水下激光探測(cè)與告警?

楊國(guó)華 張永峰 儲(chǔ)澤國(guó)

1 引言

占地球表面積71%的海洋是人類(lèi)賴(lài)以生存發(fā)展的資源寶庫(kù)，世界各國(guó)對(duì)海洋的爭(zhēng)奪從未停止，大有愈演愈烈之勢(shì)。在水下探測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，世界各國(guó)對(duì)水下空間的爭(zhēng)奪日趨白熱化。其中，水下信息的獲取是水下戰(zhàn)場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)，掌握水下信息主動(dòng)權(quán)的一方往往就掌握了水下空間戰(zhàn)的勝利。

水下信息獲取的手段早期以聲學(xué)探測(cè)［1］為主，但聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，探測(cè)精度有限，并且探測(cè)受洋流、溫度等條件影響［2］，探測(cè)有一定的不確定性。特別是在淺海探測(cè)時(shí)，淺海水聲環(huán)境復(fù)雜，使得水聲信道干擾大、損耗高、不穩(wěn)定，導(dǎo)致聲學(xué)探測(cè)效果不佳［3］，難以發(fā)現(xiàn)水雷、漁網(wǎng)等小目標(biāo)。而水下激光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展正好彌補(bǔ)這一缺陷。水下激光探測(cè)不受現(xiàn)行潛艇降噪手段的影響，可精確定位水下目標(biāo)（水雷、潛艇等），適用于淺海、港口水域。特別是水下激光探測(cè)系統(tǒng)搭載于飛機(jī)時(shí)，具有優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能，可快速對(duì)大面積海域進(jìn)行有效探測(cè)［4］。由于水下激光探測(cè)精度佳、效率高等一系列優(yōu)勢(shì)，自然而然成為探測(cè)水中目標(biāo)絕佳選擇。

為了反制敵方運(yùn)用水下激光探測(cè)手段對(duì)潛艇、水雷等水下軍事目標(biāo)進(jìn)行偵察，水下激光告警應(yīng)運(yùn)而生。

2 水下激光探測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)存在于海水中的理想透光窗口［5］以來(lái)，水下激光探測(cè)技術(shù)在軍事應(yīng)用方面飛速發(fā)展。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、加拿大、澳大利亞、瑞典進(jìn)行了激光水下探測(cè)系統(tǒng)的研制［6］，并將其裝備到潛艇、水下機(jī)器人或飛機(jī)上。

美國(guó)是最先研究水下激光探測(cè)技術(shù)的國(guó)家，1963年美國(guó)海軍航空電子實(shí)驗(yàn)室研究了藍(lán)綠激光探潛的可行性。1968年，世界上第一臺(tái)激光海洋探測(cè)系統(tǒng)在美國(guó)Syracuse大學(xué)誕生，Syracuse大學(xué)奠定了海洋激光探測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)［7～9］。此后，美國(guó)多家公司開(kāi)展了水下激光探測(cè)系統(tǒng)研究。20世紀(jì)90年代海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍使用卡曼公司研制的“魔燈”機(jī)載激光探雷系統(tǒng)執(zhí)行探雷任務(wù)，直升機(jī)以400～1500英尺高度巡航，探雷系統(tǒng)發(fā)射單脈沖能量為500mJ的窄脈沖，重復(fù)頻率為40Hz，探測(cè)深度達(dá)30米，僅投入4天，就發(fā)現(xiàn)了數(shù)量相當(dāng)于其他水聲探雷系統(tǒng)前7個(gè)月所探到的總數(shù)的12%［10］，此后美國(guó)對(duì)“魔燈”系統(tǒng)進(jìn)行多次改進(jìn)。同時(shí)期，美國(guó)Raytheon公司研制的RAMICS快速飛機(jī)排雷系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)探測(cè)淺水層水雷［11］，虛警率極低；Sparta水下激光成像系統(tǒng)，最大探測(cè)深度小于50m；SM2000水下激光成像系統(tǒng)，最大探測(cè)深度為45米。此后，瑞典、加拿大、俄羅斯等國(guó)也相繼開(kāi)展了藍(lán)綠激光水下探測(cè)技術(shù)的研究工作。

1994年瑞典研制“鷹眼”水下激光海洋探測(cè)系統(tǒng)，其掃描速度與掃描角度可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，在波羅的海完成海試，最大探測(cè)深度達(dá)到70m，并于后期列裝服役。1998年澳大利亞測(cè)試LADSMKⅡ水深測(cè)量系統(tǒng)［12］，搭載于飛機(jī)平臺(tái)，飛行高度為500m，探測(cè)深度為0m～70m，并大力推廣銷(xiāo)售到多個(gè)國(guó)家。2003年加拿大對(duì)LUCIE2水下激光探測(cè)進(jìn)行海試［13］；上世紀(jì)90年代俄羅斯已在“熊Ⅳ”型轟炸機(jī)的頭部安裝了“紫石英”機(jī)載藍(lán)綠激光潛艇探測(cè)系統(tǒng)［14-15］，以搜索沿海潛艇和水雷。雖然激光水下探測(cè)系統(tǒng)型號(hào)多樣，但有許多共性：探測(cè)光源多采用重復(fù)頻率低（幾十至數(shù)百赫茲）、脈沖寬度窄（納秒級(jí)）、單脈沖能量大的藍(lán)綠激光（Nd：YAG激光器），激光波長(zhǎng)以532nm為主，海洋測(cè)量型激光探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量深度一般在70m以下，水下目標(biāo)探測(cè)型激光探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)深度在50m以下。

3 水下激光告警的意義及技術(shù)難點(diǎn)

3.1 水下激光告警的意義

隨著水下激光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以“魔燈”系統(tǒng)為代表的水下激光探測(cè)裝備使我方使得潛艇、水雷、水下機(jī)器人等水下武器平臺(tái)隱蔽性能大大減弱，對(duì)其安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，及時(shí)感知敵方激光探測(cè)威脅以便采取相應(yīng)的對(duì)抗措施，對(duì)提高我方水下武器平臺(tái)的生存概率、掌握水下戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)具有重要意義。

水下激光告警正是為了滿(mǎn)足這一需求而產(chǎn)生的新概念：激光告警器搭載在水下武器平臺(tái)上，可實(shí)時(shí)探測(cè)到并識(shí)別出有別于水下背景光的光信號(hào)，從而完成對(duì)敵方水下激光探測(cè)威脅實(shí)施告警的任務(wù)。水下激光告警技術(shù)是一種重要的反激光水下探測(cè)的手段，它在一定程度上可以保證已方水下目標(biāo)的安全。當(dāng)對(duì)方發(fā)射探測(cè)激光時(shí)，搭載于水下武器平臺(tái)上的水下激光告警器實(shí)時(shí)探測(cè)到并識(shí)別出有別于水下背景光的光信號(hào)，獲取探測(cè)激光的信息（頻率、強(qiáng)度、方向等），發(fā)出警報(bào)，以便及時(shí)采取規(guī)避、干擾、甚至啟動(dòng)火攻武器實(shí)施對(duì)抗。在發(fā)現(xiàn)即毀滅的現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，水下激光告警技術(shù)有助于快速掌握對(duì)方的偵查行動(dòng)，保證水下武器平臺(tái)不被發(fā)現(xiàn)并掌握對(duì)方活動(dòng)，奪取水下空間爭(zhēng)奪戰(zhàn)的信息優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而掌握水下戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)。

雖然水下激光探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，但有關(guān)水下激光告警器的研究報(bào)道還比較少，海軍工程大學(xué)吳廣成等人通過(guò)分析激光在水體的傳輸特性，提出了一種水下激光告警器的實(shí)現(xiàn)方案。

3.2 水下激光告警的技術(shù)難點(diǎn)

水下激光告警，顧名思義其工作的環(huán)境是水下，而水體對(duì)光的衰減往往很?chē)?yán)重［15-17］，這將導(dǎo)致告警器在不同的工作深度接收到的告警信號(hào)強(qiáng)度相差非常大，即告警信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很大。同時(shí)，水體對(duì)光具有很強(qiáng)的散射效應(yīng)，告警器接收到的光信號(hào)有可能含有較少激光原始方向信息，告警信號(hào)方向的準(zhǔn)確識(shí)別將較困難。因此水下激光告警技術(shù)難點(diǎn)可總結(jié)如下：

1）大動(dòng)態(tài)范圍輸入信號(hào)處理。當(dāng)告警器接收到的信號(hào)十分微弱時(shí)，告警器的信號(hào)處理電路必須對(duì)小信號(hào)進(jìn)行高增益放大才能進(jìn)行后續(xù)處理；而當(dāng)告警器接收到的信號(hào)比較強(qiáng)時(shí)，信號(hào)處理電路進(jìn)行低增益放大避免系統(tǒng)“過(guò)載”。因此信號(hào)處理電路不能采用線(xiàn)性放大模式來(lái)工作，必須具備壓縮信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的能力。

2）告警信號(hào)方向識(shí)別。水體對(duì)光的散射效應(yīng)從微觀上來(lái)看是光子傳播方向被改變，如圖2所示。當(dāng)光子經(jīng)歷多次散射后，其方向變化很大，難以如實(shí)反應(yīng)初始方向；告警器接收到大量經(jīng)歷多次散射的光子，但難以從中提取出光源的準(zhǔn)確初始方位信息。

4 結(jié)語(yǔ)

水下激光探測(cè)技術(shù)快速發(fā)展并被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，對(duì)我方潛艇、水雷、機(jī)器人等水下作戰(zhàn)平臺(tái)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對(duì)水下激光探測(cè)進(jìn)行告警是擺在科研人員面前的一個(gè)新課題。水下激光告警面臨動(dòng)態(tài)范圍大、信號(hào)方向識(shí)別難的技術(shù)難題，但其軍事運(yùn)用價(jià)值巨大值得深入研究。

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