛艇、UUV 和其他水下威脅,并在檢測到水下入侵者時立即發(fā)出警報(bào)。SeaShield 是一個全天工作的固定系統(tǒng),可在任何天氣和海況下可靠運(yùn)行。系統(tǒng)由陸地站控制,通過參與保護(hù)海道、海岸線和港口的反潛戰(zhàn)任務(wù),最大限度地提高海軍的海岸防御能力。

2.3 DSIT DDS 系統(tǒng)

DSIT 公司研發(fā)了3 型知名的DDS,分別為“水盾”(AquaShield)DDS、“尖盾”(PointShield)便攜式DDS 和“騎士盾”(knightShield)DDS。2018 年5 月,“Stiletto 海洋演示項(xiàng)目”邀請DSIT Solutions公司在美國某海軍基地演示其水下防御系統(tǒng),主要演示反UUV 能力。演示過程中,DSIT 公司在美國海軍基地附近碼頭部署了AquaShield DDS和PointShield DDS。演示期間,使用多種類型的UUV 從不同角度和深度靠近DDS,在為期4 天的演示中,DDS 系統(tǒng)成功對水下環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測,并在UUV 進(jìn)入防護(hù)區(qū)時進(jìn)行了有效預(yù)警[18]。

2.3.1 AquaShield DDS

AquaShield 是一種高性能DDS 系統(tǒng),為海軍基地、港口等高價值岸基設(shè)備和關(guān)鍵近海設(shè)施提供持久的水下保護(hù),水下單元如圖6 所示。

AquaShield 系統(tǒng)于2006 年面世,適合寬廣水域的水下目標(biāo)長距離探測,可識別閉式、開式呼吸蛙人和UUV。其聲吶采用模塊化設(shè)計(jì),可單獨(dú)或組合使用。聲吶采用主動工作方式,工作頻率為60 kHz,脈寬為1～40 ms,在水平方向上提供120°,240°和360°覆蓋范圍,測向精度小于 0.1°。每套聲吶的發(fā)射基陣由4 個90°扇面的垂直線列陣組成(長0.4 m),接收基陣由4 個水平線列陣十字形交叉組成(長1.25 m,每2 組陣列背向布置)。Aquashield 的探測距離至少為700 m,以提供15 min 的反應(yīng)時間用來阻止蛙人入侵或提供5 min 的反應(yīng)時間來阻止UUV 入侵。AquaShield使用相對較低的工作頻率和相對較大尺寸的陣列,并且運(yùn)用了先進(jìn)的信號處理算法用于自動探測、跟蹤和分類,信號處理模塊包括性能優(yōu)化、相干能量檢測、方位插補(bǔ)、恒虛警處理、二維歸一化、自動檢測、自動跟蹤分類、降虛警、自動警報(bào)、自動消除喚醒和靜態(tài)目標(biāo)抑制等。先進(jìn)的信號處理算法確保了高檢測概率和低虛警率,其在劇烈的噪聲和混響背景下具有一周一次的虛警率。2014 年6 月,為應(yīng)對SDV、DPV 和UUV 相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,DSIT 推出了AquaShield 的擴(kuò)展系統(tǒng)AquaShield ER (AquaShield extended range)。AquaShield ER 提供了前所未有的探測距離,對蛙人運(yùn)載器的探測距離達(dá)3 500 m,開式蛙人的探測距離達(dá)1 800 m,閉式蛙人的探測距離達(dá)1 200 m。

2.3.2 PointShield DDS

為滿足特定地理位置的保護(hù)需求,DSIT 公司于2007 年推出了PointShield DDS,其水下單元如圖7 所示。該聲吶小巧易攜,可隨船攜帶、快速安裝部署,也可固定安裝于海底和港口,適合狹窄水域進(jìn)行水下目標(biāo)中短距離高精度探測。該聲吶實(shí)現(xiàn)了探測到跟蹤識別的全自動化,采用模塊化設(shè)計(jì),可單機(jī)運(yùn)行或組合使用。該聲吶采用主動工作方式,工作頻率70 kHz,帶寬20 kHz,測向精度小于 0.4°,對蛙人的探測距離大于500 m,也可用來探測UUV。

圖7 “尖盾”便攜式 DDSFig.7 PointShield Portable DDS

2.3.3 KnightShield DDS

2022 年6 月,DSIT 公司在鹿特丹舉行的2022年歐洲防務(wù)展上推出了KnightShield 機(jī)動特遣部隊(duì)水下安全系統(tǒng)。KnightShield 可保護(hù)停泊在港口的船只以及港口的指定區(qū)域,其水下工作示意圖如圖8 所示。該聲吶基于PointShield DDS 中的復(fù)雜技術(shù),覆蓋范圍較大,可提供卓越的可靠性和精度。該系統(tǒng)為水下入侵提供全自動檢測、跟蹤、分類和警報(bào),可檢測蛙人、AUV、SDV、DPV 和UUV。在各種天氣和海況下可同時處理多達(dá)500 個目標(biāo)。該系統(tǒng)提供威脅目標(biāo)的精確定位,即使是微弱的目標(biāo)也能做出精確響應(yīng),虛警率極低。Knight-Shield 可裝在一個國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中,并可以快速部署和回收移動,與各種傳感器以及指揮與控制安全系統(tǒng)集成,適于遠(yuǎn)征部隊(duì)部署以及威脅級別升級期間使用。

圖8 “騎士盾”DDS 工作示意圖Fig.8 KnightShield DDS working diagram

3 難點(diǎn)和問題

目前,國外在UUV 探測方面已經(jīng)取得了較大的成果,我國也十分重視水下防御相關(guān)技術(shù)的研究,并取得了很大進(jìn)展,但還存在一些亟待解決的難點(diǎn)和問題。

1)探測距離問題

近些年UUV 相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展,需要更遠(yuǎn)的探測距離才能滿足響應(yīng)時間要求。目前聲吶系統(tǒng)的探測距離主要受限于發(fā)射信號頻率、海洋環(huán)境、信號處理技術(shù)和硬件條件等,遠(yuǎn)未達(dá)到要求。

2)弱目標(biāo)探測問題

對于被動聲吶,UUV 的輻射噪聲功率較低,且海洋環(huán)境復(fù)雜,水下目標(biāo)種類數(shù)量多,目標(biāo)UUV的輻射信號容易淹沒在周邊艦船、潛艇、其他水下航行器以及環(huán)境噪聲等眾多干擾信號中,難以有效探測;對于主動聲吶,獲得高質(zhì)量的目標(biāo)回波是主動聲吶有效探測的基礎(chǔ),但小型UUV 等水下小目標(biāo)的體積較小,目標(biāo)強(qiáng)度很弱,且水下目標(biāo)數(shù)量多,同時大多數(shù)港口附近海域水質(zhì)較為混濁,混響較強(qiáng),回波信混比極低,目標(biāo)很容易淹沒在混響中,造成漏報(bào)和虛警,如何有效抑制混響是主動聲吶弱目標(biāo)探測的關(guān)鍵問題之一。

3)虛警率問題

目前DDS 聲吶的虛警率較高,給相關(guān)人員帶來了巨大壓力。除了海洋背景干擾等因素,不能有效識別目標(biāo)是高虛警的主要原因。聲吶系統(tǒng)應(yīng)具備有效區(qū)分UUV、蛙人和海洋生物,判斷威脅目標(biāo)意圖的能力,從而降低虛警率,提高工作效率。

4)環(huán)境適應(yīng)性問題

海洋環(huán)境復(fù)雜多變,大部分聲吶在惡劣環(huán)境下的使用效果欠佳,因此需要加強(qiáng)聲吶系統(tǒng)對環(huán)境變化的自適應(yīng)能力。

為有效解決上述問題,需要對聲吶系統(tǒng)、先進(jìn)信號處理技術(shù)等方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改善。

4 關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向

4.1 多聲吶聯(lián)合系統(tǒng)

多聲吶系統(tǒng)聯(lián)合工作能夠有效增強(qiáng)目標(biāo)探測的指向性,提升檢測準(zhǔn)確性,提高探測距離,擴(kuò)大覆蓋范圍。多聲吶聯(lián)合系統(tǒng)的思想為多輸入和多輸出的聲吶系統(tǒng),因此在廣義上都可歸為多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)聲吶。MIMO 聲吶根據(jù)布陣可分為密集式和分布式。密集式MIMO 聲吶通過發(fā)射正交波形和匹配濾波處理獲得波形分集增益,可以增加接收段自由度、擴(kuò)大單次探測覆蓋范圍。分布式MIMO 聲吶是為了解決傳統(tǒng)聲吶易暴露且有探測盲區(qū)的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。水下探測時,分布式MIMO 聲吶可以獲得目標(biāo)在不同方向和距離上的散射信號,從而提高探測性能。分布式MIMO 聲吶與多基地聲吶思想基本相同,區(qū)別在于多基地聲吶各工作站是相互獨(dú)立的,并將處理結(jié)果送往中心工作站;MIMO 聲吶則是采用聯(lián)合發(fā)射和聯(lián)合接收處理的工作方式[19]。文中將MIMO 聲吶、多基地聲吶等多發(fā)多收思想的聲吶系統(tǒng)統(tǒng)稱為多聲吶聯(lián)合系統(tǒng)。學(xué)者們已經(jīng)對多聲吶聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行了研究和試驗(yàn),并取得一定效果。

美國海軍研究證實(shí),最適合DDS 的頻率在85～100 kHz 之間[20]。多波束聲吶通過一個“ping”信號同時發(fā)射多個波束,多波束聲吶的工作頻率更低,能量更高,覆蓋范圍更廣,探測效率更高。但多波束聲吶的分辨率低,對干擾背景下的威脅目標(biāo)探測能力差。Kongsberg Mesotech 公司提出應(yīng)用單波束聲吶補(bǔ)充多波束聲吶,對有限的區(qū)域提供高分辨覆蓋[21]。單波束的工作原理很像雷達(dá)掃描,用一個狹窄的、高強(qiáng)度的波束來提供高分辨率的圖像。例如使用頻率為675 kHz 的Kongsberg MS1000 聯(lián)合DDS 9000 可以獲得更好的探測和跟蹤功能,實(shí)現(xiàn)了探測范圍和分辨率之間的權(quán)衡。

2015 年,Meecham 在美國東北部進(jìn)行測試,試驗(yàn)部署2 套Sonardyne Sentinel 聲吶和1 套BioSonics分裂波束聲吶(Split Beam Sonar,SBS),并進(jìn)行校準(zhǔn)[22]。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)包括開式和閉式蛙人以及小型UUV,經(jīng)過多聲吶的智能部署和數(shù)據(jù)智能融合,可準(zhǔn)確檢測和跟蹤目標(biāo),有效降低虛警。2018 年,Starmark 公司開發(fā)了低成本的硬件技術(shù)和多發(fā)射系統(tǒng)概念,將聲吶的探測范圍擴(kuò)大至遠(yuǎn)超1 km,滿足先進(jìn)UUV 目標(biāo)帶來的響應(yīng)時間要求[23]。擴(kuò)大現(xiàn)有聲吶探測范圍的方法是Starmark 公司演示的高功率、低壓沖擊發(fā)射機(jī)技術(shù)。該公司在現(xiàn)有聲吶系統(tǒng)的工作距離邊緣,部署一組分散的、成本低的沖擊發(fā)射器,創(chuàng)建了一種具有成本效益的多靜態(tài)系統(tǒng)。

UUV 的目標(biāo)強(qiáng)度在不同入射方位差別很大,使用多聲吶聯(lián)合工作理論上可以獲得信噪比(信混比)更高的目標(biāo)回波,因此多聲吶聯(lián)合系統(tǒng)是反UUV 探測聲吶系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向,但多聲吶聯(lián)合目前存在的多聲吶數(shù)據(jù)融合問題、多聲吶間相互影響和干擾等問題仍然需要科研人員研究和解決。

4.2 被動及主被動聯(lián)合聲吶系統(tǒng)

對于水下小目標(biāo)監(jiān)測,主動聲吶探測方法受到能源供給、主動發(fā)射泄漏的限制,不能滿足長時間連續(xù)監(jiān)測的需求;同時,主動聲吶可能探測到與蛙人、UUV 目標(biāo)強(qiáng)度相似的物體,造成虛警;主動聲吶還會暴露自己的位置信息,在作戰(zhàn)中十分不利。相比主動聲吶,被動聲吶具有能耗低、低虛警、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)。美國Stevens 理工學(xué)院研發(fā)了SPADES 被動聲學(xué)水下監(jiān)視系統(tǒng),并在哈德遜河和紐約港進(jìn)行了測試,試驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有700 m 內(nèi)的潛水員探測能力[24]。2010 年,Stevens 理工學(xué)院與荷蘭TNO 公司使用分別研發(fā)的SPADES 和Delphinus System 聲吶系統(tǒng)在Den Helder 港進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn),試驗(yàn)將距離為440 m 的潛水員信號顯示在頻譜圖上,并確定了距離為340 m 的潛水員的方位[25-26]。為滿足更高的探測需求,英國Sonardyne公司和Stevens 學(xué)院建立了合作伙伴關(guān)系,以研究一種主被動聲吶聯(lián)合系統(tǒng),Sonardyne 發(fā)射的聲脈沖的目標(biāo)回波可以被SPADES 接收和處理,主被動聲吶的融合檢測和軌跡融合可有效提高探測距離,降低虛警率。對于UUV 目標(biāo),其輻射噪聲略大于蛙人,因此應(yīng)用被動聲吶進(jìn)行探測是可行的?？梢灶A(yù)見,隨著對UUV 等水下小目標(biāo)探測需求的提高,被動聲吶系統(tǒng)和主被動聯(lián)合聲吶系統(tǒng)也是反UUV 探測聲吶系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

4.3 主動聲吶系統(tǒng)發(fā)射信號波形設(shè)計(jì)

目前,UUV 探測工作主要依托于現(xiàn)有的DDS,DDS 最常用的發(fā)射信號為線性調(diào)頻(linear frequency modulation,LFM)信號,LFM 信號擁有良好的距離分辨率和較好的抗混響性能。但LFM 信號速度分辨力低,實(shí)際處理中,接收回波經(jīng)常出現(xiàn)與目標(biāo)無關(guān)的混響干擾,回波信混比很低,易造成虛警和漏報(bào)?？紤]UUV 的速度高于蛙人目標(biāo),學(xué)者們嘗試?yán)肬UV 的速度信息進(jìn)行探測,提出了使用多普勒敏感信號來區(qū)分目標(biāo)回波和混響,如利用m 序列編碼的二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)、正弦調(diào)頻(sinusoidal frequency modulation,SFM)等信號的多普勒敏感特性,通過多普勒處理可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與混響的分離,并利用多普勒圖有效對目標(biāo)和混響進(jìn)行跟蹤[27-28]。在多普勒敏感信號的基礎(chǔ)上,又提出了以LFM 為基礎(chǔ),周期性地切斷部分脈沖的信號[29]的cutFM 信號。該信號的頻譜呈梳狀,具有多普勒選擇性,可在UUV、蛙人速度范圍內(nèi)有效抑制至少20 dB 的靜態(tài)混響。近些年,更多組合波形得到了廣泛的研究,如正負(fù)調(diào)頻信號、LFM 連續(xù)波(LFM continuous wave,LFMCW)組合信號、幾何梳狀譜信號(geometric comb waveform,GC)等[30-31]。組合信號能夠?qū)⒉煌盘柕膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,更加準(zhǔn)確和廣泛地獲得目標(biāo)信息,有效提高探測性能。此外,正交發(fā)射波形、自適應(yīng)發(fā)射波形常常應(yīng)用到MIMO 聲吶系統(tǒng)中,可以獲得比單聲吶更好的探測、識別和抗干擾性能。

4.4 目標(biāo)自動檢測技術(shù)

信號檢測算法從本質(zhì)上一般可分為雜波濾波和目標(biāo)回波信號累積2 種,或2 種手段同時應(yīng)用[32]?，F(xiàn)有的DDS 及被動探測系統(tǒng)的信號處理方法主要有波束形成、聲吶多歷程累積、空時背景歸一化、基于特征提取的目標(biāo)探測算法,以及自適應(yīng)信號處理等[33-37]。高頻波束形成是目標(biāo)有效檢測的基礎(chǔ),波束形成技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展,已經(jīng)擁有很多成熟的算法,可初步實(shí)現(xiàn)波達(dá)方向(direction of arrival,DOA)估計(jì)、提高回波信噪比等功能。子空間DOA估計(jì)和稀疏類DOA 估計(jì)的相繼出現(xiàn)使DOA 估計(jì)實(shí)現(xiàn)了高分辨以及低信噪比下的良好性能[38]。其他目標(biāo)檢測算法一般建立在波束形成的基礎(chǔ)上,通過對波束域數(shù)據(jù)的分析處理進(jìn)而獲得更好的目標(biāo)檢測效果。在實(shí)際應(yīng)用中,海洋環(huán)境復(fù)雜多變,一些算法不能有效匹配海洋信道,往往很難獲得穩(wěn)定的效果,因此在提高信號檢測算法穩(wěn)定性的同時,還需要發(fā)展與水聲物理場相匹配的信號處理技術(shù),如匹配場技術(shù)、信道特征處理技術(shù)等[39]。此外,隨著深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展,水聲目標(biāo)探測技術(shù)也應(yīng)借鑒相關(guān)技術(shù)向智能化轉(zhuǎn)化。

4.5 目標(biāo)自動跟蹤技術(shù)

運(yùn)動目標(biāo)跟蹤的主要任務(wù)是選擇合適的目標(biāo)特征并使用搜索算法、特征匹配算法將目標(biāo)與周圍背景進(jìn)行區(qū)分[40-41]?，F(xiàn)階段目標(biāo)跟蹤最為直觀的思想就是在下一幀圖像中找到與目標(biāo)圖像相似度最大的目標(biāo)位置,常用的方法有基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的目標(biāo)跟蹤算法和基于隨機(jī)有限集(random finite set,RFS)的目標(biāo)跟蹤算法[42-43]。進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)時,常使用卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)軌跡預(yù)測,以提高數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性和效率。在多目標(biāo)跟蹤時,數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法的本質(zhì)是將多目標(biāo)跟蹤轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)跟蹤,跟蹤效果好但運(yùn)算量大、實(shí)時性差?；赗FS 的目標(biāo)跟蹤算法解決了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)跟蹤算法實(shí)時性不足的問題。該算法將多目標(biāo)的狀態(tài)和觀測值用集合的形式表示出來,通過貝葉斯濾波估計(jì)多目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài),避免了數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的繁瑣計(jì)算[44-45]。常見的RFS 目標(biāo)跟蹤算法有概率假設(shè)密度(probability hypothesis density,PHD)算法、多伯努利(multi-Bernoulli,MB)濾波算法等。跟蹤準(zhǔn)確性和實(shí)時性是多目標(biāo)跟蹤的重點(diǎn),如何結(jié)合多種算法的優(yōu)勢,提高跟蹤性能仍然是目前亟待解決的問題。

4.6 目標(biāo)識別技術(shù)

目標(biāo)識別技術(shù)是指在得到聲吶圖像之后,通過目標(biāo)特征提取,然后將其與數(shù)據(jù)庫中的特征數(shù)據(jù)對比,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類識別。無論主被動聲吶,都可以通過對比潛艇、UUV、蛙人以及海洋生物運(yùn)動學(xué)特征(速度、跟蹤時間、軌跡等)的不同進(jìn)行分類識別,這也是目前水下小目標(biāo)識別最常用的方法[46]。如小型UUV 的運(yùn)動軌跡為計(jì)算機(jī)導(dǎo)航,與蛙人和海洋生物的運(yùn)動軌跡有明顯區(qū)別。對于主動聲吶系統(tǒng),可通過材料特征和幾何尺寸特征進(jìn)行目標(biāo)的分類識別,材料特征和尺寸特征都可通過對目標(biāo)回波的分析得到。對于被動聲吶系統(tǒng),主要通過機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲的譜參數(shù)特征(Burg 譜、Lofar 譜、倒譜、Demon 譜等)進(jìn)行目標(biāo)分類識別。實(shí)際應(yīng)用中,現(xiàn)有方法的目標(biāo)識別效果并不十分理想,主要存在目標(biāo)特征提取精度欠佳、水下目標(biāo)特征交叉難以分類、有效數(shù)據(jù)稀少等問題。因此,優(yōu)化目標(biāo)檢測、跟蹤算法以獲得更準(zhǔn)確的目標(biāo)特征信息是目標(biāo)有效識別的基礎(chǔ)和關(guān)鍵;同時建設(shè)水聲數(shù)據(jù)庫,提升水聲目標(biāo)數(shù)據(jù)信息支持能力也是目前亟待解決的問題[47]。此外,可嘗試融合不同類型的水下特征進(jìn)行目標(biāo)分類,并將深度學(xué)習(xí)思想引入到水下目標(biāo)分類識別算法中,提高目前算法分類能力和對復(fù)雜水下環(huán)境的適應(yīng)能力。

5 結(jié)束語

UUV 作為一種新型的海上力量,可完成水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、目標(biāo)偵察監(jiān)視、關(guān)鍵設(shè)施破壞等特種作戰(zhàn)任務(wù),給安保防御工作帶來了巨大的威脅和挑戰(zhàn)。文中綜述了國外利用現(xiàn)有聲吶系統(tǒng)進(jìn)行UUV 探測的研究現(xiàn)狀以及反UUV 探測聲吶的關(guān)鍵技術(shù)、主要問題和發(fā)展方向。

國外相關(guān)機(jī)構(gòu)已針對反UUV 探測聲吶系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn),并獲得了較多成果,國內(nèi)針對反UUV 探測聲吶系統(tǒng)的研究起步較晚,雖取得了一些進(jìn)展但仍然存在許多亟待解決的問題。我們應(yīng)該借鑒歐美先進(jìn)國家的研究經(jīng)驗(yàn),積極開展反UUV 探測聲吶相關(guān)研究工作,突破關(guān)鍵技術(shù)、解決相關(guān)問題,開發(fā)出適用于我國海洋環(huán)境的高性能反UUV 探測聲吶系統(tǒng)。