高玉保，房茂燕，武志勇，喻 平

（1.航天工程大學(xué)，北京 101416；2.中國人民解放軍75831部隊(duì)，廣東 廣州 510000）

0 引言

潛艇具有良好的水下隱蔽性和較強(qiáng)的水聲對抗能力，加上現(xiàn)代潛艇朝高速、深潛和低噪聲方向發(fā)展，使搜索發(fā)現(xiàn)潛艇更加困難和復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)對潛作戰(zhàn)主要依靠各反潛作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)指示，并據(jù)此實(shí)施火力打擊。潛艇發(fā)現(xiàn)水面艦艇編隊(duì)的距離大于編隊(duì)發(fā)現(xiàn)潛艇的距離[2]，給反潛帶來很大的困難，亟需研究設(shè)計(jì)新型水下監(jiān)控器。

1 水下預(yù)警探測系統(tǒng)的局限性

水下預(yù)警探測體系就是為了實(shí)現(xiàn)對潛艇早期感知預(yù)警而建立的，能夠?yàn)榉礉摫μ峁┠繕?biāo)信息輸入端口，為反潛平臺(tái)實(shí)施對潛火力打擊提供了高精度的目標(biāo)指示[3]。水下預(yù)警探測系統(tǒng)主要包含：水下監(jiān)控設(shè)備、水下通訊設(shè)備、反潛指控中心、水面空中搜反潛設(shè)備等，整個(gè)系統(tǒng)的信息流轉(zhuǎn)過程如圖1所示。

圖1 水下預(yù)警探測系統(tǒng)信息流轉(zhuǎn)過程Fig.1 Information flow process of underwater early warning and detection system

顯然，水下預(yù)警探測系統(tǒng)的核心是水下監(jiān)控設(shè)備，當(dāng)前主要采用的是水聲監(jiān)視系統(tǒng)、聲吶基陣等，這些水聲設(shè)備存在以下不足[4-7]：

1）高成本、低效率。

以某國固定式水聲監(jiān)視系統(tǒng)為例，其在大西洋、太平洋的重要海域建立起一系列安裝在海底的固定式被動(dòng)水聽器陣，通過電纜連接到岸上的觀察站（最多時(shí)23座岸基站），總投資超160億美元。此外，由于水聽器基陣固定在海底，無法機(jī)動(dòng)，不能對目標(biāo)進(jìn)行長時(shí)間、連續(xù)跟蹤定位，一般只能測向，少數(shù)能測距，但精度不高，只能在系統(tǒng)作用范圍內(nèi)提供較為概略的目標(biāo)位置信息。

2）易破壞、難維護(hù)。

位于淺海的基陣可能遭到眾多遠(yuǎn)洋漁輪沉底拖網(wǎng)的破壞，民船的船錨對淺?；囈灿泻艽蟮钠茐淖饔?。水下岸站的水聽器基陣孔徑達(dá)公里級，布放工程巨大，而海洋環(huán)境復(fù)雜，不利于戰(zhàn)時(shí)快速維護(hù)和臨時(shí)補(bǔ)網(wǎng)。水聽器基陣布設(shè)在較深的海底，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障或受損，難以迅速修復(fù)。水下電纜（包括主干電纜）掩埋較淺，大量電纜集中布放，極易受到魚群等的攻擊。

2 新型水下監(jiān)控器設(shè)計(jì)

新型水下監(jiān)控器應(yīng)具有研制成本低、可靠性高，易于布設(shè)、組網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)，維護(hù)方便等特點(diǎn)，這是其研發(fā)設(shè)計(jì)的主要考慮。

2.1 新型水下監(jiān)控器的主要構(gòu)成

要實(shí)現(xiàn)易于布設(shè)、組網(wǎng)、補(bǔ)網(wǎng)，維護(hù)方便等要求，水下監(jiān)控器應(yīng)具有獨(dú)立的海底偵搜能力、信息傳輸能力、海底錨泊能力?；谀芰Ψ赐茦?gòu)成，3種設(shè)備必不可少：高效水下偵搜設(shè)備、水下無限通訊設(shè)備、水下錨泊設(shè)備。

高效的水下偵搜設(shè)備是水下監(jiān)控器的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，水下偵搜設(shè)備的偵搜能力直接影響搜反潛的效果。當(dāng)前水下偵搜設(shè)備主要采用的是聲吶技術(shù)，但隨著潛艇靜音技術(shù)的改進(jìn)，單純依靠聲吶一種手段很難有效發(fā)現(xiàn)水下潛艇。因此，需要研制多手段融合的高效水下偵搜設(shè)備。

水下無線通訊設(shè)備是實(shí)現(xiàn)水下預(yù)警探測系統(tǒng)快速布設(shè)、組網(wǎng)、補(bǔ)網(wǎng)的重要設(shè)備。利用相互獨(dú)立的水下監(jiān)控器可以在世界海洋任何需要的地方快速布設(shè)組網(wǎng)。水下短距通訊要能夠?qū)崿F(xiàn)水下監(jiān)控器之間的數(shù)據(jù)通訊，水下長距通訊能夠?qū)崿F(xiàn)某一水域水下偵控網(wǎng)絡(luò)與指控中心或者通訊中繼之間的數(shù)據(jù)通訊。

水下錨泊設(shè)備是將水下監(jiān)控器按照布設(shè)要求懸停在某一水下點(diǎn)位，要能夠保證水下監(jiān)控器長時(shí)間處于設(shè)定的位置范圍內(nèi)。

2.2 新型水下監(jiān)控器工作原理分析

新型水下監(jiān)控器通過水下無線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對某一關(guān)鍵水域的水下監(jiān)控。其工作原理如圖2所示。

圖2 新型水下監(jiān)控器組網(wǎng)工作原理圖Fig.2 Networking principle of new type underwater monitor

將新型水下監(jiān)控器按照優(yōu)化策略布設(shè)在需要監(jiān)控的水域，通過短距水下無線通訊設(shè)備實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)控器組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)水域的監(jiān)控，并提高整體的探測效率。在這些布設(shè)的水下監(jiān)控器中，選擇適當(dāng)位置布設(shè)多枚帶有遠(yuǎn)距水下通訊設(shè)備的水下監(jiān)控器，將水下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)探測到的信息通過這些水下監(jiān)控器傳遞到通訊中繼設(shè)備再轉(zhuǎn)發(fā)到作戰(zhàn)指控中心，或者這些水下監(jiān)控器直接將信息發(fā)送到作戰(zhàn)指控中心。

2.3 主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)

根據(jù)新型水下監(jiān)控器的工作原理，要實(shí)現(xiàn)高效水下監(jiān)控，需具備以下指標(biāo)：

1）探測精度。

能夠精確偵控到附近L km（L可以根據(jù)探測技術(shù)的發(fā)展來設(shè)定）內(nèi)潛艇的相對位置信息，如果技術(shù)允許，能判斷出潛艇的噸位和類型。

2）待機(jī)時(shí)間。

由于對關(guān)鍵水域要進(jìn)行長期偵控，需要水下監(jiān)控器能夠長時(shí)間水下待機(jī)，因此水下待機(jī)時(shí)間越長越好，至少能夠達(dá)到半年以上。

3）水下通訊。

水下監(jiān)控器之間能夠進(jìn)行短距無線通訊。部分水下監(jiān)控器具備水下長距無線通訊技術(shù)，能夠減少受到的區(qū)域限制，可大范圍布設(shè)。作為中繼設(shè)備，將附近水下監(jiān)控器采集到的信息傳遞到信息中繼平臺(tái)或搜反潛裝備。

4）建造成本。

成本不能太高，每臺(tái)水下監(jiān)控器的價(jià)格盡可能控制在 2～3萬元人民幣。主要是因?yàn)橐蠓秶荚O(shè)，需求量大。例如：監(jiān)控一個(gè)寬200 km的海峽，以L=5為例，若布控海峽兩側(cè)，則需要40枚，若為了提高偵控效果，在兩側(cè)布設(shè)兩層?xùn)艡?，則需要80枚。以2萬元計(jì)，則需要至少160萬元，按照重要海峽、水道、陣位等布設(shè)更多柵欄，至少需要幾萬枚甚至更多。

5）定點(diǎn)錨泊。

能夠在某一區(qū)域內(nèi)固定，下潛深度可控。由于潛艇在不同水域的潛航深度不同，水下監(jiān)控器位于不同深度的偵控效果差異很大，因此要能夠按照偵控需求調(diào)控下潛深度。

6）易于布設(shè)。

設(shè)備小型化，易于布設(shè)。能夠利用漁船或民商船穿行需要監(jiān)控區(qū)域，通過投擲或釋放等簡單方式進(jìn)行布設(shè)。布設(shè)后不易被發(fā)現(xiàn)，且能采用多手段偵控技術(shù)，確保對潛艇的偵搜效果。對于因部分水下監(jiān)控器失效引起的監(jiān)控缺口，只需要在缺口處投入新的水系監(jiān)控器即可。

7）其他功能。

可以考慮進(jìn)一步增加其他功能，如在水下監(jiān)控器中安裝遙控爆破裝置。主要是考慮未來發(fā)生戰(zhàn)爭的條件下，在發(fā)現(xiàn)非我方潛艇試圖進(jìn)入我方管控區(qū)域或潛入陣位對我攻擊時(shí)，對其發(fā)動(dòng)突襲。

3 關(guān)鍵技術(shù)需求分析

新型水下監(jiān)控器要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

3.1 水下多手段偵控技術(shù)

在聲吶探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用多手段的復(fù)合技術(shù)，以有效應(yīng)對潛艇日新月異的反探測技術(shù)。

3.2 水下無線通訊技術(shù)

新型水下監(jiān)控器基于獨(dú)立個(gè)體組網(wǎng)，各監(jiān)控器之間和中繼監(jiān)控器之間均須依靠水下無線通訊技術(shù)。這其中主要涉及2種樣式：1）水下監(jiān)控器之間的信息通訊；2）水下監(jiān)控器與通訊中繼平臺(tái)之間的通訊。第1種是水下短距無線通訊，第2種是水下長距無線通訊。

3.3 水下監(jiān)控器布設(shè)優(yōu)化技術(shù)

海洋面積廣闊，關(guān)鍵水道、重要航道、海峽既多且廣，不可能在所有關(guān)鍵海域水下都布設(shè)監(jiān)控器。水下監(jiān)控器的布設(shè)涉及到以下幾個(gè)方面：

1）布設(shè)海域。

這需要從敵我態(tài)勢及安全角度出發(fā)，通過評估優(yōu)化，確定需要布設(shè)海底柵欄的區(qū)域。

2）布設(shè)樣式。

對不同類型水域設(shè)計(jì)最優(yōu)的布設(shè)樣式。例如：對關(guān)鍵海峽進(jìn)行偵控，是在海峽的兩端布設(shè)還是在海峽內(nèi)測布設(shè)或者是其他方式；對敵方潛艇可能陣位的布設(shè)，是布設(shè)成圓形還是方形。這些都需要進(jìn)行綜合優(yōu)化評估，確定合適的方案。

3）布設(shè)層數(shù)。

層數(shù)越多投入越大，偵控效率越高。

4）布設(shè)深度。

不同的深度，水下監(jiān)控器對潛艇的探測能力不同。根據(jù)潛艇可能的潛航深度設(shè)計(jì)水下監(jiān)控器水下布設(shè)深度，以達(dá)到最大發(fā)現(xiàn)概率。

4 關(guān)鍵技術(shù)的可行性分析

4.1 水下多手段偵控技術(shù)的可行性

當(dāng)前搜反潛平臺(tái)主要裝備的搜潛設(shè)備有2類：1）聲吶設(shè)備；2）磁探測設(shè)備。除此之外，潛艇在水下航行，也會(huì)導(dǎo)致周圍水文環(huán)境的變化。如潛艇水下航行對航行區(qū)域水流水壓產(chǎn)生影響，且潛艇體積越大、航速越快對水下水文環(huán)境的影響越大。對水面艦艇來說，正常航行的水面艦艇對水下幾十米甚至幾百米下水文環(huán)境的影響，要比行駛在此深度的潛艇的影響小的多。特別是萬噸級以上的核動(dòng)力航母，其在水下航行時(shí)，對周圍水文環(huán)境的影響更大。因此，為了提高水下監(jiān)控器的水下偵控效果，除了將聲吶偵控技術(shù)、磁探測技術(shù)融合在一起之外，還可以融入水文感知技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對水下潛艇的快速偵搜。

隨著我國科技的發(fā)展，聲吶感知技術(shù)、磁探測技術(shù)和水文感知技術(shù)都已經(jīng)較為成熟，當(dāng)前的技術(shù)難題是如何根據(jù)聲吶、磁場、水文的變化來判斷是否有潛艇在附近活動(dòng)。這其中的核心就是數(shù)據(jù)融合與人工智能模式識(shí)別，目前已經(jīng)有人從事這方面的研究，《水中目標(biāo)信息智能識(shí)別方法研究》中提出了智能識(shí)別方法等[8]。當(dāng)前我國數(shù)據(jù)融合技術(shù)和智能模式識(shí)別技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，技術(shù)上不存在困難，主要困難來自用于訓(xùn)練智能模式識(shí)別的數(shù)據(jù)樣本。要訓(xùn)練機(jī)器根據(jù)多方面采集到的信息識(shí)別出潛艇以及潛艇的噸位、類型，需要大量數(shù)據(jù)。目前我們?nèi)鄙贁碀撏阅軈?shù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)偵搜到敵方潛艇的機(jī)會(huì)少之又少，更不要說獲取潛艇的相關(guān)數(shù)據(jù)。不過我們可以采用從簡到繁、從已知到未知的方法來逐步解決。首先，利用我們自己的潛艇來訓(xùn)練，通過采集我方潛艇相關(guān)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練智能識(shí)別系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)我們對敵潛艇數(shù)據(jù)的收集，修正模型，同時(shí)在實(shí)踐中逐步完善。

4.2 水下無線通訊技術(shù)的可行性

對于水下無線通訊技術(shù)，目前從公開資料來看，短距離水下通訊技術(shù)已經(jīng)不存在問題，如《水下光學(xué)無線通信的海水信道特性研究》中提出的光學(xué)無線通信技術(shù)[9]。目前，長距離水下通訊技術(shù)也已經(jīng)取得重大突破。

4.3 水下監(jiān)控器布設(shè)優(yōu)化的可行性

對于布設(shè)優(yōu)化技術(shù)，核心的是優(yōu)化算法，在人工智能仿生優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)非常完善的今天，已經(jīng)不是問題。

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)水下預(yù)警探測設(shè)備的局限性，圍繞提高水下預(yù)警探測系統(tǒng)的工作效率和可靠性，提出了新型水下監(jiān)控器的性能要求和技術(shù)指標(biāo)，分析論證了應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)及可行性，對于研制新型水下監(jiān)控器具有非常高的借鑒意義和助推作用。