潛艇避碰聲吶發(fā)展分析

李 寧，宋 俊，楊秀庭，韓志斌，蘇 冰，高本征

(1.海軍研究院，北京 100161；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引 言

潛艇在水下空間主要利用聲吶設(shè)備進(jìn)行探測感知等活動，其中避碰聲吶（有時也稱探雷與避碰聲吶）是潛艇水下近程避碰探測的主要聲學(xué)手段，是確保潛艇水下航行安全的重要保障。近幾年來，隨著各國潛艇活動海域范圍的不斷擴(kuò)大，水下航行過程中可能會遇到各種危險障礙物，因此，避碰聲吶越來越得到潛艇操縱員的重視，對其需求也愈加迫切。如何開發(fā)設(shè)計合理的功能性能，滿足潛艇操縱員的使用需求，是極其重要的問題。本文從國外現(xiàn)狀、軍事需求、關(guān)鍵技術(shù)三方面分析潛艇避碰聲吶發(fā)展相關(guān)問題，意在為我潛艇避碰聲吶的未來發(fā)展及功能設(shè)計提供一定的參考。

1 國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 國外現(xiàn)狀

國外非常重視避碰聲吶及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)不同平臺特點和要求，開發(fā)了各種類型的避碰聲吶。避碰聲吶以主動方式工作，工作頻率較高，一般在幾十到數(shù)百千赫，探測距離通常在幾百米至1 000 m左右，聲吶分辨率好，能探測礁石、沉船、水雷等航行障礙物，輔助潛艇操縱人員規(guī)避危險物體，保障潛艇水下航行安全。目前，避碰聲吶已經(jīng)成為國外潛艇聲設(shè)備的基本配置[1-5]。

美國海軍潛艇避碰聲吶裝備[1-5]主要包括AN/BQS-15，AN/BQS-24避碰聲吶，CHIN高頻主動聲吶系統(tǒng)等。為了保證這類聲吶的探測范圍，一般將其布置在圍殼較高處，有的也在艇首聲吶的主基陣下方布置一個高頻避碰聲吶基陣，以獲得良好的探測視線。

AN/BQS-15避碰聲吶屬于美國AN/BQQ-5潛艇綜合聲吶系統(tǒng)的一部分，主要裝備于“洛杉磯”級攻擊核潛艇，安裝在圍殼處，工作在高頻段，用于探測水雷和其他障礙物。安裝位置如圖1所示。

AN/BQS-24避碰聲吶在BQS-15避碰聲吶基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在顎首部和指揮臺圍殼有發(fā)射陣和接收陣。顎首陣安裝在艇殼較低的位置，可以在海面或較淺深度工作。發(fā)射陣可照射到潛艇下部區(qū)域而不受首部的干擾，較大的垂直孔徑可以在垂直方向生產(chǎn)較窄的波束從而降低多途影響。主要裝備于“海狼”級、“弗尼吉亞”級攻擊核潛艇。安裝位置如圖2所示。

圖1 “洛杉磯”級核潛艇裝備的 AN/BQS-15 探雷與避障聲吶的基陣Fig.1 AN/BQS-15 sonar of Los Angeles submarine

圖2 “海狼”級核潛艇裝備的 AN/BQS-24 探雷與避障聲吶的基陣Fig.2 AN/BQS-24 sonar of Seawolf submarine

CHIN高頻主動聲吶系統(tǒng)屬于美國AN/BQQ-10潛艇綜合聲吶系統(tǒng)的一部分，安裝在最新服役的幾艘“弗尼吉亞”級攻擊核潛艇，基陣配置在原有BQS-24避碰聲吶基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，主要在艇首下顎部新增一套高頻基陣，通過測量前下方海底地形實現(xiàn)地形匹配導(dǎo)航。安裝位置如圖3所示。

圖3 “弗尼吉亞”級核潛艇裝備的CHIN高頻主動聲吶系統(tǒng)Fig.3 CHIN high-frequency active sonar of Virginia submarine

美國潛艇避碰聲吶有多種工作模式，包括淺水工作模式、深海工作模式、冰層下工作模式、雷區(qū)工作模式等，可根據(jù)不同海工作場景和海域?qū)嶋H情況進(jìn)行選擇，完成各種使命任務(wù)。隨著技術(shù)發(fā)展和需求牽引，潛艇避碰聲吶已經(jīng)向水下定位導(dǎo)航發(fā)展，如CHIN高頻避碰聲吶系統(tǒng)不僅僅能完成傳統(tǒng)的探雷、避碰、測冰等任務(wù)，還能憑借優(yōu)異的性能，通過掃描水下航道或者待機(jī)陣位的地形地貌，與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)字海底地圖進(jìn)行比對，進(jìn)行潛艇水下的定位導(dǎo)航。一定程度上改變了以往潛艇需要通過上浮利用無線電或者衛(wèi)星導(dǎo)航的傳統(tǒng)模式，降低了潛艇定位導(dǎo)航中的暴露率，提高了潛艇的隱蔽性。CHIN聲吶新功能為美國海軍潛艇部隊探測和摸索重要水下航道、豐富海軍潛艇部隊海底數(shù)字地圖、保障美國海軍前沿部署發(fā)揮重要作用。

此外，法、德、英、俄等海軍強(qiáng)國潛艇均配置了類似的避碰聲吶[1-5]。其中，法國“魷魚”級潛艇配置了泰勒斯公司的MOAS避碰聲吶，安裝于潛艇平臺的前端，采用一條垂直陣用于發(fā)射，一條水平陣用于接收信號，工作頻率幾十千赫，支持探測、識別和導(dǎo)航3種工作模式，具備規(guī)避海底障礙物、探測水中錨雷、上浮過程中探測水面艦船等能力；德國U212、214型潛艇配置MAA3070避碰聲吶，換能器陣列選用平面陣形式，具有低頻2D、高頻3D前視功能；英國“機(jī)敏”級攻擊核潛艇也配置了近程測距識別高頻聲吶，安裝位置如圖4所示。

圖4 英國“機(jī)敏”級攻擊核潛艇安裝高頻避碰聲吶基陣的位置Fig.4 High-frequency sonar array of Astute submarine

1.2 發(fā)展趨勢

綜合國外潛艇避碰聲吶的發(fā)展情況，其發(fā)展趨勢主要有以下幾個特點：

1）避碰聲吶是潛艇聲吶系統(tǒng)的重要組成部分。如CHIN高頻主動聲吶系統(tǒng)屬于AN/BQQ-10潛艇綜合聲吶系統(tǒng)、“機(jī)敏”級近程測距識別高頻聲吶屬于2 076潛艇綜合聲吶系統(tǒng)。近些年來，國外潛艇聲吶系統(tǒng)均采用一體化設(shè)計思路，避碰聲吶在一體化系統(tǒng)架構(gòu)下，主要利用高頻收發(fā)陣實現(xiàn)避碰功能。其中，基陣方面普遍采用收發(fā)分置設(shè)計，既可以根據(jù)使用需求保持發(fā)射和接受信號的角度，又可以降低聲吶基陣在艇上的安裝施工難度。同時通過基陣復(fù)用設(shè)計，為系統(tǒng)其他功能提供數(shù)據(jù)。

2）具備多種功能設(shè)計和工作模式。從功能設(shè)計上，前視和上視避碰功能是潛艇航行安全所必備的功能，下視避碰功能是為適用淺水作戰(zhàn)等新的作戰(zhàn)任務(wù)要求而增加的新功能。如各國潛艇避碰聲吶普遍具備前視和上視避碰功能，利用主動聲吶回波亮點對前方/前上方幾百米左右的錨雷、漁船等障礙物進(jìn)行有效探測。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)新的任務(wù)要求，部分聲吶具備海底三維地形成像能力，實現(xiàn)對前下方障礙物避碰探測的同時，兼顧若干特殊任務(wù)（如海底地形匹配導(dǎo)航）的需求，如美國CHIN高頻聲吶系統(tǒng)。

3）自動化程度高，具備對障礙物的自動避碰報警能力。由于避碰聲吶主要用于保障潛艇航行安全，要求其具備較高的自動化探測、識別報警和處理能力，以及較小的虛警率，以滿足“既不能漏報、又不能虛警”的報警需求。如國外避碰聲吶普遍具有對類似魚雷、漁船等目標(biāo)向操作員進(jìn)行自動避碰告警的能力，支持操縱員提前做出規(guī)避動作。

2 軍事需求分析

2.1 應(yīng)用場景分析

潛艇是水下重要作戰(zhàn)力量，安全航行是其執(zhí)行作戰(zhàn)及訓(xùn)練任務(wù)的前提條件。為了確保水下航行安全，對水中障礙物的發(fā)現(xiàn)和規(guī)避極為重要[6]。目前，潛艇在水下航行時可綜合利用潛望鏡、光電設(shè)備、聲學(xué)設(shè)備等獲取前方障礙物信息。其中，利用高頻避碰聲吶對障礙物進(jìn)行探測，是確保航行安全的主要聲學(xué)手段。潛艇水下安全航行應(yīng)用避碰聲吶的主要場景如下：

1）在上浮過程中探測水面漂浮或低速航行的漁船、艦艇等水面障礙物。近年來，沿岸及周邊海域漁船數(shù)量急劇增加，對潛艇的正常作戰(zhàn)及訓(xùn)練的威脅程度不斷提高。上浮過程中，需要及時準(zhǔn)確地探測水面障礙物，確保上浮安全。此外，在高緯度冰層下上浮時，利用避碰聲吶測量獲取冰層厚度，對于破冰上浮操縱也是十分必要的。

2）探測戰(zhàn)時航道中布放的錨雷。水雷是一種十分有效的海戰(zhàn)武器，其最大的特點是隱蔽性好，威力大。未來瀕海作戰(zhàn)中，主要作戰(zhàn)對手可能會針對重要航道和水域進(jìn)行隱蔽布雷，給潛艇兵力帶來巨大安全隱患，極大地限制潛艇兵力行動的機(jī)動性。因此，在存在錨雷的可能海域，利用避碰聲吶及時探測錨雷是確保潛艇自身安全的必要手段。

3）探測航行前下方可能存在的暗礁等（尤其在狹窄水道等海底地形復(fù)雜海域）海底礙航物。潛艇作戰(zhàn)海域廣闊，包括淺海/深海，海底平坦或復(fù)雜海域。在已測繪的海域，潛艇操縱員可通過海圖提供的海底地形信息選擇合理航線，但在未知海域或信息掌握有限的海域，由于海底地形信息缺乏，存在觸礁等航行安全隱患。尤其是潛艇通過狹窄水道或在戰(zhàn)時緊急進(jìn)入未知海域的情況下，均需要現(xiàn)場探測海底障礙物以確保潛艇的隱蔽航行安全。

2.2 能力需求分析

根據(jù)各種平臺避碰設(shè)備的使用特點，對航行障礙物的探測，既要檢測概率高、避免發(fā)生障礙物漏報、引起事故，要求避碰聲吶具有較高的檢測概率；同時又要虛警率低，避免開啟不必要的避碰模式，影響平臺正常作業(yè)，要求避碰聲吶具有較低的虛警。這種“既不能漏報、又不能虛警”的探測需求，是避碰聲吶設(shè)備有別于其他探測聲吶的主要特點。

潛艇避碰聲吶與汽車倒車輔助避碰系統(tǒng)十分相似，在功能設(shè)計和能力要求上可充分借鑒其思路。例如，目前汽車普遍配置倒車?yán)走_(dá)功能，可對后方目標(biāo)進(jìn)行探測提供距離、方位等信息，同時根據(jù)距離遠(yuǎn)近給出告警信息；更高級的倒車系統(tǒng)在倒車?yán)走_(dá)提供障礙物距離、方位信息的基礎(chǔ)上，增加倒車影像信息，可進(jìn)一步輔助駕駛員掌握避碰物屬性。目前來看，倒車?yán)走_(dá)可基本滿足汽車倒車的避碰需求，影像信息只是一種輔助信息[7-8]。

對潛艇避碰聲吶而言，為達(dá)成“高檢測率下的發(fā)現(xiàn)能力和低虛警下的報警能力”，首先必須掌握目標(biāo)的距離、方位等信息，其次若要實現(xiàn)有效報警，需要進(jìn)一步掌握目標(biāo)避碰特征屬性（如目標(biāo)尺度、材質(zhì)等）。在此基礎(chǔ)上，若能掌握更多的目標(biāo)特征（如成像信息），則有利于對目標(biāo)的精確判別。因此，從應(yīng)用需求來看，掌握障礙物距離、方位信息并實現(xiàn)報警即可滿足基本的航行避碰需求，其他信息為輔助信息，可進(jìn)一步提高避碰判斷的準(zhǔn)確性。

綜合以上分析，對潛艇避碰聲吶的能力要求主要包括3個方面：一是近程障礙目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，包括發(fā)現(xiàn)距離等；二是規(guī)避目標(biāo)的報警能力，包括報警距離、虛警率等；三是輔助識別能力，包括目標(biāo)精細(xì)分類及識別能力。

2.3 主要功能要求

潛艇避碰聲吶應(yīng)能滿足潛艇對障礙物和水雷目標(biāo)的規(guī)避需求，保障潛艇的航行安全。主要功能要求如下：

1）具備障礙物及錨雷主動探測功能?？商綔y潛艇前上方、前方、前下方障礙物及錨雷目標(biāo)，測定目標(biāo)的距離、方位。借鑒國外研制思路，考慮潛艇操縱狀態(tài)（上浮、下潛、航行等）、航行速度、回轉(zhuǎn)半徑及可能的障礙物類型等因素，對前方障礙物的主動發(fā)現(xiàn)距離不小于幾百至幾千米，可根據(jù)需求進(jìn)行具體的量化計算。需要強(qiáng)調(diào)的是，該發(fā)現(xiàn)距離的前提是具備較高的目標(biāo)檢測概率。

2）具備對危險目標(biāo)的自動告警功能?？蓪μ綔y到的漁船、錨雷等危險目標(biāo)自動告警。自動告警是在目標(biāo)檢測發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，在對目標(biāo)作出準(zhǔn)確識別判斷的前提下，進(jìn)行自動聲光等提示報警。為了盡量減輕操縱員的值班負(fù)荷，需要較低的報警虛警，且報警距離滿足規(guī)避需求。

3）具備多種工作模式，滿足不同安全航行場景的使用需求，并支持功能拓展?？筛鶕?jù)應(yīng)用場景任務(wù)需求，切換并支持高/低頻模式、二維/三維模式、作戰(zhàn)探測/水下導(dǎo)航/海底測繪/測冰等工作模式。通過多種工作場景的針對性設(shè)計及開發(fā)，滿足淺水、深海等多種復(fù)雜海洋地貌條件下的航行安全，可進(jìn)一步提供給操縱員更多目標(biāo)信息，輔助其判情。同時，在一體化系統(tǒng)架構(gòu)下，應(yīng)用開放式設(shè)計思路，支持相關(guān)功能拓展。

需要說明的是，上述要求是比較理想的設(shè)計考慮，不同平臺可根據(jù)使用需求及實現(xiàn)可行性進(jìn)行要求裁剪，據(jù)此配置相關(guān)基陣及功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)及難點

根據(jù)潛艇規(guī)避聲吶的使用特點，為了最大限度滿足“低漏報、低虛警”的探測需求，檢測能力及報警能力是其核心能力，是確保避碰聲吶性能發(fā)揮的關(guān)鍵點，也是避碰聲吶研制的難點。根據(jù)2.3節(jié)所提的功能要求，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括波束穩(wěn)定和相控技術(shù)、障礙目標(biāo)識別技術(shù)及多工作模式設(shè)計技術(shù)等。

3.1 波束穩(wěn)定和相控技術(shù)

避碰聲吶對障礙物探測的主要性能由聲吶參數(shù)決定，但同時會受到來自水面、海底混響、平臺穩(wěn)定性、聲場擾動、聲線彎曲等多種因素的影響。由于聲吶探測的主波束覆蓋范圍是潛艇航行空間，但是主波束會受到來自界面回波的干擾，同時旁瓣方向的強(qiáng)回波也會引入干擾[9]。因此，為最大概率地發(fā)現(xiàn)前方可能的障礙目標(biāo)，同時盡量避免探測或者有效識別和剔除水面波浪、海底、船只尾流等非障礙物目標(biāo)，避碰聲吶需要能夠發(fā)射和接受一個穩(wěn)定、適合束寬、指向自適應(yīng)的波束，這是有效探測的重要基礎(chǔ)。采取波束自適應(yīng)穩(wěn)定及垂直波束相控技術(shù)，根據(jù)潛艇的深度和高度，設(shè)置適當(dāng)?shù)陌l(fā)射束寬，根據(jù)航行器的姿態(tài)參數(shù)實時調(diào)整波束指向，保證波束指向航行方向。關(guān)于這方面的研究，國內(nèi)外相對比較成熟，后續(xù)研制避碰聲吶需要根據(jù)使用特點改進(jìn)提升相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步抑制旁瓣、減少載體平臺穩(wěn)定及水聲環(huán)境的影響。

3.2 障礙目標(biāo)識別技術(shù)

避碰報警的核心技術(shù)是障礙目標(biāo)識別技術(shù)。障礙目標(biāo)識別是將影響航行的障礙目標(biāo)（水面船、礁石、沉船、水雷、漁網(wǎng)）從虛假目標(biāo)（水面回波、海底回波、船只尾流、湍流氣泡）和不影響航行的目標(biāo)中篩選出來。為了盡可能的降低避碰報警的虛警率，障礙物目標(biāo)識別技術(shù)是關(guān)鍵。目標(biāo)識別方法包括基于聲吶圖像的目標(biāo)檢測識別技術(shù)和基于聲回波多特征的目標(biāo)識別技術(shù)。其中，聲回波特征主要包括相位特征、波形特征和時頻特征等，尤其是相位特征可以反映目標(biāo)的表面材質(zhì)特性，特別適合于識別和區(qū)分礁石、魚群、氣泡等不同類型目標(biāo)。關(guān)于這方面的研究，國內(nèi)已有相關(guān)基礎(chǔ)[10-11]，可在后續(xù)發(fā)展過程進(jìn)一步進(jìn)行有針對性地研究，并通過試驗驗證篩選可行技術(shù)途徑。

3.3 多工作模式設(shè)計技術(shù)

不同應(yīng)用場景對避碰聲吶的功能性能需求不同，其帶來的算法設(shè)計亦有不同點和側(cè)重點。各國潛艇前視規(guī)避聲吶普遍具有探雷、規(guī)避障礙物的功能，有的還具有利用地形探測實現(xiàn)水下導(dǎo)航的功能。為此，在設(shè)計潛艇避碰聲吶時應(yīng)在考慮不同應(yīng)用場景的前提下，合理設(shè)計工作模式，最大限度發(fā)揮聲吶設(shè)備功能性能，以滿足不同任務(wù)需求。例如，高/低頻探測模式的切換可充分發(fā)揮低頻遠(yuǎn)距離、高頻高分辨率的優(yōu)勢；水平探測和垂直探測模式在疑似目標(biāo)所在水平和垂直范圍內(nèi)的自動切換、多次掃描，同時獲得水平多波束和垂直多波束圖像，可探測得到疑似目標(biāo)的水平方位、垂直方位和距離等三維參數(shù)信息。

4 結(jié) 語

潛艇避碰聲吶作為輔助潛艇水下航行安全的重要聲學(xué)設(shè)備，其功能設(shè)計及未來發(fā)展應(yīng)得到更高重視。本文在分析國外潛艇避碰聲吶發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合主要應(yīng)用場景，分析了潛艇避碰聲吶的能力需求，提出了相關(guān)的功能要求，并簡要分析了涉及的關(guān)鍵技術(shù)及難點。