潜艇避碰声呐发展分析

2021-03-09杨秀庭韩志斌高本征

舰船科学技术 2021年1期

李宁，宋俊，杨秀庭，韩志斌，苏冰，高本征

(1.海军研究院，北京 100161；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引言

潜艇在水下空间主要利用声呐设备进行探测感知等活动，其中避碰声呐（有时也称探雷与避碰声呐）是潜艇水下近程避碰探测的主要声学手段，是确保潜艇水下航行安全的重要保障。近几年来，随着各国潜艇活动海域范围的不断扩大，水下航行过程中可能会遇到各种危险障碍物，因此，避碰声呐越来越得到潜艇操纵员的重视，对其需求也愈加迫切。如何开发设计合理的功能性能，满足潜艇操纵员的使用需求，是极其重要的问题。本文从国外现状、军事需求、关键技术三方面分析潜艇避碰声呐发展相关问题，意在为我潜艇避碰声呐的未来发展及功能设计提供一定的参考。

1 国外现状及发展趋势

1.1 国外现状

国外非常重视避碰声呐及相关技术的发展，根据不同平台特点和要求，开发了各种类型的避碰声呐。避碰声呐以主动方式工作，工作频率较高，一般在几十到数百千赫，探测距离通常在几百米至1 000 m左右，声呐分辨率好，能探测礁石、沉船、水雷等航行障碍物，辅助潜艇操纵人员规避危险物体，保障潜艇水下航行安全。目前，避碰声呐已经成为国外潜艇声设备的基本配置[1-5]。

美国海军潜艇避碰声呐装备[1-5]主要包括AN/BQS-15，AN/BQS-24避碰声呐，CHIN高频主动声呐系统等。为了保证这类声呐的探测范围，一般将其布置在围壳较高处，有的也在艇首声呐的主基阵下方布置一个高频避碰声呐基阵，以获得良好的探测视线。

AN/BQS-15避碰声呐属于美国AN/BQQ-5潜艇综合声呐系统的一部分，主要装备于“洛杉矶”级攻击核潜艇，安装在围壳处，工作在高频段，用于探测水雷和其他障碍物。安装位置如图1所示。

AN/BQS-24避碰声呐在BQS-15避碰声呐基础上进行改进，在颚首部和指挥台围壳有发射阵和接收阵。颚首阵安装在艇壳较低的位置，可以在海面或较浅深度工作。发射阵可照射到潜艇下部区域而不受首部的干扰，较大的垂直孔径可以在垂直方向生产较窄的波束从而降低多途影响。主要装备于“海狼”级、“弗尼吉亚”级攻击核潜艇。安装位置如图2所示。

图1 “洛杉矶”级核潜艇装备的 AN/BQS-15 探雷与避障声呐的基阵Fig.1 AN/BQS-15 sonar of Los Angeles submarine

图2 “海狼”级核潜艇装备的 AN/BQS-24 探雷与避障声呐的基阵Fig.2 AN/BQS-24 sonar of Seawolf submarine

CHIN高频主动声呐系统属于美国AN/BQQ-10潜艇综合声呐系统的一部分，安装在最新服役的几艘“弗尼吉亚”级攻击核潜艇，基阵配置在原有BQS-24避碰声呐基础上进一步改进，主要在艇首下颚部新增一套高频基阵，通过测量前下方海底地形实现地形匹配导航。安装位置如图3所示。

图3 “弗尼吉亚”级核潜艇装备的CHIN高频主动声呐系统Fig.3 CHIN high-frequency active sonar of Virginia submarine

美国潜艇避碰声呐有多种工作模式，包括浅水工作模式、深海工作模式、冰层下工作模式、雷区工作模式等，可根据不同海工作场景和海域实际情况进行选择，完成各种使命任务。随着技术发展和需求牵引，潜艇避碰声呐已经向水下定位导航发展，如CHIN高频避碰声呐系统不仅仅能完成传统的探雷、避碰、测冰等任务，还能凭借优异的性能，通过扫描水下航道或者待机阵位的地形地貌，与数据库中的数字海底地图进行比对，进行潜艇水下的定位导航。一定程度上改变了以往潜艇需要通过上浮利用无线电或者卫星导航的传统模式，降低了潜艇定位导航中的暴露率，提高了潜艇的隐蔽性。CHIN声呐新功能为美国海军潜艇部队探测和摸索重要水下航道、丰富海军潜艇部队海底数字地图、保障美国海军前沿部署发挥重要作用。

此外，法、德、英、俄等海军强国潜艇均配置了类似的避碰声呐[1-5]。其中，法国“鱿鱼”级潜艇配置了泰勒斯公司的MOAS避碰声呐，安装于潜艇平台的前端，采用一条垂直阵用于发射，一条水平阵用于接收信号，工作频率几十千赫，支持探测、识别和导航3种工作模式，具备规避海底障碍物、探测水中锚雷、上浮过程中探测水面舰船等能力；德国U212、214型潜艇配置MAA3070避碰声呐，换能器阵列选用平面阵形式，具有低频2D、高频3D前视功能；英国“机敏”级攻击核潜艇也配置了近程测距识别高频声呐，安装位置如图4所示。

图4 英国“机敏”级攻击核潜艇安装高频避碰声呐基阵的位置Fig.4 High-frequency sonar array of Astute submarine

1.2 发展趋势

综合国外潜艇避碰声呐的发展情况，其发展趋势主要有以下几个特点：

1）避碰声呐是潜艇声呐系统的重要组成部分。如CHIN高频主动声呐系统属于AN/BQQ-10潜艇综合声呐系统、“机敏”级近程测距识别高频声呐属于2 076潜艇综合声呐系统。近些年来，国外潜艇声呐系统均采用一体化设计思路，避碰声呐在一体化系统架构下，主要利用高频收发阵实现避碰功能。其中，基阵方面普遍采用收发分置设计，既可以根据使用需求保持发射和接受信号的角度，又可以降低声呐基阵在艇上的安装施工难度。同时通过基阵复用设计，为系统其他功能提供数据。

2）具备多种功能设计和工作模式。从功能设计上，前视和上视避碰功能是潜艇航行安全所必备的功能，下视避碰功能是为适用浅水作战等新的作战任务要求而增加的新功能。如各国潜艇避碰声呐普遍具备前视和上视避碰功能，利用主动声呐回波亮点对前方/前上方几百米左右的锚雷、渔船等障碍物进行有效探测。在此基础上，根据新的任务要求，部分声呐具备海底三维地形成像能力，实现对前下方障碍物避碰探测的同时，兼顾若干特殊任务（如海底地形匹配导航）的需求，如美国CHIN高频声呐系统。

3）自动化程度高，具备对障碍物的自动避碰报警能力。由于避碰声呐主要用于保障潜艇航行安全，要求其具备较高的自动化探测、识别报警和处理能力，以及较小的虚警率，以满足“既不能漏报、又不能虚警”的报警需求。如国外避碰声呐普遍具有对类似鱼雷、渔船等目标向操作员进行自动避碰告警的能力，支持操纵员提前做出规避动作。

2 军事需求分析

2.1 应用场景分析

潜艇是水下重要作战力量，安全航行是其执行作战及训练任务的前提条件。为了确保水下航行安全，对水中障碍物的发现和规避极为重要[6]。目前，潜艇在水下航行时可综合利用潜望镜、光电设备、声学设备等获取前方障碍物信息。其中，利用高频避碰声呐对障碍物进行探测，是确保航行安全的主要声学手段。潜艇水下安全航行应用避碰声呐的主要场景如下：

1）在上浮过程中探测水面漂浮或低速航行的渔船、舰艇等水面障碍物。近年来，沿岸及周边海域渔船数量急剧增加，对潜艇的正常作战及训练的威胁程度不断提高。上浮过程中，需要及时准确地探测水面障碍物，确保上浮安全。此外，在高纬度冰层下上浮时，利用避碰声呐测量获取冰层厚度，对于破冰上浮操纵也是十分必要的。

2）探测战时航道中布放的锚雷。水雷是一种十分有效的海战武器，其最大的特点是隐蔽性好，威力大。未来濒海作战中，主要作战对手可能会针对重要航道和水域进行隐蔽布雷，给潜艇兵力带来巨大安全隐患，极大地限制潜艇兵力行动的机动性。因此，在存在锚雷的可能海域，利用避碰声呐及时探测锚雷是确保潜艇自身安全的必要手段。

3）探测航行前下方可能存在的暗礁等（尤其在狭窄水道等海底地形复杂海域）海底碍航物。潜艇作战海域广阔，包括浅海/深海，海底平坦或复杂海域。在已测绘的海域，潜艇操纵员可通过海图提供的海底地形信息选择合理航线，但在未知海域或信息掌握有限的海域，由于海底地形信息缺乏，存在触礁等航行安全隐患。尤其是潜艇通过狭窄水道或在战时紧急进入未知海域的情况下，均需要现场探测海底障碍物以确保潜艇的隐蔽航行安全。

2.2 能力需求分析

根据各种平台避碰设备的使用特点，对航行障碍物的探测，既要检测概率高、避免发生障碍物漏报、引起事故，要求避碰声呐具有较高的检测概率；同时又要虚警率低，避免开启不必要的避碰模式，影响平台正常作业，要求避碰声呐具有较低的虚警。这种“既不能漏报、又不能虚警”的探测需求，是避碰声呐设备有别于其他探测声呐的主要特点。

潜艇避碰声呐与汽车倒车辅助避碰系统十分相似，在功能设计和能力要求上可充分借鉴其思路。例如，目前汽车普遍配置倒车雷达功能，可对后方目标进行探测提供距离、方位等信息，同时根据距离远近给出告警信息；更高级的倒车系统在倒车雷达提供障碍物距离、方位信息的基础上，增加倒车影像信息，可进一步辅助驾驶员掌握避碰物属性。目前来看，倒车雷达可基本满足汽车倒车的避碰需求，影像信息只是一种辅助信息[7-8]。

对潜艇避碰声呐而言，为达成“高检测率下的发现能力和低虚警下的报警能力”，首先必须掌握目标的距离、方位等信息，其次若要实现有效报警，需要进一步掌握目标避碰特征属性（如目标尺度、材质等）。在此基础上，若能掌握更多的目标特征（如成像信息），则有利于对目标的精确判别。因此，从应用需求来看，掌握障碍物距离、方位信息并实现报警即可满足基本的航行避碰需求，其他信息为辅助信息，可进一步提高避碰判断的准确性。

综合以上分析，对潜艇避碰声呐的能力要求主要包括3个方面：一是近程障碍目标的发现能力，包括发现距离等；二是规避目标的报警能力，包括报警距离、虚警率等；三是辅助识别能力，包括目标精细分类及识别能力。

2.3 主要功能要求

潜艇避碰声呐应能满足潜艇对障碍物和水雷目标的规避需求，保障潜艇的航行安全。主要功能要求如下：

1）具备障碍物及锚雷主动探测功能。可探测潜艇前上方、前方、前下方障碍物及锚雷目标，测定目标的距离、方位。借鉴国外研制思路，考虑潜艇操纵状态（上浮、下潜、航行等）、航行速度、回转半径及可能的障碍物类型等因素，对前方障碍物的主动发现距离不小于几百至几千米，可根据需求进行具体的量化计算。需要强调的是，该发现距离的前提是具备较高的目标检测概率。

2）具备对危险目标的自动告警功能。可对探测到的渔船、锚雷等危险目标自动告警。自动告警是在目标检测发现的基础上，在对目标作出准确识别判断的前提下，进行自动声光等提示报警。为了尽量减轻操纵员的值班负荷，需要较低的报警虚警，且报警距离满足规避需求。

3）具备多种工作模式，满足不同安全航行场景的使用需求，并支持功能拓展。可根据应用场景任务需求，切换并支持高/低频模式、二维/三维模式、作战探测/水下导航/海底测绘/测冰等工作模式。通过多种工作场景的针对性设计及开发，满足浅水、深海等多种复杂海洋地貌条件下的航行安全，可进一步提供给操纵员更多目标信息，辅助其判情。同时，在一体化系统架构下，应用开放式设计思路，支持相关功能拓展。

需要说明的是，上述要求是比较理想的设计考虑，不同平台可根据使用需求及实现可行性进行要求裁剪，据此配置相关基阵及功能。

3 关键技术及难点

根据潜艇规避声呐的使用特点，为了最大限度满足“低漏报、低虚警”的探测需求，检测能力及报警能力是其核心能力，是确保避碰声呐性能发挥的关键点，也是避碰声呐研制的难点。根据2.3节所提的功能要求，其涉及的关键技术包括波束稳定和相控技术、障碍目标识别技术及多工作模式设计技术等。

3.1 波束稳定和相控技术

避碰声呐对障碍物探测的主要性能由声呐参数决定，但同时会受到来自水面、海底混响、平台稳定性、声场扰动、声线弯曲等多种因素的影响。由于声呐探测的主波束覆盖范围是潜艇航行空间，但是主波束会受到来自界面回波的干扰，同时旁瓣方向的强回波也会引入干扰[9]。因此，为最大概率地发现前方可能的障碍目标，同时尽量避免探测或者有效识别和剔除水面波浪、海底、船只尾流等非障碍物目标，避碰声呐需要能够发射和接受一个稳定、适合束宽、指向自适应的波束，这是有效探测的重要基础。采取波束自适应稳定及垂直波束相控技术，根据潜艇的深度和高度，设置适当的发射束宽，根据航行器的姿态参数实时调整波束指向，保证波束指向航行方向。关于这方面的研究，国内外相对比较成熟，后续研制避碰声呐需要根据使用特点改进提升相关技术，进一步抑制旁瓣、减少载体平台稳定及水声环境的影响。

3.2 障碍目标识别技术

避碰报警的核心技术是障碍目标识别技术。障碍目标识别是将影响航行的障碍目标（水面船、礁石、沉船、水雷、渔网）从虚假目标（水面回波、海底回波、船只尾流、湍流气泡）和不影响航行的目标中筛选出来。为了尽可能的降低避碰报警的虚警率，障碍物目标识别技术是关键。目标识别方法包括基于声呐图像的目标检测识别技术和基于声回波多特征的目标识别技术。其中，声回波特征主要包括相位特征、波形特征和时频特征等，尤其是相位特征可以反映目标的表面材质特性，特别适合于识别和区分礁石、鱼群、气泡等不同类型目标。关于这方面的研究，国内已有相关基础[10-11]，可在后续发展过程进一步进行有针对性地研究，并通过试验验证筛选可行技术途径。

3.3 多工作模式设计技术

不同应用场景对避碰声呐的功能性能需求不同，其带来的算法设计亦有不同点和侧重点。各国潜艇前视规避声呐普遍具有探雷、规避障碍物的功能，有的还具有利用地形探测实现水下导航的功能。为此，在设计潜艇避碰声呐时应在考虑不同应用场景的前提下，合理设计工作模式，最大限度发挥声呐设备功能性能，以满足不同任务需求。例如，高/低频探测模式的切换可充分发挥低频远距离、高频高分辨率的优势；水平探测和垂直探测模式在疑似目标所在水平和垂直范围内的自动切换、多次扫描，同时获得水平多波束和垂直多波束图像，可探测得到疑似目标的水平方位、垂直方位和距离等三维参数信息。