美国在水下探测领域的创新思路及技术发展方向

美军对未来战争的判断中认为水下战争正变得越来越重要。随着其他国家反空间能力的发展，以及美国卫星遭受着来自不时出现的空间碎片、越来越多的动能和非动能武器的威胁,美国把太空当做避难所的时代已经结束。非空间支援对于加强美国的弹性恢复能力,转移敌人对空间的注意力十分重要。由于水下环境能提供一个相对的避难所,军队可以在敌人的反介入区域保护自己，因此为军队从海底到空中到陆地提供跨域防护能力将越来越重要。

由于水介质及海洋环境的复杂性，水下探测距离、精度、可靠性会受到极大影响，客观上使得水下难以实现“透明化”，这也给水下战带来很多的偶然因素，即使装备精良的美国海军也不能完全掌控水下作战空间。近年来，世界范围内潜艇数量不断增加，先进的安静型潜艇广泛应用主被动降噪技术，低速航行时的辐射噪声接近甚至低于海洋环境噪声水平；无人潜航器等新兴水下平台数量多、体积小、航速低、噪声小，未来将大量装备，在广阔海洋中执行各种作战任务，这些均被美海军视为巨大的威胁。因此，在水下战中，探测是至关重要的环节，一旦探测到敌方潜艇和无人潜航器，它将很难逃脱，短时间内将被消灭。为此，本世纪以来美海军以创新的思路，力求革新水下探测技术，创生水下探测新能力。

无人系统组网探测技术将提升大范围持久监视侦察能力

无人系统具有机动灵活、成本低廉、无伤亡、适合大规模生产、可在各种环境甚至高危海域执行任务等优点，可携带多种类型的传感器或武器，执行探测、打击任务。美海军也充分发挥无人系统平台的这些优势进行水下探测，美国国防先期研究计划局战术技术办公室于2010年启动了“长航时反潜无人艇”（ACTUV），科学应用国际公司获得了该项目的合同。

2015年1月，ACTUV自主系统样艇“海上猎鲨”（Sea Hunter）完成了首次自导航行。“海上猎鲨”无人艇配备多种传感器，中频声纳可用于水下目标定位，高频声纳可对潜艇目标形成合成“图像”，“海上猎鲨”上配备的计算机可通过比对内存库中的图像及声学特性进行潜艇分类和识别；“海上猎鲨”还可通过卫星通信或数据链与其他反潜平台进行信息共享和交互，一旦发现目标或收到其他反潜设备提供的目标信息，便快速驶向目标位置。通用动力公司机器人系统分部设计的“天龙星”（Draco）无人水面艇可配备鱼雷、吊放声纳和拖曳阵声纳等反潜载荷，可通过卫星或无人机实现控制。2012年美国还展示了“食人鱼”无人水面艇，该舰具备攻击潜艇和水面舰艇能力。在2016年“无人战士”演习期间，4艘“携带传感器的自主无人水面艇”（SHARC）成功探测到常规潜艇和UUV，演示了无人水面艇持久、高效的探测能力。美国也设计数十个无人机搭载磁探仪等非声传感器自上而下探、数十个无人潜航器携带主动声纳自下而上探潜的技术方案，目前研发和试验工作已经接近尾声。

多基地声纳探测技术大幅提高主动声纳探潜的隐蔽性

在反潜探测过程中，早期主要是应用被动声纳探测技术，但随着潜艇变得越来越安静，被动声纳探测距离大幅缩短，探测效能不足以满足作战需求。于是主动声纳探测技术逐渐被重视并取得突破性进展，但主动声纳使用过程中容易暴露潜艇自身的位置，对潜艇自身安全造成极大威胁，也限制了其应用，因此由单基地声纳探测逐渐向多基地、多传感器的综合声纳系统发展。多基地主动声纳探测技术即将主动声纳发射机和接收机分别搭载于不同的作战平台，发射机发射声波监测海域，接收机以被动监听的模式实施目标探测，可有效解决上述问题。

2016年，美国国防先期研究计划局发布“移动舷外指挥、控制、途径”（Mobile Offboard Command and Control and Approach，MOCCA）项目公告，项目研发的双基地探测声纳，由无人潜航器携带主动声源发射声波，用潜艇监测声波信号。这种方式充分利用潜航器的机动性和主动声纳的优势，同时确保潜艇的隐蔽性。

MOCCA计划的总资金高达1200万美元，主要解决两个技术挑战：

主动声纳系统的开发，包括适用于UUV操作和双静态主动声纳处理的小尺寸有源声纳投影机

设计和实施安全可靠的通信链路，以提供与其主机潜艇相距很远的UUV的正面控制

该方案的第一阶段有两个方案的技术领域：

TA1：主动声纳系统（Active Sonar Systems）：目标是“开发紧凑高效的声发射机和新型声纳接收机处理，以最大限度地发射声纳检测范围，混响和杂波抑制以及目标识别和跟踪”

TA2：隐蔽通信（Clandestine Communications）：目标是“开发创新的通信链路，为与其主机潜艇相距遥远的船上UUV提供安全可靠的控制。”

新型固定式水下网络探测技术加强交通要道监控能力

固定式水下网络可以部署在交通要道、热点作战区域，长期监视敌方往来的潜艇，平时收集潜艇特征信号和行动规律，战时可作为远程预警探测防线，能有效提升水下战场的掌控能力。

美国从1954年开始分阶段在大西洋建立了挪威海、格陵兰至英国、美国东海岸等三道固定式水下监视系统（SOSUS，Sound Surveillance Underwater System）。SOSUS系统采用压电式水听器阵列，主要布放于大洋深海，通过海底电缆将信号传输至岸上进行处理和信息分发。为了弥补固定式水下警戒系统的不足，美国海军又研制了由海洋监视船拖曳的拖线阵监视系统（SURTASS），扩大对远海水域潜艇活动的监测范围，并作为固定式水下警戒系统失效时的紧急备用系统，逐渐形成综合水下监视系统（IUSS，Integrated Undersea Surveillance System），基本可实现对前苏联海军潜艇活动的全天候监控。至90年代，美国在全球范围共建立了66个站点，在探测苏联潜艇方面发挥了巨大作用。

冷战结束后，一方面苏联解体，SOSUS失去探测对象，另一方面核潜艇噪声水平大幅降低，SOSUS对潜预警探测距离减小，监测功能弱化。因此，美国于上世纪80年代开始关停了部分SOSUS站点（继续运行的SOSUS主要用于支持民用科学研究，如跟踪鲸鱼、检测海底火山活动等），开始研制固定分布式系统（FDS）来替代日渐老化和落后的SOSUS系统，该系统采用了光纤传输技术、局域网技术和先进的信号及信息技术，可布放于深海、海峡、浅水濒海地区和其他重要海域，提供威胁目标的位置信息和精确的海上图像，提高了对低噪声潜艇的探测能力。且本世纪初，美海军改造了SOSUS系统，使其能够探测舰艇的低频声波，探测能力和覆盖范围均有大幅提高，但具体的技术细节处于保密状态。2016年6月，美国《国家利益》披露印度将与美日合作，在印度洋建造SOSUS。此外，美国正在研发能在浅水区域（水深不超过183米）及时、精确的探测、分类、定位安静型潜艇，并向指挥中心发送监视报告的浅水监视系统，预计2018完成研发工作，未来将大幅改善浅水环境的探测能力。

“有人+无人”系统协同探测

以潜艇等有人平台为母艇，布放后前出执行情报监视侦察和打击任务，美海军将其视为延伸有人平台“手眼”、扩大其控制范围、保护其安全的有效手段。同时可充分利用潜艇续航力高、能源充足、通信能力强等大平台优势，将其作为无人系统搭载和布放、充电，通信、指控平台。这种协同作战模式不仅可以将有人平台和无人系统的优势发挥到极致，还能弥补彼此的不足，大幅提升探测能力。如近海持久水下监视网络（persistent littoral undersea surveillance network，PLUSNet）、LDUUV（large displacement unmanned underwater vehicle）等为有人平台和无人系统协同的典范。PLUSNet包括固定式水听器阵、“蓝鳍-21”、“海马”、“水下滑翔者”等无人潜航器，由核潜艇搭载和布放，能对1万平方公里水域内的常规潜艇进行数月乃至数年的探测、识别、定位、跟踪。2005年，ONR开始样机研制，2012年完成样机开发，2013年完成样机海试。在2016年8月的“海军技术演习”中，潜艇发射了一个“蓝鳍-21”无人潜航器，“蓝鳍-21”再释放两个微型“沙鲨”无人潜航器和一架“黑翼”无人机，执行情报监视侦察任务。演习中，由“黑翼”充当潜艇、“沙鲨”间的通信中继，实现了水下和水面的跨域通信和指控。

Concept overview for the Persistent Littoral Surveillance Network (PLUSNet). PLUSNet envisions a network of static and mobile sensors that can be deployed for a long duration over a wide area, providing persistent detection, classification, localization and tracking capabilities.

Bluefin AUV

XRAY Glider

Seaglider

SCOUT ASC

美国水下探测技术主要发展方向

2014年，美国国防部发起“第三次抵消”战略，2016年开始，在美国国会预算审查过程中，国防部逐步披露“第三次抵消”战略的相关信息，重点发展颠覆性技术，抵消中、俄两国的军事进步。“第三次抵消战略”采用了独特的颠覆性技术研发方式，涉及水下战、精确制导、人机编组等多个领域。水下战领域由于环境的复杂性、不透明性，一直是美军关注的重点，而水下探测装备技术作为水下战中的“千里眼”、“顺风耳”，一直是美海军重点发展的能力之一。鉴于此，美海军在水下探测技术领域投入了大量人力、物力，并力求以创新的思维突破原有水下探测技术的壁垒，创生新型、有效、可靠的水下探测能力。

美军在水下探测领域的创新思路主要包括：

旧原理的创新性应用

水下探测技术发展方向之一是以现有的技术原理为基础，通过创新声纳应用体制，发展新的颠覆性作战能力。如双基地声纳探测技术原理在上世纪50年代就已出现，自上世纪90年代开始，美、英、法、韩、澳大利亚等国开展的大量的研究工作，用于浮标与航空吊放声纳、水面舰声纳之间形成双基地探测。美海军创新了双基地声纳的应用领域，欲在潜艇和UUV之间形成双基地主动声纳探测系统，不仅增强了安静型目标的探测能力，而且降低了潜艇暴露自身的风险。

利用快速发展的无人系统平台搭载各种传感器形成新的水下探测能力。

近年来，无人系统因数量众多、种类多样、机动灵活、使用环境广泛、低成本等特点，可执行情报监视侦察等任务，在水下战领域崭露头角。水下探测技术的另一发展方向就是研究适合各种类型无人系统搭载的紧凑型传感器、硬件电路和软件算法。为了解决无人系统平台续航力低，航速慢，无法快速抵达战场执行作战任务等问题，美海军研发了潜艇、水面舰、飞机等多种搭载和布放方式，还发展了深、浅海预置装备，提前在前沿战场和热点区域布放携带有效探测载荷的无人系统，并且取得了丰硕成果，加速了新的水下探测能力的形成。

将传感器形成适用于各种环境条件的分布式水下网络。

除了利用陆、海、空、天的大小平台搭载传感器形成探测能力之外，利用水听器、浮标等传感器形成分布式水下网络也是未来水下探测技术重点发展的方向之一。尤其是移动式水下网络，可由飞机、水面舰、潜艇搭载和布放，随海军作战，快速部署形成探测能力，搜索敌方潜艇、保护己方高价值目标。例如美国研发的用于水下通信的广域海网、用于深海数据采集和通信的深海主动探测系统等。

水下非声探测技术将成为水下声学探测技术的有力补充。

潜艇、无人潜航器等水下平台针对声信号、电磁信号采取了许多隐身措施。只利用声学传感器进行探测将降低目标捕获概率。随着计算机技术、大数据技术的飞跃发展，可以运算检测安静型潜艇造成微小环境变化的模型，非声探测技术（包括尾流、排放物、光、电场等探测技术）也将成为水下探测技术的重要发展方向之一。在探潜方面将和声学探测手段相辅相成，通过多种信号检测提高探测的有效性、可靠性。同时，美海军也在尝试非声传感器和无人系统平台的结合，形成能广域覆盖的探测网络，如分布式敏捷反潜系统的浅海子系统，是由数十个无人机搭载非声传感器进行组网探潜工作。

来源：高端装备发展研究中心

蓝海长青智库