郝宇， 邱龍皓， 鄒男， 王燕， 梁國龍

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.海洋信息獲取與安全工業(yè)與信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué))，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著國防科技的迅猛發(fā)展，無人化與智能化已經(jīng)成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要發(fā)展趨勢。在海洋這片重要戰(zhàn)場上，無人水下潛航器(unmanned underwater vehicle，UUV)、無人水面艇(unmanned surface vessel，USV)等小尺度自主作戰(zhàn)平臺(tái)已經(jīng)開始展露鋒芒。這些無人平臺(tái)可由潛艇或水面艦艇發(fā)射，用于執(zhí)行偵察、監(jiān)視、情報(bào)、打擊等多種作戰(zhàn)任務(wù)。作為一種新型作戰(zhàn)平臺(tái)，已成為各國海軍競相研制、列裝的水下武備平臺(tái)。

未來水下戰(zhàn)爭的需求為無人平臺(tái)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。在美國《2025年自主潛航器需求》報(bào)告中，已將反潛戰(zhàn)作為無人平臺(tái)通過隱蔽和最前沿保障介入方式執(zhí)行的多種任務(wù)之一[1]。在危險(xiǎn)海域，可以使己方潛艇保持在安全海域，由攜帶水聲探測聲吶的無人平臺(tái)游弋于前方，自主、長時(shí)間地執(zhí)行探測任務(wù)，一旦發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，則自動(dòng)實(shí)施跟蹤，或者及時(shí)與指揮中心通信，根據(jù)指揮中心的命令實(shí)施相應(yīng)的操作。它可作為一個(gè)艇外傳感器或探測器，在既保證自身隱秘性，又不增加母艇危險(xiǎn)的前提下擴(kuò)大探潛范圍。美國國防部于2008—2018年陸續(xù)發(fā)布的4版《無人系統(tǒng)綜合路線圖》中指出，在未來戰(zhàn)場中不同空間域中無人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)將是必然的發(fā)展趨勢，最終實(shí)現(xiàn)由水下無人平臺(tái)、空中(包括太空)無人平臺(tái)和陸地?zé)o人平臺(tái)的協(xié)同作業(yè)，組成模塊化、分布式和網(wǎng)絡(luò)化的多無人平臺(tái)協(xié)同感知、探測與偵察系統(tǒng)[2-5]。

水下無人平臺(tái)的作戰(zhàn)能力主要取決于以下4個(gè)特征：1)傳感器/有效載荷；2)續(xù)航能力；3)自主性；4)指揮、控制和通信。其中，水下無人平臺(tái)的有效載荷包括目標(biāo)探測、水聲通信、水聲偵察、水聲信息支援對(duì)抗等。目標(biāo)探測載荷的任務(wù)是，利用目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)或者主動(dòng)聲吶信號(hào)的反射回波，搜尋敵方潛艇，并提供目標(biāo)方位指示。該任務(wù)載荷的探潛能力對(duì)拓展?jié)撏Х礉撊蝿?wù)海域、發(fā)揮潛艇作戰(zhàn)使用效能具有至關(guān)重要的作用。

聲吶探測過程的自主性需求是設(shè)計(jì)無人平臺(tái)探測聲吶時(shí)面臨的最主要挑戰(zhàn)[6-7]。在有人系統(tǒng)搭載的聲吶系統(tǒng)中，人在整個(gè)探測環(huán)路中扮演了重要的角色。有人探測聲吶系統(tǒng)的信號(hào)處理機(jī)將聲吶基陣采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，并將得到的信息反映在視覺和聽覺顯示器上。聲吶員結(jié)合顯示的信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)判決，同時(shí)根據(jù)檢測結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整聲吶工作狀態(tài)和參數(shù)，以更好地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索和跟蹤。與有人探測聲吶截然不同，無人探測聲吶需要在無人干預(yù)的環(huán)境下自主工作，這一特性限定了其所配備的信息獲取、檢測判決、狀態(tài)和參數(shù)控制等分系統(tǒng)都必須具備完全的自主決策能力。此外，受限于無人平臺(tái)的尺寸，可搭載的聲吶基陣的孔徑有限，這會(huì)影響系統(tǒng)能夠獲得的空間增益與分辨率。同時(shí)，聲吶系統(tǒng)還會(huì)面臨平臺(tái)自噪聲干擾、平臺(tái)能源限制、平臺(tái)機(jī)動(dòng)等諸多不利因素的影響。無人平臺(tái)自主探測聲吶面臨的全新挑戰(zhàn)使傳統(tǒng)的聲吶信號(hào)處理技術(shù)不再適用，因此，需要發(fā)展適用于無人聲吶的信號(hào)處理核心技術(shù)，以滿足其自主化、遠(yuǎn)距離、高性能的探測需求。

本文首先概述了國內(nèi)外無人平臺(tái)自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀，并以“基于矢量水聽器陣的無人平臺(tái)遠(yuǎn)程主被動(dòng)自主探測系統(tǒng)”為例，介紹了無人平臺(tái)自主探測聲吶的應(yīng)用及進(jìn)展。最后，對(duì)無人平臺(tái)自主探測聲吶的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 無人平臺(tái)自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀

為應(yīng)對(duì)未來安靜型潛艇所帶來的威脅，世界各國都在努力研制基于無人平臺(tái)的自主探測系統(tǒng)。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)于2010年啟動(dòng)了“反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人水面艇”(anti-submarine warfare continuous trail unmanned vessel, ACTUV)研究計(jì)劃[8]。DARPA希望借此計(jì)劃開發(fā)出成本較低的USV，以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方潛艇的長時(shí)間、大范圍的自主跟蹤，如圖1所示。2016年，ACTUV計(jì)劃的首艘技術(shù)驗(yàn)證艇“海上獵手”號(hào)下水，如圖2所示。作為世界上最大的無人水面艦船，其最大長度39.6 m，最高航速27 kn，作戰(zhàn)半徑達(dá)到3 000 km，可以連續(xù)執(zhí)行反潛任務(wù)至少70 d[9]?！昂Ｉ汐C手”號(hào)執(zhí)行反潛任務(wù)的核心聲吶設(shè)備是由美國雷聲公司提供的模塊化可擴(kuò)展聲吶系統(tǒng)(modular scalable sonar system，MS3)，MS3聲吶系統(tǒng)是雷聲公司生產(chǎn)的SQS-56中頻艦載聲吶的第5代產(chǎn)品，其主動(dòng)探測距離達(dá)到18 km，同時(shí)具有主被動(dòng)探測與跟蹤、魚雷預(yù)警以及自動(dòng)避障等功能[10-11]。借助于MS3聲吶系統(tǒng)，“海上獵手”號(hào)即可以對(duì)水下的當(dāng)前情況和突發(fā)威脅進(jìn)行自主判斷。為了讓MS3聲吶系統(tǒng)適應(yīng)無人平臺(tái)，雷聲公司對(duì)聲吶進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，大幅減少了元器件的數(shù)量，同時(shí)采用光纖水聽器作為聲吶的接收陣元，在提升靈敏度的同時(shí)，還降低了重量和功耗[11]。

圖2 “海上獵手”號(hào)無人艇Fig.2 USV-“Sea Hunter”

“海鷗”號(hào)是以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研發(fā)的一種自主式多用途無人水面艇，可執(zhí)行反潛戰(zhàn)、反水雷戰(zhàn)、電子戰(zhàn)等多種任務(wù)。為了讓“海鷗”號(hào)在反潛戰(zhàn)中更好地發(fā)揮作用，該公司已與多個(gè)機(jī)構(gòu)合作，嘗試將探測聲吶安裝于“海鷗”號(hào)上。最初，以色列海軍曾對(duì)著名的直升機(jī)遠(yuǎn)程主動(dòng)聲吶(helicopter long range active sonar, HELRAS)進(jìn)行了改進(jìn)，并安裝在“海鷗”號(hào)上使用[12]。2020年4月，美國GTI公司和Curtiss-Wright公司合作研發(fā)的收放式主被動(dòng)拖曳聲吶(towed reelable active passive sonar，TRAPS)被集成在“海鷗”號(hào)上[13]，如圖3所示。該聲吶結(jié)合了垂直主動(dòng)發(fā)射陣與被動(dòng)拖曳陣，具有小巧、輕便、成本低的特點(diǎn)，無需復(fù)雜的系統(tǒng)完成拖曳陣的收放，十分適合于應(yīng)用在UUV、USV等小型平臺(tái)上。GTI公司聲稱，該聲吶系統(tǒng)可工作于低、中、高頻，且具有左右舷分辨、實(shí)時(shí)多目標(biāo)探測、定位、跟蹤和識(shí)別等能力[14]。2020年6月，在英國國防部的組織下，“海鷗”號(hào)在英國近海進(jìn)行了試驗(yàn)。在這次試驗(yàn)中，“海鷗”號(hào)上搭載了美國L3哈里斯公司研發(fā)的聲吶，證明了“海鷗”號(hào)的自主反潛能力[15]。

圖3 搭載TRAPS聲吶系統(tǒng)的“海鷗”號(hào)無人艇Fig.3 USV-“Seagull” with TRAPS sonar system

除USV外，各國也十分重視利用UUV來執(zhí)行未來的反潛任務(wù)。DARPA于2016年提出了移動(dòng)舷外秘密通信與途徑(mobile offboard clandestine communications and approach，MOCCA)計(jì)劃，旨在提升潛艇的探測距離，并降低自身被鎖定的風(fēng)險(xiǎn)[16]。MOCCA計(jì)劃尋求主動(dòng)聲吶探測解決方案，以彌補(bǔ)潛艇搭載的被動(dòng)聲吶的缺陷。MOCCA計(jì)劃的核心是一種工作在潛艇舷外的UUV，該UUV小于21英寸，具備在水中復(fù)雜環(huán)境下工作的能力，搭載高性能主動(dòng)探測聲吶，同時(shí)還能將探測信息實(shí)時(shí)、秘密地傳送給己方潛艇[17]。BAE系統(tǒng)公司獲得了MOCCA第1階段的研究合同，致力于解決UUV搭載的主動(dòng)聲吶的效率問題，以提升探測能力[18]。2019年，美國海軍正式向波音公司訂購了4艘“奧卡”超大型UUV，如圖4所示。“奧卡”由波音公司的“回聲旅行者”型UUV改造而來，可用于執(zhí)行反潛作戰(zhàn)、反水面艦作戰(zhàn)、反水雷作戰(zhàn)等任務(wù)[7,19]。美國海軍希望在“奧卡”舷側(cè)設(shè)計(jì)72或96元水聽器聲吶陣列[7]，以探測敵方潛艇的位置。在將情報(bào)發(fā)送給水面艦與反潛直升機(jī)的同時(shí)，“奧卡”還能對(duì)敵方潛艇進(jìn)行長時(shí)間的自主跟蹤，并利用其攜帶的重型魚雷實(shí)現(xiàn)自主攻擊。

圖4 “奧卡”超大型UUV概念圖Fig.4 Extra Large UUV-“Orca”

北大西洋公約組織的水下研究中心(NATO Undersea Research Centre，NURC)也很早就投入到了無人自主探測聲吶的研究之中，并在2009年完成了一次基于UUV的雙基地聲吶自主探測試驗(yàn)[20]。在該試驗(yàn)中，NURC在海底布置了聲源作為發(fā)射站，并將自研的細(xì)拖曳陣聲吶系統(tǒng)(slim towed array，SLITA)搭載在“海洋探險(xiǎn)者”UUV上，作為接收站，如圖5所示?！昂Ｑ筇诫U(xiǎn)者”長度為4.5 m，直徑0.53 m，當(dāng)搭載拖曳陣聲吶時(shí)，其最高航行速度為3 kn，續(xù)航時(shí)間7 h。SLITA擁有83個(gè)換能器，最多可同時(shí)配置其中的32個(gè)。該聲吶目前提供了4種工作陣元配置，所對(duì)應(yīng)的工作頻帶覆蓋了714 Hz～3 471 Hz的范圍，使聲吶可以工作在較低頻的被動(dòng)模式與較高頻的主動(dòng)模式。該套聲吶系統(tǒng)可基于實(shí)時(shí)探測結(jié)果對(duì)UUV的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃，使SLITA的法線方向自適應(yīng)指向目標(biāo)方位，以擴(kuò)大陣列的有效孔徑，提高方位分辨率。

圖5 搭載SLITA聲吶系統(tǒng)的“海洋探險(xiǎn)者”UUVFig.5 UUV-“Ocean Explorer” with SLITA sonar system

新加坡國立大學(xué)聲學(xué)研究室研發(fā)了數(shù)字式細(xì)線拖曳陣聲吶系統(tǒng)(digital thin line array，DTLA)[21]，如圖6所示。DTLA擁有12個(gè)聲學(xué)通道，直徑僅為15 mm。DTLA的輕便特性使其十分適合搭載于小型UUV平臺(tái)上。該研究室利用自研的“STARFISH”小型UUV搭載DTLA，如圖7所示，在外場環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的自主探測，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了離線的目標(biāo)跟蹤[22]。

圖6 DTLA聲吶系統(tǒng)的拖曳陣Fig.6 Towed array of DTLA sonar system

圖7 “STARFISH”小型UUVFig.7 Small UUV-“STARFISH”

隨著減震降噪技術(shù)的發(fā)展，水中目標(biāo)的聲隱身性顯著提高。而為了提高與之相對(duì)抗的自主探測能力，需要進(jìn)一步增加聲吶的陣元個(gè)數(shù)和陣列孔徑，但受限于無人平臺(tái)的尺寸以及布放、回收等實(shí)際操作需要，這一要求往往難以滿足。矢量水聽器的出現(xiàn)為該問題的解決指出了新的方向[23-24]。相比于傳統(tǒng)聲壓水聽器，矢量水聽器兼有聲壓的和相互正交的質(zhì)點(diǎn)振速分量輸出通道，能夠提供更為全面的聲場觀測結(jié)果，與此同時(shí)，其體積小、重量輕，對(duì)發(fā)展小平臺(tái)聲吶系統(tǒng)具有重要意義。研究表明，不同于聲壓傳感器的全指向性，振速傳感器陣元本身就具有偶極子指向性，利用這一特性，從干擾抑制的角度來看，單個(gè)矢量傳感器就具有對(duì)空間中的點(diǎn)源強(qiáng)目標(biāo)干擾信號(hào)的抑制能力，而從方位估計(jì)的角度來看，單個(gè)矢量傳感器就可以從振速場中提取出目標(biāo)的方位信息，從而實(shí)現(xiàn)360°的無模糊定向；另一方面，利用遠(yuǎn)場點(diǎn)源信號(hào)和環(huán)境噪聲在聲壓振速相關(guān)性上的不同，單個(gè)矢量水聽器在各向同性噪聲場中能獲得一定的空間增益，提高在低信噪比環(huán)境下的信號(hào)處理能力?；谶@些優(yōu)勢，成陣后的矢量水聽器陣列能夠在相同的布陣條件下，達(dá)到更好的強(qiáng)目標(biāo)干擾抑制能力、更好的空間分辨能力以及更高的空間處理增益，為在復(fù)雜的水聲環(huán)境下提高聲吶系統(tǒng)的遠(yuǎn)程目標(biāo)探測能力提供了物理基礎(chǔ)[25]。近年來，已經(jīng)有多個(gè)外國研究機(jī)構(gòu)嘗試在無人平臺(tái)上搭載矢量水聽器，以執(zhí)行自主探測任務(wù)。美國麻省理工大學(xué)將一條長為100 m矢量水聽器拖曳陣搭載在“Bulefin-21”型UUV上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦船的探測和跟蹤[26]，如圖8所示。意大利比薩大學(xué)與意大利海軍和北約科技組織海事研究和實(shí)驗(yàn)中心(Center for Maritime Research and Experimentation，CMRE)合作，利用搭載在“eFolaga”型UUV上的單矢量水聽器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)1 kHz線譜目標(biāo)的實(shí)時(shí)被動(dòng)檢測與方位估計(jì)[27]，如圖9所示。葡萄牙海軍研究中心與葡萄牙大學(xué)合作，將雙加速度計(jì)矢量水聽器(dual accelerometer vector sensor，DAVS)搭載于“MARES”型UUV上，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的定位[28-29]，如圖10所示。CMRE還嘗試將三維矢量水聽器加裝于水下滑翔機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲目標(biāo)的定位[30]，如圖11所示。

圖8 搭載矢量水聽器拖曳陣的“Bluefin-21”型UUVFig.8 Bluefin-21 UUV with a vector hydrophone towed array

圖9 搭載矢量水聽器的“eFolaga”型UUVFig.9 UUV-eFolaga with a vector hydrophone

圖10 搭載DAVS系統(tǒng)的“MARES”型UUVFig.10 UUV-MARES with DAVS sonar system

在國內(nèi)的水下無人自主探測聲吶領(lǐng)域，哈爾濱工程大學(xué)、中科院聲學(xué)所等單位起步較早，這些單位研制的自主探測聲吶設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過湖海試驗(yàn)驗(yàn)證。哈爾濱工程大學(xué)水聲定位與目標(biāo)探測研究團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)矢量聲吶信號(hào)處理和自主聲吶探測領(lǐng)域研究的先驅(qū)者，基于近20年的研究成果，在“十二五”期間，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了“基于矢量水聽器陣的無人平臺(tái)遠(yuǎn)程主被動(dòng)自主探測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已經(jīng)過多次的外場試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠有效地完成對(duì)水下、水面目標(biāo)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)自主探測。

圖11 搭載3維矢量水聽器的水下滑翔機(jī)Fig.11 Buoyancy glider with 3-D vector hydrophone

從上述的國內(nèi)外無人平臺(tái)自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀中可以看出，隨著USV、UUV等無人平臺(tái)進(jìn)入快速發(fā)展階段，能夠?qū)崿F(xiàn)自主檢測、測向、跟蹤的無人探測聲吶系統(tǒng)已趨于成熟，必將在水下戰(zhàn)場上發(fā)揮重要作用。但是，目前的無人平臺(tái)自主探測聲吶主要采用單平臺(tái)獨(dú)立工作模式，基于多無人平臺(tái)的分布式、網(wǎng)絡(luò)化探測系統(tǒng)尚未形成。

2 無人平臺(tái)自主探測聲吶的應(yīng)用

“十二五”期間，哈爾濱工程大學(xué)水聲定位與目標(biāo)探測研究團(tuán)隊(duì)攻克了近場強(qiáng)干擾背景下的矢量水聽器線列陣遠(yuǎn)程弱目標(biāo)被動(dòng)探測、高穩(wěn)健性矢量陣波束形成、高相對(duì)速度下的矢量水聽器線譜檢測等多項(xiàng)自主探測關(guān)鍵技術(shù)，研制了“基于矢量水聽器陣的無人平臺(tái)遠(yuǎn)程主被動(dòng)自主探測系統(tǒng)”。研制的原理樣機(jī)搭載大型UUV、USV等多個(gè)無人平臺(tái)，在湖上、海上典型環(huán)境下，對(duì)原理樣機(jī)的性能、技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)、環(huán)境適應(yīng)性等進(jìn)行了充分考核和驗(yàn)證。搭載航行中的無人平臺(tái)，分別對(duì)靜態(tài)目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了自主、全向、無模糊探測，為無人平臺(tái)提供了精確的目標(biāo)方位信息，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了人不在環(huán)條件下對(duì)目標(biāo)的自主探測。

該系統(tǒng)的濕端為4個(gè)矢量水聽器子陣組成的線列陣，矢量水聽器子陣如圖12所示。為進(jìn)一步優(yōu)化矢量水聽器線列陣的適裝性，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了矢量水聽器陣小型化設(shè)計(jì)，以提高無人平臺(tái)航行時(shí)的機(jī)動(dòng)性能，小型化矢量水聽器線列陣與原矢量陣的實(shí)物對(duì)比如圖13所示。

圖12 矢量陣子陣實(shí)物圖Fig.12 Vector hydrophone subarray

圖13 小型化矢量陣與原矢量陣的對(duì)比Fig.13 Comparison between miniaturized vector hydrophone array and original array

在外場試驗(yàn)中，該自主探測系統(tǒng)搭載無人平臺(tái)進(jìn)行了主被動(dòng)探測性能驗(yàn)證。下面給出部分外場搭載試驗(yàn)的結(jié)果。

2.1 靜態(tài)目標(biāo)被動(dòng)探測結(jié)果

首先給出了靜態(tài)目標(biāo)的被動(dòng)探測結(jié)果。目標(biāo)探測結(jié)果如圖14所示，其中參考基準(zhǔn)方位由水下無人平臺(tái)內(nèi)記的導(dǎo)航數(shù)據(jù)結(jié)合聲源GPS坐標(biāo)計(jì)算得到。無人平臺(tái)在水下航行過程中，矢量陣自主探測系統(tǒng)將目標(biāo)探測結(jié)果實(shí)時(shí)提供給無人平臺(tái)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)記，下圖顯示的均為無人平臺(tái)內(nèi)記數(shù)據(jù)的回放。從圖中可以看出，該矢量陣探測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)360°全向、無左右舷模糊的自主探測，且具有低虛警概率和低漏報(bào)概率的特點(diǎn)。

圖14 靜態(tài)目標(biāo)被動(dòng)探測性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Passive detection experiment results of static target

2.2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)被動(dòng)探測結(jié)果

下面給出了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的被動(dòng)探測結(jié)果。本試驗(yàn)以運(yùn)動(dòng)小艇為探測目標(biāo)。小艇在水面自由航行，UUV在水下7 m運(yùn)行，跟蹤水面目標(biāo)，目標(biāo)探測結(jié)果如圖15所示。從圖中可以看出，運(yùn)動(dòng)小艇的方位軌跡清晰，目標(biāo)探測性能優(yōu)越。

圖15 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)被動(dòng)探測性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Passive detection experiment results of moving target

2.3 主動(dòng)工作模式下的探測結(jié)果

下面給出該系統(tǒng)主動(dòng)工作模式下的探測結(jié)果。圖16～18分別給出了探測聲吶對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的測距、測向以及測速結(jié)果，其中三角表示GPS測量的水平方位和距離結(jié)果，實(shí)線表示目標(biāo)模擬回波發(fā)射的真實(shí)速度，點(diǎn)表示各周期下主動(dòng)探測聲吶系統(tǒng)對(duì)距離、方位以及徑向速度的估計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出，工作在主動(dòng)模式時(shí)，無人平臺(tái)自主探測聲吶能夠?qū)δ繕?biāo)的距離、方位和運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)精確估計(jì)，探測性能優(yōu)越。

圖16 目標(biāo)主動(dòng)探測距離估計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Active detection experiment results of target range estimation

圖17 目標(biāo)主動(dòng)探測方位估計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Active detection experiment results of target direction-of-arrival estimation

圖18 目標(biāo)主動(dòng)探測航速估計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Active detection experiment results of target speed estimation

3 展望

無人平臺(tái)在未來的水下戰(zhàn)爭中將扮演更加重要的角色，也必將承擔(dān)更加復(fù)雜多樣的作戰(zhàn)任務(wù)。無人平臺(tái)的多維度、多基地、一體化的作戰(zhàn)需求驅(qū)動(dòng)著自主探測聲吶向智能化、模塊化、協(xié)同化、編隊(duì)化的方向發(fā)展。

1)智能化。

近年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，這也給無人平臺(tái)聲吶的智能化發(fā)展提供了契機(jī)。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)無人平臺(tái)聲吶能夠采集到大量的海洋數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，其能夠以系統(tǒng)任務(wù)為導(dǎo)向，在未知外部環(huán)境和目標(biāo)特性的前提下，對(duì)平臺(tái)的探測手段、決策過程、工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化和修正，且隨著執(zhí)行任務(wù)次數(shù)的增多，無人平臺(tái)聲吶的“進(jìn)化”也會(huì)愈加完善。

2)模塊化。

目前，無人平臺(tái)自主探測聲吶大多是為特定無人平臺(tái)的特定任務(wù)而定制的。當(dāng)該任務(wù)結(jié)束時(shí)，該聲吶設(shè)備難以直接應(yīng)用于新無人平臺(tái)的新任務(wù)場景，一般需要對(duì)聲吶設(shè)備進(jìn)行成本高昂地升級(jí)和維護(hù)。發(fā)展具備開放式結(jié)構(gòu)、通用接口與協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)互操作配置文件的模塊化聲吶設(shè)備，有助于該問題的解決[7]。模塊化無人聲吶設(shè)備能夠在不同類型的無人平臺(tái)上以“即插即用”的方式實(shí)現(xiàn)自主探測功能，將成為未來的發(fā)展熱點(diǎn)。

3)協(xié)同化。

基于單無人平臺(tái)、單聲吶基陣的自主探測系統(tǒng)的作用距離有限，難以滿足未來水下戰(zhàn)爭的需求?；诙酂o人平臺(tái)、多聲吶基陣的分布式、一體化協(xié)同探測網(wǎng)絡(luò)有助于解決這一問題。一方面，多無人平臺(tái)進(jìn)行機(jī)動(dòng)可以顯著地?cái)U(kuò)大幾何探測范圍；另一方面，對(duì)多個(gè)無人平臺(tái)聲吶的探測信息進(jìn)行目標(biāo)級(jí)或特征級(jí)融合有助于獲得更好的探測效果。

4)編隊(duì)化。

作為未來海軍裝備的重要部分，無人平臺(tái)將會(huì)與其他平臺(tái)合作形成作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)完成任務(wù)，這些平臺(tái)既包括艦船、潛艇等水面、水下有人平臺(tái)，還包括了戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等空中作戰(zhàn)平臺(tái)。各類平臺(tái)形成的一體化海空作戰(zhàn)編隊(duì)是未來戰(zhàn)爭的重要發(fā)展方向。在編隊(duì)化過程中，無人平臺(tái)聲吶不但要與有人平臺(tái)聲吶進(jìn)行信息互通，還要結(jié)合一些非聲探測信息，共同完成對(duì)水下高威脅目標(biāo)的精確鎖定。