1、水下探测技术及装备文献调研1 分布式水下监测上世纪 60 年代开始，美军耗费巨资发展固定式水声监视系统，在大西洋和太平洋布设深海水听器阵，通过电缆连接到岸上的分析中心，电缆总长度超过30000 海里，是冷战时期反潜的主要手段之一。因为水听器阵在深水固定，工程难度大，难以维护更新，大量电缆也容易受到鱼群的攻击，因此随着“网络中心战” 与美国海军 “近海战场空间优势”概念的推出，新一代水下分布式探测技术作为作战网络体系中的一个重要组成部分被提上日程。美国海军的海网水下声学网络（Seaweb） 1-4是分布式水下探测的典型代表。该计划由美国海军研究局和空海战系统中心主持，其目的是在军事上构建可布防的
2、自主分布系统，用于沿海广大区域的警戒、反潜和反水雷，在民用领域可以实施控制、通信和导航功能，节点之间采用水下声学通信技术。从 1998 年起至 2008 年，Seaweb 的研究进展与应用不断涌现，试验了其在多种场合下的应用，如海洋环境测量、使用水下无人潜航器（UUV ）作为移动节点、潜艇与水声网络的通信等。到目前为止，Seaweb 是规模最大的在研实用水声网络，其网络节点已达 17 个。已具有较强的自组织能力，如自动进行节点识别、时钟同步（0.1s-1.0s 量级） 、节点自定位（100m 量级） 、节点更新和失效后的网络重新配置等。近年来，美国空间与海上系统司令部、海军研究办公室和国防高级
3、研究计划局（DARPA ）等部门相继表示，将继续为水下分布式系统引入更先进的技术5，其中“可布设自主管理分布式系统 ”DADS（Deployable Autonomous Distributed System）成为发展的重点。该系统将能够大大提高美国海军在近海区域的情报、侦察和监视能力，有效应对来自敌方国家低噪声柴电潜艇的威胁。DADS 是利用布放于海床的分布式无人传感器节点建立的近海海域警戒系统，节点固定布放在水深 50-300m 的海底，传感器节点间距 2-5km，由潜艇、水面舰只、飞机或 UUV 等布放，每个节点重 16-19kg，设计寿命为 180 天。节点包含一个由 28 个水听器和
4、 3 个磁力计组成的阵，附带独立的信号处理单元，采用水声调制解调器同其它节点或网关进行链接，主要用于侦测和跟踪近海水域的水面和水下目标。系统由探测节点、通信网关和控制终端组成。位于探测节点的信号处理部件完成检测、识别、特征提取、跟踪、航迹关联等功能，然后通过通信网关将信息发送至控制终端，终端可以对节点和网关进行控制，并显示系统当前状态和侦察情报的信息。DADS 系统目前仍处于不断测试、不断完善的阶段。在美国海军潜艇联合会 2006 年举办的潜艇技术论坛上，披露了当今世界上最先进的水下网络计划之一，美国“近海水下持续监视网”PLUSNet（Persistent Littoral Undersea
5、 Surveillance Network program） 。PLUSNet 是以 SSGN（巡航导弹核潜艇）为母船、以 UUV 等为活动节点组成的大规模有缆与无线综合集成的网络，由携带半自主传感器的多个潜航器组成，这些潜航器能够互相通信，并在没有人为指令的情况下做出基本决策，从而履行多种功能。PLUSNet 计划由美国宾夕法尼亚大学承担，耗资 2770 万美元，美国海军希望其能在 2015 年前后具备完全作战能力。2 蛙人探测声纳蛙人体积小，水下噪声极低因此无法使用被动声纳探测。2000 年 10 月，美军驱逐舰“ 科尔” 号在也门受到蛙人的攻击，导致 17 名水手死亡，舰艇严重受损。目前
6、世界各国都在大力发展蛙人主动探测声纳技术 6。美国海军应用的“ 冥府守门犬 360”能自动探测、分类和跟踪水下威胁，该系统的声纳单元能在 800m 范围内对蛙人进行探测，并且可以在水下 500m 距离内识别出人类特有的胸腔。该系统的一个独立单元就可以覆盖 360范围，这些声纳单元可以悬挂在船舷两侧为舰船提供保护，也可以把许多单元部署在海床上，形成一道警戒线，保护海港和航道的安全。英国的手持式蛙人侦察系统（DRS）能够在水下 100m 深度工作，DRS 系统的探测主要是依赖一部前视高频（500kHz）电子扫描声纳，一般情况下该声纳能够在 230m 距离上探测到一个-25dB 的目标，导航系统采用
7、长基线主动声学方式，通过该技术，导航误差可以控制在 0.5m，最大导航距离可达 1200m。以色列新型蛙人探测声纳（Diver Detection Sonar，DDS ）被认为是目前世界上唯一能远距离探测封闭式呼吸蛙人的可靠系统。对一个携带封闭式呼吸装置的蛙人，DDS 最小的探测距离达到 700m；对于使用开放式呼吸器的蛙人，DDS 探测距离达到 1000-1200m；对于有动力系统的蛙人运载器，DDS 探测距离能够延伸到 1400-2000m。俄罗斯、乌克兰研制的探测系统采用匹配场设计原理，最大特点是可以探测带吸声材料的隐身蛙人，探测距离达 100m 左右。挪威考达公司的 Echoscope
8、 系列声纳采用三维成像技术用于水下目标成像和蛙人探测。国内目前在蛙人探测方面已有成型产品，国家科技部“863”计划项目“合成孔径声纳（SAS）成像技术 ”目前在水下试验中取得了令人满意的结果。中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所等单位联合开发的水下反恐监控系统也已成功应用于上海世博会和奥运会的水下安保，据报道可以有效探测到水下六百米内的蛙人。3 拖曳阵声纳传统的大功率声纳都要依托舰艇平台，因而受到许多限制：1）空间有限，特别是容纳阵列声纳的空间有限，制约了声纳性能的提高；2）来自舰艇平台的自噪声（包括航行水噪声）是声纳工作无法避免的干扰源；3）对水面舰艇来说，声纳不能根据水文条件（
9、声速分布情况）的变化而改变声纳深度，因此不能随时接收最佳的水声信号。拖曳变深声纳的出现，部分地突破了上述局限。为扩展阵列声纳孔径，变深声纳的拖体逐渐演变成数百米甚至更长的长线阵列，最终形成了拖曳线列阵声纳。拖曳线列阵声纳也称“ 拖曳阵声纳 ”，它是将水听器镶嵌在电缆上形成阵列，由拖曳电缆拖在艇尾后在水中探测目标的声纳，由线列基阵、拖曳电缆、收放装置和绞盘、电子机柜等组成，主要用于听测潜辐射噪声，进行远程监视、测向和识别，有的也可用于测距。拖曳线列阵一般由前导段、仪器段、基阵段、后导段和尾段构成，阵长数十米至数百米，工作深度可变。拖线阵中的传感器有水听器模块和非声模块，后者用以监控阵形和姿态。拖
10、曳阵声纳具有如下优点：1）基阵尺寸大、工作频率低、利于线谱检测，能远距离隐蔽地发现目标；2）基阵入水较深，通过控制拖缆长度可调节基阵入水深度，以工作于有利水层；3）基阵远离平台，受平台噪声干扰小，作用距离远；4）基阵可随时收回，维修方便。缺点是基阵、拖缆和收放装置占用运载平台的空间大，拖体放入水中工作时，对拖带舰艇的旋回和倒车等机动有不利影响。拖曳阵声纳按用途可分为战术型拖曳列阵声纳和监视型拖曳列阵声纳两种 7。战术型拖曳线列阵声纳用于装备大、中型反潜水面舰艇和攻击潜艇，拖曳电缆与线列阵总长达 1000-2000m，被动探测距离 50 海里 -100 海里，最大拖曳航速可达 30 节，可与舰壳
11、声纳配合工作，被动接收主动声纳信号在目标上产生的回波，其作用距离远大于舰壳声纳或拖体声纳单独工作时的主动探测距离，从而提高水面舰艇反潜搜索能力。美国海军当前装备水面舰艇的 AN/SQR-19 被动声纳，声阵长 240m，拖缆长 1680m，拖曳深度达 360m，在大洋中探测距离可超过 120km，是目前世界上最先进的战术拖曳阵声纳。它在综合反潜系统中承担了大范围远距离初始探测任务，初探之后，舰载反潜直升机迅速飞往目标区域，使用机载探潜设备实施对潜精确定位，而后用机载反潜武器攻击或经数据链给母舰传输目标数据由舰载远程武器对潜攻击。监视型拖曳线阵列声纳，主要装备于海洋监视船，其拖曳航速极低，拖曳电
12、缆与线列阵总长 5000m 以上，在低声频和次声频段工作时，被动探测距离可达 300 余海里。随着潜艇降噪技术的进展，安静型常规动力潜艇的出现，特别是不依赖空气推进技术投入应用，使潜艇辐射噪声大大减小，随后核动力潜艇降噪也获得相应的进展，使被动声纳探测目标变得困难。人们把目光又投向主动式探测声纳，开始了低频主动拖线阵声纳研究。主动拖线阵声纳利用低频长发射脉冲、大孔径声纳系统来增大探测距离。英国是第一个开始主动式拖曳线阵列声纳研究的国家，它的 ATAS 试验阵受到世界各主要海军国家的高度重视，这种声纳继承了被动拖曳阵声纳的技术优势，使用大孔径低频线阵作为接受阵，配以低频大功率发射阵，由水面舰艇拖
13、曳使用。北约水下研究中心在上世纪 80 年代初就进行主动拖曳阵声纳的方案和技术可行性研究，1992 年主动拖线阵声纳首次参加北约组织的“ 龙锤” 演习，后在英吉利海峡多次组织海试，假想目标为意大利的“托蒂”潜艇和德国的 U30 型潜艇，试验使用主动拖线阵声纳的发射声系统和拖体，得到了颇有价值的成果。4 水下激光侦察1963 年，人们在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对 0.47-0.58m 波段内的蓝绿激光的衰减比对其它波段的衰减要小得多，从而证实在海水中存在一个理想的透光窗口。这一物理现象的发现使激光水下探测成为可能。美国、前苏联、澳大利亚等国均投入了大量的人力和物力，在水下激光测距、
14、成像等领域进行了广泛的研究，并在一些重点方向上取得了突破进展。水下激光探测模式可分为两类：直接探测（也称能量探测）和光外差探测（也称相干探测） 。直接探测法的基本原理是光电探测系统直接响应激光回波光场的强度变化，并把回波光场相应地转化为电压或电流的变化信号。光外差探测系统中的光电探测器响应的是回波信号与本振光波的混频信号，利用了激光回波光场的频率和相位变化两个物理量。该探测模式虽然在强背景噪声条件下的信噪比较大，但它要求单色、高稳定度的本振激光器，这对气体激光器来说较易做到，但对固体激光器来说难度较大；并且光外差探测性能受海水浑浊度的影响较大，使混频效率大为降低；在光外差探测的实际系统中，要求
15、接收的信号光波与本振光波有严格的时空关系，因而限制了接收视场，减小了接收信号功率。相比之下，光外差探测结构复杂，而直接探测是一种简单、实用的探测模方式，在水下激光探测中被广泛采用。美国是开展海洋激光探测技术研究最早的国家。1968 年美国 Syracuse 大学建造了世界上第一个光海洋深度测量系统，初步建立了海洋激光探测技术的理论基础。此后，瑞典、加拿大、俄罗斯等国也相继开展了蓝绿激光水下探测技术的研究工作。美国从上世纪 80 年代开始研制机载激光探潜系统，最为典型的是卡曼公司研制的直升机载“魔灯” 激光探潜系统。该系统采用了大功率的绿光输出，输出脉冲的能量达 500mJ，脉冲频率 40Hz。
16、接收机使用 6 个 CCD 摄像机，利用选通技术克服后向散射光影响，探测深度可达 30m。其他国家也相继制出了性能先进的机载激光探潜系统，如俄罗斯的“ 紫石英” 机载激光探潜系统，瑞典和加拿大联合研制的“鹰眼” 机载激光探潜系统等，这些系统的探测深度均在 30m 以上。20 世纪 90 年代发展起来的水下激光测距和成像系统，可装在潜艇、水面舰船底部或装在水下无人器上，执行水下侦察、猎雷或反潜任务 8-9。参考文献1J. Rice. Enabling Undersea FORCEnet with Seaweb Acoustic Networks. Biennial Review 2003, SS
17、C San Diego TD 3155C. 2003: 174-180.2J. Rice, et al. Networked Undersea Acoustic Communications Involving a Submerged Submarine, Deployable Autonomous Distributed Sensors, and a Radio Gateway Buoy Linked to an Ashore Command CenterC/Proc. UDT Hawaii, 2001.3I. F. Akyildiz, D. Pompili, T. Melodia. Und
18、erwater Acoustic Sensor Networks: Research ChallengesC/Ad Hoc Networks(Elsevier), 2005, 3(3): 257-279.4Zheng Jun-Jie, An Effective Submarine Detection Technology: Underwater Sensor Networks, 2001 IEEE International Conference on Information Theory and Information SecurityC/2011: 417-421.5李汉清, 戴修亮. 美
19、国海军正在发展的水下探测系统J. 情报指挥控制系统与仿真技术, 2004, 26(8): 37-42.6Colin M G E D, Beerens S P, Ainslie M A. Optimum sonar frequency for diver detection in harborsC/International Conference on Detection and Classification of Underwater Targets 2007. Proceedings of the Institute of Acoustics, 2007, 29: 213-220.7邵云生, 彭会斌. 国外拖曳线列阵声纳技术现状与发展趋势 J. 舰船电子工程, 2011, 31(1):10-15.8陈超. 水下目标光电探测技术及其进展J. 应用光学, 2011, 32(11): 1060-1063.9章正宇. 激光水下目标探测技术的应用及其进展J. 中国激光 , 2004, 31suppl(3): 220-224.
