閆 祎

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013)

基于UUV的水下目標(biāo)非聲探測技術(shù)研究綜述

閆 祎

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013)

無人水下航行器（UUV）是一種無人駕駛，通過遙控或自動控制在水下航行的航行體，具有自主性、低風(fēng)險性、隱蔽性、可部署性和環(huán)境適應(yīng)性的特點，具有重要的軍事價值。UUV以潛艇或水面艦為支援平臺能夠長時間在水下自主遠(yuǎn)程航行，并且可作為多種傳感器的搭載平臺，可應(yīng)用于探掃雷、海洋監(jiān)視偵察、潛艇探測、水下障礙物搜索定位以及通信導(dǎo)航等多個領(lǐng)域。隨著以水下電場傳感器、磁場傳感器為代表的非聲探測傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，利用UUV平臺搭載電磁傳感器對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和識別已經(jīng)受到國內(nèi)外高度重視，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文將首先對國內(nèi)外典型UUV進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上闡述UUV水下電磁探測的基本原理，介紹UUV水下電磁探測的國內(nèi)外發(fā)展趨勢，最后對UUV水下電磁探測應(yīng)用前景進(jìn)行展望和分析。

UUV；電磁場傳感器；電磁探測

0 引 言

UUV（Unmanned Undersea Vehicle）可以搭載多種傳感器、專用設(shè)備或武器裝備，具有自主性、低風(fēng)險性、隱蔽性、可部署性、環(huán)境適應(yīng)性等特點，能夠執(zhí)行遠(yuǎn)程通信中繼、反潛警戒、反水雷、水下偵察與監(jiān)視等一系列重要軍事任務(wù)[1]，已經(jīng)成為軍事大國的關(guān)注焦點，競相投入巨資研發(fā)不同類型的UUV，試圖利用水下無人艦隊控制未來海洋[2]。

艦艇水下電磁場源于異種金屬之間的腐蝕防腐電流、內(nèi)部電氣設(shè)備對外輻射以及地磁場對殼體的磁化等因素，所攜帶的艦艇目標(biāo)特征信息豐富。通過在UUV上加裝電磁場等非聲傳感器并聯(lián)合聲場，可以獲取更加詳實的外軍艦艇目標(biāo)特性信息，為水雷對抗作戰(zhàn)以及反潛戰(zhàn)提供技術(shù)支撐，具有重要的軍事意義。

1 國內(nèi)外典型 UUV 介紹

美國自1994年正式將發(fā)展UUV列入計劃以來，不斷發(fā)展和更新UUV在軍事應(yīng)用中的使命和作戰(zhàn)特征能力，用新技術(shù)占據(jù)海底軍事優(yōu)勢。2000年美國海軍發(fā)布第一版《UUV主計劃》，提出了至2030年前美國海軍UUV的發(fā)展規(guī)劃，明確了UUV在軍事應(yīng)用方面的7種使命（包括情報/監(jiān)視/偵察、反水雷措施、氣象學(xué)和海洋學(xué)、輔助通信和導(dǎo)航、UUV磁探測戰(zhàn)、自治武器平臺、后勤支援和補(bǔ)給）和4種作戰(zhàn)特征能力（即海上偵察能力、水下搜索和測量能力、輔助通信導(dǎo)航能力和對目標(biāo)跟蹤及引導(dǎo)攻擊能力）。2002年，美國海軍開始強(qiáng)調(diào)發(fā)展自主性UU V的重要性。2004年，美國海軍提出水面與水下聯(lián)合作戰(zhàn)的新要求，強(qiáng)調(diào)提高UUV與潛艇、水面艦艇信息聯(lián)結(jié)的能力。2015年4月，美國海軍首次將REMUS600UUV部署在“弗吉尼亞”攻擊型核潛艇上，在全球戰(zhàn)略熱點地區(qū)執(zhí)行水下任務(wù)，REMUS600UUV采用拖曳式無源聲吶進(jìn)行廣域監(jiān)視，通過水下探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由衛(wèi)星將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至陸基站點設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2015年底，美國海軍“反潛戰(zhàn)持續(xù)追蹤無人艇”（ACTUV）下水，在沿海搜索敵方潛艇任務(wù)中應(yīng)用，ACTUV是美國科學(xué)應(yīng)用國際公司為DARPA研制的UUV，作戰(zhàn)半徑3000 km，續(xù)航時間可達(dá)3個月，具有探測、跟蹤、警戒、規(guī)避等功能，支持無線和衛(wèi)星通信等多種通信方式，隱蔽性和淺海航行能力均較好，具有極佳的前沿部署能力及大范圍反潛能力[3]。2016年，美國海軍提出“艾森豪威爾海底高速公路網(wǎng)”設(shè)想，旨在“七大洋”海域的海底部署UUV及其配套的水下服務(wù)站。預(yù)計在未來美國將擁有龐大的UUV作戰(zhàn)隊伍，其角色也從“海底偵察兵”發(fā)展為“水下作戰(zhàn)全能戰(zhàn)士”，影響未來海戰(zhàn)模式。

法國在2008年年末開始研制用于反水雷的無人系統(tǒng)，DCNS、泰利斯公司及ECA公司聯(lián)合提出利用無人水面艇（USV）和UUV協(xié)同工作進(jìn)行反水雷的方案，EAC集團(tuán)在2016年向第一批客戶提供了反水雷無人系統(tǒng)UM IS，與傳統(tǒng)的獵雷系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)操作更快、更有效、更安全，使得船員能夠遠(yuǎn)離雷區(qū)。

日本已為UUV研制投入了數(shù)億美元的資金，其UUV技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，研究領(lǐng)域涉及高性能電池、高數(shù)據(jù)率水聲通信技術(shù)、低噪聲和低電磁的傳感器技術(shù)、控制UUV的人工智能等技術(shù)。圖3和圖4分別為東京大學(xué)研制的Tw in-Burger2號水下機(jī)器人和PTEOROA25號水下機(jī)器人。

國內(nèi)中科院沈陽自動化所與中科院聲學(xué)所等單位聯(lián)合研制了“探索者”AUV（1 000m），同時沈陽自動化所作為技術(shù)總體單位與多家單位合作研制了“潛龍一號”、“潛龍二號”（6 000m）AUV。“潛龍”號是我國首個自主研發(fā)的AUV，其探測內(nèi)容只限于聲學(xué)、光學(xué)和水文測量。哈爾濱工程大學(xué)與多家單位共同開發(fā)研制的“智水”系列軍用智能水下機(jī)器人代表了我國軍用AUV的先進(jìn)水平。

2 基于 UUV 平臺的水下電磁探測基本原理

UUV電磁探測模塊采用被動探測模式，即利用搭載在UUV上的水下電場、磁場傳感器感知被探測目標(biāo)自身的電場、磁場信號，通過異常分析和特征辨識實現(xiàn)對目標(biāo)的探測。UUV電磁探測模塊主要用于靜態(tài)目標(biāo)（如水下沉船、水下工作站、掩埋水雷、臨時爆炸物、海底電纜等）的精確搜探階段，即UUV通過測掃聲吶等手段完成探測區(qū)域的初始掃描后，再利用電磁探測模塊對目標(biāo)進(jìn)行精確測量。電磁探測模塊需要與其他聲音、圖像、化學(xué)探測等手段進(jìn)行結(jié)合，通過數(shù)據(jù)融合、綜合分析，可實現(xiàn)對靜態(tài)目標(biāo)的探測、定位與識別。

另外UUV電磁探測模塊還可用于低速運動水下目標(biāo)（如潛艇）的探測，通過感知水下運動目標(biāo)螺旋槳旋轉(zhuǎn)及內(nèi)部電機(jī)輻射產(chǎn)生的低頻電磁特征信號來實現(xiàn)對水下目標(biāo)的偵察和探測。UUV電磁探測模塊可用于敏感海域海洋環(huán)境電磁參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。

3 國內(nèi)外 UUV 非聲探測發(fā)展概況

國外自20世紀(jì)80年代以來，UUV技術(shù)得到很大發(fā)展，公開報道中已經(jīng)在UUV上加裝了高靈敏度、小型化的電磁場傳感器。

美國海軍研究辦公室在2005年研制了UUV實時追蹤梯度計（uuv-RTG），基線165mm，由4個三軸飽和式磁力計組成，主要用于探測掩埋式水雷[4]。美國海軍（USN）已經(jīng)意識到有效搜尋海洋中水雷的必要性，其中的一類有機(jī)水雷（MCM）將代表未來海軍的能力水平。目前對于識別或隱藏水雷設(shè)想了2步過程。首先進(jìn)行初步檢測或根據(jù)地圖分類搜尋（SCM）的任務(wù)，這種任務(wù)執(zhí)行應(yīng)用到低頻合成孔徑聲吶（SAS）。其次，再次搜尋或識別（RI）任務(wù)通過再次搜尋目標(biāo)，由于近距離運用磁、聲或光電傳感器，能夠提供或證實最終分類目標(biāo)，還對相關(guān)屬性進(jìn)行評估，例如幾何細(xì)節(jié)或磁矩的相互融合進(jìn)行識別或使其分類對象明確。實現(xiàn)目標(biāo)是為了證明或闡釋經(jīng)由傳感器融合作用從而隱藏水雷的超強(qiáng)實力。具體來說，分類結(jié)果包括被動磁傳感器和光電傳感器的融合產(chǎn)生作用效果，這源自海底的短程聲吶作用，3種傳感器可同時在無人操縱的水下運載工具（UUV）實現(xiàn)控制運作[5]。美國海軍在2012年曾提出建立自動水下航行器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并且綜合多種傳感器對沿海進(jìn)行監(jiān)視。計劃在無人水下航行器上安裝所有可以自動巡邏大范圍海域的設(shè)備，其中包括利用水下電場傳感器在近海追蹤安靜型柴油機(jī)發(fā)電式潛艇[6]。

佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)研制的掩埋目標(biāo)掃描聲吶（BOSS），考慮到需要確認(rèn)掩埋聲吶觸點，提出了1個傳感器融合的概念，使用1個搭載磁傳感器和海底聲吶UUV在短距離獲取聯(lián)系。海軍研究辦公室（ONR）目前正在研制2個磁傳感器。量子磁學(xué)實時跟蹤梯度儀（RTG）是1種利用磁通技術(shù)開發(fā)的多通道張量梯度儀。現(xiàn)有的RTG原型已經(jīng)與現(xiàn)有的BOSS原型集成在板載托體上，對目標(biāo)進(jìn)行的水下拖曳試驗證明了BOSS/RTG融合概念的有效性。正在開發(fā)1種適合在相對較小的UUV上搭載運行的小型RTG版本。原子激光標(biāo)量梯度儀（LSG）是一種專門為小型UUV設(shè)計的多通道標(biāo)量磁傳感器，它是基于塞曼效應(yīng)對氦-4氣體的電子自旋共振（ESR）特性的影響，與美國海軍的AN/ASQ-208概念非常相似。但是通過使用激光代替非相干光進(jìn)行光泵浦，LSG已經(jīng)獲得比AN/ASQ-208高的增加靈敏度[7]。在最近完成的美國海軍UUV總體規(guī)劃中，情報、監(jiān)視和偵察（ISR）是排名第1的未來UUV發(fā)展的能力。在太空和海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)中心（SSC）的持續(xù)努力下，圣地亞哥將ISR和UUV系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，以滿足這些新興需求。討論了執(zhí)行這些任務(wù)涉及的技術(shù)和系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)傳感器，通信和系統(tǒng)的自主性發(fā)展[8]。

加拿大皇家漢梁大學(xué)、亞洲太平洋安全研究中心以及海軍太平洋艦隊（Maritime Forces Pacific）于2012年共同討論了UUV在海軍的重要用途，關(guān)注了一種非傳統(tǒng)的探測設(shè)備即利用電磁場傳感器探測潛艇或追蹤艦船目標(biāo)[9]。

國內(nèi)關(guān)于UUV上加裝電磁場傳感器的報道較少，也未見具體實物。海軍航空工程學(xué)院針對搭載于水下無人航行器（UUV）的四面體磁梯度張量系統(tǒng)易受載體磁場干擾的問題，提出了一種載體磁干擾補(bǔ)償方法。該方法在載體磁干擾產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用磁梯度張量差分測量算法融合四面體磁梯度張量系統(tǒng)中4個矢量磁力儀的載體磁干擾，建立了磁梯度張量系統(tǒng)載體磁干擾數(shù)學(xué)模型；然后在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出了磁干擾補(bǔ)償方法，并根據(jù)磁梯度張量9分量的數(shù)學(xué)關(guān)系提出了補(bǔ)償參數(shù)辨識方法；最后通過仿真實驗對方法進(jìn)行驗證，結(jié)果表明該補(bǔ)償方法可以有效補(bǔ)償磁梯度張量系統(tǒng)95.9%的載體磁干擾[10]。

4 UUV 用于非聲探測前景展望

根據(jù)國外研究成果來看，在UUV上安裝電磁場傳感器可以用于搜集更加豐富的外軍艦艇目標(biāo)特征，將多類型傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，能夠利用更多的信息量完成水下目標(biāo)的探測識別和水下警戒等，潛在應(yīng)用價值非常廣泛。

1）情報搜集

UUV作為一種別具特色的海洋力量發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)拇钶d能力和續(xù)航能力。通過在UUV上加裝電、磁等非聲傳感器可以搜集外軍艦艇目標(biāo)的電、磁指紋信息，為我國水中兵器的設(shè)計和研制提供數(shù)據(jù)支撐。

2）水下警戒

通過將多個UUV組成最優(yōu)陣列，利用水聲通信，并融合被測艦艇目標(biāo)的聲、電、磁等不同類型的數(shù)據(jù)，可以構(gòu)成一個水下監(jiān)視、通信和偵察網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對特定海域的水下警戒。

[1]肖玉潔,邱志明,石章松.UUV國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及若干關(guān)鍵問題綜述[J].電光與控制,2014,21(2):46–49.XIAO Yu-jie,QIU Zhi-m ing,SHIZhang-song.The current situation of UUV study domestic and overseas and a quantity of key issues statement[J].Electro-optics and Control,2014,21(2):46-49[ 2 ]海天. 未來海戰(zhàn)的殺手锏-新概念武器之無人潛航器[J]. 兵器大觀, 2006, 2: 71–77.HA I Tian. Naval battle trump card in future-new concept w eapon o f unmanned submarine navigation vehicle[J].Weaponry Grand Sight, 2006, 2:71–77

[ 3 ]武尚慧, 路靜. 國外無人潛航器的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 電光系統(tǒng), 2016(2):6–12.WU Shang-hui, LU Jing. The current situation of developing foreign unmanned submarine navigation vehicle and looking into the distance[J]. Electronic and Electro-optical Systems,2016(2): 6–12

[ 4 ]G I ALLEN, G SULZBERGER, J T BONO, et al. Initial evaluation of the new real-time tracking gradiometer designed for small unmanned underwater vehicles[J].

[ 5 ]G SULZBERGER, J BONO, R J MANLEY, et al. Hunting sea mines with UUV-based magnetic and electro-optic sensors[J].MTS/IEEE Oceans 2009, 1–5.

[ 6 ]Persistent littoral surveillance: automated coast guards.http://naval-technology.com.

[ 7 ]CLEM T., ALLEN G., BONO J., et al. Magnetic sensors for buried m ine hunting from small unmanned underw ater vehicles[J]. IEEE 2004: 902–910.

[ 8 ]Barbara Fletcher. New roles for UUVs in intelligence,surveillance, and reconnaissance.

[ 9 ]The Futu re of Maritime Warfare: Unm anned Undersea Vehicles (UUVs) Reddit. Maritime Security Challenges, 2012.

[10]于振濤, 呂俊偉, 畢波, 等. 四面體磁梯度張量系統(tǒng)的載體磁干擾補(bǔ)償方法[J]. 物理學(xué)報, 2014, 63(11): 139–144.YU Zhen-tao, LV Jun-wei, BI Bo, et al. Carrier magnetism disturbing compensated methods of tetrahedron magnetism gradient tensor system[J]. Physics Journal, 2014,63(11):139–144.

The overview study of non-acoustic detection technology base on UUV application in searching target underwater

YAN Yi
(Dalian Scientific Testand Control Technology Research Iinstitution,Dalian 116013,China)

Unmanned Underwater Vehicle(UUV)isone type of navigation vehicle with characteristic of unmanned,by means of remote control or automatic control sailing underwater,it has the features of autonomy character,low-risk character,elusive character,deploy character and environment adaptability etc,that is provided with significant military value.UUV use submarines and surface ships as supporting platform so that it could ensure long time long-distance autonomously sailing,besides it could regard as various sensors’carrying platforms,applying into detect mine clearance,ocean surveillance reconnoiter,submarine detection,searching stumbling block underwater fixed position and communication navigation etc.multi-areas.The development of sensors’technology and information processing technology,electric field sensors,magnetic sensors underwater as representative non-acoustic detective sensors,taking advantage of UUV platform with electromagnetism sensors,aiming at underwater targets so that developing detection,fixed position and identification,this technology has already

great value domestic and overseas,that is provided with extensively applying foreground.The paper gives relatively presentation of typical UUV domestic and overseas for the first time,on the basis of it,elaboration UUV underwater electromagnetism detection’s basic fundamental theory,besides it concludes introducing UUV underwater electromagnetism detection’s development tendency domestic and overseas,at last,the paper emphasizes UUV underwater electromagnetism detection’s applying foreground,according to the topic,looking into the distance and analyzing in detail.

UUV；electromagnetic field sensor；electromagnetism detection

P733.6

A

1672–7649(2017)12–0010–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.003

2017–05–16；

2017–07–18

閆祎(1973–)，女，高級工程師，研究方向為水中目標(biāo)特性。