美國在水下探測領域的創新思路及技術發展方向

美軍對未來戰爭的判斷中認為水下戰爭正變得越來越重要。隨著其他國家反空間能力的發展，以及美國衛星遭受著來自不時出現的空間碎片、越來越多的動能和非動能武器的威脅,美國把太空當做避難所的時代已經結束。非空間支援對於加強美國的彈性恢復能力,轉移敵人對空間的注意力十分重要。由於水下環境能提供一個相對的避難所,軍隊可以在敵人的反介入區域保護自己，因此為軍隊從海底到空中到陸地提供跨域防護能力將越來越重要。

由於水介質及海洋環境的複雜性，水下探測距離、精度、可靠性會受到極大影響，客觀上使得水下難以實現「透明化」，這也給水下戰帶來很多的偶然因素，即使裝備精良的美國海軍也不能完全掌控水下作戰空間。近年來，世界範圍內潛艇數量不斷增加，先進的安靜型潛艇廣泛應用主被動降噪技術，低速航行時的輻射雜訊接近甚至低于海洋環境雜訊水平；無人潛航器等新興水下平台數量多、體積小、航速低、雜訊小，未來將大量裝備，在廣闊海洋中執行各種作戰任務，這些均被美海軍視為巨大的威脅。因此，在水下戰中，探測是至關重要的環節，一旦探測到敵方潛艇和無人潛航器，它將很難逃脫，短時間內將被消滅。為此，本世紀以來美海軍以創新的思路，力求革新水下探測技術，創生水下探測新能力。

無人系統組網探測技術將提升大範圍持久監視偵察能力

無人系統具有機動靈活、成本低廉、無傷亡、適合大規模生產、可在各種環境甚至高危海域執行任務等優點，可攜帶多種類型的感測器或武器，執行探測、打擊任務。美海軍也充分發揮無人系統平台的這些優勢進行水下探測，美國國防先期研究計劃局戰術技術辦公室於2010年啟動了「長航時反潛無人艇」（ACTUV），科學應用國際公司獲得了該項目的合同。

2015年1月，ACTUV自主系統樣艇「海上獵鯊」（Sea Hunter）完成了首次自導航行。「海上獵鯊」無人艇配備多種感測器，中頻聲納可用於水下目標定位，高頻聲納可對潛艇目標形成合成「圖像」，「海上獵鯊」上配備的計算機可通過比對內存庫中的圖像及聲學特性進行潛艇分類和識別；「海上獵鯊」還可通過衛星通信或數據鏈與其他反潛平台進行信息共享和交互，一旦發現目標或收到其他反潛設備提供的目標信息，便快速駛向目標位置。通用動力公司機器人系統分部設計的「天龍星」（Draco）無人水面艇可配備魚雷、吊放聲納和拖曳陣聲納等反潛載荷，可通過衛星或無人機實現控制。2012年美國還展示了「食人魚」無人水面艇，該艦具備攻擊潛艇和水面艦艇能力。在2016年「無人戰士」演習期間，4艘「攜帶感測器的自主無人水面艇」（SHARC）成功探測到常規潛艇和UUV，演示了無人水面艇持久、高效的探測能力。美國也設計數十個無人機搭載磁探儀等非聲感測器自上而下探、數十個無人潛航器攜帶主動聲納自下而上探潛的技術方案，目前研發和試驗工作已經接近尾聲。

多基地聲納探測技術大幅提高主動聲納探潛的隱蔽性

在反潛探測過程中，早期主要是應用被動聲納探測技術，但隨著潛艇變得越來越安靜，被動聲納探測距離大幅縮短，探測效能不足以滿足作戰需求。於是主動聲納探測技術逐漸被重視並取得突破性進展，但主動聲納使用過程中容易暴露潛艇自身的位置，對潛艇自身安全造成極大威脅，也限制了其應用，因此由單基地聲納探測逐漸向多基地、多感測器的綜合聲納系統發展。多基地主動聲納探測技術即將主動聲納發射機和接收機分別搭載於不同的作戰平台，發射機發射聲波監測海域，接收機以被動監聽的模式實施目標探測，可有效解決上述問題。

2016年，美國國防先期研究計劃局發布「移動舷外指揮、控制、途徑」（Mobile Offboard Command and Control and Approach，MOCCA）項目公告，項目研發的雙基地探測聲納，由無人潛航器攜帶主動聲源發射聲波，用潛艇監測聲波信號。這種方式充分利用潛航器的機動性和主動聲納的優勢，同時確保潛艇的隱蔽性。

MOCCA計劃的總資金高達1200萬美元，主要解決兩個技術挑戰：

主動聲納系統的開發，包括適用於UUV操作和雙靜態主動聲納處理的小尺寸有源聲納投影機

設計和實施安全可靠的通信鏈路，以提供與其主機潛艇相距很遠的UUV的正面控制

該方案的第一階段有兩個方案的技術領域：

TA1：主動聲納系統（Active Sonar Systems）：目標是「開發緊湊高效的聲發射機和新型聲納接收機處理，以最大限度地發射聲納檢測範圍，混響和雜波抑制以及目標識別和跟蹤」

TA2：隱蔽通信（Clandestine Communications）：目標是「開發創新的通信鏈路，為與其主機潛艇相距遙遠的船上UUV提供安全可靠的控制。」

新型固定式水下網路探測技術加強交通要道監控能力

固定式水下網路可以部署在交通要道、熱點作戰區域，長期監視敵方往來的潛艇，平時收集潛艇特徵信號和行動規律，戰時可作為遠程預警探測防線，能有效提升水下戰場的掌控能力。

美國從1954年開始分階段在大西洋建立了挪威海、格陵蘭至英國、美國東海岸等三道固定式水下監視系統（SOSUS，Sound Surveillance Underwater System）。SOSUS系統採用壓電式水聽器陣列，主要布放於大洋深海，通過海底電纜將信號傳輸至岸上進行處理和信息分發。為了彌補固定式水下警戒系統的不足，美國海軍又研製了由海洋監視船拖曳的拖線陣監視系統（SURTASS），擴大對遠海水域潛艇活動的監測範圍，並作為固定式水下警戒系統失效時的緊急備用系統，逐漸形成綜合水下監視系統（IUSS，Integrated Undersea Surveillance System），基本可實現對前蘇聯海軍潛艇活動的全天候監控。至90年代，美國在全球範圍共建立了66個站點，在探測蘇聯潛艇方面發揮了巨大作用。

冷戰結束後，一方面蘇聯解體，SOSUS失去探測對象，另一方面核潛艇雜訊水平大幅降低，SOSUS對潛預警探測距離減小，監測功能弱化。因此，美國於上世紀80年代開始關停了部分SOSUS站點（繼續運行的SOSUS主要用於支持民用科學研究，如跟蹤鯨魚、檢測海底火山活動等），開始研製固定分布式系統（FDS）來替代日漸老化和落後的SOSUS系統，該系統採用了光纖傳輸技術、區域網技術和先進的信號及信息技術，可布放於深海、海峽、淺水瀕海地區和其他重要海域，提供威脅目標的位置信息和精確的海上圖像，提高了對低雜訊潛艇的探測能力。且本世紀初，美海軍改造了SOSUS系統，使其能夠探測艦艇的低頻聲波，探測能力和覆蓋範圍均有大幅提高，但具體的技術細節處於保密狀態。2016年6月，美國《國家利益》披露印度將與美日合作，在印度洋建造SOSUS。此外，美國正在研發能在淺水區域（水深不超過183米）及時、精確的探測、分類、定位安靜型潛艇，並向指揮中心發送監視報告的淺水監視系統，預計2018完成研發工作，未來將大幅改善淺水環境的探測能力。

「有人+無人」系統協同探測

以潛艇等有人平台為母艇，布放後前出執行情報監視偵察和打擊任務，美海軍將其視為延伸有人平台「手眼」、擴大其控制範圍、保護其安全的有效手段。同時可充分利用潛艇續航力高、能源充足、通信能力強等大平台優勢，將其作為無人系統搭載和布放、充電，通信、指控平台。這種協同作戰模式不僅可以將有人平台和無人系統的優勢發揮到極致，還能彌補彼此的不足，大幅提升探測能力。如近海持久水下監視網路（persistent littoral undersea surveillance network，PLUSNet）、LDUUV（large displacement unmanned underwater vehicle）等為有人平台和無人系統協同的典範。PLUSNet包括固定式水聽器陣、「藍鰭-21」、「海馬」、「水下滑翔者」等無人潛航器，由核潛艇搭載和布放，能對1萬平方公里水域內的常規潛艇進行數月乃至數年的探測、識別、定位、跟蹤。2005年，ONR開始樣機研製，2012年完成樣機開發，2013年完成樣機海試。在2016年8月的「海軍技術演習」中，潛艇發射了一個「藍鰭-21」無人潛航器，「藍鰭-21」再釋放兩個微型「沙鯊」無人潛航器和一架「黑翼」無人機，執行情報監視偵察任務。演習中，由「黑翼」充當潛艇、「沙鯊」間的通信中繼，實現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

美國水下探測技術主要發展方向

2014年，美國國防部發起「第三次抵消」戰略，2016年開始，在美國國會預算審查過程中，國防部逐步披露「第三次抵消」戰略的相關信息，重點發展顛覆性技術，抵消中、俄兩國的軍事進步。「第三次抵消戰略」採用了獨特的顛覆性技術研發方式，涉及水下戰、精確制導、人機編組等多個領域。水下戰領域由於環境的複雜性、不透明性，一直是美軍關注的重點，而水下探測裝備技術作為水下戰中的「千里眼」、「順風耳」，一直是美海軍重點發展的能力之一。鑒於此，美海軍在水下探測技術領域投入了大量人力、物力，并力求以創新的思維突破原有水下探測技術的壁壘，創生新型、有效、可靠的水下探測能力。

美軍在水下探測領域的創新思路主要包括：

舊原理的創新性應用

水下探測技術發展方向之一是以現有的技術原理為基礎，通過創新聲納應用體制，發展新的顛覆性作戰能力。如雙基地聲納探測技術原理在上世紀50年代就已出現，自上世紀90年代開始，美、英、法、韓、澳大利亞等國開展的大量的研究工作，用於浮標與航空吊放聲納、水面艦聲納之間形成雙基地探測。美海軍創新了雙基地聲納的應用領域，欲在潛艇和UUV之間形成雙基地主動聲納探測系統，不僅增強了安靜型目標的探測能力，而且降低了潛艇暴露自身的風險。

利用快速發展的無人系統平台搭載各種感測器形成新的水下探測能力。

近年來，無人系統因數量眾多、種類多樣、機動靈活、使用環境廣泛、低成本等特點，可執行情報監視偵察等任務，在水下戰領域嶄露頭角。水下探測技術的另一發展方向就是研究適合各種類型無人系統搭載的緊湊型感測器、硬體電路和軟體演算法。為了解決無人系統平台續航力低，航速慢，無法快速抵達戰場執行作戰任務等問題，美海軍研發了潛艇、水面艦、飛機等多種搭載和布放方式，還發展了深、淺海預置裝備，提前在前沿戰場和熱點區域布放攜帶有效探測載荷的無人系統，並且取得了豐碩成果，加速了新的水下探測能力的形成。

將感測器形成適用於各種環境條件的分布式水下網路。

除了利用陸、海、空、天的大小平台搭載感測器形成探測能力之外，利用水聽器、浮標等感測器形成分布式水下網路也是未來水下探測技術重點發展的方向之一。尤其是移動式水下網路，可由飛機、水面艦、潛艇搭載和布放，隨海軍作戰，快速部署形成探測能力，搜索敵方潛艇、保護己方高價值目標。例如美國研發的用於水下通信的廣域海網、用於深海數據採集和通信的深海主動探測系統等。

水下非聲探測技術將成為水下聲學探測技術的有力補充。

潛艇、無人潛航器等水下平台針對聲信號、電磁信號採取了許多隱身措施。只利用聲學感測器進行探測將降低目標捕獲概率。隨著計算機技術、大數據技術的飛躍發展，可以運算檢測安靜型潛艇造成微小環境變化的模型，非聲探測技術（包括尾流、排放物、光、電場等探測技術）也將成為水下探測技術的重要發展方向之一。在探潛方面將和聲學探測手段相輔相成，通過多種信號檢測提高探測的有效性、可靠性。同時，美海軍也在嘗試非聲感測器和無人系統平台的結合，形成能廣域覆蓋的探測網路，如分布式敏捷反潛系統的淺海子系統，是由數十個無人機搭載非聲感測器進行組網探潛工作。

來源：高端裝備發展研究中心

藍海長青智庫

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