国外反潜探测装备与技术发展评述

作者：杨俊、于斐、徐源、戴斯仁

反潜是指对潜入一定海区的敌方潜艇、水下潜航器进行搜索、封锁、限制和消灭的行动。现代舰艇装备有大量反潜武器，实施武器攻击相对容易。然而，海洋的天然隐蔽性、广阔地域性以及不同海域水声环境的复杂性使得潜艇具有较强的隐蔽部署、自由行动及突然打击等能力。在广袤的海洋中，在没有引导信息的条件下，反潜舰艇与潜艇直接遭遇的概率极低。因此，感知潜艇的存在，锁定其位置，不但是实施反潜的第一步，也是反潜作战最关键和困难的一环。随着美国重返亚太计划、亚太稳定计划以及第三次抵消战略的出台，南海竞争形势快速发展。我国海军对周边海域空海一体战水下信息感知的作战需求也日益增加。随着现代安静型潜艇噪声级的不断降低，先进潜射武器攻击范围的日益增大，以声呐装备为核心，非声装备为拓展的水下反潜探测技术在水下攻防作战体系中扮演着愈来愈重要的角色。

一、国外反潜探测装备发展动态

以美国为代表的西方海军强国致力于构建攻势与防御相结合的反潜体系，提升水下防御能力。一方面，传统平台反潜探测装备持续升级，探测能力显著提升；另一方面，新型反潜作战装备不断涌现，反潜探测手段呈现多样化、创新化。

1. 传统平台反潜探测装备持续升级，探测能力提升显著

（1）潜用声呐系统方面

①新型声呐系统逐步投入使用，探测能力和自动化程度显著提高2018年7月，英国SEA公司推进150m超细拖曳线列阵KraitArray海试，以扩大小型平台的反潜探测范围。2019年7月，法国“梭鱼”级攻击型核潜艇首艇下水，由于极大提高了各型声呐设备的信息感知能力和自动化程度，人员编制仅需60人。日本正为新型29SS潜艇研制综合声呐系统，可将来自不同声呐的信息融合为综合态势图，进行目标综合运动分析。

②现役声呐系统技术升级改造，满足海军装备需求2019年，美国海军宣布增订TB-29X，TB-34X拖曳阵声呐系统。泰利斯公司正在为澳大利亚“柯林斯”级潜艇的声呐升级提供首个模块化圆柱阵列。2020年6月，俄罗斯首艘“北风”-A级战略核潜艇服役，其拖曳阵声呐从垂直舵顶部移至右舷水平舵，改善了声呐阵列的工作环境，提升探测性能。

③开展新技术研究，推动技术进步美国海军研究局正征求探索“海洋学和声学大数据集分析”技术白皮书，以寻求利用人工智能技术改变声呐反潜探测方式。法国泰利斯公司也在研发AI技术，其在研的Bluescan集成了不同平台声呐数据的协同反潜方案，可提供实时声学势态的完整概况。

（2）舰用声呐系统方面

①根据舰艇改换装计划，对现役声呐进行现代化升级美国濒海战斗舰计划装备单一拖体，采用圆柱形槽隙陶瓷设计的新型可变深声呐，以改善声学性能。俄罗斯计划于2022年前升级“无畏Ⅱ”级反潜舰声呐系统，广泛使用数字设备，提升自动化程度。2018年10月，加拿大海军启动了“哈利法克斯”级护卫舰的水下战组件升级项目，以加强声学态势感知能力。2019年RTSYS公司采用水面舰艇模拟声呐改进技术，以提升法国海军护卫舰的模拟声呐信号处理能力并增加提取和追踪目标等新能力。

②研发和采购新一代声呐应对水下威胁俄海军正在试验可集成于集装箱内的紧凑型模块化探潜声呐，探测距离可达15km。美国海军已成功完成AN/SLQ-61轻型拖曳鱼雷防御任务模块测试和AN/AQS-20C猎雷声呐系统的开发测试，前者能同时发射声诱饵信号和目标探测信号诱骗鱼雷，也可实现近距离定位，后者能同时探测、定位和分类各种沉底水雷并可提供高清三维图像。此外，Geo公司正在进行紧凑型、轻型、低成本主被动变深声呐TRAPS的海试。康斯伯格公司计划向芬兰海军Pohjanmaa级护卫舰交付反潜战和蛙人探测声呐。

（3）航空声呐系统方面

①开发新产品，满足作战新需求水下信号系统公司正为美国海军开发可扩展距离定向频率分析的新型空投被动声呐浮标，以应对安静型潜艇。2019年6月，乌克兰海军在研的可完全监控敌舰和潜艇并传输目标坐标信息以便对其摧毁的新型无线电声呐系统“亚特兰”通过海试。

②升级现有装备，提高作战能力雷声公司正在为美海军升级AN/AQS-20机载猎雷声呐系统。2020年4月，法国海军第3架升级版ATL2海上巡逻机成功搭载泰利斯最新声学子系统。

2. 新型反潜作战装备不断涌现，反潜探测手段多样

（1）新型水下探测网络不断涌现

2020年9月，TheDrive网站发布消息称，美国正筹建经济型移动反潜战监视系统（AMASS），包括连接到浮标的主动声呐，可通过标准运输集装箱进行部署。以LDUUV为主体平台的“水下蜘蛛”察打一体水下作战系统取得重大进展，其主体平台于2016年完成深海自主航行测试。该系统可行至指定战区自主释放被动声呐线列阵形成100km2的全方位探潜网络。上述系统将成为美军固定反潜监视网络的有力补充。

（2）声呐反潜装备与无人平台的结合日趋明显

2019年6月，以色列海军将HELRAS航空吊放声呐搭载至USV平台，开展海上验收试验。2020年6月，英国国防科技实验室采用埃尔比特系统公司“海鸥”无人水面艇（SeagullUSV）以及美国L3公司的声呐设备完成了基于无人自主系统的反潜战第2阶段试验。此外，丹麦皇家海军决定购买Katfish拖曳SAS系统以推进无人反水雷升级计划。

二、国外反潜探测技术的发展特征

目前，国外反潜探测技术的发展特点主要表现在6个方面：①声呐系统综合化程度不断提高；②低频、宽带、大功率、大孔径逐渐成为声呐反潜探测的主要方式；③多基地方式成为反潜探测的重要工作体制；④分布式网络化是实现水下综合感知的有效手段；⑤实时环境自适应探测是实现系统最优效能的重要途径；⑥非声探测得到了更多的关注。

1. 声呐系统综合化程度不断提高

目前，国外海军声呐系统的体系结构呈现出一体化、开放化、数字化、模块化的综合特征。现代数字信号处理算法和计算机技术的发展显著提高了声呐的信息处理能力，开放式、标准化、模块化系统架构促进了声呐新技术的快速嵌入，推动系统功能集成度不断提高。先进综合声呐系统的主要特征是：具有计算机辅助决策功能；综合所有潜艇声呐功能，实现信息分布式处理与融合以及信息管理自动化；软硬件采用模块化设计，易于改进升级；采用通用多功能显控台和信号处理机实现系统标准化；满足大容量数据交换和高速、高可靠性传输与存储。

图1 典型综合声纳系统处理流程图

装备于“弗吉尼亚”级核潜艇的AN/BQQ-10综合声呐系统集成了艇首大型球形主/被动声呐、高频主动声呐、WAA宽孔径阵声呐，以及由TB-16粗线阵与TB-29A细长线阵构成的拖曳线列阵声呐，采用开放式系统架构，使用大量商用组件。声呐传感器的数据经过光纤通道标准技术分配给处理硬件，极大提高了潜艇在浅水和高噪声背景中快速探测和准确定位目标的能力。包括声呐子系统在内的整个电子设备均具有开放式系统结构，实现互操作性、兼容性、可移植性、可重构性、可维修性等功能。德国海军的CSU90潜艇综合声呐系统具有警戒、定位、跟踪、鱼雷报警、侦察、主动测距等多项功能，集成了圆柱形或共形基阵声呐、侦察测距声呐、主动宽频声呐、被动测距声呐、舷侧声呐阵、带有绞车系统的拖曳声呐、避雷声呐和支持潜艇地形导航的海底导航声呐等。CSU90可配备频带大约从10～100kHz的传感器系统，不同的传感器能在任何用户定义的配置下进行组合。法国TSM2233综合声呐系统使用TMS320，C30和68040微处理机在MiMD型主机系统进行信号处理，与内部交叉高速环形网络和外部标准VME型数据总线进行通信。模块化的信号处理器使其能适合各种外形形式，从而满足新型潜艇设计和现代化改装。同时，其探测、跟踪和定位功能的高度自动化减少了操作人员的工作量。

2. 低频、宽带、大功率、大孔径成为声呐反潜探测的主要方式

鉴于安静型潜艇在高频范围隐身效果的不断提升，当今欧美海军强国的声呐技术对低频探测的要求不断提高。为了实现低频需求，主动声呐发射阵的尺寸不断增大；为有效抑制环境噪声的干扰，提升系统增益和信噪比，声呐接收阵的尺寸也相应增大。根据相关报道，目前美国潜艇艇首球形声呐直径已达到4.5m，马蹄形基阵长约15m，而突破舰艇尺寸限制的拖曳阵，其声学模块段长达百米，保证其工作频率低至数十赫兹。同时，由于在浅海中海洋环境复杂，既要克服混响影响，又要达到有效探测范围，要求声呐具有大功率声源的同时，频率可以交替使用，具有较大的带宽以接收不同的声呐信号。此外，为了最大限度抗衡消声瓦的吸声和散射效应，并且抑制复杂海洋环境中温盐层和海流的干扰，主动声呐技术不断致力于提升发射功率。目前，国外大型主动声呐的发射功率范围在150～1000kW，激光爆炸声源级可达220dB，等离子声源级范围为240～260dB。

目前，已有美、俄、英、德等超过20个国家的舰艇上装备了不同类型的低频主被动拖曳声呐。其中装备泰利斯公司CAPTAS系列低频主动探测声呐的国家最多。该声呐中心工作频率为1.5kHz。基于CAPTAS-4的特定型号2087声呐，已装备在英国皇家海军23型护卫舰上；智利也为其3艘23型护卫舰采购了CAPTAS-4。

通过小型化和轻型化设计，该声呐有望装备至美国濒海战斗舰LCS和DDG51FlightIII上。此外，国外航空吊放声呐工作频率也从10～20kHz降到目前的1～5kHz。美国L3公司开发的采用低频大功率和扩展阵技术的HELRAS吊放声呐的工作频率降低到1.4kHz，对潜探测距离达到20nmile以上。

3. 多基地方式成为反潜探测的重要工作体制

多基地探测由于具有作用距离远、隐蔽性好、抗干扰能力强等显著特点，开始逐步得到关注。多基地声呐网络使用多部大功率声源照射监测海域，多部接收声呐接收回波。发射基地与接收基地可选择岸基、舰载、声呐、航空吊放等不同声呐载体，通过多站址的信息融合和声场环境匹配技术实现对水下目标的精确跟踪定位。与单基地声呐相比，多基地声呐具有更好的探测性能、配置灵活性和水下对抗生存能力。

美国海军在航空反潜中逐步开始采用反潜多基地主动相干（MAC）方法，由AN/SSQ-125浮标发出大功率相干声呐脉冲，而AN/SSQ-101浮标则接收脉冲回波并将信息发送给飞机进行定位处理。2018年10月，法国泰利斯公司推出SonoFlash高性能声呐浮标，成功将主被动功能相结合，可由飞机、水面舰、无人系统平台部署，可与Flash吊放声呐、Captas系列拖曳可变深声呐互操作，执行多基地反潜任务。2019年11月，意大利Leonardo公司的超轻型声波增强（ULISSES）声呐系统完成了现场试验。该系统与吊放声呐子系统兼容，可安装在直升机上，通过处理多达64个声呐浮标和吊放声呐的信号，可实现快速从其他平台部署的多基地能力，具备在浅海和深海水域搜索、探测、定位和分类目标的功能。英国也在发展多基地主动作业的声呐浮标，并已在英国皇家空军“猎迷”MR.2海洋巡逻机上作了演示。

4. 分布式网络化是实现水下综合感知的有效手段

美国等军事发达国家十分重视发展分布式网络化警戒探测技术，通过多个不同位置传感器的组网，形成分布式网络化水下警戒探测系统，有效增强水下战场信息的控制能力。分布式探潜通过数量优势来弥补单个装备的性能不足，通过将紧凑的、模块化声呐系统部署到各种飞机、有人/无人船只，可获得多基地探测性能，显著提升反潜作战效能。在分布式反潜作战应用背景下，适应小平台的紧凑型模块化声呐系统将呈现出强劲的发展势头。

图2 跨域分布式探测、识别、定位、打击、评估体系

2017年，美军主导发布的《未来舰队平台体系结构备选方案研究》指出美军需实施“分布式舰队”体系结构以提供强大、持续的前沿存在。DADS是美海军发起的探测性研究计划，目标是开发水下通信网络来检测和跟踪潜艇，并验证建立协作检测和数据融合系统的可行性。该系统由14个固定节点组成，包括2个DADS传感器节点、2个浮标网关节点和10个遥控声呐中继节点，装备Sublink设备的潜艇作为移动节点参加试验。此外，DARPA投资研发的分布式敏捷反潜系统（DASH）也是典型的分布式声呐反潜系统。系统的深海部分主要利用数十个无人潜航器组网，首创自下而上探测模式，有效克服声呐自上而下探测因海底反射而产生的混响，有利于提升探测精度。

5. 实时环境自适应探测是实现系统最优效能的重要途径

传统主动声呐系统在处理目标反射回波时，未考虑声呐接收机感知的环境信息和目标特性的先验知识对发射机的影响，发射信号参数固定。因此，在传输衰减、噪声、混响、多径、时变和大多普勒等复杂水下环境中很难获得理想的探测效果。近年来，美国海军高度重视环境对装备性能的影响，强调装备要有对环境自主感知和适应的能力。

美海军在2015年版《海军科技战略》中，将实时环境自适应的分布式探测系统作为水下探测技术未来发展的重要方向，提出了环境自适应技术（EAST）的概念，其基本思想是在环境历史数据库、现场参数测量以及声学模型的基础上，通过基于声呐基阵接收噪声或混响数据的环境参数“现场/实时/一体化”获取、声呐最优化参数设置和控制、自适应信号处理等，使声呐探测性能达到最佳。目前，美国声呐装备中普遍使用了基于海洋环境信息的战术辅助决策软件，实现了探测性能预测、战术环境处理和显示、噪声监测、工作参数优化选择等功能，在当前作战环境下保持最佳探测性能，形成信息对抗优势。

6. 非声探测得到了更多的关注

目前，潜艇自噪声与海洋背景噪声越来越接近，极大地增加了声呐探测难度，非声探测技术越发得到重视。潜艇的非声特征包括磁场、光学、雷达和红外以及尾迹等。非声探测方法可大致分为探测潜艇非声物理场的直接探测和探测尾迹的间接探测。直接探测主要包括磁异探测、激光探测、合成孔径雷达探测、电场探测、重力梯度探测等，间接探测主要包括气泡、热、水动力、生物等尾迹特征探测。

目前，磁异探测设备已大量装备于反潜巡逻机。如美国的P-3COrion、俄罗斯的Tu-142等。雷达探测方面，美、英、法等国一直致力于研究合成孔径雷达探测海面尾迹技术，美国“长曲棍球”SAR侦察卫星能对最深至水下45m航行的潜艇实施侦察。目前，美国已能在近海小风速海况下找出潜航中的潜艇尾迹，正在研究任何海况下的星载SAR探潜新方法。激光探潜方面，美国“先进防御研究项目机构”具有一定的代表性，其510nm蓝绿激光雷达水下目标探测系统的最大可探测深度达到200m。

三、反潜探测装备与技术的发展方向研判

1. 无人自主系统成为声呐反潜装备能力延伸及拓展的重要途径

无人自主系统是有人系统的重要补充，能够将海军的能力延伸到传统平台无法进入的地区，执行其他平台无法完成的预警任务。未来，声呐反潜装备与无人平台的结合趋势将日趋明显，有人—无人联合作战将是未来反潜装备能力延伸及拓展的重要途径。目前，国外无人自主系统探潜技术主要涉及自主处理和决策技术、海上能源持续补给技术、多源主被动复合探测技术、对抗环境下跨域通信与定位导航技术等。

实现无人自主探潜的关键是使声呐系统具备自主感知、理解、适应环境和任务变化的能力。目前，国外反潜无人艇使用的声呐设备已从投射式声呐浮标发展到无人拖线阵和吊放声呐。而大型无人艇已采用艇壳声呐。由于承载能力的限制，无人系统仍较难装备低频声呐，所以远距离目标信息尚需依靠其他远程警戒声呐和航空声呐的配合、引导。目前的国外无人自主系统声呐信号处理输出多为声图像，故欧美海军强国尤其重视基于图像的自动检测和分类技术的发展。

2016年4月，美国海军首艘反潜战持续跟踪无人水面艇（ACTUV）“海上猎手”号服役。其艇底安装了3部声呐。较后部的是中频主被动声呐，基阵装于流线型支架下方的圆盘型导流罩内，是由雷声公司提供的第5代SQS/56声呐，称作模块化可扩展声呐系统，可提供主动和被动搜索、鱼雷探测和告警、小目标规避等能力。在中频声呐前方的艇底还安装了2部高频声呐。当ACTUV靠近目标时，它们将用来对目标精确跟踪和识别。该无人艇设计可提供无人搜索、探测、被动威胁过滤、定位和跟踪能力。所有搜集到的数据由AI系统实施分析以判断目标意图。

2. 商用成熟技术和开放式构架是反潜能力持续提升的保障

目前，欧美海军强国越来越多地将成熟的、满足军用要求的现成商用技术，即COTS技术用于声呐系统。在不影响主要作战性能和可靠性的前提下，应用COTS技术和组件，采用开放式标准有以下明显优势：①声呐系统的更新在很大程度上是随着计算机系统的升级而实现的，基于COTS技术，软件和硬件均可实现定期快速升级，计算能力与商用计算机能力保持同步增长。②通用化程度高，兼容性好，通过开放式的技术标准和构架，可显著减少专用元器件、专用组件或模块以及专用软件的数量，提升装备的兼容性，便于升级扩展。③供货渠道畅通，设备成本低。由于直接在商业货架产品中采购，有畅通的购货渠道和良好的技术支持。同时，采用通用成熟技术可缩短研制周期，降低设备成本。

美国基于COTS技术和开放式结构体系，提出了“商用声学技术快速嵌入”（A-RCI）计划，持续推进潜艇声呐系统改造。在硬件领域，美军声呐信号处理机通过A-RCI计划已完成五代更新，信号处理能力已提高近200倍，而经费开支只相当于原来的1/10。在软件领域，美军声呐采用多功能处理机中间件技术，将应用软件与底层硬件隔开，保证了COTS硬件的即插即用和软件的可移植性。通过将COTS技术引入到信号处理算法与声呐功能改造，声呐信号处理算法开发、更新周期缩短了2/3，更新成本也显著降低[9]。此外，英国也提出了声呐COTS技术快速插入计划，即DeRSCI计划，将开放式的结构标准引入声呐信号处理领域，目的是通过在现有系统中集成COTS技术，并支持中小企业的构件嵌入系统，减少采购成本和全寿命周期成本。而法国泰利斯公司在研发S-Cube声呐系统的过程中也采用了最新的COTS硬件并引入开放系统架构。

3. 基于体系作战是发挥反潜探测效能的根本途径

受水声传播特性和目标物理特征的限制，任何单个反潜探测手段对潜艇的探测距离与潜艇在大洋中的活动范围相比都是微不足道的，只有充分利用水下预警体系的力量，才能真正实现对潜艇的有效感知。

近年来，美军在反潜预警行动中，不仅依靠潜艇、水面舰和飞机搜集信息，还利用各种水上和空中传感器，提供完整的战场空间态势图。美国海军在原有反潜探测系统的基础上，将舰载拖线阵声呐和艇载拖线阵声呐纳入综合水下监视系统，并将水下综合监视系统与作战指挥和通信系统联通，使用统一的情报交换网络共享水下情报。最终目标是形成基于“全球监视与打击网络”的作战能力体系。利用美国在无人作战、远程空中作战、隐形空中作战、水下战等领域的领先地位，将地理上分散的多种平台结合起来，构建一个全球监视和打击（GSS）网络，破击对手的反进入网络和区域拒止网络，为美军的力量投送消除障碍。

4. 新技术变革是未来反潜探测技术创新的重要源泉

当前世界正处在科技革命和产业革命的交汇点上，以物联网、云计算、大数据等为核心的信息技术强势崛起，生物科技、量子技术、人工智能等新兴领域方兴未艾，美国等西方发达国家纷纷顺应科技变革新形势，加快推进技术转型。未来，水下探测技术将更多地与深度学习、数字孪生、声学超材料、仿生探测等前沿科学发生深度融合。

为了全面提升基于信息系统的体系作战能力，美军制订了一系列与军事应用相关的大数据研发战略，启动了多尺度异常检测等多个大数据项目，开展了基于战场海量数据集的异常检测和特征提取研究。通过对各种战场感知平台获取的海量战场数据进行自动分析、挖掘和筛选，提高对水下目标的检测能力。美海军数字孪生计划正尝试创建声呐组件、设备乃至系统的数字副本，以便在不影响舰船正常工作的情况下，同步开展数字孪生测试，提前发现潜在问题，改进声呐系统性能。DARPA提出“持续性水生生物传感器（PALS）”计划，旨在对生物信号进行特征提取、解释，以建立持续久、覆盖广的传感网络，增强对海上目标活动的监测能力。其“合成生物学在军事环境中的应用研究”项目的一部分便是利用基因工程改造普通海洋微生物，构建探测网络来探测敌方潜艇、潜航器甚至潜水员发送的信号。

四、结语

我国反潜探测装备历经数十年发展不论在理论上还是工程应用上都取得了长足进步，但与国际一流水平相比还有一定差距。由于反潜探测装备在我海军由近海防御向远海防卫转变过程中发挥着不可或缺的作用，所以加快技术创新、赶超先进水平显得更为迫切。近期出台的《十四五规划和2035远景目标纲要》提出：打造高水平战略威慑和联合作战体系，聚力国防科技自主创新、原始创新，加速战略性前沿性颠覆性技术发展，加速武器装备升级换代和智能化武器装备发展。相信在国家对人才与资金的大力支持的基础上，通过广大科技人员砥砺奋进，能够实现反潜探测技术的跨越式发展。

来源：《舰船科学技术》（2021年增刊1）

转自：溪流之海洋人生