【裝備技術】水下非聲技術發展研究

藍海星智庫王曉靜 朱鵬飛等2018-01-13 07:39:22

無線電波、光波在水介質中衰減較為嚴重,而聲波可在水介質中遠距離傳播,一直被視為水下有效的信息載體,水聲探測、通信、定位導航技術也一直是海洋領域的重點研究對象。一方面由於水介質的複雜性,聲納在應用過程中受水面、水底、水中物體的反射聲波和水中噪聲干擾嚴重;另一方面,聲波在水中傳播速度遠低於無線電波和光波,時變空變嚴重,多普勒擴展嚴重,這些均限制了水聲技術的發展,影響其探測、通信、定位導航的有效性和可靠性。

近年來,由於安靜型潛艇和無人潛航器等安靜型小目標削弱了聲學探測的優勢,水聲通信的速率、帶寬、安全性致使水中平臺、武器、預置無人系統的作戰效能無法發揮到極致,美俄歐等國寄希望於非聲探測、通信技術,加大了投資研發力度,希望發揮電磁波、光波的優勢,在局部應用中有所突破,成為水下聲學手段的有力補充。2009年,美國海軍研究實驗室正式立項研究德拜效應用於探潛;2014年1月,美國海軍研究署與加州大學共同研發出了一種新型快速閃爍雙曲超材料用於光通信;2016年12月,美國高級研究計劃局微系統辦公室發佈“變形蟲”項目研發公告,發展小型無線電通信設備以實現水下遠距離通信;2017年3月,美國海軍空間與海戰系統司令部發布“模塊化光學通信”載荷項目公告,以實現高速、跨域通信;2017年7月,歐洲防務局委託瑞典國家國防研究中心、德法聯合的聖路易斯研究所研究激光技術,用於水下目標探測和識別。

一、水下非聲探測技術

(一)發展背景

潛艇作為水下的機動平臺,續航力高、打擊能力強、可隱蔽執行復雜任務,一直作為海洋中的隱蔽突襲力量而存在,為世界各國所忌憚。在反潛戰中,反潛探測是至關重要的環節,一旦探測到敵方潛艇,它將很難逃脫,短時間內將被消滅。因此,從潛艇誕生至今,探潛和潛艇隱身技術就在不斷的發展,各國海軍都希望強己之盾,利己之矛。進入新世紀以來,潛艇減振降噪技術進一步發展,致使潛艇的輻射噪聲進一步降低,被動聲納探測能力被大幅削減;金屬水和隱身衣等新型潛艇塗層技術的產生,一旦應用將大幅降低主動聲納的探測能力;近海作戰環境的複雜性也將影響聲納性能的穩定發揮;基於上述原因,近年來歐美等國開始注重非聲探測技術的發展與應用,試圖與聲探測技術形成互補。

(二)非聲探測主要成就

1、美俄海軍發展德拜效應磁探儀提供探潛新途徑

2009年美國海軍研究實驗室正式立項研究德拜效應,探索將其應用於反潛的可行性,項目分為三個階段。第一階段分析微量電磁場的探測方案,評估利用德拜效應探潛的可行性;第二階段確定最優探測頻率,對探測方案進行實測,完成探測傳感器樣機研製;第三階段優化設計,並將技術向平臺轉化。海軍研究實驗室研究發現,不僅僅是潛艇的尾流可以出現德拜效應,潛艇遊動產生的水下擾動“內波”和扁平漩渦,以及潛艇鰭板和舵面產生的微型漩渦,都能形成德拜效應,並且相應的磁信號能夠被探測系統捕捉到。德拜效應反潛領域的研究仍處在實驗室階段,美國海軍計劃引入超導以及量子領域的成果,研製靈敏度極高的磁傳感器,以實現對微弱磁信號的探測。另有消息透露,俄羅斯研製的德拜效應探測器已經能夠探測到數千米外潛艇留下的尾流,並通過跟蹤尾流找到潛艇。

德拜效應同樣是潛艇在水下運動時產生一種磁場,只是此磁場不同於彼磁場,它不是由潛艇上的鐵磁材料引起的艇體磁場,而是由海水中帶電離子運動產生的磁場。雖然該磁場比較微弱,但它不會因為潛艇定期消磁或採用鈦金屬這樣的非磁材料而消失,並可用專門研發的德拜探測儀對其進行探測。從這個意義上說,潛艇運動形成的德拜磁場對潛艇是“與生俱來”的,與潛艇自身有無磁性毫無關係,並且該磁場同尾流一樣會“跟隨”潛艇很長一段時間。

德拜效應磁探儀一旦實現對微弱磁信號的大範圍搜索,將對水下戰裝備產生深刻影響。在潛艇平臺方面,當前潛艇為實現理想的隱身能力,異常重視聲隱身和磁隱身(鐵磁)技術發展,通過流線外形、消聲瓦、泵噴推進、採用鈦合金等多種途徑降低聲磁信號。但德拜效應的利用,開闢了一條探潛新途徑,使當前為潛艇隱身所做的努力起不到應有效果。由於德拜效應只和潛艇周邊水的受迫運動有關,為降低德拜效應,未來潛艇需要在艇型及推進方面重點革新。

2、美國高級研究計劃局發展“分佈式敏捷反潛”淺海子系統以實現非聲傳感器組網探潛

2010年,美國高級研究計劃局開始“分佈式敏捷反潛”系統項目的研發工作,該系統由深海子系統、淺海子系統兩部分構成,深海子系統由海底固定聲納節點和數十個無人潛航器構成,創新的採用了“自下而上”的探測方式,有效降低海底地形對聲學探測的影響;淺海子系統由無人機構成,利用無人機攜帶的非聲傳感器採用“自上而下”的探測方式,蒐集潛艇尾流等非聲學特徵。2013年,美國高級研究計劃局完成非聲傳感器和系統的研究工作,開始數據收集用於非聲反潛,並完成非聲信號探測和評估,但相關細節和進展透露較少。

DASH深海、淺海反潛子系統作戰示意圖

3、歐防局發展激光探測技術用於複雜水域目標探測和識別

2017年7月披露,歐防局委託瑞典國家國防研究中心、德法聯合的聖路易斯研究所進行一項研究,發現使用光探測和激光探測系統可探測和識別水下目標。

該項技術具有兩個優勢,一是機載激光掃描系統可以快速部署,如果目標足夠大,在水面平臺或水下平臺上部署激光門控視圖(LGV)、水下激光掃描(ULS)系統,可以確認目標;二是適合在淺水區域、環境複雜的海洋區域、聲波不易接近的區域等作為聲納的補充執行探測任務。

(三)水下非聲通信技術發展思路

美俄歐均比較關注水下非聲探測技術,主要發展思路為:

1、針對淺水等聲納有效性較差的複雜環境研發非聲探測技術,以彌補聲探測的不足。淺水環境中,聲納受溫度、天氣、島嶼、過往船隻、水中生物、界面散射聲波等因素的影響,探測性能會大打折扣,遠不如深海中可利用深海聲道軸、可靠聲學路徑等較為理想的聲學信道進行探測,此時需要非聲探測技術作為聲納技術的補充,增強淺水區的預警探測能力。

2、以另闢蹊徑的方式實現常規非聲探測技術的突破,可能會對水下攻防產生顛覆性影響。水下非聲探測技術發展多年,主要應用磁探儀、紅外探測儀、探潛雷達等裝備進行輔助探測。近年來,不止通過升級改造常規裝備技術以提升探測性能,更是以另闢蹊徑的方式,達到原理的創新,以打破現有水下非聲探測的常規化攻防形式,將會對水下攻防產生顛覆性影響,對對手造成技術突襲,已形成非對稱優勢。

二、水下非聲通信技術

(一)發展背景

潛艇作為戰術突襲力量和戰略威懾力量,大量時間處於潛伏狀態,對通信能力的要求不高。新世紀以來,美海軍大力發展無人系統,未來水下戰要求潛艇/UUV能與水下、水面、空中有人/無人系統協同作戰,對水下通信和跨介質通信技術提出更高要求。水下通信主要應用聲波,水聲通信具有遠距離傳輸的優勢,被視為水下通信的主要手段,但通信速率目前只能達到kb/s量級,且水聲信道時變、空變性強,噪聲高,多途干擾嚴重,通信帶寬窄、速率低、易於暴露。為滿足日益緊迫的對高速率、大帶寬、隱蔽通信技術的需求,美國藉助DARPA等顛覆性技術發展機構,力求突破非聲通信技術瓶頸,與聲通信技術互為補充。

(二)非聲通信主要成就

1、銀硅納米層材料可用於水下LED高速光通信

1963年,研究學者發現,海水對450~550nm波段內的可見光藍綠波段的吸收遠小於其他的光波段,可用於水下通信。2014年4月,美國海軍研究署與加州大學共同研發出了一種新型快速閃爍的雙曲超材料,用於LED系統後可有效提高水下光通信的速率,可用於水面艦與潛艇、潛艇與蛙人、水下傳感器與無人潛航器等通訊過程。該材料具有銀與硅構成的納米層結構,分子的閃爍速率為目前廣泛應用基於氮化鎵的LED相應速率的76倍,亮度為普通材料的80倍。

聲通信受限於較低的傳輸速度以及較小的傳輸帶寬,並且會引起一些鯨魚等海洋生物的不安。藍綠LED光通信技術成熟後,該技術將很有可能取代聲波在短距離通信領域的地位。

2、美國高級研究計劃局研製微型特低頻/甚低頻發射機用於水下無線電通信

2016年12月,美國高級研究計劃局發佈“變形蟲”項目廣泛機構徵詢書,開發微型特低頻/甚低頻(ULF/VLF)信號發射機,提高長波通信和數據傳輸能力。ULF(300Hz-3kHz)/VLF(3kHz-30kHz)頻段對應波長較長,穿透性和繞射能力較強,同時大氣波導也可將ULF/VLF信號傳播至數百公里外,因此該頻段特別適用於長距離通信。但頻率越低,波長越長,發射機尺寸越大,需研發適用於UUV的小型發射裝置,用於水下通信。

項目應用示意圖

傳統發射機依靠功率放大器電路產生振盪電流,然後將電流饋入天線發射電磁波信號。於此不同,“變形蟲”項目研發的發射機由帶有強電場或強磁場的特殊材料的機械振動產生電磁波,比如利用磁棒或駐極體按特定速率反覆移動產生ULF/VLF射頻信號。該發射機擁有兩個輸入端口,一個是供電端口,另一個是原始數據端口。採用功率射頻電路、匹配網絡、機械振動驅動、電磁波發射材料、天線結構、熱管理組件、封裝與加固結構等關鍵技術,在目標頻帶產生電磁波,並將將原始數據調製到射頻載波上。

在水下高頻射頻信號穿透性差,無法進行長距離通訊,低頻射頻信號穿透性好,能實現長距離通訊,但天線體積較大,設備適裝性差。利用“變形蟲”項目研發的ULF/VLF發射機能顯著減小長波通訊設備的尺寸、重量和功耗等,可裝備潛艇、UUV、浮標、蛙人等,提高水下超視距通信能力。

3、美國海軍發展“模塊化光學通信”技術以實現高速跨域通信

2017年3月,美國海軍空間與海戰系統司令部發布“模塊化光學通信”載荷項目公告,旨在設計有人潛艇/UUV與飛機間的全雙工通信系統。該系統無需水面通信轉換節點,可實現潛艇與飛機的直接通信,目標通信速率不低於1kbps,未來有望實現更高速率,通信距離15海里,深度超過100英尺,並且具有低截獲概率和低探測概率(LPI/LPD)特性。

項目應用示意圖

這套空潛光學通信系統將解決海上跨介質通信問題,具有低截獲概率和低探測概率(LPI/LPD)特性,數據通信速率潛力巨大,使空潛通信擺脫對水面平臺、浮標的依賴,並無需潛艇浮出水面,為跨與協同作戰開闢新的通信保障途徑。

(三)水下非聲通信技術發展思路

美國比較重視水下非聲通信技術發展,特點是針對重點應用領域研發一些方案,實現技術的重點突破。分析水下通信研究項目可知,美海軍對水下通信技術領域進行了充分考量和全方位的佈局,主要思路為:

1、充分考量無線電通信、光通信的優劣與適用條件,均安排了相關的應用項目,力求實現全方位的技術突破,便於根據實際的作戰環境和作戰需求,靈活選擇高效經濟的通信方式,通過優化配置的方式實現通信能力的提升,如水下聲通信速率很慢,短時間難以實現巨大突破滿足作戰需求,通過發展通信速率較快的無線電通信、光通信,應用於短距離或清澈水域等適宜環境,可以極大擴展整個水下的數據傳輸量;

2、美海軍在佈局水下通信應用項目時,充分考慮了近年來的軍事需求,例如無人系統的快速發展和應用對通信設備提出的小型化需求,有人平臺、無人平臺、傳感器形成的異構通信網絡對需要可靠的信息保障,水下水上作戰群需要跨域通信指控能力以實現聯合作戰,於是提出了發展適用於UUV搭載的小型無線電通信發射機、跨域通信技術。此次美海軍在通信技術領域的新佈局也體現了美海軍技術發展思路的變化,綜合運用聲、光、電磁等水下通信、跨域通信技術手段,力求在各通信技術擅長的應用領域取得突破,在作戰應用時採用最優的通信技術方案,實現整體的擴頻、增速、安全通信。

三、總結

(一)美國較為重視非聲探測、通信技術的發展

雖然美俄歐等海軍強國均在非聲探測、通信技術領域投入了相關的人力、物力,但是從近年來的動向和取得的成果可看出,美國較為重視水下非聲技術的發展,不僅美國海軍研發機構聯合其他優勢單位進行技術攻關,近兩年來,還依託美國以創新而聞名的國防高級研究計劃局,安排了相關的水下非聲技術的研究工作,希望可以實現關鍵技術的重大突破。

(二)非聲探測、通信技術的成熟度較低,一旦成熟會對水下戰造成顛覆性影響

非聲探測、通信技術成熟度遠不如聲探測、聲通信技術,大部分技術仍處於實驗室研發階段,或者研發工作剛剛啟動。但一方面由於迫切的軍事需求,一方面由於大數據技術、計算機技術、新型材料工藝的快速發展,水下非聲技術呈現出良好的發展勢頭,一旦成熟應用,將打破現有的水下作戰模式,技術優勢國相對於對手將形成壓倒性優勢。

(藍海星:王曉靜 朱鵬飛  

張旭 馬曉晨 王國亮)

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