程 玲，閻振華

(中國艦船研究院，北京 100192)

小型航行體遠程探測技術(shù)的分析與探討

程 玲，閻振華

(中國艦船研究院，北京 100192)

由于小型航行體在淺海水域作戰(zhàn)具有獨特優(yōu)勢，對小型航行體的遠程探測能力研究越來越受到各國海軍的重視。本文主要對小型航行體的遠程探測特點進行了分析，對提高遠程探測能力的主要技術(shù)途徑進行了探討，并對發(fā)展趨勢進行了展望。

海軍;小型航行體;遠程探測

0 引言

20世紀90年代以來，隨著各國海軍越來越重視艦艇編隊在近岸水域的作戰(zhàn)效能，艦艇編隊在近岸水域面臨的敵方威脅也越來越受到重視。艦艇編隊在近岸水域面臨的首要威脅當屬敵方的常規(guī)潛艇，對低噪聲潛艇的探測能力幾乎成為艦艇編隊能否取勝的決定因素。但由于近岸淺水水域水文條件復雜，各種水上運輸船只較多，背景噪聲嘈雜，反潛探測對目標信號的提取和識別時面臨著巨大困難和干擾。而大型反潛平臺與小型航行體相比存在著機動性差、目標明顯、易遭受敵方打擊及作戰(zhàn)人員風險增大等劣勢，使用以小型航行體為基礎(chǔ)的無人作戰(zhàn)平臺理念和裝備已成為各國海軍發(fā)展的趨勢。因此，提升小型航行體的自主作戰(zhàn)能力——擴展小型航行體的遠程探測效能，增大覆蓋范圍，有效掌控水下制控權(quán)，逐漸成為水下作戰(zhàn)的關(guān)鍵，也越來越受到各國海軍的重視。本文主要對魚雷和無人作戰(zhàn)平臺等小型航行體的遠程探測能力進行分析與探討。

1 小型航行體遠程探測特點分析

1.1 魚雷

魚雷自20世紀初應(yīng)用于實戰(zhàn)以來，便一直在反艦、反潛作戰(zhàn)中發(fā)揮著重要作用。由于具有航行速度快、航程遠、隱蔽性好、命中率高和破壞性大等特點，有著“水中導彈”的稱號。魚雷對目標的探測能力直接影響著戰(zhàn)斗任務(wù)能否完成，探測能力主要由魚雷的制導性能決定。在作戰(zhàn)任務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展的推動下，魚雷的制導方式也在不斷發(fā)展，經(jīng)歷了直航雷、聲自導雷、線導雷、尾流自導雷等發(fā)展階段。此前魚雷的探測和導引主要使用聲自導的方法，即利用聲基陣發(fā)射聲信號通過接收目標的回波或直接接收目標所輻射的噪聲信號來探測目標的方位，并將魚雷導向目標。魚雷的聲基陣通常安裝在魚雷的頭部，由于魚雷自身尺寸的原因，制約了基陣孔徑的擴展及工作頻率的降低，大多數(shù)魚雷的聲自導系統(tǒng)工作頻率在20～40 kHz之間，極大地限制了檢測目標低頻輻射信號的能力，且海水對這一頻段聲波吸收較大，以至探測距離也停留在3 km以內(nèi)的范圍;基陣由于受雷體振動的影響，到達基陣信號的信噪比相對較低，不利于遠程目標的探測。

現(xiàn)代艦艇殼體上采用了涂抹吸聲層或敷設(shè)橡膠類隔層及采用無螺旋槳的泵噴射推進器和磁流體推進裝置等新技術(shù)，大大降低了艦艇的聲反射特性和航行時的噪聲，使得艦艇不容易被探測。另外，由于淺海的噪聲環(huán)境非常復雜，聲自導所利用的水聲信號同海洋環(huán)境噪聲、魚雷自噪聲、人工干擾噪聲、混響等容易混在一起，給魚雷的信號提取和識別帶來了巨大困難，從而造成了遠距離目標探測能力的減弱，魚雷聲自導作用距離下降，大大縮小了魚雷的有效攻擊范圍。例如:蘇聯(lián)潛艇采用代號為“集束衛(wèi)士”的消聲涂層后，使美國MK46、MK48魚雷聲自導作用距離減少了1/3，嚴重影響了魚雷戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)揮。

針對聲自導魚雷發(fā)展遇到的困擾，世界先進國家采用了線導+主/被動聲自導技術(shù)，以提高魚雷的抗干擾和目標檢測能力。但是導引母體平臺的安全始終是線導方法的詬病。線導雷使用的導線是銅線，而線導魚雷的信號衰減量和導線的長度成正比，導致導線越長信號衰減量越大，限制了魚雷的航程，尤其在航速很高時更是如此。

尾流自導是在20世紀70年代后期迅速發(fā)展起來的一種通過探測目標尾流場而進行跟蹤的探測方法?；谖擦鞴鈱W探測的自導魚雷脫離了自導中常用的目標氣泡聲場探測，而以氣泡光場變化進行尾流探測。因光波波長遠小于聲波波長，意味著光尾流比聲尾流有更遠的尾流自導作用距離，且較難被干擾和欺騙，使所有基于聲學特征的干擾及對抗的水聲器材完全失效。美國的MK 45F魚雷采用了尾流自導技術(shù)，瑞典的TP61系列魚雷具有線導/被動聲自導功能，同時也具有尾流自導功能。但在海況不良的情況下，海洋中流作用產(chǎn)生的氣泡將嚴重干擾尾流光探測，若單純采用尾流自導，體現(xiàn)不出其遠距離自導作用的優(yōu)勢。

目前，除了少數(shù)國家的魚雷采用尾流自導外，聲自導仍為魚雷自導主流。高技術(shù)背景下的海戰(zhàn)需求對魚雷自導系統(tǒng)提出了增大微弱信號的探測能力和作用距離，提高目標參量估計精度，增強目標識別和反對抗能力，實現(xiàn)精確導引等能力的要求。

1.2 UUV

水下無人航行器(UUV)是一種可以由水面艦艇、潛艇、飛機等各種作戰(zhàn)武器搭載的無人水下平臺。20世紀80年代中期，UUV的軍事運用開始受到國外軍方的重視。美國海軍設(shè)想未來的反潛主力便是水下無人航行器。UUV通過本身攜帶的各種傳感器與多種作戰(zhàn)武器，完成常規(guī)海上軍事力量無法進行的行動，如收集信息和偵察目標(在潛艇無法活動的淺水區(qū)域進行情況收集、監(jiān)視和偵察)、布放和清除水雷、對敵目標實施遠距離攻擊等，可以最大程度地完成保護軍事人員和艦艇安全等任務(wù)，因此被視為現(xiàn)代海軍的“力量倍增器”，在未來海戰(zhàn)中有不可替代的作用。

UUV要完成所賦予的使命，就必須獲取各種環(huán)境信息，特別是水下目標的信息，并由此做出作業(yè)決策。目前，應(yīng)用在UUV上的聲學裝置主要有前視聲吶、側(cè)掃聲吶、高低頻合成孔徑聲吶和聲導航聲吶。

隨著各國對UUV防御問題的重視以及防御能力的提高，UUV在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時被發(fā)現(xiàn)的可能性大大增加，而UUV航速較低，一旦喪失隱蔽性，生存概率將大大降低。為了使UUV能滿足作戰(zhàn)需要，必須使其具有較強的遠距離探測能力，才能在完成作戰(zhàn)海域的監(jiān)視偵察任務(wù)中縮小巡邏范圍，監(jiān)測更大范圍的海域，在發(fā)現(xiàn)敵方目標艦船后可提前占據(jù)有利陣位，提高攻擊命中概率。

2 提高遠程探測能力的主要技術(shù)途徑

為了提高魚雷、UUV等小型航行體的遠程探測能力，國外投入巨資開展了相關(guān)研究，主要通過采用新型材料和器件、開發(fā)新工藝、研究新的復雜信號處理技術(shù)等技術(shù)途徑解決增大基陣孔徑，降低工作頻率，提高信噪比，最大限度提升探測效能。

2.1 新型基陣的運用

增大遠程探測距離主要是通過提高探測系統(tǒng)的空間增益、降低工作頻率、增強對微弱信號的檢測能力等途徑來實現(xiàn)。空間增益的提高需加大聲學基陣尺寸，但由于聲基陣通常安裝在魚雷的頭部，基陣尺寸難以擴大，從而制約了基陣孔徑的擴展及工作頻率的降低。但拖曳線列陣和旁側(cè)舷側(cè)陣的出現(xiàn)對上述制約有著重大突破。

1)拖曳線列陣

拖曳線列陣實質(zhì)上就是1個用長線展開的一系列水聽器，遠離魚雷自噪聲輻射源，使得魚雷自導工作環(huán)境相對安靜。魚雷以低速搜索目標時，魚雷的自噪聲和輻射噪聲相對大為減弱，因而有利于魚雷隱蔽搜索和跟蹤目標。拖曳線列陣工作頻率可降至3 kHz以下，這樣聲傳播衰減更小，而目標輻射噪聲一般低頻成分更多，可進行線譜檢測;拖曳線列陣水聽器數(shù)量如在36元以上，探測距離可達20 km，能真正實現(xiàn)“發(fā)射后不管”的理念。

美國輕型魚雷Regal(Remote guided autonomous lightweight torpedo)采用了拖曳線列陣技術(shù)，線列陣長30 m，線列陣上各陣元的間距是不等的，用以接收不同頻率的聲信號，其工作頻率可低至2 kHz以下，以被動方式工作，不受高頻噪聲干擾，自導作用距離可達5 000 m以上。

目前，拖曳線列陣技術(shù)在小型無人作戰(zhàn)平臺上已得到了應(yīng)用。美國的技術(shù)驗證型AUV Bluefin-21(圖1)航行器上就配備了100 m的低頻(＜1 kHz)矢量傳感器拖曳陣(21元低頻矢量拖線陣)，增強自適應(yīng)環(huán)境采樣和感知能力，并支持水下通訊網(wǎng)絡(luò)。瑞典SAAB公司BOFORS水下系統(tǒng)分公司研發(fā)的AUV，除了安裝拖曳陣聲吶外，根據(jù)任務(wù)要求還安裝了較寬范圍的傳感器，如多波束聲吶、合成孔徑聲吶、參量聲吶、光學傳感器和地磁配置等傳感器，以實現(xiàn)對目標的近中遠程探測。

圖1 AUV Bluefin-21尾部拖曳陣列(采用21元低頻矢量拖線陣)Fig.1 Tow array at the end of the Bluefin-21 AUV(Which is made of 21 vector elements wiht low frequency)

2)旁側(cè)舷側(cè)陣

舷側(cè)陣的出現(xiàn)，是水聲技術(shù)史上的一次飛躍，也是對安靜型潛艇的新挑戰(zhàn)。該陣不破壞裝載平臺的線形，不影響平臺的機動性能，充分利用平臺的兩側(cè)，擴展基陣的孔徑。與平面陣相比，接收面積可增大10倍以上，工作頻率可下降1個數(shù)量級，基陣增益增大5 dB以上，在中等水文條件下可使被動聲自導距離增大5倍以上。早在20世紀50年代，美國就開始潛裝舷側(cè)陣研究，世界第一部實用的舷側(cè)陣聲吶是美國的AN/BQG-5，試裝在“阿戈斯塔”(SSN710)潛艇上并獲得成功。

2002年相關(guān)材料報道了美國賓夕法尼亞州大學應(yīng)用研究實驗室研制的Seahorse AUV(圖2)，其左舷和右舷兩側(cè)安裝了被動聲吶(LUPA)，可完成探測、分類、定位和跟蹤等任務(wù)。側(cè)面配置的低頻聲自導基陣采用與航行體共形技術(shù)，聲探測工作頻率可降至10 kHz以下，自導作用距離達3 000 m以上。

圖2 Seahorse AUV舷側(cè)陣模型Fig.2 Broadside array model of seahorse AUV

美國、德國、瑞典等國已在其魚雷和UUV裝備上成功地使用了舷側(cè)陣和拖線陣，極大地提高了其裝備的作戰(zhàn)能力。

2.2 新型材料的使用

新材料新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展是推動遠程探測能力提高的基礎(chǔ)和動力，特別是新型功能材料，如弛豫鐵電壓電單晶材料、反鐵電材料、光纖光柵技術(shù)等為遠程探測能力開辟了美好前景。

由于光纖材料具有傳遞數(shù)據(jù)率高、速度快、衰減小，可靠性強的特性，目前在魚雷和UUV上得到了大量運用。

光纖在魚雷上的使用主要包括2個方面:一是將其用于魚雷的線導技術(shù)，即用一條寬頻帶雙向光纖通信線路取代現(xiàn)有的線導，這樣既可增加頻帶寬度，又使敵方難以探測和干擾。法國用F17B魚雷開展的放線試驗，光纖長達20 km，意大利也進行了100 km光纖線導魚雷的試驗研究;二是魚雷自導采用了光纖傳感器，光纖傳感器具有工作頻帶寬、頻率低、抗電磁干擾能力強的特點。據(jù)報道，美國已研制出一種作用距離達數(shù)km的光纖自導頭。

光纖在UUV中的使用主要是用于和母船的有線通信，實時傳輸圖像信號，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率高達30 Mbits/s，如近期水雷偵察系統(tǒng)(NMRS)就采用了光纜通信方式。使用光纖水聽器技術(shù)的拖曳線列陣已出現(xiàn)，并處于各國的關(guān)注及發(fā)展中。

2.3 信號處理新技術(shù)的開發(fā)

在信號處理新技術(shù)研究方面，開發(fā)全數(shù)字、商業(yè)化、并行高速的數(shù)字信號處理機，研究新的復雜信號時空處理方法，是滿足遠程探測的有效途徑。

Mk48-6型先進通用寬頻帶聲自導系統(tǒng)(CBASS)采用新的寬帶處理算法，使魚雷自導系統(tǒng)具有目標數(shù)據(jù)的自適應(yīng)處理能力，能根據(jù)海區(qū)水深和目標特點自動改變波束形狀、搜索和攻擊彈道，使魚雷在保持原有Mk-48ADCAP良好深水特性的同時，也能改善其淺水性能。

意大利和法國聯(lián)合研制的“黑鯊”魚雷裝有ASTRA自導頭，其主要采用空間濾波、頻域濾波、數(shù)字脈沖壓縮、回波空間相干分析、回波寬度擴展分析、回波角度擴展分析、調(diào)制包絡(luò)分析和恒虛警處理等信號處理方法，在淺海復雜環(huán)境下也有優(yōu)良性能，低頻寬帶主被動多波束三維信號處理技術(shù)使探測距離可達7 km，而一般高頻聲吶僅能達到2 km，并具備多目標檢測和跟蹤能力。

歐洲聯(lián)合研制的MU90輕型魚雷，聲自導有6個頻帶波段，帶寬超過10 kHz，主動探測距離超過2 500 m，并能有效抵御聲學干擾。

美國戰(zhàn)場預置自主式無人潛航器(BPAUV)是在“金槍魚-21”UUV的基礎(chǔ)上發(fā)展的，是一種成熟的AUV設(shè)計。航行器上455 kHz的側(cè)掃聲吶能提供7.5～10 cm分辨率圖像。

挪威典型的無人潛航器，具有較高的智能程度，主要用途包括海底地貌繪制、航道勘測、水雷偵察以及快速環(huán)境評估等?！靶萁?000”UUV具有良好的穩(wěn)性、水動力性能和操縱性，能配備不同類型的有效載荷，完成賦予它的各種使命;水下探測力極強，普通合成孔徑聲吶分辨率為100 mm×100 mm，而“休金1000”所用聲吶分辨率可達20 mm×20 mm;能進行水雷對抗、快速環(huán)境評估、反潛作戰(zhàn)以及針對恐怖活動的水下偵察等。

3 發(fā)展趨勢

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，小型航行體的遠程探測能力也必將得到進一步提升，主要表現(xiàn)在以下方面:

1)繼續(xù)向低頻、大功率、寬帶、大孔徑基陣的方向發(fā)展

為了對付低噪聲、隱身型潛艇，使用低頻、大功率、寬帶大孔徑陣是有效途徑。因為低頻聲的傳輸衰減很小，而且潛艇降噪在低頻段的效果要比中高頻段的差，同時消聲瓦對于低頻目標強度的降低也很有限;相對于被動探測而言，高聲源級的低頻主動探測方式對潛艇的威脅更大，它可以保證對潛艇的遠距離攻擊。

2)向系統(tǒng)性、綜合性發(fā)展

探測系統(tǒng)將由單項功能的單個基陣逐步發(fā)展為由多個基陣組成的收－發(fā)分置、多傳感器的綜合探測系統(tǒng)。如為了實現(xiàn)魚雷的精確制導，魚雷自導可與線導系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、魚雷管理中心等聯(lián)合為一體，確保魚雷準確命中目標。魚雷自導本身也向可獲取更多信息、利用旁側(cè)聲吶、底視聲吶和拖曳聲吶等的“組合自導”方向發(fā)展。

3)向系列化、模塊化、標準化、高可靠性和可維修性發(fā)展

現(xiàn)代探測設(shè)備，無論是換能器基陣、還是信號處理系統(tǒng)，都趨向采用標準化的模塊式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有擴展性好、互換性強、便于維修、可靠性強、研制周期短、研制經(jīng)費少的優(yōu)點。

4)向智能化方向發(fā)展

人工智能研究促進了探測系統(tǒng)向自適應(yīng)化和智能化方向發(fā)展。根據(jù)探測系統(tǒng)自適應(yīng)要求，應(yīng)對復雜的海洋水聲環(huán)境實時做出反應(yīng)，自動做出判斷并采取相應(yīng)措施，使探測系統(tǒng)最大程度達到工作性能最佳化;能對來自于自然和人工的干擾目標進行識別，根據(jù)其不同的特征提取出有用的目標參量，瞄準目標進行最優(yōu)控制，從而實現(xiàn)無人作戰(zhàn)平臺的人工智能，完成其作戰(zhàn)使命。

5)聯(lián)合探測

水下戰(zhàn)中最大的威脅是安靜性潛艇和水雷，最惡劣的環(huán)境是淺水環(huán)境。編隊協(xié)同作戰(zhàn)和多平臺與多傳感器的聯(lián)合探測是未來水下戰(zhàn)的有效作戰(zhàn)模式。UUV(魚雷)將作為水下隱蔽通訊的主要節(jié)點，為潛艇、多傳感器和其他水面平臺之間提供數(shù)據(jù)交換，并配合編隊的指令完成精確打擊任務(wù)。

4 結(jié)語

隨著電子、通信、計算機和材料等各個工程應(yīng)用研究領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，小型航行體的遠程探測技術(shù)也在不斷地向低頻遠距離、寬帶大孔徑、智能聯(lián)合探測等方向發(fā)展;提高系統(tǒng)的模塊化和系統(tǒng)集成設(shè)計，實現(xiàn)小型航行體的系列化設(shè)計，將進一步提高小型航行體的遠程探測精確性、多目標識別和信息大容量實時處理能力。小型航行體遠程探測技術(shù)高智能化、系列化、多功能的發(fā)展趨勢，必然成為未來水下戰(zhàn)中關(guān)注的熱點。

［1］解寶興，郝?lián)碥?，程?水下遠程探測的研究和發(fā)展方向［J］.艦船科學技術(shù)，2008，30(3):17 －21.

［2］錢建平，楊蕓.國外魚雷及自導技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.艦船科學技術(shù)，2003，25(4):9 －15.

［3］陳強，張林根.美國軍用UUV現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析［J］.艦船科學技術(shù)，2010，32(7):129 －132.

［4］FLETCHER B.UUV master plan:a vision for nary UUV development［C］.OCENNS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition.2000，(1):65 －71.

［5］LAMBERTJD，PICARELLO P，MANLEY JE.Development of UUV standards，an emerging trend［C］.OCEANS，2006:1－5.

Analysis and discussing of long-distance detection technique for small scale vehicle

CHENG Ling，YAN Zhen-hua
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The capability of long-distance detection for small scale vehicle is paid more attention by the navies of the worlds.The characteristics of long-distance detection for small scale vehicle are analyzed，and the main techniques of improving detection capability are discussed in this paper.Then the development trend is introduced.

navy;small scale vehicle;long-distance detection

TB566

A

1672－7649(2011)06－0099－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.023

2011－05－06

程玲(1969－)，女，高級工程師，主要從事水下聲系統(tǒng)信號處理等研究。