基于UUV 的目標(biāo)非聲探測(cè)技術(shù)發(fā)展及趨勢(shì)分析

李閣閣 ,賈世鯤 ,趙海侗 ,蘭世泉 ,孫通帥* ,楊紹瓊

(1.天津慧洋智能裝備有限公司,天津,300352;2.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津,300352;3.嶗山實(shí)驗(yàn)室 海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266237)

0 引言

水下目標(biāo)探測(cè)是通過移動(dòng)或固定平臺(tái)搭載一定數(shù)量的探測(cè)設(shè)備對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,在民用和軍事領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值。依據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),一般將被探測(cè)目標(biāo)分為靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。靜止目標(biāo)探測(cè)包括海底沉船探測(cè)、海底管道探測(cè)等;運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)包括對(duì)潛艇、水雷和魚群等目標(biāo)的識(shí)別與定位探測(cè)等。目標(biāo)聲學(xué)探測(cè)(簡稱聲探測(cè))技術(shù)是目前最為主要的水下探測(cè)技術(shù)。依據(jù)探測(cè)形式,目標(biāo)聲探測(cè)分為主動(dòng)聲吶探測(cè)和被動(dòng)聲吶探測(cè)。聲吶可搭載在飛機(jī)、船只和潛艇上,但探測(cè)能力有較大差異,如機(jī)載聲吶探測(cè)距離約56～112 km,艦載聲吶探測(cè)距離約20～130 km。主動(dòng)聲吶隱蔽性差,探測(cè)距離小于被動(dòng)聲吶;而被動(dòng)聲吶受環(huán)境噪聲、平臺(tái)噪聲的影響較大,只有在目標(biāo)發(fā)出較大噪聲時(shí)才能使用[1]。隨著消聲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,潛艇以及大型水下航行器等水下裝備的自噪聲已接近海洋背景噪聲,使聲吶對(duì)其發(fā)現(xiàn)能力大大降低。消聲技術(shù)主要應(yīng)用于水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo),尤其是潛艇,所以非靜態(tài)目標(biāo)以及聲場(chǎng)較大的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)還是以聲探測(cè)為主,非聲探測(cè)為輔。

水下目標(biāo)探測(cè)平臺(tái)包括天基、空基、水面和水下平臺(tái)[2],不同的平臺(tái)有不同的作用半徑。以對(duì)潛艇探測(cè)為例,不同探測(cè)平臺(tái)對(duì)比如表1 所示。天基探測(cè)平臺(tái)是指集成光學(xué)、紅外和雷達(dá)等設(shè)備的衛(wèi)星,覆蓋范圍廣,可達(dá)幾百平方千米,實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高、準(zhǔn)確率高,但部署成本非常高?？栈綔y(cè)平臺(tái)是指可攜帶或集成多種探測(cè)設(shè)備的飛機(jī),應(yīng)用廣泛、機(jī)動(dòng)性高、準(zhǔn)確率高,但是隱蔽性低、探測(cè)時(shí)間短、易受自然環(huán)境影響。水面探測(cè)平臺(tái)主要指配備以聲吶為主的艦艇船只,但是隨著各種消聲技術(shù)的發(fā)展,聲吶探測(cè)能力也隨之下降。文中所述水下探測(cè)平臺(tái)指的是具有自主航行能力,可搭載各種傳感器獲取海洋環(huán)境信息,可對(duì)水下固定/移動(dòng)目標(biāo)開展探測(cè)、識(shí)別、定位與跟蹤以及區(qū)域警戒等任務(wù)的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)[3],主要包括自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)、水下滑翔機(jī)等,如圖1和圖2 所示。相比于其他平臺(tái),UUV具有成本低、體積小、續(xù)航時(shí)間長、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性高、易靈活組網(wǎng)部署等優(yōu)勢(shì),具有巨大的應(yīng)用潛力[4]。

圖1 自主水下航行器Fig.1 Autonomous undersea vehicle

圖2 水下滑翔機(jī)Fig.2 Underwater glider

表1 不同探測(cè)平臺(tái)探測(cè)形式及特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of detection forms and characteristics of different detection platforms

水下非聲探測(cè)技術(shù)按照探測(cè)原理可以分為磁異探測(cè)、雷達(dá)探測(cè)、激光探測(cè)、紅外探測(cè)、電場(chǎng)探測(cè)、重力梯度探測(cè)及生物探測(cè)等。不同非聲探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表2 所示。

表2 不同非聲探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of characteristics of different nonacoustic detection technologies

磁異探測(cè)是較為成熟的非聲探測(cè)技術(shù),主要傳感器是磁異探測(cè)儀。磁異探測(cè)儀廣泛應(yīng)用在反潛機(jī)上,也可以搭載在艦艇和UUV 上,具有探測(cè)精度高、識(shí)別能力強(qiáng)、不易受海洋環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn),但是對(duì)磁異常源的分辨能力有限,有時(shí)無法正確區(qū)分坐底潛艇和沉船。搭載在衛(wèi)星或反潛機(jī)上的雷達(dá)探測(cè)只能探測(cè)海面或十幾米深度中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。激光探測(cè)主要利用在海水中衰減波段小的藍(lán)綠光進(jìn)行探測(cè),屬于主動(dòng)探測(cè),具有定位精度高、隱蔽性好、受海洋環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn),但是作用范圍有限,一般有效作用范圍為百米內(nèi)。激光傳感器的搭載平臺(tái)為衛(wèi)星、反潛機(jī)、水面艦艇和UUV 等。

紅外探測(cè)儀普遍搭載在反潛機(jī)上,也可搭載在衛(wèi)星和水面艦艇上,抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)受環(huán)境和天氣影響小,隱蔽性好,遠(yuǎn)近海域均適合,可以搭載在UUV 上。重力梯度探測(cè)利用地球重力場(chǎng)進(jìn)行探測(cè),隱蔽性強(qiáng)。生物探測(cè)尚處于理論研究階段,是未來的前沿科技之一。

非聲探測(cè)技術(shù)已日趨成熟,部分技術(shù)已有成熟探測(cè)設(shè)備和成功的應(yīng)用場(chǎng)景,但是非聲探測(cè)多以天基和空基為主要應(yīng)用平臺(tái),探測(cè)深度以水面和水下幾十米內(nèi)的深度為主,對(duì)處在百米級(jí)工作深度下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)能力較弱。隨著UUV 技術(shù)的發(fā)展,憑借續(xù)航能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、噪聲低等優(yōu)勢(shì),UUV 可長時(shí)間在幾百米或幾千米的深度航行并探測(cè),是未來非聲探測(cè)的重要搭載平臺(tái)之一。

文中介紹了UUV 和幾種主要的非聲探測(cè)技術(shù)的原理、工作流程、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了非聲探測(cè)技術(shù)的要點(diǎn),并給出了依托UUV 發(fā)展非聲探測(cè)技術(shù)的主要研究方向。

1 UUV 非聲探測(cè)現(xiàn)狀

1.1 水下探測(cè) UUV 概況

UUV 主要包括AUV、水下滑翔機(jī)等[5],UUV按照功能可以劃分為5 個(gè)主要模塊,包括任務(wù)控制模塊、導(dǎo)航與定位模塊、負(fù)載模塊、動(dòng)力模塊和能源模塊,其中任務(wù)控制模塊包括航行控制、數(shù)據(jù)采集處理、通信控制和電源控制等。

水下探測(cè)的準(zhǔn)確度和精度一方面取決于傳感器自身的精度,另一方面會(huì)受任務(wù)控制模塊的數(shù)據(jù)處理能力和路徑規(guī)劃能力的影響;導(dǎo)航與定位模塊決定了水下航行器的定位精度和航路誤差;負(fù)載模塊可以搭載或集成各種傳感器,所搭載的傳感器受制于負(fù)載模塊的空間大小和負(fù)載能力,負(fù)載能力在UUV 設(shè)計(jì)階段就已確定;不同的UUV有不同的動(dòng)力模塊,AUV 的動(dòng)力模塊主要是推進(jìn)器,水下滑翔機(jī)則依靠浮力變化驅(qū)動(dòng)航行器航行;能源模塊由電池包組成,決定了UUV 的續(xù)航能力,從而影響其水下探測(cè)的時(shí)間和范圍。

UUV 在搭載水下光、電、磁等傳感器的基礎(chǔ)上,在水下按照一定的路徑航行并收集目標(biāo)及環(huán)境的光、電、磁等數(shù)據(jù)信息,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和特征辨識(shí)等完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別[3]。

Eagle Ray 是美國國家海底科學(xué)與技術(shù)研究所(National Institute for Undersea Science and Technology,NIUST)研制的一款A(yù)UV[6],可在2 200 m 深的海底進(jìn)行高分辨率測(cè)繪,還可攜帶額外載荷執(zhí)行其他任務(wù)。Bluefin Robotics 公司研制的大型AUV-Bluefin21 的模塊化程度很高,其負(fù)載模塊可直接更換側(cè)掃聲吶和海底剖面儀等傳感器模塊,導(dǎo)航精度高,航路偏移誤差可控制在0.1%以內(nèi)[7]。2014 年,Bluefin21 曾被用于搜尋馬航MH370 失事客機(jī)。其在21 個(gè)工作日內(nèi),累計(jì)搜索了370 h,覆蓋范圍250 mile2。美國波音公司生產(chǎn)制造的軍民兩用超大型UUV(extra large UUV,XLUUV) Echo voyager,質(zhì)量約50 t,最大潛深超過3 000 m,單次續(xù)航50 h 以上,可用于油氣勘探、目標(biāo)監(jiān)偵和反水雷等任務(wù)[8]。美國國防部的虎鯨XLUUV 項(xiàng)目便以此為基礎(chǔ)研制。冰島Teledyne Gavia 公司研制Gavia AUV 體積小、質(zhì)量輕,不需要專門的設(shè)備發(fā)射回收,2 人便可攜帶操控,模塊化程度高,可根據(jù)任務(wù)需求更換傳感器模塊,包括反水雷、反潛戰(zhàn)訓(xùn)練、快速環(huán)境評(píng)估、監(jiān)視、搜索,以及其他以可用性和易部署性為首要考慮的任務(wù)[9]。SOG(SOEST ocean gliders)[10]是美國夏威夷大學(xué)海洋和地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院使用的Seaglider[11]群,可用于海洋物理探測(cè)、情報(bào)偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)和軍事應(yīng)用等。

隨著國內(nèi)UUV 技術(shù)的發(fā)展,也涌現(xiàn)了多款產(chǎn)品化應(yīng)用的UUV,天津大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了“海燕”系列水下滑翔機(jī),其中“海燕-X”最大下潛深度達(dá)到10 619 m,是目前國際上唯一能夠進(jìn)行萬米深淵連續(xù)觀測(cè)的水下滑翔機(jī);“海燕-II”可搭載溫鹽深儀、水聽器等傳感器,進(jìn)行連續(xù)數(shù)月的水下觀測(cè)任務(wù)。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的“潛龍一號(hào)”是一款6 000 m 級(jí)AUV,具備海底地形地貌、淺地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、海底流場(chǎng)以及海洋環(huán)境參數(shù)的探測(cè)調(diào)查能力,可攜帶測(cè)深側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀等傳感器。除此之外,2021 年,哈爾濱工程大學(xué)研制的“悟空號(hào)”全海深A(yù)UV 完成了萬米級(jí)的深潛試驗(yàn)。2021 年,西北工業(yè)大學(xué)研制的仿蝠鲼柔體潛水器完成了1 025 m 大深度試驗(yàn)。上述各種可用于水下探測(cè)的UUV 如圖3 所示,主要參數(shù)如表3 所示。

圖3 水下探測(cè)用UUVFig.3 UUVs for underwater detection

1.2 主要非聲探測(cè)技術(shù)

1.2.1 磁異探測(cè)

由于探測(cè)目標(biāo)建造材料的屬性,會(huì)自帶永久磁性,在水下航行時(shí),其經(jīng)過水域周圍的磁場(chǎng)特性會(huì)隨之改變。磁異探測(cè)原理為地球磁現(xiàn)象,是目前較為成熟的非聲探測(cè)方法之一。UUV 搭載高靈敏度磁異探測(cè)儀可檢測(cè)周圍區(qū)域的磁場(chǎng)異常,并將檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)的磁性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比對(duì)判斷,從而確定水下磁性目標(biāo)及其位置。圖4所示為美國Woods Hole 海洋研究所的AUV,其搭載的三軸磁通門傳感器可用來對(duì)水下磁性目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)[12]。

圖4 搭載磁傳感器的AUVFig.4 AUV equipped with magnetic sensors

常見的磁探測(cè)儀主要有磁通門傳感器、光泵磁力儀、質(zhì)子磁力儀和超導(dǎo)量子磁力儀等[13]。加拿大 CAE 公司是全球著名的設(shè)計(jì)、制造和集成磁異探測(cè)(magnetic anomaly detection,MAD)系統(tǒng)的公司,其為美海軍研制的最新產(chǎn)品MAD-XR[14]如圖5(a)所示。MAD 探測(cè)范圍約1 200 m,MAD-XR具有前序產(chǎn)品AN/ASQ-508 的所有功能,同時(shí)尺寸更小、質(zhì)量更輕、功耗更低,且新研制了定位辨識(shí)軟件,可以以橫向和縱向分離的形式進(jìn)行潛艇定位,可預(yù)估出目標(biāo)潛艇的質(zhì)量、大小和類別。圖5(b)所示為美國Polatomic[15]公司生產(chǎn)的AN/ASQ-233型激光氦光泵磁探儀,其探測(cè)距離為千米左右。2010 年,Polatomic 公司曾獲美國國防部撥款,用于研究輕型激光梯度儀。此外,該公司還額外獲得一些小規(guī)模撥款,用于研制供UUV 使用的小型磁力儀。中國船舶第701 研究所已進(jìn)行多年磁通門傳感器的研發(fā),形成了多個(gè)系列的產(chǎn)品,當(dāng)前研制的最新型號(hào)MS3A 型磁通門傳感器如圖5(c)所示,其分辨率為0.2 nT,已達(dá)到世界先進(jìn)水平。圖5(d)所示為加拿大Scintrex 公司的CS-3 高精度銫光泵磁力測(cè)量儀,具有穩(wěn)定性好、靈敏度高、噪聲低及工作區(qū)域廣的優(yōu)點(diǎn),適用于航空磁探測(cè)。圖5(e)所示為英國Bartington 公司生產(chǎn)的Grad-13 三軸數(shù)字梯度儀,可在陸地或水中進(jìn)行高分辨率的矢量測(cè)量,量程為60～1 000 T,工作深度可達(dá)5 000 m。德國Coliy 公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)多種高精度磁通門高斯計(jì),其中GFP703 三維磁通門智能磁場(chǎng)變送器(如圖5(f)所示)尺寸小、穩(wěn)定性高、可靠性高,且易于集成。上述磁探測(cè)儀主要技術(shù)指標(biāo)如表4 所示。

圖5 水下磁探測(cè)儀Fig.5 Magnetometers for underwater detection

磁異探測(cè)信號(hào)處理是磁異探測(cè)的核心技術(shù)之一,信號(hào)處理需要排除環(huán)境噪聲、自身噪聲和搭載平臺(tái)的磁場(chǎng)干擾,環(huán)境噪聲和自身噪聲主要通過濾波技術(shù)過濾來降低干擾,搭載平臺(tái)磁干擾主要通過建立模型來進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際達(dá)到應(yīng)用層面的磁補(bǔ)償器包括國外AN/ASA_65 和AADC-II 數(shù)字式磁補(bǔ)償器,以及國內(nèi)的GB4A9 項(xiàng)補(bǔ)償器和H/XXC數(shù)字自動(dòng)補(bǔ)償器等[16]。

上述磁探測(cè)儀體積較小,質(zhì)量適合,若UUV負(fù)載模塊有對(duì)應(yīng)接口,便可將其集成到UUV 上進(jìn)行水下磁異探測(cè)。

1.2.2 激光探測(cè)

大部分波段的光在海水中會(huì)迅速衰減,但是經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),0.47～0.58 m 波段藍(lán)綠激光在海水中傳播衰減小,可以穿透一定深度的海水,利用這一特性,平臺(tái)可搭載激光掃描儀[17],通過分析回波信號(hào)的特征,就能獲得一定深度剖面下探測(cè)目標(biāo)的信息。激光探測(cè)直接探測(cè)靜止目標(biāo)時(shí)探測(cè)范圍有限,探測(cè)潛艇等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí),可以通過探測(cè)航行過程中產(chǎn)生的可維持?jǐn)?shù)小時(shí)長度延綿幾公里的氣泡尾流來確定目標(biāo)的航行路徑和位置。

1991 年,美國研制了 AN/AES-1“魔燈”激光雷達(dá)系統(tǒng)(見圖6(a)),并成功應(yīng)用在海灣戰(zhàn)爭中,在此基礎(chǔ)上,又研制出了ML-90 藍(lán)綠激光探潛系統(tǒng),裝備在反潛機(jī)上,其有效探測(cè)深度為100 m[18]。俄羅斯也配備了一種實(shí)戰(zhàn)藍(lán)綠激光系統(tǒng)——“紫水晶”系統(tǒng)[19],該系統(tǒng)可沿搭載平臺(tái)的前進(jìn)方向45°范圍掃描,有效探測(cè)深度約30 m,有效搜索寬度為900 m。除此之外,其他多國也研制出激光探測(cè)系統(tǒng),包括澳大利亞的LADS 系統(tǒng),其探測(cè)精度0.3 m,最大探測(cè)深度70 m,有效搜索寬度240 m,其中LADS-HD 型如圖6(b)所示[20];加拿大的LARSEN系統(tǒng),探測(cè)精度0.3 m,有效搜索寬度268 m;瑞典的HAWK EYE 系統(tǒng),可沿搭載平臺(tái)前進(jìn)方向的25°范圍內(nèi)掃描,探測(cè)精度0.3 m,最大探測(cè)深度70 m,有效搜索寬度250 m。成熟的激光系統(tǒng)制造商有加拿大的OPTECH 公司和澳大利亞的LADS 公司,上述各國激光系統(tǒng)均有兩家公司的深度參與[21]。2015 年,中國科學(xué)院上海光機(jī)所研制出機(jī)載海陸測(cè)繪雙頻激光雷達(dá),如圖6(c)所示,其能夠完成海洋、陸地一體化測(cè)繪,在等效Ⅰ類水質(zhì)條件下,有效探測(cè)深度50 m,探測(cè)精度0.22 m[22-23]。

圖6 激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)Fig.6 Lidar detection systems

目前的激光探測(cè)設(shè)備體積、質(zhì)量和功耗均相對(duì)較大,無法直接集成到UUV 上,并且水下激光探測(cè)深度和范圍有限,距離水下成功應(yīng)用還有一定的難度和距離。

1.2.3 電場(chǎng)探測(cè)

水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航行時(shí),推進(jìn)軸系高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生軸頻電場(chǎng),軸頻電場(chǎng)范圍0.5～30 Hz[24],線譜特性明顯,適合用電場(chǎng)傳感器來進(jìn)行電場(chǎng)探測(cè)和識(shí)別。

電場(chǎng)探測(cè)的形式可以為電場(chǎng)探測(cè)陣列,陣列通過線纜連接,布放在海底。美國和加拿大海軍已通過安裝電場(chǎng)探測(cè)電極陣列,成功搜索到敵核潛艇位置[25],電磁相伴相生,美、俄等國均裝備了利用電磁探測(cè)和攻擊的海底預(yù)警監(jiān)測(cè)網(wǎng),如Eisenhower海底高速觀測(cè)網(wǎng)、電磁異探測(cè)陣列、STL 水下警戒系統(tǒng)等[24]。美國、英國和瑞典均研制出高性能的水下電場(chǎng)傳感器,美國AIS 公司生產(chǎn)了4 種型號(hào)的電場(chǎng)傳感器[26],其中D 和M 型適用于水下潛艇監(jiān)測(cè),D 型可用直升機(jī)直接投放,防腐蝕性強(qiáng)。英國Ultra 公司研制的Ag/AgCl 電極傳感器[27]測(cè)量精度高,測(cè)量范圍可達(dá)1 mHz～3 kHz,自噪聲低至1 nV/mHz1/2,如圖7(a)所示。瑞典 Polyamp 公司研制的電場(chǎng)傳感器[28]采用碳纖維作為電極材料,主要測(cè)量交流信號(hào),范圍為1 mHz～1.1 kHz,系統(tǒng)噪聲為 1 nV/Hz1/2,如圖7(b)所示。英國Subspection公司生產(chǎn)了多種電場(chǎng)傳感器,其高精度電場(chǎng)傳感器靈敏度小于1 nV/m,系統(tǒng)噪聲1 nV/Hz1/2,其微型電場(chǎng)傳感器靈敏度為0.1 nV/m。西班牙SEAS公司研發(fā)的SET-200/P 電場(chǎng)傳感器,精度高噪聲低,適用于反潛探測(cè),如圖7(c)所示。部分電場(chǎng)傳感器性能如表5 所示。

圖7 水下探測(cè)用電場(chǎng)傳感器Fig.7 Electrical sensors for underwater detection

表5 不同電場(chǎng)傳感器技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical parameters of different electric field sensors

電場(chǎng)檢測(cè)算法是電場(chǎng)探測(cè)的重要技術(shù),常用電場(chǎng)檢測(cè)算法有: 功率譜檢測(cè)、AR 模型參數(shù)法以及模糊融合增強(qiáng)算法。

上述電場(chǎng)傳感器在尺寸上適合集成到UUV上進(jìn)行水下電場(chǎng)探測(cè),但是水下環(huán)境噪聲可能會(huì)影響探測(cè)精度,需要開發(fā)適合的濾波算法。

1.2.4 重力梯度探測(cè)

重力梯度反映重力變化程度的大小,垂直重力梯度是重力位于鉛直方向的2 階導(dǎo)數(shù),對(duì)地下物質(zhì)的分布及界面起伏更加敏感,具有更高的分辨率。當(dāng)水下目標(biāo)自身體積大、噸位重時(shí),會(huì)影響垂直重力梯度,重力梯度儀通過測(cè)量重力梯度的變化和特征,實(shí)現(xiàn)重力梯度探測(cè)[29-31]。

重力梯度儀的精度達(dá)到較高水平時(shí),重力梯度探測(cè)的覆蓋范圍和深度都十分可觀[32]。當(dāng)重力梯度儀的精度達(dá)到10-4,可在海面上100 m 發(fā)現(xiàn)水下深度為300 m 的潛艇,當(dāng)重力梯度儀的精度超過10-6,則探測(cè)范圍能夠到達(dá)海面上1 000 m。

美國 Lockheed Martin 公司的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀,測(cè)量精度為7.1～8.1 E,探測(cè)范圍為400～700 m[33],除此之外,還有Bell Geospace 公司的Air-FTGTM測(cè)量系統(tǒng)[34](見圖8(a),測(cè)量精度約為5.5 E)、BHP Billiton 公司的FALCONTM 系統(tǒng)[35],以及ARKex 公司的 FTGeX 系統(tǒng)(見圖8(b))。我國重力梯度儀仍處于研究探索階段,尚無實(shí)用的成熟系統(tǒng),北京航天控制儀器研究所研制了SAG 系列重力儀(見圖8(c)),并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。適用于UUV 的重力梯度儀仍處于研發(fā)階段,距成功應(yīng)用還有一定距離。

圖8 重力梯度儀Fig.8 Gravity gradiometers

1.2.5 生物探測(cè)

海洋生物無處不在并與周圍環(huán)境密切相關(guān),具備隨時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境的潛在優(yōu)勢(shì)。水下生物探測(cè)技術(shù)利用海洋生物對(duì)周圍環(huán)境的自然感應(yīng)能力,開發(fā)監(jiān)測(cè)水下運(yùn)載工具的海洋生物傳感器硬件設(shè)備,研究海洋生物探測(cè)到水下運(yùn)載工具后所產(chǎn)生的生物信號(hào)或行為,并通過傳感器硬件設(shè)備捕獲、轉(zhuǎn)譯和轉(zhuǎn)發(fā),從而探測(cè)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的行蹤。

水下生物探測(cè)技術(shù)的生物信息載體可以是魚類、蝦類、發(fā)光的浮游生物以及其他海洋微生物。海洋表面和海底廣泛分布著發(fā)光細(xì)菌,水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)航行經(jīng)過時(shí)會(huì)引起周圍電磁場(chǎng)的變化,導(dǎo)致發(fā)光細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)弱變化,從而形成一條熒光軌跡,此軌跡可以維持十幾分鐘,可通過光學(xué)傳感器探測(cè)。生物探測(cè)尚處于理論研究階段,一種可行的方法是用紫外線照射海洋表面,探測(cè)海洋表面微生物的變化來確定潛艇的行蹤。海洋微生物探潛原理如圖9 所示[36]。

圖9 海洋微生物探潛原理示意圖Fig.9 Principle of marine microbial detection

美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于2018 年11 月啟動(dòng)了“持續(xù)水生生物傳感器”(persistent aquatic living sensors,PALS)項(xiàng)目,旨在開發(fā)新的能力,利用海洋環(huán)境中存在的生物探測(cè)、監(jiān)測(cè)航行器(如潛艇、UUV)和潛水員。目前,PLAS 項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行到第2 階段的工作,在第1 階段任務(wù)中,研究小組證明了海洋生物能夠感知到水下航行器(各種混雜體)在其環(huán)境中的存在,并通過輸出信號(hào)或其他可觀察到的行為作出反應(yīng);第2 階段,研究團(tuán)隊(duì)將開發(fā)人造探測(cè)器系統(tǒng)來觀察、記錄和解釋這些生物體的反應(yīng),并將分析結(jié)果傳送給遠(yuǎn)程終端用戶。

DARPA 項(xiàng)目[37]資助的團(tuán)隊(duì)目前進(jìn)行的研究包括: 諾格公司記錄并分析鼓蝦發(fā)光發(fā)聲機(jī)制;美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室將微生物整合到傳感器平臺(tái),探測(cè)天然微生物的生物信號(hào),這些信號(hào)可以表征水下航行器經(jīng)過時(shí)水下磁場(chǎng)的變化;佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)記錄分析熱帶和亞熱帶環(huán)境中歌利亞石斑魚的聲音;雷聲BBN 技術(shù)公司利用鼓蝦對(duì)水下航行器進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)、分類與跟蹤;馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心利用傳感器緊密跟蹤黑海鱸魚,追蹤受水下航行器干擾魚群的深度和加速度行為。DARPA 還資助海軍水下戰(zhàn)中心紐波特分部使用水聽器陣列和聲學(xué)矢量傳感器,開發(fā)能持續(xù)監(jiān)測(cè)珊瑚礁中生物聲音的系統(tǒng),該系統(tǒng)將分析珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)生物群自然捕食-躲避反應(yīng)所輻射的聲信號(hào)變化,為近實(shí)時(shí)的探測(cè)并分類水下航行器提供間接手段。

2 技術(shù)要點(diǎn)和發(fā)展方向

2.1 UUV

1) 提高負(fù)載能力和模塊化程度

UUV 受自身質(zhì)量和體積的限制,負(fù)載能力有限,可搭載的任務(wù)傳感器也有限,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,通過使用新型輕量化復(fù)合材料(碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等)、新結(jié)構(gòu)來減輕平臺(tái)質(zhì)量,包括結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新材料結(jié)構(gòu)加工工藝技術(shù)等[38]。也可以通過研制大型或超大型UUV 來增加平臺(tái)的負(fù)載能力[39],提升UUV 對(duì)不同任務(wù)傳感器搭載集成能力和不同環(huán)境的適應(yīng)能力,拓寬探測(cè)范圍,提高探測(cè)效率。

UUV 向著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和集成化方向發(fā)展,采用模塊化設(shè)計(jì)思路,研發(fā)具有可進(jìn)行功能擴(kuò)展的連接結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)模塊化連接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行基本模塊和擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)。可根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)加載不同任務(wù)模塊,增強(qiáng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的兼容性,便于進(jìn)行重組重構(gòu)和任務(wù)擴(kuò)展[39]。

2) 提高信息處理能力

UUV 承擔(dān)著水下信息綜合處理與存儲(chǔ)的任務(wù),信息處理結(jié)果直接影響水下探測(cè)準(zhǔn)確度。

水下環(huán)境復(fù)雜,存在著各種各樣的干擾信號(hào),平臺(tái)本身也存在自噪聲,其中AUV 推進(jìn)器的噪聲是平臺(tái)自噪聲的主要來源。使用無軸泵噴推進(jìn)可以有效降低空泡噪聲和氣蝕的影響,一定程度上降低自噪聲。AUG 則依靠浮力驅(qū)動(dòng),自身噪聲相比AUV 大幅減小。

UUV 可以攜帶多種任務(wù)傳感器,要求平臺(tái)具有處理不同來源數(shù)據(jù)并融合的能力。不同的傳感器數(shù)據(jù)具有不同的工作范圍、分辨率和時(shí)空排列,需要UUV 具有強(qiáng)大的校準(zhǔn)算法[40]。合作感知是水下研究中新出現(xiàn)的技術(shù),可以有效快速地完成海底測(cè)量、測(cè)繪或三維場(chǎng)地重建等任務(wù),合作感知可以為水下傳感設(shè)備提供一種新的分配策略,此類系統(tǒng)的主要瓶頸是其通信協(xié)議,取決于距離和帶寬等因素。

3) 提高導(dǎo)航定位能力

導(dǎo)航與定位為UUV 提供準(zhǔn)確的位置、速度和姿態(tài)信息,是其開展水下探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)[38]。目前UUV 導(dǎo)航的技術(shù)難點(diǎn)在于無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間大深度下的精確導(dǎo)航,隨著時(shí)間的推移,目前主要的導(dǎo)航方法(慣性導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、地球物理導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等)都會(huì)有累積誤差,無法避免,需要充分綜合不同導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì),利用智能算法融合多導(dǎo)航源信息,降低累積誤差,實(shí)現(xiàn)長時(shí)間大深度下的高精度導(dǎo)航。

4) 提升單機(jī)整體的智能化水平

提升UUV 單機(jī)的智能化水平是支撐未知復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)精準(zhǔn)探測(cè)、提升作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ),需持續(xù)發(fā)展智能環(huán)境感知技術(shù)、智能自主決策技術(shù)、故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)等,進(jìn)而大幅度提升面向水下目標(biāo)的探測(cè)作業(yè)自主性、自適應(yīng)性和智能性。

2.2 非聲探測(cè)技術(shù)

1) 提高非聲探測(cè)傳感器的測(cè)量精度

目前非聲探測(cè)傳感器的實(shí)際有效作用范圍在百米內(nèi),作用距離近、精度不高。需進(jìn)一步提高傳感器靈敏度、穩(wěn)定性和信號(hào)處理能力,并降低其自噪聲,從而提高非聲探測(cè)傳感器的測(cè)量精度和有效作用范圍。

2) 發(fā)展小型化低功耗非聲探測(cè)傳感器

UUV 動(dòng)力能源通常是化學(xué)電源,受限于UUV的尺寸、可靠性等要求,其能源裝載量受到極大的限制[41],發(fā)展低功耗非聲探測(cè)傳感器可以降低整體能耗,最大程度地?cái)U(kuò)大可探測(cè)時(shí)間和范圍。

3) 加強(qiáng)對(duì)探測(cè)目標(biāo)的特性研究

潛艇是水下非聲探測(cè)的主要目標(biāo)之一,加強(qiáng)對(duì)潛艇的各種非聲物理場(chǎng)的特征研究,如潛艇磁場(chǎng)特性研究需建立潛艇磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,潛艇電場(chǎng)特征研究需建立其電場(chǎng)模型,進(jìn)行數(shù)模預(yù)報(bào)及評(píng)估方法研究等[19]。

4) 探索非聲探測(cè)新原理和新方法

目前的非聲探測(cè)技術(shù)均有其缺點(diǎn)和局限性,積極探索新的非聲探測(cè)原理和方法,可為提升水下目標(biāo)探測(cè)能力提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

2.3 水下目標(biāo)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

單UUV 探測(cè)能力有限,發(fā)展多類水下航行器組網(wǎng)探測(cè)可以擴(kuò)大探測(cè)范圍,提升探測(cè)準(zhǔn)確度。多類水下航行器組成水下監(jiān)視和偵查網(wǎng)絡(luò),根據(jù)環(huán)境匹配最優(yōu)分布策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定海域的水下警戒。單一平臺(tái)和單一技術(shù)均有其局限性,未來水下目標(biāo)探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)是構(gòu)建天、空、水面、水下分布式協(xié)作網(wǎng)絡(luò),擴(kuò)大覆蓋范圍,將多種探測(cè)技術(shù)相結(jié)合,不同距離采取不同的探測(cè)技術(shù),充分發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì),從而提高探測(cè)準(zhǔn)確度。

3 結(jié)束語

海洋是國家安全的重要屏障,也是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間,國家之間未來的博弈點(diǎn)也必定會(huì)來自海洋。如何對(duì)水下環(huán)境中的目標(biāo)“看得清、認(rèn)得準(zhǔn)”是維護(hù)海洋權(quán)益的基礎(chǔ)。水下探測(cè)技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為新熱點(diǎn)。單一依靠聲波信息進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)已不再具有普適性,光、電、磁等非聲探測(cè)技術(shù)已逐步顯示出優(yōu)越性。發(fā)揮UUV 的航行范圍廣、下潛深度大、作業(yè)靈活等優(yōu)勢(shì),搭載光、電、磁等非聲探測(cè)傳感器開展的目標(biāo)探測(cè)已逐步成為新的發(fā)展和應(yīng)用方向。通過發(fā)展基于UUV 的目標(biāo)非聲探測(cè)技術(shù),有助于構(gòu)建天基、空基、水面、水下及海底的綜合目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可大幅提升我國認(rèn)識(shí)海洋的能力,進(jìn)而為海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)提供重要技術(shù)支撐。