水下战场UUV侦察与监视研究＊

2014-07-11李敬辉吉顺东

舰船电子工程 2014年7期

杨波李敬辉吉顺东

（1.海军工程大学电子工程学院武汉 430033）（2.92858部队63分队宁波 315812）

1 引言

水下战场由于自身的复杂性，与陆上战场相比具有以下特点：水下作战平台难以高效通信；能源极难保障；水下节点易受海水侵蚀损坏。因此，世界各国海军一直希望建立持久有效的水下战场监视［1～2］。近年来，无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）技术发展迅速，世界各国正在开发和已经开发出的UUV多达上百型。UUV作为一种新概念武器正呈现出强劲的发展势头，由于具有作战用途广、智能化程度高、隐身性能好、机动能力强、效费比高等特点，因此UUV正在成为新一类的水下作战平台。2005年美国海军发布的《无人水下航行器总体规划》中按舰队和国家需求，将UUV执行情报、监视与侦察作为最优先的任务［3］。美军认为，UUV未来将补充和扩展现有的情报、监视与侦察能力，并将扩大到极浅水域和常规平台难以抵达的地区；UUV通过自身携带的传感器，可以完成收集重要的声场、光电和电磁等数据任务。美军试图利用UUV并结合先进的水下信息网络达到水下战场“单向”透明的目的。而我国发展基础比较薄弱，主要依靠岸基和天基力量，难以完成水下战场的监视任务［4］。

2 UUV常见通信侦察传感器类型

UUV携带的通信侦察传感器类型主要有侦察设备、探测设备、测量设备和通信设备［5～6］等。按使用的工作状态，可将这些传感器分为水面通信侦察设备和水下通信侦察设备，如表1所示。受人工智能技术水平、信息存储和信息处理技术的限制，UUV难以实时处理大量信息，部分功能需要离线后处理才能实现。

表1 通信侦察设备类型

1）侦察设备

水面侦察设备主要包括光电侦察设备和电子（雷达、通信等）信号侦察设备等，用于对水面以上目标和电子信号实施侦察，获取信号、电子、测量和图像情报。光电侦察设备通信包括红外热像传感器和昼光电视传感器等；电子信号侦察设备包括雷达信号侦察设备和通信信号侦察设备等。侦察设备传感器部分安装在UUV的桅杆上，有固定式桅杆和升降式桅杆两种。升降式桅杆在使用时，需UUV浮到水面或近水面升起桅杆，桅杆上的传感器在UUV控制下，观察或侦察水面以上目标或电子信号。

水下侦察设备主要包括成像声纳、水下电视、海洋调查用高频成像声纳等，主要用于对敌近岸海域和敏感海域的水下目标探测、海底地形地貌测量和绘制等。

2）探测设备

水面探测设备主要包括雷达和光学探测设备，用于探测水面和近岸目标［7］。由于雷达功耗大、使用暴露，UUV上通常不会配置雷达；光学探测设备与光学成像侦察设备为共用设备。

水下探测设备主要包括成像声纳、被动探测声纳和水下电视等，用于对水下目标的探测、分类、识别和定位。成像声纳是探测近距离目标的高频声纳，利用主动声纳工作原理探测目标，探测距离为一百至几百米级。按照其在UUV上的布置位置，分为前视声纳和侧扫声纳；按照工作原理分为单波束声纳、多波束声纳和合成孔径声纳等。前视声纳既可用于探测目标，也可用于导航避障。侧扫声纳主要用于探测水中目标，如用于水雷探测和定位、搜救和打捞、海底管线和电缆勘测、水下结构物勘测等，可为使用者提供真实的图像。被动探测声纳为探测远距离目标的低频声纳，利用被动声纳工作原理探测舰艇等机动目标，探测距离为几千米至十几千米，甚至更远。按照其在UUV上的位置，分为舷侧阵声纳和拖曳阵声纳。水下电视是探测近距离目标的高分辨光学设备，探测距离为几米至几十米，用于搜救和打捞、探雷、海底管线和电缆勘测等。其摄像机和水下灯可安装在UUV前部或底部等位置，以便获取目标图像。

3）测量设备

海洋调查用测量设备包括海底地形地貌测量设备、气象水文和海洋水声监视设备等。

温盐深传感器、海流剖面仪和水听器主要用于海洋气象水文和海洋水声测量。海底地形地貌测量设备包括多波束测深声纳、浅层剖面仪和侧扫声纳等设备。主要用于海底地形地貌测量和绘制等，还可用于危险水域的地质、地球物理的勘测，搜救和打捞，掩埋管线和电缆的定位等。多波束测深声纳的测深数据可用于水下自主地形匹配导航。

4）通信设备

图1 法国“阿利斯特”UUV（上）及其通信侦察传感器（下）

UUV的通信设备包括水声通信、无线电通信、卫星通信和光纤有线通信设备等，主要用于UUV与UUV、UUV与其它平台的通信，以实现信息的双向传输。水下使用水声通信，通信距离近、信息量小；水面使用无线电通信和卫星通信，通信距离远、信息量大；水面和水下均可使用光纤通信，通信距离远、信息量大，传输数据可靠。图1是法国“阿利斯特”UUV携带的通信侦察传感器［8］。

3 UUV可提供的情报类型

对利用UUV侦察与监视设备收集的有用信息，进行处理、综合、分析、评价和解释后可以得到的情报类型有图像情报（IMINT）、信号情报（SIGINT）、测量和特征情报（MASINT）等［9］，它们分别包括的具体情报如图2所示。

图2 UUV可提供的情报类型

图像情报是指利用UUV的水下电视、声纳等获取自目标的图像，并对这些图像进行解读、分类和评估所得到的情报信息。配备侧扫声纳、多波束回声测深仪、视频摄像机以及辅助灯光的UUV可以执行敏感海域测深、探雷和海防安全等任务。利用最新的合成孔径声纳技术，通过高质量的图像可以分辨几平方厘米的物体。水下战场的图像情报主要用来完成对水雷、水下障碍等的识别和标绘，为战场准备和战后评估提供依据。

信号情报是指UUV利用通信侦听、雷达信号截获、声纳探测等获取的信号，经过操作人员的分析综合后取得的通信、雷达和声纳装备等技术信息和情报。美军设想，利用装备了可伸缩天线的UUV进入接近敌方的通信塔的敏感海域进行通信侦听，以达到获得通信情报的目的。

测量和特征情报是指UUV对来源于特定传感器的数据进行测量，操作人员事后进行定性和定量分析获得的技术信息和情报。UUV利用自身的探测声纳可以实现对舰船、潜艇等作战平台，以及鱼雷发射、航行时的辐射噪声的测量存储，也可以对水下信标、应答机以及水声数据链等发出的信号进行收集，这是声学情报。UUV利用温度、盐度、深度和密度传感器及流速计，完成对航行水域的海洋环境情报的收集。

4 UUV情报、监视与侦察体系结构

一般情况下，UUV侦察与监视到情报保障的工作过程是：由ISR UUV完成对水下战场的监视与侦察任务，利用无线（射频或水声）网络或光纤链路将收集到的信息数据向岸基、天基、水下和水面等指控中心分发，经过操作人员的分析、处理、研究和管理，并与情报资源数据库比对后生成战场情报，以供决策者使用；最后，利用情报分发系统完成情报服务平台对各作战单元的情报保障任务［9］。UUV情报、监视与侦察体系结构如图3所示。单个UUV的侦察或监视过程可以分为以下四个过程：发现（感知目标，并对其信息进行采集）、区分（由于目前的UUV智能程度有限，仅能通过在本身计算机中存储的目标信息进行对比）、识别（UUV通过区分之后，可以对一部分目标如海底管道、水下障碍物进行识别）、定位（在一定的精度下，给出目标的位置）。UUV能够通过自身的传感器，如探雷声纳、电视摄像机，并结合导航装置和深度传感器，利用计算机辅助软件进行数据融合后完成对锚雷的识别和标绘工作。当这些经过简单处理的信息传给指控中心后，会大大减轻操作员的工作量。