水下特种防御作战中港口防御探测系统的应用与设计

郭万海，滕 俊，王作超

(1．海军大连舰艇学院信息作战系，辽宁大连116018;2．海司军训部，北京100360;3．海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连116018)

水下特种防御作战中港口防御探测系统的应用与设计

郭万海1，滕 俊2，王作超3

(1．海军大连舰艇学院信息作战系，辽宁大连116018;2．海司军训部，北京100360;3．海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连116018)

对水下特种防御作战的概念进行描述。重点分析港口水下防御的特点及难点，并对港口水下防御系统的战术应用进行研究，最后设计利用无人潜航器装备旁视声呐实现对港口水下防御探测。为发展符合水下特种防御作战要求的警戒装备，构建水下探测系统全面实现水下特种作战防御体系提供依据。

特种防御;蛙人;无人潜航器

0 引言

水下特种防御作战是水下特种作战的一种形式，主要是在港口、码头、近岸或者舰艇锚泊时，综合运用各种探测手段和武器系统，对来自水下的威胁目标，主要针对水下蛙人、无人潜航器或者微型潜艇等进行探测、识别、拦截、摧毁和对抗等作战［1］。针对水下特种作战任务及特点，水下特种防御作战的主要目的有：防止其对我方港口停泊潜艇、水面舰艇、商船以及码头等重要设施进行袭击破坏;阻挠其完成侦察、布雷、扫雷以及运送小分队、器材登陆、水下破障等支援保障任务。

为此，水下特种防御作战的主要任务可总结如下：一是在港口、码头、近岸以及锚泊点等警戒区探测搜索、消灭敌水下蛙人、无人潜航器和微型潜艇等目标;二是在水面舰艇编队、护航运输队、登陆输送队航行海区、进出基地港口航道和战斗活动海域，实施水下搜索和监视，保证水下安全;三是布设水下探测装置或反潜水雷障碍;四是搜索并扫除水下探测装置或反潜水雷障碍;五是在警戒区海域进行防御性水面和水下巡逻。

1 港口防御探测系统应用分析

1.1 港口防御探测系统特点［2］

1)港口及舰船水下防御系统往往都是立体综合防御系统，集成了水下近程、中程、远程的警戒防御体系而形成警戒网;

2)具有全向的搜索能力，广泛采用了数字多波束和波束形成技术;

3)声呐工作频率相对较高 (当然也可同时选装中频主动声呐、低频被动声呐);

4)广泛采用最前沿的声呐系统，如线列阵、光纤声呐传感器阵列、三维图像声呐;

5)具有多目标探测、跟踪能力，普遍配置有电子海图显示功能;

6)可固定安装、舰艇吊放，也可采取快速部署方式;

7)普遍融入了数据链系统或C3I甚至C4I系统;

8)具有很强的快速反应能力，初步具备反击措施。

1.2 研制港口防御探测系统的难点

研制港口水下声呐防御探测系统，将面临以下几个主要难点。

1)探测目标是蛙人、水下蛙人输送器、无人潜航器或微型潜艇，其反射半径很小，难于检测。例如，目前蛙人投送工具越来越先进、速度越来越快。蛙人本身的装备也越来越先进，各种吸声材料服装的使用使蛙人目标强度更小。

2)港口及近海的复杂环境及水文条件对水声装置的影响很大，而对敌水下目标却提供了极佳的隐蔽条件。这种要求防御探测设备必须具有很强的抗噪声干扰和抗混响干扰能力。要求防御探测声呐对港口环境具有较强的自动调谐能力。

3)噪声、混响干扰强，目标反射半径小，要求防御探测声呐具有较高的距离、方位和角度分辨率指标，要求设备具有低的虚警率和高的探测率。

4)港口水文变化大，常年泥沙、海流影响大，要求防御探测声呐水下基阵部分的可靠性要高，水密性要好。而工作性质要求其能够长时间的可靠地工作。

5)要求系统具有自动探测、跟踪多目标能力，能对目标进行识别、分类，并对目标的威胁等级进行排序。系统具有数据回放功能，能实时显示港口图像，便于进行安全形势分析。

6)要求系统能够远距离探测目标，从而为港口情势和潜在威胁的评估和判读提供足够的时间，同时缩短反应时间。

7)要求设备具有高性价比，提高监视范围，减少监视节点数量，增强可靠性，降低维护难度。

1.3 港口防御探测系统战术应用［3］

结合水下特种作战战术特点，通常采用远、中、近多层“安全逼近警戒防御”原则，对保护水域进行实时监控、提前预警、及时拦截，显著提高码头、港口、重要船只的水下特种防御作战能力。

第1层要求探测距离为2～200 km，这主要采用远距离小目标警戒雷达、远距离警戒声呐 (探测水面舰艇或潜艇)、巡逻艇、直升机进行警戒。对相关水域远距离的蛙人搭载舰艇、输送装置、橡皮艇、蛙人输送器或无人潜航器等的远距离水面探测和预警。可以称为远程预警层。

第2层要求的探测距离为400～2 000 m，主要是针对各种装备 (如携带助推器、闭路循环呼吸器或开路循环呼吸器)的蛙人或无人潜航器，此范围是目前蛙人探测声呐系统可以达到的探测距离，称为蛙人有效探测层。

第3层要求作战距离在400 m以内，主要是利用各种近距离探测设备和反制设备对来袭蛙人进行快速反应、识别、打击，在此距离内通常也同时部署各种防潜网等物理障碍阻滞设备。此层称为快速反应层。

第4层作用距离为目视距离，利用各种热成像、CCTV等设备对入侵蛙人进行警戒、搜索，并借助岸防部队进行对入侵者的近距离打击，防止入侵蛙人渗透上岸进行破坏。此层称为近岸警戒层。

2 无人装备探测系统设计

无人潜航器或无人水面航行器装备旁视声呐，可以实现对港口水下全水域、不间断的警戒探测。旁视声呐利用声呐平台的运动建立起位于声源和海床之间的目标图像信息。工作频率大约在20～500 kHZ，具体频率要由距离 (深度)和目标尺度来决定［4］。

从总的特征参数 (见表1)开始，设计在港口区域使用的旁视声呐，最大深度设为50 m，工作频率设为100 kHz，且在水平 (拖曳体首部到尾部)平面内的组合 (发射与接收)波束宽度为1°，垂直于拖曳航迹竖直平面内的波束宽度为45°。

表1 旁视声呐设计实例Tab.1 The example of side-looking sonar

传播损失由球面传播损失加吸收损失的假设进行估算 (这里由于波振面在抵达海底后，海底变为一个边界，所以计算不是很精确)。

发射和接收在分开的具有相同尺寸的基阵上进行，并且都有45°的向下倾斜角度。为实现所需的组合波束宽度，每个基阵必须具有2倍的组合波束宽度，基阵尺寸由L=76/fθ3给出［5］。因此，基阵宽76/(100×2)=0.38 m，高为76/(100×90)=0.008 4 m。所以每个基阵2列，每列有50个阵元并且阵元之间的距离为λ/2。

发射和接收的指向性指数DI是：

隔声处理将在此之上增加3 dB，使得DI=21 dB。为了能够将蛙人和鱼分辨出来，应使用极短的脉冲长度。设想由0.1 m来区分蛙人和鱼，则脉冲长度应该为：

设背景噪声N是4级海情SS4时的环境噪声，在100 kHz上等于30 dB。取5lgd=10 dB以及5lgn=3 dB。然后求解噪声背景下的主动声呐方程，得所需要的声源级SL，只要知道目标强度TS方可求解。在大掠射角的情况下，来自海底的反向散射将会比较强，其目标强度为：

在更短的距离上，混响面积会变小但反向散射会变大 (有更大的掠射角)，因此，TSR不会太大。单独的1条鱼 (或鱼群)有较小的目标强度，这里设其为－50 dB。

主动声呐方程为：

因此有：

则探测海底的声源级为：

探测50 m之外距离上鱼的声源级为：

因此SLmax为177 dB。这里是否实用：

所以：

对应的声强是0.03/(0.38×0.084)=1 W/m2，这里显然也不会产生空化。所以基阵设计是实用的，可以将其他参数插入表1中。

保持在港口及其他附近水域的经常性巡逻也是水下特种防御作战的一种重要方法。利用无人装备实施24 h不间断水下警戒探测，在探测到可疑目标时，应立即跟踪识别，并向岸上指挥所发送信息。通过指挥中心计算机对声信号的快速处理，可粗略计算出目标方位、距离和目标性质，指挥中心随即按照相应的方案预案作出决策行动。岸指可以迅速派出高速巡逻艇或蛙人前往目标海区进行查证，也可以由无人潜航器或无人水面航行器直接跟踪识别。经识别为敌目标后，应采用有效手段对目标实施驱赶或直接攻击。

3 结语

水下特种作战作为国外海军部队实施的一种新的作战样式，在未来海上作战中将发挥重要的作用。本文分析了港口水下特种防御探测的特点和难点，并对防御探测系统的战术应用进行了研究，为提高我军水下特种防御作战能力提供了一定的理论基础。下一步还应加大对水下特种防御作战的研究，为在未来的军事斗争中取得胜利抢占先机。

［1］周方毅，张可玉，詹发民．水下特种作战行动最小战术编制研究［J］．潜艇学术研究，2009，6(3)：78 －80．

ZHOU Fang-yi，ZHANG Ke-yu，ZHAN Fa-min．Research of the minimum group of tactic of underwater special operation［J］．Academic Research of Submarine，2009，6(3)：78 －80．

［2］邵云生．国外港口防御声呐发展现状综述［J］．海军装备，2011(4)：59－60．

SHAO Yun-sheng．The review of the development of the defense sonar of the foreign harbor［J］．Navy Equipment，2011(4)：59－60．

［3］张彦敏，佟盛．反蛙人技术在港口监控中的战术应用［J］．舰船科学技术，2008，30(6)：168 －171．

ZHANG Yan-min，TONG Sheng．Tactics appliance of antidiver technique in harbor defense［J］．Ship Science and Technology，2008，30(6)：168 －171．

［4］单忠伟，陈伏虎，白兴宇．基于UUV的水下警戒探测技术和发展趋势［J］．声学与电子工程，2009(2)：45－48．

SHAN Zhong-wei，CHEN Fu-hu，BAIXing-yu．The development of the technology of the underwater detecting and guarding equipment［J］．Acoustic and Electric Engineering，2009(2)：45 －48．

［5］WAITE A D．Sonar for practising engineers third edition［M］．2004：210－220．

Application and design of port defense detection system in underwater special defense

GUO Wan-hai1，TENG Jun2，WANG Zuo-chao3
(1．Department of Information Operation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China;2．Department of Operation and Training，Navy Command，Beijing 100360，China;3．Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China)

In this paper，the underwater special defense concepts are described，focusing on analysis of the port underwater defense characterristics and difficulties，and the port underwater defense system of the tactical application has conducted the reaserch，finally design the use of UUV side looking sonar equipment for port underwater defense detection．For the development of consistent with underwater special defense required warning equipment，construction of the underwater detection system the full realization of underwater special warfare defense system provided a basis，to improve our navy underwater special defense capability laid theoretical foundation．

special defense;frogman;unmanned underwater vehicle

TN929．3

A

1672－7649(2014)06－0151－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.031

2013－07－15;

2014－02－15

郭万海(1963－)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为雷达作战使用的理论和应用。