反蛙人武器系统发展综述

王金成，郭星香，孙玉臣，，房俊伟，姜 斌

（1.海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉430033；2.海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041；3.中国人民解放军92767部队，山东 青岛 266102；4.海军潜艇学院 航海观通系，山东 青岛 266100）

0 引言

在对水域的安全监控手段上，不论国内国外，现有措施多依靠雷达等装备保证水面以上区域的预警，而水下区域预警探测手段比较薄弱。随着“非对称作战”模式逐步受到各国重视，敌对破坏分子逐步开始利用水下蛙人、微型潜艇、机器人等秘密潜入码头、海港、海上勘探平台、舰艇锚泊区及岛礁等重点水域实施侦察或破坏。

由于蛙人体积小、噪声强度低、目标信号频率低，使得开发反蛙人的作战装备具有一定的困难，水下蛙人探测装备受到各国，尤其是海军强国的普遍重视[1-3]。

探测蛙人的方式，按照不同的物理原理，可以分为如下几类：水面搜索雷达、可见光及热成像系统、水下磁探测网络以及水声等多种方式。但是，当蛙人潜入水下时，由于可见光及电磁波信号的衰减，使其难以实施有效监测，同其它水下作战目标监测类似，水声目标才是唯一可靠、可用的物理特性。同样在水下30 kHz频率上的辐射损失，电磁波可达7 500 dB/km，而声波仅为5 dB/km[4]，而实际电磁波频率一般比30 kHz要高很多。这使得水下视频监视和电磁探测等设备根本无法与声呐设备相媲美，故探测水下蛙人，主要依靠声呐。

图1 携带运载器的蛙人Fig.1 Frogman with a SDV

1 反蛙人声呐的研究进展

蛙人的目标尺度小，噪声频率低，且经常活动的港口和沿海地区因船舶残骸、港壁、海床或水面等众多后向散射物体和边界环境引起的混响噪声严重[5]，这都为声呐设计带来了困难。针对目标尺度小的特点，必须有高频的声波信号去分辨蛙人，因而需要用主动声呐去探测蛙人。为了获取较高的目标回波强度以尽量增加探测距离，目前各国大多采取高频主动声呐技术来探测水下蛙人，工作频率主要分布于60～100 kHz，带宽3～20 kHz，发射声强级180～210 dB，最远探测距离400～2 000 m不等[6-8]。主要在港口基地、大型船舶、高价值海上设施等处固定或吊放布置于水底、船侧和码头侧墙等部位[9]。蛙人本身所辐射出的声学特性，是被动声呐探测的技术基础，蛙人目标的声信号主要来源于蛙人身体呼吸振动声、呼吸器减压阀振动声及气泡破裂振动声。在港口等复杂噪声环境下，对蛙人的目标检测并不理想，主要原因是蛙人体积小、信号强度低，可被检测的距离短。但声呐采取被动方式探测具有诸多优势，比较主动声呐，其鲁棒性强，对生态环境友好，能耗低，隐蔽性强，尤其配置于航母等大型舰艇周围时，不易暴露目标，且可根据不同目标的不同声学特性，更容易识别目标[10-12]。

2 蛙人目标声信号特征研究进展

在主动声呐作用下，蛙人目标回波信号主要来源于开式呼吸排出的大量气泡（75 kHz时目标强度不小于-16.9 dB），其次来源于干式潜水服（75 kHz时目标强度约-17 dB），再次是开式呼吸气瓶（75 kHz时目标强度约-24 dB），蛙人身体的目标强度相对较小（75 kHz时目标强度约-27.2 dB），且依次来源于肺部组织、骨骼和其他软体组织。身穿湿式潜水服并采取闭式呼吸的蛙人，其回波目标强度不到-25 dB（75 kHz时）[5，13-15]。

在被动声呐作用下，呼吸是蛙人水下探测和识别的主要依据，开式蛙人水下声辐射信号频率范围覆盖了0.2～13 kHz，且周期与蛙人水下生理性呼吸周期基本一致（约3～5 s），吸气能量主要集中于高频（2～13 kHz，持续时间约0.7～0.8 s，主要源于减压阀振动），呼气能量主要集中于低频（0.2～2 kHz，持续时间约1.2～1.5 s，主要源于气泡群的排出入水）。呼气造成的低频信号能量高于吸气造成的高频信号，但呼气的低频段信号随距离衰减严重；吸气的高频段信号特征明显，随距离衰减较慢，成分也比较规则，是被动探测的理想频段。在标准参考距离和声压下，开式蛙人、半闭式蛙人、全闭式蛙人的声源级分别约为（161±1）dB，（131±2）dB，（108±1）dB，且声源能量主要集中于 200 Hz 以下[10，16-28]。

同时，很多研究机构使用了图像识别等方法对蛙人声学图像进行目标识别，机器学习等方法也逐步引入水下蛙人目标的探测与识别。

3 反蛙人武器的研究进展

针对蛙人，为了实现“发现即打击”，各国均发展了对抗蛙人的专用武器，如：由计算机控制的反蛙人水雷、便于军舰上使用的反蛙人手榴弹、反蛙人深水炸弹、反蛙人火箭炮及以俄军 APS水下自动步枪为代表的各种水下枪械[1，29]。

3.1 国外重型武器发展情况

20世纪80年代，苏联斯普拉夫设计院研制出了DP-62岸基自行式多火箭发射系统，该系统主要由40管BM-20PD战车、22mmPRS-60火箭弹组成，能够与蛙人探测声呐结合自动运行，可单发、半齐射（最多20枚火箭弹）和全齐射（20 s内发射40枚火箭弹），可在300 m距离对蛙人及其运载器造成0.99概率的毁伤[30]。

1971年，苏联“玄武岩”设计局研制成功了MRG-1（火花）微型 7管深弹发射器。经过多年升级改造，MRG-1系统在 1991年通过加装一套包含小型声呐在内的搜索火控系统，深弹发射器改为10管，成为DP-65反蛙人系统。其具备对蛙人目标的探测、识别和跟踪功能，可以发射RG-55M、RGS-55、RG-55-1 3种高爆榴弹。榴弹均配备双引信，打击范围可达80 m2，包括水下、水面和陆地，可对水下 60 m的蛙人进行有效杀伤，DP-65系统结构简单，可安装于岸基、舰艇等多种平台[30]。

目前，俄罗斯正在研制新型的反蛙人火箭助飞榴弹，新型的榴弹射程将达1 000 m，使用水深超过60 m，水下杀伤半径超过20 m，该型榴弹发射器可与蛙人探测声呐结合使用，除了打击水下目标，还能摧毁岸上人员及车辆[30]。

图2 苏联MRG-1反蛙人系统Fig.2 Soviet MRG-1 anti-frogman system

图3 苏联DP-65蛙人打击系统Fig.3 Soviet DP-65 frogman strike system

3.2 国外轻型武器发展情况

1960年末，苏联研制出了 AP-61型单兵反蛙人火箭，该型火箭系统可配备机械引信（GRS-55）和无线电引信（GDS-55）两种型号榴弹，因操作简单、携带方便，得到广泛应用[31]。

图4 苏联AP-61型单兵反蛙人火箭Fig.4 Soviet AP-61 individual anti-frogman rocket

1989年，“玄武岩”设计局还研制成功了DP-65的轻便型，型号为DP-64，并于 1990年量产。该型反蛙人武器主要为手持式双管榴弹发射器，重量仅10 kg左右，采用后端装填，有效打击距离400 m，不仅可以手持使用，还可以挂载于船舷或直升机对蛙人进行立体打击。配备有FG-45高爆榴弹（水下杀伤半径超过14 m）和SG-45信号榴弹（照亮时长不短于50 s），对蛙人的打击效果借鉴了深水炸弹对潜艇的打击，目前该装备已列装俄罗斯和越南海军陆战队[30-31]。

图5 苏联DP-64反蛙人武器Fig.5 Soviet DP-64 anti-frogman weapon

俄罗斯自苏联时期开始，中央精密机械工程研究所就研制出了多型水下蛙人使用的近战枪械，用于反制水下蛙人及食肉动物，主要有 APS（AΠC）型5.66 mm水下无声自动步枪、ASM-DT和 ADS两款 5.45 mm两栖突击步枪、SPP-1（CΠΠ-1）型和SPP-1M（CΠΠ-1M）型4.5 mm水下 4管无声手枪，并研制了配套的枪弹。目前，除了新研制的ADS之外，其他水下枪械已出口十几个国家[1-2，30，32-34]。

1975年，APS型5.66 mm水下无声自动步枪研制成功并装备部队。该枪型借鉴AK系列的长行程活塞导气式自动原理，枪机回转式闭锁，采用细长箭形弹和机框撞针的击发方式，可进行单、连发射击，适用于40 m以内水深。5 m水深处有效杀伤距离为22 m，40 m水深处有效杀伤距离为11 m，空气中有效杀伤距离超过100 m。

2007年，俄罗斯运动及狩猎武器中央设计研究局研制出了 5.45 mm口径的两栖特种自动步枪ADS，以逐步取代现有水下自动步枪。该枪型专门配备陆上和水中两种枪弹，陆上采用5.45×39 mm全系列制式弹药，并可加挂 40 mmVOG-25型和VOG-25P型榴弹；水下使用5.45×39 mm水下特种弹药[35]。

图6 俄罗斯ADS型两栖特种自动步枪Fig.6 Russian ADS amphibious special automatic rifle

1971年，SPP-1型4.5 mm水下4管无声手枪装备俄罗斯战斗蛙人部队，该枪水中最大有效射程为20 m，且水深越大，有效射程越小（水深5 m时射程为17 m，水深20 m时射程为11 m，水深40 m时射程为6 m），之后的改进型SPP-1M一直服役至今。该系列手枪配套专门的 SPS水下弹药发射箭形枪弹，该枪弹全长145 mm，质量17.5 g；弹头为低碳钢，长 115 mm，弹径 4.5 mm，质量12.8 g，为突缘瓶颈形状。这种箭形弹在手枪的有效射程内可轻易地穿透保暖潜水衣或5 mm厚的塑料面罩，对潜水员造成严重创伤[30]。

图7 俄罗斯SPP-1M型手枪Fig.7 Russian SPP-1M pistol

1980年代，德国Heckler＆Koch公司研制出了P11水下手枪，该手枪由5发装管束和底把组成，发射采用电击发方式。为保持弹道稳定，枪弹设计有尾翼，水下有效射程约 15 m，近距离可射穿约10 mm后的潜水气瓶钢板，枪瞄使用氚光管，适合能见度低的水下，目前该手枪已几乎成为北约国家海军特种部队的标配[33]。

图8 德国P11型手枪Fig.8 German P11 pistol

3.3 国外软杀伤武器发展情况

2010年，美国史蒂文斯理工学院的Sutin等利用优化的浅海声学模型，对水下蛙人进行方位估计，通过水下扬声器对蛙人进行软杀伤，且不会对其他海洋生物造成伤害[36]。

北约国家许多反蛙人声呐系统中，也带有水下扬声器，用于对隐蔽于水下的蛙人进行警告或逼迫其浮出水面[37-40]。

3.4 国内重型武器发展情况

CS-AR1型反蛙人探测打击一体化系统是苏联DP-65的国产型，具备榴弹发射遥控功能；DP-65是装载于“现代”级驱逐舰而被同时引进的。CS-AR1于2011年由中国兵器装备集团成功定型，并于2012年开始装备南海部分岛礁和国产航母等重要舰艇；该系统依靠水下声呐探测到蛙人或微型潜艇后，可以仅发出预警信号，也可以利用10管榴弹发射器对危险目标实施杀伤，有效监视半径为500 m，并具备故障自检等一系列AN智能判别功能，榴弹杀伤半径可达 16 m。在永暑礁上，该系统与61式双联25 mm舰炮共同组成对蛙人和小艇的近防打击系统，从而实现“小岛堡垒化，大岛阵地化”的目标[2，41-42]。

图9 CS-AR1型国产反蛙人系统Fig.9 Domestic CS-AR1 anti-frogman system

CS-LK4近区防御遥控武器系统是一型岸基一对多的防御武器系统，该系统可整合现役的多种其他武器，打击目标覆盖海陆空，可对水下蛙人、水面快艇和空中飞行器进行打击，功能参数也可根据作战需要进行临时调整[31]。

图10 CS-LK4型近区防御遥控武器系统Fig.10 CS-LK4 near zone defense remote control weapon system

2019年，中北大学的姚养无等设计了一型55 mm反蛙人外能源自动炮，并对其性能做了仿真研究，该自动炮设计口径为55 mm，重量≤60 kg，弹药采用1.2 kg重量的高爆榴弹，射程2 km，射速60发/min，可岸上固定安装或舰载使用[31]。

图11 反蛙人自动炮整体布局俯视图Fig.11 Top-down view of the anti-frogman automatic gun layout

3.5 国内轻型武器发展情况

QBS-06型5.8 mm水下突击步枪，是第一型国产的近距反蛙人特种轻武器，自20世纪90年代开始研制，借鉴于俄罗斯的APS型5.66 mm反蛙人步枪，并做了诸多优化。2006年定型，适于0～40 m水深使用，必要时也可陆地使用，可点射或连射，弹夹容量26发。为保持枪弹的水下弹道稳定，其配备的枪弹采用大长径比设计，外形为箭形，尾部设计成棱形。该枪弹全长150 mm，重量28 g，质心靠前，击中目标后会造成枪弹翻转，以扩大杀伤创面，在水下能见度范围内能够击穿蛙人用的防水面罩及气瓶[31，43]。

图12 QBS-06型5.8 mm水下突击步枪（带刺刀）Fig.12 QBS-06 5.8 mm underwater assault rifle（with bayonet）

图13 5.8 mm水下突击步枪配套枪弹Fig.13 Matching bullet for 5.8 mm underwater assault rifle

3.6 国内软杀伤武器发展情况

中国船舶工业系统工程研究院与哈尔滨工程大学联合设计了一型基于磁探测的要地水下反蛙人防御系统，该系统将磁传感器与高压电缆进行复合，形成水下物理安全栅栏。有效探测距离约20 m，在蛙人切割栅栏时，释放高压电对蛙人进行软杀伤，杀伤距离2～50 m可调，制作的样机经测试可发射88 MPa峰值压力，比传统的爆炸式等打击声源具有声源级高、频带范围广等特点，但该电子系统设备复杂且所需瞬间功率高，峰值功率需达到150 MW[44]。

此外，国内还有许多学者研究了次声等声学武器对水下蛙人目标的应用效果[45]。

4 结束语

本文综述了国内外反蛙人武器系统的发展现状，介绍了国内外反蛙人声呐装备系统和蛙人水下目标主被动声学特征的研究进展。通过综合分析，总结出目前国内外的反蛙人声呐系统的主要技术特点有[9，46]：

1）大多采用高频主动方式进行探测，被动探测方式较少；

2）主动声呐中心工作频率大多为 60～100 kHz，带宽可达20 kHz，且一部声呐可有多个工作频率[47]；

3）被动声呐主要以开式呼吸蛙人为主要探测目标，根据蛙人水下呼吸信号特点进行探测和识别[48]；

4）主动探测距离一般大于1 200 m，被动探测距离一般不少于350 m[49]；

5）主动声呐探测角度覆盖范围一般水平可达360°，垂直可达 14°，以利于海岸等浅水环境，探测角度分辨率可达0.1°；

6）适用场景多样，工作水深可达 100 m，可手持、座底、岸侧和随船安装携带；

7）能同时对多达250个目标进行探测、识别和跟踪；

8）配合自身算法，在强混响背景下的目标检测具有极低的虚警率。

反蛙人声呐系统在现有发展的基础上，也逐步向以下方向发展：

1）多部声呐组合工作，提高发现概率[50]；

2）智能化和集成化程度越来越高，功能越来越多样，与蛙人对抗武器进行组合的趋势明显[51-52]；

3）声呐系统在减小的体积和重量的同时，向低频、宽带、大垂直束宽方向发展；

4）声呐的垂直发射波束和水平接收波束逐步变窄，以适应浅海小目标探测和跟踪；

5）高频成像声呐逐步运用于水下蛙人探测；

6）机器学习等新的算法开始引入蛙人探测和识别；

7）在原有硬杀伤武器的基础上，软杀伤武器种类开始增多[45]。

国外由于研究起步早，在水下反蛙人武器、反蛙人声呐装备和蛙人目标声信号特征研究方面的成果突出。经过近几年的努力，我国在此方面与国外的差距正逐步缩小，武器系统比较完备，所列装的主动声呐性能已接近国际先进水平，对蛙人水下声信号特征的研究日趋成熟，但对武器系统的杀伤距离和范围、被动探测声呐装备、不同条件下的蛙人水下声信号特征等方面的研究还有诸多提升空间。这些空间是保卫我国沿海岛礁等重点水域安全的重要需求，也是我国水下安保技术领域的一个重要的发展方向，值得进一步研究。