小型航行体远程探测技术的分析与探讨

程 玲，阎振华

(中国舰船研究院，北京 100192)

小型航行体远程探测技术的分析与探讨

程 玲，阎振华

(中国舰船研究院，北京 100192)

由于小型航行体在浅海水域作战具有独特优势，对小型航行体的远程探测能力研究越来越受到各国海军的重视。本文主要对小型航行体的远程探测特点进行了分析，对提高远程探测能力的主要技术途径进行了探讨，并对发展趋势进行了展望。

海军;小型航行体;远程探测

0 引言

20世纪90年代以来，随着各国海军越来越重视舰艇编队在近岸水域的作战效能，舰艇编队在近岸水域面临的敌方威胁也越来越受到重视。舰艇编队在近岸水域面临的首要威胁当属敌方的常规潜艇，对低噪声潜艇的探测能力几乎成为舰艇编队能否取胜的决定因素。但由于近岸浅水水域水文条件复杂，各种水上运输船只较多，背景噪声嘈杂，反潜探测对目标信号的提取和识别时面临着巨大困难和干扰。而大型反潜平台与小型航行体相比存在着机动性差、目标明显、易遭受敌方打击及作战人员风险增大等劣势，使用以小型航行体为基础的无人作战平台理念和装备已成为各国海军发展的趋势。因此，提升小型航行体的自主作战能力——扩展小型航行体的远程探测效能，增大覆盖范围，有效掌控水下制控权，逐渐成为水下作战的关键，也越来越受到各国海军的重视。本文主要对鱼雷和无人作战平台等小型航行体的远程探测能力进行分析与探讨。

1 小型航行体远程探测特点分析

1.1 鱼雷

鱼雷自20世纪初应用于实战以来，便一直在反舰、反潜作战中发挥着重要作用。由于具有航行速度快、航程远、隐蔽性好、命中率高和破坏性大等特点，有着“水中导弹”的称号。鱼雷对目标的探测能力直接影响着战斗任务能否完成，探测能力主要由鱼雷的制导性能决定。在作战任务需求和技术发展的推动下，鱼雷的制导方式也在不断发展，经历了直航雷、声自导雷、线导雷、尾流自导雷等发展阶段。此前鱼雷的探测和导引主要使用声自导的方法，即利用声基阵发射声信号通过接收目标的回波或直接接收目标所辐射的噪声信号来探测目标的方位，并将鱼雷导向目标。鱼雷的声基阵通常安装在鱼雷的头部，由于鱼雷自身尺寸的原因，制约了基阵孔径的扩展及工作频率的降低，大多数鱼雷的声自导系统工作频率在20～40 kHz之间，极大地限制了检测目标低频辐射信号的能力，且海水对这一频段声波吸收较大，以至探测距离也停留在3 km以内的范围;基阵由于受雷体振动的影响，到达基阵信号的信噪比相对较低，不利于远程目标的探测。

现代舰艇壳体上采用了涂抹吸声层或敷设橡胶类隔层及采用无螺旋桨的泵喷射推进器和磁流体推进装置等新技术，大大降低了舰艇的声反射特性和航行时的噪声，使得舰艇不容易被探测。另外，由于浅海的噪声环境非常复杂，声自导所利用的水声信号同海洋环境噪声、鱼雷自噪声、人工干扰噪声、混响等容易混在一起，给鱼雷的信号提取和识别带来了巨大困难，从而造成了远距离目标探测能力的减弱，鱼雷声自导作用距离下降，大大缩小了鱼雷的有效攻击范围。例如:苏联潜艇采用代号为“集束卫士”的消声涂层后，使美国MK46、MK48鱼雷声自导作用距离减少了1/3，严重影响了鱼雷战术性能的发挥。

针对声自导鱼雷发展遇到的困扰，世界先进国家采用了线导+主/被动声自导技术，以提高鱼雷的抗干扰和目标检测能力。但是导引母体平台的安全始终是线导方法的诟病。线导雷使用的导线是铜线，而线导鱼雷的信号衰减量和导线的长度成正比，导致导线越长信号衰减量越大，限制了鱼雷的航程，尤其在航速很高时更是如此。

尾流自导是在20世纪70年代后期迅速发展起来的一种通过探测目标尾流场而进行跟踪的探测方法。基于尾流光学探测的自导鱼雷脱离了自导中常用的目标气泡声场探测，而以气泡光场变化进行尾流探测。因光波波长远小于声波波长，意味着光尾流比声尾流有更远的尾流自导作用距离，且较难被干扰和欺骗，使所有基于声学特征的干扰及对抗的水声器材完全失效。美国的MK 45F鱼雷采用了尾流自导技术，瑞典的TP61系列鱼雷具有线导/被动声自导功能，同时也具有尾流自导功能。但在海况不良的情况下，海洋中流作用产生的气泡将严重干扰尾流光探测，若单纯采用尾流自导，体现不出其远距离自导作用的优势。

目前，除了少数国家的鱼雷采用尾流自导外，声自导仍为鱼雷自导主流。高技术背景下的海战需求对鱼雷自导系统提出了增大微弱信号的探测能力和作用距离，提高目标参量估计精度，增强目标识别和反对抗能力，实现精确导引等能力的要求。

1.2 UUV

水下无人航行器(UUV)是一种可以由水面舰艇、潜艇、飞机等各种作战武器搭载的无人水下平台。20世纪80年代中期，UUV的军事运用开始受到国外军方的重视。美国海军设想未来的反潜主力便是水下无人航行器。UUV通过本身携带的各种传感器与多种作战武器，完成常规海上军事力量无法进行的行动，如收集信息和侦察目标(在潜艇无法活动的浅水区域进行情况收集、监视和侦察)、布放和清除水雷、对敌目标实施远距离攻击等，可以最大程度地完成保护军事人员和舰艇安全等任务，因此被视为现代海军的“力量倍增器”，在未来海战中有不可替代的作用。

UUV要完成所赋予的使命，就必须获取各种环境信息，特别是水下目标的信息，并由此做出作业决策。目前，应用在UUV上的声学装置主要有前视声呐、侧扫声呐、高低频合成孔径声呐和声导航声呐。

随着各国对UUV防御问题的重视以及防御能力的提高，UUV在执行作战任务时被发现的可能性大大增加，而UUV航速较低，一旦丧失隐蔽性，生存概率将大大降低。为了使UUV能满足作战需要，必须使其具有较强的远距离探测能力，才能在完成作战海域的监视侦察任务中缩小巡逻范围，监测更大范围的海域，在发现敌方目标舰船后可提前占据有利阵位，提高攻击命中概率。

2 提高远程探测能力的主要技术途径

为了提高鱼雷、UUV等小型航行体的远程探测能力，国外投入巨资开展了相关研究，主要通过采用新型材料和器件、开发新工艺、研究新的复杂信号处理技术等技术途径解决增大基阵孔径，降低工作频率，提高信噪比，最大限度提升探测效能。

2.1 新型基阵的运用

增大远程探测距离主要是通过提高探测系统的空间增益、降低工作频率、增强对微弱信号的检测能力等途径来实现。空间增益的提高需加大声学基阵尺寸，但由于声基阵通常安装在鱼雷的头部，基阵尺寸难以扩大，从而制约了基阵孔径的扩展及工作频率的降低。但拖曳线列阵和旁侧舷侧阵的出现对上述制约有着重大突破。

1)拖曳线列阵

拖曳线列阵实质上就是1个用长线展开的一系列水听器，远离鱼雷自噪声辐射源，使得鱼雷自导工作环境相对安静。鱼雷以低速搜索目标时，鱼雷的自噪声和辐射噪声相对大为减弱，因而有利于鱼雷隐蔽搜索和跟踪目标。拖曳线列阵工作频率可降至3 kHz以下，这样声传播衰减更小，而目标辐射噪声一般低频成分更多，可进行线谱检测;拖曳线列阵水听器数量如在36元以上，探测距离可达20 km，能真正实现“发射后不管”的理念。

美国轻型鱼雷Regal(Remote guided autonomous lightweight torpedo)采用了拖曳线列阵技术，线列阵长30 m，线列阵上各阵元的间距是不等的，用以接收不同频率的声信号，其工作频率可低至2 kHz以下，以被动方式工作，不受高频噪声干扰，自导作用距离可达5 000 m以上。

目前，拖曳线列阵技术在小型无人作战平台上已得到了应用。美国的技术验证型AUV Bluefin-21(图1)航行器上就配备了100 m的低频(＜1 kHz)矢量传感器拖曳阵(21元低频矢量拖线阵)，增强自适应环境采样和感知能力，并支持水下通讯网络。瑞典SAAB公司BOFORS水下系统分公司研发的AUV，除了安装拖曳阵声呐外，根据任务要求还安装了较宽范围的传感器，如多波束声呐、合成孔径声呐、参量声呐、光学传感器和地磁配置等传感器，以实现对目标的近中远程探测。

图1 AUV Bluefin-21尾部拖曳阵列(采用21元低频矢量拖线阵)Fig.1 Tow array at the end of the Bluefin-21 AUV(Which is made of 21 vector elements wiht low frequency)

2)旁侧舷侧阵

舷侧阵的出现，是水声技术史上的一次飞跃，也是对安静型潜艇的新挑战。该阵不破坏装载平台的线形，不影响平台的机动性能，充分利用平台的两侧，扩展基阵的孔径。与平面阵相比，接收面积可增大10倍以上，工作频率可下降1个数量级，基阵增益增大5 dB以上，在中等水文条件下可使被动声自导距离增大5倍以上。早在20世纪50年代，美国就开始潜装舷侧阵研究，世界第一部实用的舷侧阵声呐是美国的AN/BQG-5，试装在“阿戈斯塔”(SSN710)潜艇上并获得成功。

2002年相关材料报道了美国宾夕法尼亚州大学应用研究实验室研制的Seahorse AUV(图2)，其左舷和右舷两侧安装了被动声呐(LUPA)，可完成探测、分类、定位和跟踪等任务。侧面配置的低频声自导基阵采用与航行体共形技术，声探测工作频率可降至10 kHz以下，自导作用距离达3 000 m以上。

图2 Seahorse AUV舷侧阵模型Fig.2 Broadside array model of seahorse AUV

美国、德国、瑞典等国已在其鱼雷和UUV装备上成功地使用了舷侧阵和拖线阵，极大地提高了其装备的作战能力。

2.2 新型材料的使用

新材料新技术的出现和发展是推动远程探测能力提高的基础和动力，特别是新型功能材料，如弛豫铁电压电单晶材料、反铁电材料、光纤光栅技术等为远程探测能力开辟了美好前景。

由于光纤材料具有传递数据率高、速度快、衰减小，可靠性强的特性，目前在鱼雷和UUV上得到了大量运用。

光纤在鱼雷上的使用主要包括2个方面:一是将其用于鱼雷的线导技术，即用一条宽频带双向光纤通信线路取代现有的线导，这样既可增加频带宽度，又使敌方难以探测和干扰。法国用F17B鱼雷开展的放线试验，光纤长达20 km，意大利也进行了100 km光纤线导鱼雷的试验研究;二是鱼雷自导采用了光纤传感器，光纤传感器具有工作频带宽、频率低、抗电磁干扰能力强的特点。据报道，美国已研制出一种作用距离达数km的光纤自导头。

光纤在UUV中的使用主要是用于和母船的有线通信，实时传输图像信号，传输的数据率高达30 Mbits/s，如近期水雷侦察系统(NMRS)就采用了光缆通信方式。使用光纤水听器技术的拖曳线列阵已出现，并处于各国的关注及发展中。

2.3 信号处理新技术的开发

在信号处理新技术研究方面，开发全数字、商业化、并行高速的数字信号处理机，研究新的复杂信号时空处理方法，是满足远程探测的有效途径。

Mk48-6型先进通用宽频带声自导系统(CBASS)采用新的宽带处理算法，使鱼雷自导系统具有目标数据的自适应处理能力，能根据海区水深和目标特点自动改变波束形状、搜索和攻击弹道，使鱼雷在保持原有Mk-48ADCAP良好深水特性的同时，也能改善其浅水性能。

意大利和法国联合研制的“黑鲨”鱼雷装有ASTRA自导头，其主要采用空间滤波、频域滤波、数字脉冲压缩、回波空间相干分析、回波宽度扩展分析、回波角度扩展分析、调制包络分析和恒虚警处理等信号处理方法，在浅海复杂环境下也有优良性能，低频宽带主被动多波束三维信号处理技术使探测距离可达7 km，而一般高频声呐仅能达到2 km，并具备多目标检测和跟踪能力。

欧洲联合研制的MU90轻型鱼雷，声自导有6个频带波段，带宽超过10 kHz，主动探测距离超过2 500 m，并能有效抵御声学干扰。

美国战场预置自主式无人潜航器(BPAUV)是在“金枪鱼-21”UUV的基础上发展的，是一种成熟的AUV设计。航行器上455 kHz的侧扫声呐能提供7.5～10 cm分辨率图像。

挪威典型的无人潜航器，具有较高的智能程度，主要用途包括海底地貌绘制、航道勘测、水雷侦察以及快速环境评估等。“休金1000”UUV具有良好的稳性、水动力性能和操纵性，能配备不同类型的有效载荷，完成赋予它的各种使命;水下探测力极强，普通合成孔径声呐分辨率为100 mm×100 mm，而“休金1000”所用声呐分辨率可达20 mm×20 mm;能进行水雷对抗、快速环境评估、反潜作战以及针对恐怖活动的水下侦察等。

3 发展趋势

随着科学技术的飞速发展，小型航行体的远程探测能力也必将得到进一步提升，主要表现在以下方面:

1)继续向低频、大功率、宽带、大孔径基阵的方向发展

为了对付低噪声、隐身型潜艇，使用低频、大功率、宽带大孔径阵是有效途径。因为低频声的传输衰减很小，而且潜艇降噪在低频段的效果要比中高频段的差，同时消声瓦对于低频目标强度的降低也很有限;相对于被动探测而言，高声源级的低频主动探测方式对潜艇的威胁更大，它可以保证对潜艇的远距离攻击。

2)向系统性、综合性发展

探测系统将由单项功能的单个基阵逐步发展为由多个基阵组成的收－发分置、多传感器的综合探测系统。如为了实现鱼雷的精确制导，鱼雷自导可与线导系统、控制系统、鱼雷管理中心等联合为一体，确保鱼雷准确命中目标。鱼雷自导本身也向可获取更多信息、利用旁侧声呐、底视声呐和拖曳声呐等的“组合自导”方向发展。

3)向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展

现代探测设备，无论是换能器基阵、还是信号处理系统，都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少的优点。

4)向智能化方向发展

人工智能研究促进了探测系统向自适应化和智能化方向发展。根据探测系统自适应要求，应对复杂的海洋水声环境实时做出反应，自动做出判断并采取相应措施，使探测系统最大程度达到工作性能最佳化;能对来自于自然和人工的干扰目标进行识别，根据其不同的特征提取出有用的目标参量，瞄准目标进行最优控制，从而实现无人作战平台的人工智能，完成其作战使命。

5)联合探测

水下战中最大的威胁是安静性潜艇和水雷，最恶劣的环境是浅水环境。编队协同作战和多平台与多传感器的联合探测是未来水下战的有效作战模式。UUV(鱼雷)将作为水下隐蔽通讯的主要节点，为潜艇、多传感器和其他水面平台之间提供数据交换，并配合编队的指令完成精确打击任务。

4 结语

随着电子、通信、计算机和材料等各个工程应用研究领域的技术发展，小型航行体的远程探测技术也在不断地向低频远距离、宽带大孔径、智能联合探测等方向发展;提高系统的模块化和系统集成设计，实现小型航行体的系列化设计，将进一步提高小型航行体的远程探测精确性、多目标识别和信息大容量实时处理能力。小型航行体远程探测技术高智能化、系列化、多功能的发展趋势，必然成为未来水下战中关注的热点。

［1］解宝兴，郝拥军，程玲.水下远程探测的研究和发展方向［J］.舰船科学技术，2008，30(3):17 －21.

［2］钱建平，杨芸.国外鱼雷及自导技术现状与发展趋势［J］.舰船科学技术，2003，25(4):9 －15.

［3］陈强，张林根.美国军用UUV现状及发展趋势分析［J］.舰船科学技术，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，高级工程师，主要从事水下声系统信号处理等研究。