海底地质探测装备选择 -海底地形地貌探测图

来源：《舰船科学技术》（2020年第2期）作者：傅仁琦、曹焱、王晓林无人水下潜航器（UUV）最早出现于20世纪60年代。在发展初期，UUV主要用于深水勘探、沉船打捞、水下电缆铺设及维修等民用领域，后逐步扩展应用于水下声源探测、协助潜艇深水避雷、港口战术侦察等军事领域。近十几年来，随着平台、推进器、导航、控制系统以及传感器技术的发展，加上现代战争追求人员零伤亡的理念，UUV的军事应用得到高度重视，其在水下侦察、水下通信和反潜、反水雷作战、信息作战等领域的应用得到了空前发展。美国国防部于2007～2013年间前后发布了4版《无人系统（一体化）路线图》，其中针对UUV的4个级别将任务按优先级扩充为17项，如表1所示。表1  不同级别UUV任务需求优先级美海军于2000年和2004年分别发布两版《海军无人水下潜航器总体主规划》，将UUV（不分级别）的任务按优先顺序归纳为9类：①情报/监视/侦察（ISR）；②水雷对抗（MCM）；③反潜战（ASW）；④检查/识别；⑤海洋调查；⑥通信/导航网络节点（CN3）；⑦载荷投送；⑧信息作战；⑨时敏打击。不论是《海军无人水下潜航器总体主规划》，还是《无人系统（一体化）路线图》，这几版文件中对于所有级别的UUV，情报/监视/侦察（ISR）、检查/识别和水雷对抗（MCM）这3项任务的排序都十分靠前，这也印证了在当今复杂国际环境下美国海军对于这3项UUV任务执行的迫切需求。UUV执行各项任务无一不需要声呐的配合，尤其是对于ISR、检查/识别和MCM，声呐性能的优劣，往往是任务完成度的决定性因素。根据功能的不同，UUV声呐装备主要分为三大类：通信声呐、导航声呐和探测声呐，如图1所示。图1  UUV主要声呐装备通信声呐主要用于UUV与协同行动的其他UUV、母船（艇）或通信浮标之间的信息链接；导航声呐为UUV的安全航行和执行作业任务提供其位置、航向、深度、速度和姿态等信息；探测声呐主要用于警戒、探测、识别水中或沉底目标信息，对水下地形、地貌、地质进行勘察和测绘。承担不同任务的UUV，应装备不同的声呐系统，声呐作为UUV完成使命任务的重要手段，已成为UUV装备发展的关键内容之一。 ( c0 e3 s& ?9 \% B; M! \

一、国外UUV声呐装备现状

1. 国外UUV探测声呐装备在UUV声呐装备中，探测声呐种类最为丰富，常见的有：侧扫声呐、合成孔径声呐、前视成像声呐、多波束测深声呐、舷侧及拖曳被动探测声呐等。UUV由于受载荷空间与能源的限制，需要根据特定任务选择相应功能声呐装载。⑴侧扫声呐侧扫声呐是利用海底表面物质的散射特征差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。作业时向两侧发射宽角度波束，以覆盖海底大面积区域，然后通过接收海底的反向散射数据进行成像。国际上应用较成熟的无人水下航行器如美国BLUEFIN-21、SEAHORSE，德国SeaOtter，挪威HUGIN1000/3000均配备侧扫声呐。典型的有美国EdgeTech公司2200系列侧扫声纳，采用模块化设计，功耗低，最大工作水深达6000m，其本身装有换能器及耐压舱，可独立作业；也可安装在UUV的耐压舱中，利用平台处理器进行控制，工作频率为75&120kHz、75&410kHz或120&410kHz。可用于执行海底目标搜索、地球物理测量、电缆/管线敷设定位等具体任务。图2  EdgeTech 2200系列侧扫声呐⑵合成孔径声呐合成孔径声呐是利用匀速直线运动的声基阵，形成大的虚拟（合成）孔径，以提高声呐横向分辨率。具有横向分辨率与工作频率和距离无关的优点、其分辨率比常规侧扫声呐高1～2个量级。由于具备超高分辨率的小目标成像能力，合成孔径声呐常作为UUV执行水雷对抗（MCM）使命的首选装备，如美国的REMUS600、挪威的HUGIN1000/3000均有配备。HUGIN1000/3000军用UUV上所配置的Kongsberg公司HISAS1030合成孔径声呐，采用干涉式聚焦合成孔径成像技术，可以在恶劣环境下实现远距离高分辨成像，其工作频率为60～120kHz，最大量程达到200m@2m/s或者260m@1.5m/s，实际分辨率在全量程内均优于5cm×5cm。图3  HISAS 1030合成孔径声呐⑶多波束测深声呐多波束测深声呐是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过对发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印进行处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，并较可靠地描绘出海底地形的三维特征。多波束测深声呐在执行大范围海底搜索和地形测绘时效果显著，大多数军用或民用UUV均为该类声呐留有接口，如美国的BLUEFIN-21、HUGIN1000/3000，德国的SeaOtter等。丹麦的RESONSeabat 7125-AUV多波束测深声呐，具有400kHz的工作频率，波束宽度达到1°×0.5°，覆盖开角达165°，最大测深能力不小于175m。图4  Seabat 7125-AUV多波束测深声呐⑷被动探测声呐UUV装备的被动探测声呐通常指进行远距离目标探测的被动声呐，主要有舷侧阵声呐和拖曳线列阵声呐。相比于潜艇上的装备，UUV舷侧阵声呐受安装尺度所限，阵列长度大幅缩减，工作频段也会有所不同；UUV拖曳线列阵声呐则是受机动性限制，一般只采用挂接形式。利用被动探测声呐，UUV能够将情报、监视与侦察（ISR）这项最优先、最基本的任务有效地扩大到极浅水域和常规平台难以抵达的地区，完成对信号、图像、特征等情报的搜集，同时与水下信息网络紧密结合，实现水下战场的“单向”透明，并在反潜战（ASW）中产生巨大效能。图5 “虎鲸”超大型UUV被动探测声呐多装备于大型或超大型无人水下航行器（LDUUV/XLUUV），如美国“虎鲸”超大型UUV，其两舷侧设计有72（或96）单元水听器阵列；俄罗斯“替代者”超大型UUV，设计具备携带拖曳线列阵声呐的能力。被动探测声呐对敌水面舰探测跟踪距离可达到数十千米，对敌低噪潜艇发现距离也可达数千米，极大地提升了UUV在ISR与ASW中的作战实力。图6 “替代者”超大型UUV（携带拖曳线列阵）2. 国外UUV导航声呐装备导航声呐是为UUV在自主航行时，利用声波在水中的传播特性为导航系统提供必要的信息，如航行器的航速、位置等。目前国际上使用较多的有水声定位系统（长基线系统和超短/短基线系统）、多普勒水声计程仪等，其中多普勒水声计程仪构造轻便、价格低廉，易与捷联惯导系统形成组合导航模式，为当前主流的无人航行器所采用。3. 国外UUV通信声呐装备由于海水对无线电信号的严重衰减，水声通信是水下数据远距离传输的唯一有效手段。水声通信声呐用于水下航行器与母船（艇）、其他水下航行器、潜（浮）标之间的水下信息传输，以实现数据、信息和情报的水下无线传输。UWM系列水声通信设备被当前主流UUV广泛采用，如HUGIN3000型UUV装备了UWM4000水声调制解调器，其工作频率为12.75kHz或21.25kHz，工作深度3000m或6000m，传输距离最远可达4km，数据率8.5kb/s，误码率小于10–7。 - w. B$ O% f" U/ o( f( e+ h

二、国内UUV声呐装备现状

国内针对无人航行器的声呐装备研究始于20世纪90年代，“十二五”以来，依托国家“863”计划及众多预研基金，UUV声呐装备得到了快速发展，逐渐摆脱了依赖国外设备的窘境。国内现有各型UUV，如侦塞型UUV、巡航雷、海洋探测型UUV、攻击型UUV等，均可配置国产声呐装备，以适应不同使命任务的需要。1. 国内UUV探测声呐装备探测声呐装备中，多波束测深声呐、侧扫声呐等用于海洋环境调查、小目标探测等声呐装备发展相对成熟，如DMC195-AUV型多波束测深声呐、Shark系列无人平台侧扫声呐和AUV53型合成孔径声呐，在技术指标上已接近国际先进水平。DMC195-AUV型多波束测深声呐，具有195kHz的工作频率，波束宽度达到1.5°×1.5°，覆盖开角达160°，最大测深能力不小于200m。Shark系列侧扫声呐，采用模块化设计，功耗低于15W，最大工作水深1000m，工作频率为450kHz或900kHz，采用LFM和CW的信号形式，航迹分辨率为0.003h@900kHz，0.005h@450kHz，垂直航迹分辨率为1.25cm，最大量程为75m@900kHz，150m@450kHz。图8  Shark 系列侧扫声呐AUV53型合成孔径声呐，其工作频率为60～100kHz，最大量程达到300m@2m/s，实际分辨率在全量程内均优于5cm×5cm。图9  AUV53型合成孔径声呐适用于UUV的主被动探测声呐装备国内虽仍处于样机阶段，尚未有成熟的型号产品，但舷侧阵声呐和拖曳线列阵声呐在随几型大中型UUV样机试验中，已得到了初步验证，有望在未来几年形成正式装备，从而极大地提升UUV在ISR与ASW任务中的能力。2. 国内UUV导航声呐与通信声呐装备国内适用于UUV的导航声呐与通信声呐发展较早，目前已形成了一些较成熟的产品，如HYDVL-300/600/1200型、STH-150B相控阵型多普勒计程仪，QMY系列水声通信声呐等产品，已接近国外同类产品性能。多普勒计程仪以HYDVL-300为例，其工作频率为300kHz，对海底深度2～200m，最大测流距离100m，速度测量范围±5m/s，对流测量精度可达±0.5%±5mm/s，对底跟踪精度可达±0.4%±5mm/s。通信声呐以QMY1621-1型水声通信机为例，其工作频率为16～21kHz，工作深度可达4000m，传输距离最远可达4km，通信速率1.4kbps，误码率小于10–6。图10  UUV舷侧阵声呐与拖曳线列阵声呐图11  QMY系列水声通信声呐 * u; h5 m2 O7 M6 l5 d8 l

三、UUV声呐装备关键技术

自1994年，美国正式将UUV研发列入美海军发展计划，并提出优先发展水雷侦察、情报监视侦察和海洋调查能力以来，UUV声呐装备的各项技术得到了快速发展，主要集中于声呐一体化设计技术、自主目标探测技术、水声导航技术、水声通信技术等方面。1. 声纳一体化设计技术现有UUV信息系统中，水下探测和水声通信往往作为独立的设备单独设计和使用，给本就极度紧张的UUV内部空间布置带来巨大压力，然而这两者在工作原理、声电架构、工作频率以及信号处理上十分相似，通过运用换能器基阵共用技术、电路模块通用技术和信号处理融合技术将水下多功能探测与水声通信有机结合并集成，形成探测通信一体化设计，可大幅削减声呐阵列和电子部件对无人平台的空间需求，同时电子部件的一体化集成更有利于控制功耗，有效提升UUV在复杂战场环境中的生存能力、应变能力与协同作战能力。2. 自主目标探测技术自主目标探测是UUV声呐装备的核心关键技术之一，受限于水下战场环境的特殊性，UUV的声呐装备必须具备自主探测、感知、分析和决策的能力，以配合UUV完成授权用户指派的单一任务甚至多平台协同的大规模作战任务。发展UUV声呐装备探测自主化技术，需要研究声呐在噪声干扰背景下，目标信息缺失和声场模型失配时的噪声分量自主检测算法；需要着力解决目标先验信息缺失情况下，自适应地匹配目标信号、抑制干扰、实现对目标线谱分量自主检测的问题；需要针对观测空间内多个强弱不同的目标，实现自主检测；需要将目标检测、方位估计、轨迹跟踪三者相结合，实现高效率的自主探测。3. 水声导航技术多普勒计程仪与惯性导航系统相结合的组合导航已成为目前UUV水下导航技术主流配置。水声导航装备技术的关键点在于：研究高效、高精度的实时频率测量方法，以减少和消除因安装误差对测速精度的影响；发展新型的相控阵多普勒测速技术，从机理上消除因水中声速变换对测速的影响并大幅减小换能器阵的尺寸与重量。此外，随着水下无人作战体系对多实体协同导航技术需求日益增长，对长基线/超短基线水声定位装备的精度也提出了更高的要求。4. 水声通信技术近十几年来，高速水声通信技术从以非相干的移频键控（FSK）调制技术为主的非相干通信向相干通信发展。尤其是正交频分复用（OFDM）等通信方式在水声高速数据通信系统中的应用，使得获取较高的数据速率与通信距离积更为高效，同时其它水声通信技术如多入多出（MIMO）、时反水声通信、自适应均衡技术等也在不断发展和完善之中。此外，随着水下分布式网络和水下无人作战系统协同理念的涌现，水声通信网络化需求也日益迫切。 $ Z: c0 a% b9 S# I3 D1 I8 x

四、UUV声呐装备发展趋势

未来水下无人系统将面对更加复杂的作战环境和更加多元化的作战任务，这就对UUV声呐装备提出了更高的要求，为了适应这种多维度、多实体、一体化的综合作战需求，发展具备高自主性能、高模块化程度和高分布式协同能力的UUV声呐装备，将成为未来发展趋势。1. 高自主性能一方面由于水下战场的特殊性，UUV对外部环境和目标特性的先验信息获取手段匮乏，因而限制了声呐进行自主探测、跟踪、定位、识别的能力；另一方面，水声通信带宽和安全通信距离十分有限，这使得传统的预程序化的人工智能技术手段无法使UUV声呐装备实现真正意义上自主性——“自身具有的探测、感知、分析、通信、规划、决策和行动的能力，以实现授权用户为其指派的目标”和“并非仅简单地提高部队执行任务的能力，而是实际上改变了任务本身的性质”。未来UUV声呐装备的高自主性能体现在：能够以用户或系统任务目标为导向，在未知的环境中，通过算法来优化运算行为，根据在线态势找到最优解，从而为系统提供决策依据，同时具备自我修正、消除累积误差的能力。2. 高模块化程度传统的UUV大多是为满足各类特殊需求，按快速列装以保障特定任务而装备对应的声呐载荷，在执行该项任务中的确发挥了很大的作用，但随着任务结束抑或是需求紧迫度降低，特定的声呐载荷及其接口使其无法用于投入新的任务场景，若对现有的专用组部件进行升级，不但费用昂贵，而且在后勤上难以实现，甚至可能导致整个平台退役或被替换。为此，需要发展具备开放式结构、通用接口与协议、标准互操作配置文件的声呐装备，以营造一个真正模块化、开放式、可扩展、可重构的应用环境。实现声呐分系统的模块化和组部件的互操作性，具备在不同类型的系统中以“即插即用”的方式使用功能相同或相似的组部件，将成为UUV声呐装备未来发展热点，对于缩短装备开发周期和降低研发及维修/维护成本意义重大。3. 高分布式协同能力单UUV尺寸小、航速低，单位时间机动范围小，探测和水声通信距离短，导致作战或作业范围存在一定局限性。使用多UUV形成分布式、一体化侦察、探测、打击网络，从而有效延伸协同作战的广度和深度，为水下无人集群作战提供保障。未来随着水下无人作战理念的发展，UUV声呐装备的发展必然向着网络化、协同化方向拓展，与固定式水下无人装备联合，从而构建分布式的水下无人警戒探测网络和高效的预警体系，将成为发展趋势。 ' a. w# o( @! p) T

五、结语

UUV是未来我军水下作战力量的重要组成部分，我国对于适合UUV的声呐装备研究也正处于起步阶段，需要针对声呐一体化设计、自主目标探测、水声导航、水声通信等几个方面的关键技术，牢牢把握UUV的声呐装备向高自主性能、高模块化程度和高分布式协同能力方向发展的趋势，使其在未来高信息化的水下作战体系中发挥巨大的作用。报名方式点击文末左下角“阅读原文”进入在线报名系统！ # ]/ h5 ^8 j+ p4 U