水下激光探测与告警∗

杨国华 张永峰 储泽国

1 引言

占地球表面积71%的海洋是人类赖以生存发展的资源宝库，世界各国对海洋的争夺从未停止，大有愈演愈烈之势。在水下探测技术飞速发展的今天，世界各国对水下空间的争夺日趋白热化。其中，水下信息的获取是水下战场争夺的焦点，掌握水下信息主动权的一方往往就掌握了水下空间战的胜利。

水下信息获取的手段早期以声学探测［1］为主，但声波波长较长，探测精度有限，并且探测受洋流、温度等条件影响［2］，探测有一定的不确定性。特别是在浅海探测时，浅海水声环境复杂，使得水声信道干扰大、损耗高、不稳定，导致声学探测效果不佳［3］，难以发现水雷、渔网等小目标。而水下激光探测技术的发展正好弥补这一缺陷。水下激光探测不受现行潜艇降噪手段的影响，可精确定位水下目标（水雷、潜艇等），适用于浅海、港口水域。特别是水下激光探测系统搭载于飞机时，具有优异的机动性能，可快速对大面积海域进行有效探测［4］。由于水下激光探测精度佳、效率高等一系列优势，自然而然成为探测水中目标绝佳选择。

为了反制敌方运用水下激光探测手段对潜艇、水雷等水下军事目标进行侦察，水下激光告警应运而生。

2 水下激光探测的发展现状

自20世纪60年代发现存在于海水中的理想透光窗口［5］以来，水下激光探测技术在军事应用方面飞速发展。目前一些发达国家如美国、加拿大、澳大利亚、瑞典进行了激光水下探测系统的研制［6］，并将其装备到潜艇、水下机器人或飞机上。

美国是最先研究水下激光探测技术的国家，1963年美国海军航空电子实验室研究了蓝绿激光探潜的可行性。1968年，世界上第一台激光海洋探测系统在美国Syracuse大学诞生，Syracuse大学奠定了海洋激光探测技术的理论基础［7～9］。此后，美国多家公司开展了水下激光探测系统研究。20世纪90年代海湾战争期间，美军使用卡曼公司研制的“魔灯”机载激光探雷系统执行探雷任务，直升机以400～1500英尺高度巡航，探雷系统发射单脉冲能量为500mJ的窄脉冲，重复频率为40Hz，探测深度达30米，仅投入4天，就发现了数量相当于其他水声探雷系统前7个月所探到的总数的12%［10］，此后美国对“魔灯”系统进行多次改进。同时期，美国Raytheon公司研制的RAMICS快速飞机排雷系统专门探测浅水层水雷［11］，虚警率极低；Sparta水下激光成像系统，最大探测深度小于50m；SM2000水下激光成像系统，最大探测深度为45米。此后，瑞典、加拿大、俄罗斯等国也相继开展了蓝绿激光水下探测技术的研究工作。

1994年瑞典研制“鹰眼”水下激光海洋探测系统，其扫描速度与扫描角度可根据实际情况调整，在波罗的海完成海试，最大探测深度达到70m，并于后期列装服役。1998年澳大利亚测试LADSMKⅡ水深测量系统［12］，搭载于飞机平台，飞行高度为500m，探测深度为0m～70m，并大力推广销售到多个国家。2003年加拿大对LUCIE2水下激光探测进行海试［13］；上世纪90年代俄罗斯已在“熊Ⅳ”型轰炸机的头部安装了“紫石英”机载蓝绿激光潜艇探测系统［14-15］，以搜索沿海潜艇和水雷。虽然激光水下探测系统型号多样，但有许多共性：探测光源多采用重复频率低（几十至数百赫兹）、脉冲宽度窄（纳秒级）、单脉冲能量大的蓝绿激光（Nd：YAG激光器），激光波长以532nm为主，海洋测量型激光探测系统测量深度一般在70m以下，水下目标探测型激光探测系统探测深度在50m以下。

3 水下激光告警的意义及技术难点

3.1 水下激光告警的意义

随着水下激光探测技术的发展，以“魔灯”系统为代表的水下激光探测装备使我方使得潜艇、水雷、水下机器人等水下武器平台隐蔽性能大大减弱，对其安全构成了严重威胁，及时感知敌方激光探测威胁以便采取相应的对抗措施，对提高我方水下武器平台的生存概率、掌握水下战场的主动权具有重要意义。

水下激光告警正是为了满足这一需求而产生的新概念：激光告警器搭载在水下武器平台上，可实时探测到并识别出有别于水下背景光的光信号，从而完成对敌方水下激光探测威胁实施告警的任务。水下激光告警技术是一种重要的反激光水下探测的手段，它在一定程度上可以保证已方水下目标的安全。当对方发射探测激光时，搭载于水下武器平台上的水下激光告警器实时探测到并识别出有别于水下背景光的光信号，获取探测激光的信息（频率、强度、方向等），发出警报，以便及时采取规避、干扰、甚至启动火攻武器实施对抗。在发现即毁灭的现代信息化战争中，水下激光告警技术有助于快速掌握对方的侦查行动，保证水下武器平台不被发现并掌握对方活动，夺取水下空间争夺战的信息优势，进而掌握水下战场的主动权。

虽然水下激光探测技术发展迅速，但有关水下激光告警器的研究报道还比较少，海军工程大学吴广成等人通过分析激光在水体的传输特性，提出了一种水下激光告警器的实现方案。

3.2 水下激光告警的技术难点

水下激光告警，顾名思义其工作的环境是水下，而水体对光的衰减往往很严重［15-17］，这将导致告警器在不同的工作深度接收到的告警信号强度相差非常大，即告警信号动态范围很大。同时，水体对光具有很强的散射效应，告警器接收到的光信号有可能含有较少激光原始方向信息，告警信号方向的准确识别将较困难。因此水下激光告警技术难点可总结如下：

1）大动态范围输入信号处理。当告警器接收到的信号十分微弱时，告警器的信号处理电路必须对小信号进行高增益放大才能进行后续处理；而当告警器接收到的信号比较强时，信号处理电路进行低增益放大避免系统“过载”。因此信号处理电路不能采用线性放大模式来工作，必须具备压缩信号动态范围的能力。

2）告警信号方向识别。水体对光的散射效应从微观上来看是光子传播方向被改变，如图2所示。当光子经历多次散射后，其方向变化很大，难以如实反应初始方向；告警器接收到大量经历多次散射的光子，但难以从中提取出光源的准确初始方位信息。

4 结语

水下激光探测技术快速发展并被应用于军事领域，对我方潜艇、水雷、机器人等水下作战平台的安全构成严重威胁，对水下激光探测进行告警是摆在科研人员面前的一个新课题。水下激光告警面临动态范围大、信号方向识别难的技术难题，但其军事运用价值巨大值得深入研究。

［1］赵安邦.声呐脉冲侦察及硬件系统实现研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003：38-45.

［2］刘伯胜，雷家煜.水声原理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006：55-62.

［3］孙博，程恩，欧晓丽，浅海水声信道研究与仿真［J］.无线通信技术，2006（3）：11-15.

［4］华灯鑫，宋小全.先进激光雷达探测技术研究进展［J］.红外与激光工程，2008（5）：21-28.

［5］ Q.Duntley.Light in the sea［J］.JOSA，1963，52（1）：214-233.

［6］赵涛.国外激光告警技术的设备与发展［J］.舰船电子工程，2009，29（2）：27-29.

［7］H.C.Vande Hulst.Light Scattering by Small Particles［M］，New York：wiley，1957：119-130.

［8］Exton R J，Houghton W M，Esaias W，et al.Laboratory analysis of techniques for remote sensing of estuarine parameters using laser excitation［J］，Appl Opt，1983，22（1）：54-64.

［9］Brian Billard，Peter J Wilsen.Sea surface and depth detection in the WRELADS airborne depth sounder［J］.Applied Optics，1990，29：3218-3227.

［10］冯包根.美国海军“魔灯”机载激光探雷系统［J］.水雷战与战舰防护，1998，17（5）：30-32.

［11］付伟.机载激光侦察水下目标技术的发展现状［J］.激光与红外，2001，31（2）：71-72.

［12］李源慧，钟晓春，杨超.水下激光目标探测及其发展［J］.光通信技术，2008，32（6）：62-65.

［13］杨华勇，梁永辉.机载蓝绿激光水下目标探测技术的现状及前景［J］.光机电信息，2003，12（1）：6-10.

［14］李哲，邓甲吴，周卫.水下激光探测技术及其进展［J］.舰船电子工程，2008，28（12）：13-16，53.

［15］Chen Weng e，Lu Yimin，Huang Tiexia.Light scattering of oceanic laser radar system.Acta Electronica Sinica，1996，24（3）：112-115.

［16］ Clarence J.Funk.Multiple Scattering Calculations of Light Propagation in Ocean Water［J］.Applied Optics，1972，12（2）：301-314.

［17］ R.W.J.Dirks and D.Spitzer Solar radiance distribution in deep natural waters including fluorescence effects［J］Applied Optics，1987，26（12）：2427-2429.