潜艇的非声学探测技术

方尔正 桂晨阳 王 欢/文

潜艇的隐身技术的现状

潜艇是一个国家的战略力量，作为水下的大型机动平台，其行动隐蔽，攻击能力强，可执行复杂任务，具有强大的战斗力。携带强大攻击武器潜伏在深海的潜艇，能够让一个舰队“退避三舍”。因此，保证己方潜艇的安全，消灭敌方潜艇，是海上作战的重中之重。从潜艇诞生至今，探潜和潜艇隐身技术就在不断地发展，各国海军都希望强己之盾，利己之矛。进入21 世纪以来，潜艇减振降噪技术进一步发展，致使潜艇的辐射噪声进一步降低，被动声呐探测能力被大幅削减；消声瓦和浮阀以及新型潜艇涂层技术的产生，大幅降低主动声呐的探测能力；近海作战环境的复杂性也将影响声呐性能的稳定发挥.因此，近年来欧美等国开始注重非声探测技术的发展与应用，试图与声呐探测技术形成互补。声波目前还是水中能量传递的唯一有效形式，这就决定了水下探测必须以声学为主。然而跨过水—气介质进行探测，非声学手段就有了用武之地。

潜艇的非声学探测方法进展

空中平台就像天上飞翔的鹰隼，水下的鱼类要与之对抗难度极大。从空气中对水下目标进行探测，有几个特殊的优点。其一是载体平台具有极强的机动性。飞机的运动能力和搜索效率无疑要比水面和水下平台高。其二，空中平台携带大量精密探测设备，而水下目标通常潜水深度为几百米，因此只要垂直探测距离在有效范围内，其探测定位精度是很高的。正是基于这两点，非声学探测近年来得到了有效发展。2015 年1 月，美国战略与预算评估中心发布《水下战新纪元》报告，认为非声探测技术的出现和扩散使未来水下作战环境更为复杂，给美国水下安全带来巨大威胁。为继续保持水下优势，美国正在加快研发新兴技术，建设信息主导的水下战装备体系，新体系将整合更多的优势资源，加入多种新型装备，传统装备兵力构成和作战模式将发生重大变化。到目前为止，可进行应用或有可能进行应用的非声学探测手段主要包含：雷达探测、磁探测、光学探测、水面尾迹探测和其他，如电场探测、重力异常和释放物探测等。

雷达探测。雷达对于水面目标的探测应用技术是十分成熟的，早在“二战”时期英国军舰便利用雷达波的散射强度变化发现千米量级上的德国潜艇。其原理是利用无线电波回波进行判别。由于海水对无线电波的衰减较大，仅能观测水面航渡状态和潜望状态的潜艇，不能探测深潜的水下目标。而这一切随着雷达技术的发展有了全新的变化。合成孔径雷达技术原理是通过载体的匀速运动获得一个大孔径回波的效果而取得极高的分辨率，可分辨亚米级甚至厘米级的图像。采用SAR 探测水下主要目标的内波。潜艇这类几千吨的刚性体在水下运动时不可避免地在水下几十米处产生内波。美国“长曲棍球”合成孔径雷达成像侦察卫星能克服恶劣天气的影响，对港内驻泊、水面状态航行的目标和水下45 m航行的潜艇实施侦察。随着各国对潜艇水动力学的研究，发现潜艇潜深较深和较浅时，潜艇运动都会导致海水表面产生尾迹现象，并且该现象通过合成孔径雷达成像结果也可观察到，由此实现了雷达对深潜潜艇的探测。

携带磁探设备的固定翼飞机

磁探测。地球本身是一个巨大的磁场，任何磁性物体在地球上都会被磁化。潜艇通常由高强度合金制成，进行机械加工和制造时，材料温度和内部应力会反复变化，这些都会导致铁磁材料内无磁滞磁化的形成，因此潜艇建成时便自带永久磁性。即便采取消磁措施，这种磁性也不能完全被消除。潜艇的磁场特性不同于地球磁场的特性，潜艇经过时，其周围水域的磁场特性将会改变。磁异常探测则是针对潜艇特征导致的大地磁场异常变化，和地磁原始磁场进行比对进行探测。“二战”期间，盟国就在关键航道处布设大量磁异常探测器用于监视德国潜艇。随着MAD 技术水平的不断提高，该类探测设备已经从水下配置在反潜巡逻机和反潜直升机上，具有移动速度快、探测距离远的特点。初期设备体积较大时，主要配置在反潜固定翼飞机上，例如，美国的P-3C 型反潜机和俄罗斯的TU-142 等反潜巡逻机，均配有MAD 设备。

随着磁探测装备小型化后，配置在反潜直升机如美国的SH-60B，俄罗斯的Ka-28。固定翼飞机自身对磁探测有影响，因此通常设置在飞机尾部的尾椎靠外侧。直升机则采用吊放方式，距离直升机本体至少30m 的距离。磁探测的灵敏度也十分惊人，尤其采用光泵磁力仪的情况下，探测灵敏度可以达到PT，理论探测深度可达500m，对潜艇直接产生严重的威胁。由于磁探测的有效性，世界各强国均加紧研究更有效的磁探测设备。德拜效应同样是潜艇在水下运动时产生的一种磁场，只是此磁场不同于彼磁场，它不是由潜艇上的铁磁材料引起的艇体磁场，而是由海水中带电离子运动产生的磁场。虽然该磁场比较微弱，但它不会因为潜艇定期消磁或采用钛金属这样的非磁材料而消失，并可用专门研发的德拜探测仪对其进行探测。从这个意义上说，潜艇运动形成的德拜磁场对潜艇是“与生俱来”的，与潜艇自身有无磁性毫无关系，并且该磁场同尾流一样会“跟随”潜艇很长一段时间。有报道说，该类探测系统可以探测达到近千米量级深度的水下目标。

光学探测。在红外到紫外波段的光谱中，绝大部分光在海水中的衰减严重，然而蓝绿波段的激光衰减远小于其他光频段，即存在“窗口效应”，此现象为利用光波进行水下探测与水下通信奠定了基础。由于温度和盐度对光波的波速基本没有影响，光探测具有很好的方向性，利用光波进行目标定位时，定位结果较准确。除此之外，利用光波还可进行二维强度成像和多光谱摄像，且图像的分辨率较高，操作者可利用图像判断目标类型。美国“魔灯”系统和俄罗斯“紫水晶”系统是较早的激光探测应用实例，并已在扫雷等方面展现较好的探测效果。虽然光波具有很多优点，但它在海水中衰减仍很大，且对海水水质要求较高，海水中的悬浮颗粒、浮游生物等都会使光波产生严重的散射现象。因此，机载激光的探测深度有限，在澄清的海域，可见光的穿透深度大约为水下100 m。例如，美国“先进防御研究项目机构”开发的激光雷达系统利用波长510nm 的蓝绿激光进行水下目标探测，探测结果显示其最大可探测深度达到200m。随着条纹管激光成像、雷达等新型技术的发展，有望降低雨、雾等天气对激光探测的影响，提高激光探测的性能。

水面尾迹探测。舰艇的尾迹是造成舰艇暴露并破坏其隐身性能的重要物理特征。内波尾迹和热尾迹是两种主要的水下舰艇尾迹。水下舰艇尾迹的产生原因可以归结于体积和温度两种因素。海水是密度分层流体，在海洋中航行的水下舰艇，其艇体的扰动和航行引起的尾流会破坏海水原来的密度分层，因而会在海洋中产生内波。这种不规则的内波会对海面的水波产生调制作用，从而改变海面的粗糙程度。当使用星载合成孔径雷达对海面进行探测时，被调制的海面水波会影响电磁波的后散射，引起SAR 图像的明显像变，导致水下舰艇的尾迹被发现。美国的星载SAR在0.006s 的时间之内就可以生成一幅覆盖范围达到1000km²、分辨能力为3m 的图像。通过多个星载SAR 的不间断扫描，就可以实时远距离监测全球范围内海洋舰艇的活动。水下舰艇的下潜深度即使超过了100m，其产生的内波尾迹依然可以被探测到。水下舰艇的体积产生的水动力学尾迹还包括开尔文尾迹、涡尾迹、湍流尾迹、冷尾迹、伯努利“水丘”等。

另外，水下舰艇的热排水在上浮过程中会形成一条持续时间较长、持续范围较大的热尾流，并可能上浮到海面。使用最小可分辨温差已达到0.001℃的红外热像仪可以观察到水下舰艇的热尾迹。水下舰艇尾迹探测设备除了上述的SAR 和红外热像仪外，还有发射蓝绿激光的光学探测器。由于水下舰艇尾迹扩散范围大，可延伸几千米，配备机载SAR 和机载红外探测设备的反潜机在几千米的高空就可以探测到水下舰艇的尾迹，探测距离可达数十千米。抑制水下舰艇的内波尾迹是非常困难的，这方面的研究基本都处于探索阶段。美国正在研究的一项尾迹隐身技术的原理是在艇体表面覆盖一层内嵌微型水泵的三维晶格多孔金属材料，使从覆层中流出的水流速度与艇体外的水流速度相当，从而减弱水下舰艇的尾迹。对热尾迹的抑制一般采用冷却水分级排放技术，以降低水下舰艇热排水与环境海水的温差。

非声探测与隐身——对抗中的进步

非声探测的发展，促进了探测和隐身技术的共同发展。目前水下非声探测技术和非声隐身的发展趋势主要包括两个方面:

水下高速目标在水面形成的开尔文尾迹

建立专用的非声特性测量场。长期以来，水下目标隐身特性的测试范围较窄，通常只按照声学和磁异常两方面进行特性测试。非声探测的发展迫使专用测试场和专项测试正得以建立和实施。法国国防部下属武器装备总署在布雷斯特完成了对3 个测试场的现代化改造，使其具备在水深25m，15m 和9m 处测量舰艇的磁场和水压场的能力; 同时又建立一个深度为25m 的电场信号测量场。建立专用测量场的目的是准确掌握舰艇的非声物理特性，以便在后续型号舰艇的设计建造阶段就对非声隐身问题加以考虑。

研制更高性能的探测设备。欧美各国近年来一方面着力于提高磁场传感器和电场探测电极的灵敏度、频率响应范围和稳定性，并降低其自噪声;另一方面致力于将电场和磁场测量设备进行集成，构建多场测量系统。

除了这两项进步外，非声隐身技术也呈现出以下发展趋势:

闭环消磁技术——这项技术通过精确计算和设计，采用低磁材料进行建造，将大大降低水下结构的磁特征。

新型推进技术——该技术主要目的是针对尾迹的产生，采取泵喷和磁流体推进技术。

多功能隐身材料——未来的隐身材料需要具有宽频带特性，能同时应对雷达和红外热像仪的探测。发达国家正在研制的薄膜型材料和半导体型材料既能吸收雷达波，又具有低红外辐射特性。

非声隐身措施的兼容性设计——为了减少腐蚀，阴极保护系统会产生电流，使得舰艇的电场特性变得更为明显。类似的，为了补偿感应磁场，消磁绕组中通入的电流也可能会增大舰艇的电场强度。为解决诸如此类的兼容性问题，需要进行非声隐身措施的兼容性设计，比如发达国家已经上艇应用的考虑静电场隐身的阴极保护系统优化设计技术。