無人水下航行器聲吶裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

傅仁琦，曹 焱，王曉林

(中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

0 引 言

無人水下潛航器（Unmanned Undersea Vehicle，UUV）最早出現(xiàn)于20 世紀60 年代。在發(fā)展初期，UUV 主要用于深水勘探、沉船打撈、水下電纜鋪設(shè)及維修等民用領(lǐng)域，后逐步擴展應(yīng)用于水下聲源探測、協(xié)助潛艇深水避雷、港口戰(zhàn)術(shù)偵察等軍事領(lǐng)域。近十幾年來，隨著平臺、推進器、導(dǎo)航、控制系統(tǒng)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，加上現(xiàn)代戰(zhàn)爭追求人員零傷亡的理念，UUV 的軍事應(yīng)用得到高度重視，其在水下偵察、水下通信和反潛、反水雷作戰(zhàn)、信息作戰(zhàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了空前發(fā)展。

美國國防部于2007–2013 年間前后發(fā)布了4 版《無人系統(tǒng)（一體化）路線圖》[1–4]，其中針對UUV的4 個級別將任務(wù)按優(yōu)先級擴充為17 項，如表1 所示。

美海軍于2000 年和2004 年分別發(fā)布兩版《海軍無人水下潛航器總體主規(guī)劃》[6–7]，將UUV（不分級別）的任務(wù)按優(yōu)先順序歸納為9 類：

1）情報/監(jiān)視/偵察（I S R）；2）水雷對抗（MCM）；3）反潛戰(zhàn)（ASW）；4）檢查/識別；5）海洋調(diào)查；6）通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（CN3）；7）載荷投送；8）信息作戰(zhàn)；9）時敏打擊。

不論是《海軍無人水下潛航器總體主規(guī)劃》，還是《無人系統(tǒng)（一體化）路線圖》，這幾版文件中對于所有級別的UUV，情報/監(jiān)視/偵察（ISR）、檢查/識別和水雷對抗（MCM）這3 項任務(wù)的排序都十分靠前，這也印證了在當今復(fù)雜國際環(huán)境下美國海軍對于這3 項UUV 任務(wù)執(zhí)行的迫切需求。

UUV 執(zhí)行各項任務(wù)無一不需要聲吶的配合，尤其是對于ISR、檢查/識別和MCM，聲吶性能的優(yōu)劣，往往是任務(wù)完成度的決定性因素。根據(jù)功能的不同，UUV 聲吶裝備主要分為三大類：通信聲吶、導(dǎo)航聲吶和探測聲吶，如圖1 所示。

表 1 不同級別UUV 任務(wù)需求優(yōu)先級Tab. 1 Mission requirement priority levels of UUV

圖 1 UUV 主要聲吶裝備Fig. 1 The main sonar equipments of UUV

通信聲吶主要用于UUV 與協(xié)同行動的其他UUV、母船（艇）或通信浮標之間的信息鏈接；導(dǎo)航聲吶為UUV 的安全航行和執(zhí)行作業(yè)任務(wù)提供其位置、航向、深度、速度和姿態(tài)等信息；探測聲吶主要用于警戒、探測、識別水中或沉底目標信息，對水下地形、地貌、地質(zhì)進行勘察和測繪。

承擔不同任務(wù)的UUV，應(yīng)裝備不同的聲吶系統(tǒng)，聲吶作為UUV 完成使命任務(wù)的重要手段，已成為UUV 裝備發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

1 國外UUV 聲吶裝備現(xiàn)狀

1.1 國外UUV 探測聲吶裝備

在UUV 聲吶裝備中，探測聲吶種類最為豐富，常見的有：側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶、前視成像聲吶、多波束測深聲吶、舷側(cè)及拖曳被動探測聲吶等。UUV 由于受載荷空間與能源的限制，需要根據(jù)特定任務(wù)選擇相應(yīng)功能聲吶裝載。

1）側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶是利用海底表面物質(zhì)的散射特征差異來判斷目標物的沉積屬性或形態(tài)特征。作業(yè)時向兩側(cè)發(fā)射寬角度波束，以覆蓋海底大面積區(qū)域，然后通過接收海底的反向散射數(shù)據(jù)進行成像。

國際上應(yīng)用較成熟的無人水下航行器如美國BLUEFIN-21、SEAHORSE，德國Sea Otter，挪威HUGIN 1000/3000 均配備側(cè)掃聲吶。典型的有美國EdgeTech 公司2200 系列側(cè)掃聲納，采用模塊化設(shè)計，功耗低，最大工作水深達6 000 m，其本身裝有換能器及耐壓艙，可獨立作業(yè)；也可安裝在UUV 的耐壓艙中，利用平臺處理器進行控制，工作頻率為75&120 kHz、75&410 kHz 或120&410 kHz?？捎糜趫?zhí)行海底目標搜索、地球物理測量、電纜/管線敷設(shè)定位等具體任務(wù)。

圖 2 EdgeTech 2200 系列側(cè)掃聲吶Fig. 2 EdgeTech 2200 series side scan sonar

2）合成孔徑聲吶

合成孔徑聲吶是利用勻速直線運動的聲基陣，形成大的虛擬（合成）孔徑，以提高聲吶橫向分辨率。具有橫向分辨率與工作頻率和距離無關(guān)的優(yōu)點、其分辨率比常規(guī)側(cè)掃聲吶高1～2 個量級。由于具備超高分辨率的小目標成像能力，合成孔徑聲吶常作為UUV 執(zhí)行水雷對抗（MCM）使命的首選裝備，如美國的REMUS 600、挪威的HUGIN 1000/3000 均有配備。

HUGIN 1000/3000 軍用UUV 上所配置的Kongsberg 公司HISAS 1030 合成孔徑聲吶，采用干涉式聚焦合成孔徑成像技術(shù)，可以在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)遠距離高分辨成像，其工作頻率為60～120 kHz，最大量程達到200m@2m/s 或者260m@1.5m/s，實際分辨率在全量程內(nèi)均優(yōu)于5 cm×5 cm。

圖 3 HISAS 1030 合成孔徑聲吶Fig. 3 HISAS 1030 synthetic aperture sonar

3）多波束測深聲吶

多波束測深聲吶是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過對發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印進行處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，并較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

圖 4 Seabat 7125-AUV 多波束測深聲吶Fig. 4 Seabat 7125-AUV Multibeam Echosounder

多波束測深聲吶在執(zhí)行大范圍海底搜索和地形測繪時效果顯著，大多數(shù)軍用或民用UUV 均為該類聲吶留有接口，如美國的B L U E F I N-2 1、H U G I N 1000/3000，德國的Sea Otter 等。丹麥的RESON Seabat 7125-AUV 多波束測深聲吶，具有400 kHz 的工作頻率，波束寬度達到1°×0.5°，覆蓋開角達165°，最大測深能力不小于175 m。

4）被動探測聲吶

UUV 裝備的被動探測聲吶通常指進行遠距離目標探測的被動聲吶，主要有舷側(cè)陣聲吶和拖曳線列陣聲吶。相比于潛艇上的裝備，UUV 舷側(cè)陣聲吶受安裝尺度所限，陣列長度大幅縮減，工作頻段也會有所不同；UUV 拖曳線列陣聲吶則是受機動性限制，一般只采用掛接形式。

利用被動探測聲吶，UUV 能夠?qū)⑶閳?、監(jiān)視與偵察（ISR）這項最優(yōu)先、最基本的任務(wù)有效地擴大到極淺水域和常規(guī)平臺難以抵達的地區(qū)，完成對信號、圖像、特征等情報的搜集，同時與水下信息網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，實現(xiàn)水下戰(zhàn)場的“單向”透明，并在反潛戰(zhàn)（ASW）中產(chǎn)生巨大效能。

被動探測聲吶多裝備于大型或超大型無人水下航行器（LDUUV/XLUUV），如美國“虎鯨”超大型UUV，其兩舷側(cè)設(shè)計有72（或96）單元水聽器陣列；俄羅斯“替代者”超大型UUV，設(shè)計具備攜帶拖曳線列陣聲吶的能力。被動探測聲吶對敵水面艦探測跟蹤距離可達到數(shù)十千米，對敵低噪潛艇發(fā)現(xiàn)距離也可達數(shù)千米，極大地提升了UUV 在 ISR 與ASW 中的作戰(zhàn)實力。

1.2 國外UUV 導(dǎo)航聲吶裝備

導(dǎo)航聲吶是為UUV 在自主航行時，利用聲波在水中的傳播特性為導(dǎo)航系統(tǒng)提供必要的信息，如航行器的航速、位置等。目前國際上使用較多的有水聲定位系統(tǒng)（長基線系統(tǒng)和超短/短基線系統(tǒng)）、多普勒水聲計程儀等，其中多普勒水聲計程儀構(gòu)造輕便、價格低廉，易與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)形成組合導(dǎo)航模式，為當前主流的無人航行器所采用。

圖 5 “虎鯨”超大型UUVFig. 5 Orca extra large UUV

圖 6 “替代者”超大型UUV（攜帶拖曳線列陣）Fig. 6 Replacement extra large UUV with towed linear array

1.3 國外UUV 通信聲吶裝備

由于海水對無線電信號的嚴重衰減，水聲通信是水下數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)奈ㄒ挥行侄?。水聲通信聲吶用于水下航行器與母船（艇）、其他水下航行器、潛（?。酥g的水下信息傳輸，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息和情報的水下無線傳輸。

UWM 系列水聲通信設(shè)備被當前主流UUV 廣泛采用，如HUGIN 3000 型UUV 裝備了UWM4000 水聲調(diào)制解調(diào)器，其工作頻率為12.75 kHz或21.25 kHz，工作深度3 000 m 或 6 000 m，傳輸距離最遠可達4 km，數(shù)據(jù)率8.5 kb/s，誤碼率小于10–7。

2 國內(nèi)UUV 聲吶裝備現(xiàn)狀

國內(nèi)針對無人航行器的聲吶裝備研究始于20 世紀90 年代，“十二五”以來，依托國家“863”計劃及眾多預(yù)研基金，UUV 聲吶裝備得到了快速發(fā)展，逐漸擺脫了依賴國外設(shè)備的窘境。國內(nèi)現(xiàn)有各型UUV，如偵塞型UUV、巡航雷、海洋探測型UUV、攻擊型UUV 等，均可配置國產(chǎn)聲吶裝備，以適應(yīng)不同使命任務(wù)的需要。

2.1 國內(nèi)UUV 探測聲吶裝備

探測聲吶裝備中，多波束測深聲吶、側(cè)掃聲吶等用于海洋環(huán)境調(diào)查、小目標探測等聲吶裝備發(fā)展相對成熟，如DMC195-AUV 型多波束測深聲吶、Shark 系列無人平臺側(cè)掃聲吶和AUV53 型合成孔徑聲吶，在技術(shù)指標上已接近國際先進水平。

DMC195-AUV 型多波束測深聲吶，具有195 kHz的工作頻率，波束寬度達到1.5°×1.5°，覆蓋開角達160°，最大測深能力不小于200 m。

圖 7 DMC195-AUV 型多波束測深聲吶Fig. 7 DMC195-AUV multibeam echosounder

圖 8 Shark 系列側(cè)掃聲吶Fig. 8 Shark series side scan sonar

Shark 系列側(cè)掃聲吶，采用模塊化設(shè)計，功耗低于15 W，最大工作水深1 000 m，工作頻率為450 kHz 或900 kHz，采用LFM 和CW 的信號形式，航跡分辨率為0.003h@900 kHz，0.005 h@450 kHz，垂直航跡分辨率為1.25 cm，最大量程為75 m@900 kHz，150 m@450 kHz。

AUV53 型合成孔徑聲吶，其工作頻率為60～100 kHz，最大量程達到300m@2m/s，實際分辨率在全量程內(nèi)均優(yōu)于5 cm×5 cm。

適用于UUV 的主被動探測聲吶裝備國內(nèi)雖仍處于樣機階段，尚未有成熟的型號產(chǎn)品，但舷側(cè)陣聲吶和拖曳線列陣聲吶在隨幾型大中型UUV 樣機試驗中，已得到了初步驗證，有望在未來幾年形成正式裝備，從而極大地提升UUV 在ISR 與ASW 任務(wù)中的能力。

2.2 國內(nèi)UUV 導(dǎo)航聲吶與通信聲吶裝備

國內(nèi)適用于UUV 的導(dǎo)航聲吶與通信聲吶發(fā)展較早，目前已形成了一些較成熟的產(chǎn)品，如HYDVL-300/600/1200 型、STH-150B 相控陣型多普勒計程儀，QMY 系列水聲通信聲吶等產(chǎn)品，已接近國外同類產(chǎn)品性能。

圖 11 QMY 系列水聲通信聲吶Fig. 11 QMY series underwater acoustic modems

多普勒計程儀以HYDVL-300 為例，其工作頻率為300 kHz，對海底深度2～200 m，最大測流距離100 m，速度測量范圍±5 m/s，對流測量精度可達±0.5%±5mm/s，對底跟蹤精度可達±0.4%±5 mm/s。通信聲吶以QMY1621-1 型水聲通信機為例，其工作頻率為16～21 kHz，工作深度可達4 000 m，傳輸距離最遠可達4 km，通信速率1.4 kbps，誤碼率小于10–6。

3 UUV 聲吶裝備關(guān)鍵技術(shù)

自1994 年，美國正式將UUV 研發(fā)列入美海軍發(fā)展計劃，并提出優(yōu)先發(fā)展水雷偵察、情報監(jiān)視偵察和海洋調(diào)查能力以來，UUV 聲吶裝備的各項技術(shù)得到了快速發(fā)展，主要集中于聲吶一體化設(shè)計技術(shù)、自主目標探測技術(shù)、水聲導(dǎo)航技術(shù)、水聲通信技術(shù)等方面。

3.1 聲納一體化設(shè)計技術(shù)

現(xiàn)有UUV 信息系統(tǒng)中，水下探測和水聲通信往往作為獨立的設(shè)備單獨設(shè)計和使用，給本就極度緊張的UUV 內(nèi)部空間布置帶來巨大壓力，然而這兩者在工作原理、聲電架構(gòu)、工作頻率以及信號處理上十分相似，通過運用換能器基陣共用技術(shù)、電路模塊通用技術(shù)和信號處理融合技術(shù)將水下多功能探測與水聲通信有機結(jié)合并集成，形成探測通信一體化設(shè)計，可大幅削減聲吶陣列和電子部件對無人平臺的空間需求，同時電子部件的一體化集成更有利于控制功耗，有效提升UUV 在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力、應(yīng)變能力與協(xié)同作戰(zhàn)能力。

3.2 自主目標探測技術(shù)

自主目標探測是UUV 聲吶裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，受限于水下戰(zhàn)場環(huán)境的特殊性，UUV 的聲吶裝備必須具備自主探測、感知、分析和決策的能力，以配合UUV 完成授權(quán)用戶指派的單一任務(wù)甚至多平臺協(xié)同的大規(guī)模作戰(zhàn)任務(wù)。

發(fā)展UUV 聲吶裝備探測自主化技術(shù)，需要研究聲吶在噪聲干擾背景下，目標信息缺失和聲場模型失配時的噪聲分量自主檢測算法；需要著力解決目標先驗信息缺失情況下，自適應(yīng)地匹配目標信號、抑制干擾、實現(xiàn)對目標線譜分量自主檢測的問題；需要針對觀測空間內(nèi)多個強弱不同的目標，實現(xiàn)自主檢測；需要將目標檢測、方位估計、軌跡跟蹤三者相結(jié)合，實現(xiàn)高效率的自主探測。

3.3 水聲導(dǎo)航技術(shù)

多普勒計程儀與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的組合導(dǎo)航已成為目前UUV 水下導(dǎo)航技術(shù)主流配置。水聲導(dǎo)航裝備技術(shù)的關(guān)鍵點在于：研究高效、高精度的實時頻率測量方法，以減少和消除因安裝誤差對測速精度的影響；發(fā)展新型的相控陣多普勒測速技術(shù)，從機理上消除因水中聲速變換對測速的影響并大幅減小換能器陣的尺寸與重量。

此外，隨著水下無人作戰(zhàn)體系對多實體協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)需求日益增長，對長基線/超短基線水聲定位裝備的精度也提出了更高的要求。

3.4 水聲通信技術(shù)

近十幾年來，高速水聲通信技術(shù)從以非相干的移頻鍵控（FSK）調(diào)制技術(shù)為主的非相干通信向相干通信發(fā)展。尤其是正交頻分復(fù)用（OFDM）等通信方式在水聲高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得獲取較高的數(shù)據(jù)速率與通信距離積更為高效，同時其它水聲通信技術(shù)如多入多出（MIMO）、時反水聲通信、自適應(yīng)均衡技術(shù)等也在不斷發(fā)展和完善之中。此外，隨著水下分布式網(wǎng)絡(luò)和水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同理念的涌現(xiàn)，水聲通信網(wǎng)絡(luò)化需求也日益迫切。

4 UUV 聲吶裝備發(fā)展趨勢

未來水下無人系統(tǒng)將面對更加復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境和更加多元化的作戰(zhàn)任務(wù)，這就對UUV 聲吶裝備提出了更高的要求，為了適應(yīng)這種多維度、多實體、一體化的綜合作戰(zhàn)需求，發(fā)展具備高自主性能、高模塊化程度和高分布式協(xié)同能力的UUV 聲吶裝備，將成為未來發(fā)展趨勢。

1）高自主性能

一方面由于水下戰(zhàn)場的特殊性，UUV 對外部環(huán)境和目標特性的先驗信息獲取手段匱乏，因而限制了聲吶進行自主探測、跟蹤、定位、識別的能力；另一方面，水聲通信帶寬和安全通信距離十分有限，這使得傳統(tǒng)的預(yù)程序化的人工智能技術(shù)手段無法使UUV 聲吶裝備實現(xiàn)真正意義上自主性——“自身具有的探測、感知、分析、通信、規(guī)劃、決策和行動的能力，以實現(xiàn)授權(quán)用戶為其指派的目標[9]”和“并非僅簡單地提高部隊執(zhí)行任務(wù)的能力，而是實際上改變了任務(wù)本身的性質(zhì)[3]”。

未來UUV 聲吶裝備的高自主性能體現(xiàn)在：能夠以用戶或系統(tǒng)任務(wù)目標為導(dǎo)向，在未知的環(huán)境中，通過算法來優(yōu)化運算行為，根據(jù)在線態(tài)勢找到最優(yōu)解，從而為系統(tǒng)提供決策依據(jù)，同時具備自我修正、消除累積誤差的能力。

2）高模塊化程度

傳統(tǒng)的UUV 大多是為滿足各類特殊需求，按快速列裝以保障特定任務(wù)而裝備對應(yīng)的聲吶載荷，在執(zhí)行該項任務(wù)中的確發(fā)揮了很大的作用，但隨著任務(wù)結(jié)束抑或是需求緊迫度降低，特定的聲吶載荷及其接口使其無法用于投入新的任務(wù)場景，若對現(xiàn)有的專用組部件進行升級，不但費用昂貴，而且在后勤上難以實現(xiàn)，甚至可能導(dǎo)致整個平臺退役或被替換。為此，需要發(fā)展具備開放式結(jié)構(gòu)、通用接口與協(xié)議、標準互操作配置文件的聲吶裝備，以營造一個真正模塊化、開放式、可擴展、可重構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境。

實現(xiàn)聲吶分系統(tǒng)的模塊化和組部件的互操作性，具備在不同類型的系統(tǒng)中以“即插即用”的方式使用功能相同或相似的組部件，將成為UUV 聲吶裝備未來發(fā)展熱點，對于縮短裝備開發(fā)周期和降低研發(fā)及維修/維護成本意義重大。

3）高分布式協(xié)同能力

單UUV 尺寸小、航速低，單位時間機動范圍小，探測和水聲通信距離短，導(dǎo)致作戰(zhàn)或作業(yè)范圍存在一定局限性。使用多UUV 形成分布式、一體化偵察、探測、打擊網(wǎng)絡(luò)，從而有效延伸協(xié)同作戰(zhàn)的廣度和深度，為水下無人集群作戰(zhàn)提供保障。

未來隨著水下無人作戰(zhàn)理念的發(fā)展，UUV 聲吶裝備的發(fā)展必然向著網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化方向拓展，與固定式水下無人裝備聯(lián)合，從而構(gòu)建分布式的水下無人警戒探測網(wǎng)絡(luò)和高效的預(yù)警體系，將成為發(fā)展趨勢。

5 結(jié) 語

UUV 是未來我軍水下作戰(zhàn)力量的重要組成部分，我國對于適合UUV 的聲吶裝備研究也正處于起步階段，需要針對聲吶一體化設(shè)計、自主目標探測、水聲導(dǎo)航、水聲通信等幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)，牢牢把握UUV 的聲吶裝備向高自主性能、高模塊化程度和高分布式協(xié)同能力方向發(fā)展的趨勢，使其在未來高信息化的水下作戰(zhàn)體系中發(fā)揮巨大的作用。