機(jī)載激光探測(cè)水中目標(biāo)湖上試驗(yàn)方法探討

楊鎮(zhèn)源 馬徐琨 李正剛

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七五〇試驗(yàn)場(chǎng)，昆明，650051）

1 機(jī)載激光水下探測(cè)器技術(shù)特性

由于海水存在類似于大氣紅外窗口的“藍(lán)綠窗口”（其波長(zhǎng)450～550 nm），因此藍(lán)綠激光具有較高的海水透過率[1]。機(jī)載激光水下探測(cè)就是從巡航（或懸停）飛機(jī)上向水面發(fā)射藍(lán)綠激光脈沖，穿透一定深度的水體后被水下目標(biāo)反射，然后接收其回波信號(hào)，根據(jù)激光脈沖往返傳播的時(shí)間確定水下目標(biāo)的深度位置，并根據(jù)特定目標(biāo)表面對(duì)激光能量的吸收強(qiáng)于它周圍的海水所產(chǎn)生的“黑洞”現(xiàn)象，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤。影響機(jī)載激光水下探測(cè)的主要因素是水面的平整度、水的混濁度、目標(biāo)的反射率、探測(cè)器的靈敏度，以及對(duì)信號(hào)的識(shí)別與處理技術(shù)水平等。目前，機(jī)載藍(lán)綠激光探測(cè)的水下深度一般為50～100 m（有報(bào)道稱美國(guó)NASA探測(cè)設(shè)備可達(dá)到1.5 km，俄羅斯激光探測(cè)穿過130 m深的海水和淤泥[2]），比較適合于近淺海或淺水目標(biāo)探測(cè)使用，加之其水下探測(cè)抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，已成為水下聲/光探測(cè)互為補(bǔ)充的重要手段。

由于飛行平臺(tái)的機(jī)動(dòng)特性，機(jī)載激光水下探測(cè)器具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)范圍廣、探測(cè)速度快（每小時(shí)能探測(cè)幾百平方千米）、小角度高密度掃描與反復(fù)搜索（對(duì)可疑目標(biāo)的高分辨率可達(dá)到厘米級(jí)）、抗干擾性強(qiáng)（水聲干擾不受影響）等特點(diǎn)，特別適用于近淺海水域測(cè)深、水文探測(cè)、測(cè)繪水底地貌、近淺海水下靜/動(dòng)目標(biāo)探測(cè)等。

上世紀(jì)六十年代中后期，美國(guó)、澳大利亞、加拿大、瑞典、前蘇聯(lián)等國(guó)率先研究機(jī)載激光水下探測(cè)技術(shù)，幾十年來得到了比較迅速的發(fā)展。如美國(guó)的RAMICS快速飛機(jī)排雷系統(tǒng)、美國(guó)的TAD-111機(jī)載多重任務(wù)激光器系統(tǒng)、澳大利亞的 LADS機(jī)載激光深度探測(cè)器、加拿大與瑞典共同研制的“鷹眼”機(jī)載海光測(cè)海系統(tǒng)。近幾年，這方面的技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。

我國(guó)在上世紀(jì)八十年代末九十年代初開始跟蹤研究機(jī)載激光水下探測(cè)技術(shù)，多個(gè)大專院校和研究所在藍(lán)綠激光探測(cè)方面已突破一些關(guān)鍵技術(shù)通過實(shí)驗(yàn)室機(jī)理性研究驗(yàn)證。近幾年已有試驗(yàn)演示樣機(jī)在進(jìn)行外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，這其中，在環(huán)境條件良好的湖上進(jìn)行空中激光探測(cè)水下試驗(yàn)尤其必要，它是機(jī)載激光最終在海上探測(cè)水下目標(biāo)試驗(yàn)的過渡環(huán)節(jié)，可預(yù)先解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題或驗(yàn)證改進(jìn)樣機(jī)性能，減小海上試驗(yàn)驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)并提高試驗(yàn)成功率。

2 湖上試驗(yàn)技術(shù)方法探討

2.1 試驗(yàn)環(huán)境與條件

我國(guó)一些深水內(nèi)陸湖泊水庫，如撫仙湖、千島湖、丹江口水庫等，由于湖水清澈、通透率高、水文條件良好，很適合機(jī)載激光器試驗(yàn)。

以大深度的撫仙湖為例，其為高山斷陷湖，面積約212 km2，四面環(huán)山，呈南北狹長(zhǎng)葫蘆形，長(zhǎng)約31.5 km。北半部較寬闊，最寬處約11.5 km；平均深度104 m（占全湖面積的45.5%），最深處達(dá)155 m，南半部較窄較淺，平均寬約5 km，平均深度達(dá)64 m，湖中部最窄處約4 km，形成北深南淺的湖底緩變地形，具有典型的盆形湖底結(jié)構(gòu)特征及深水湖特征。湖水透明度高（在4.9～12.5 m之間、水色 5～8號(hào)），半年時(shí)間為低湖況/低風(fēng)況，湖面幾乎水平如鏡、平整度高（粗糙度僅 0.02～0.32 cm），湖區(qū)晴日多（年均達(dá)104天）、霧日罕見（全年均0.4天），有相當(dāng)強(qiáng)的光照條件[3]。以上環(huán)境特點(diǎn)滿足各種不同水深試驗(yàn)的水域要求，特別適應(yīng)機(jī)載激光器大范圍水下目標(biāo)探測(cè)、淺水環(huán)境測(cè)量等試驗(yàn)需要。

湖上試驗(yàn)場(chǎng)的高架船及裝置（高>30 m，可升降調(diào)節(jié)）、岸基沉箱平臺(tái)（平臺(tái)頂高>10 m）、以及浮吊船等升高機(jī)構(gòu)，均可模擬飛機(jī)平臺(tái)不同作業(yè)高度裝載激光器進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)。

2.2 機(jī)載激光器湖上試驗(yàn)方法研究

2.2.1 機(jī)載激光器水下環(huán)境探測(cè)試驗(yàn)方法

機(jī)載激光器探測(cè)水下環(huán)境（測(cè)深、測(cè)繪水底地形地貌等）主要在70 m以內(nèi)水深范圍，撫仙湖南半部區(qū)域特別適合（均深64 m），可進(jìn)行較大面積（5 km×15 km）的激光武器環(huán)境探測(cè)試驗(yàn)。舉例設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法如圖1所示，在高架船正對(duì)船尾天井段裝載激光探測(cè)器（船只航行時(shí)，此天井區(qū)域水面由于不受推進(jìn)器或尾流影響，不會(huì)形成水面波浪，能保證激光探測(cè)所需的水面平整度）。高架船由南向北縱向航行（航速<7 kn，航程<15 km），再結(jié)合橫向機(jī)動(dòng)（走矩形航路或走鋸齒形航路），大面積掃描探測(cè)湖底。與此同時(shí)，通過衛(wèi)星獲得定位數(shù)據(jù)，利于試后將激光器探測(cè)的數(shù)據(jù)與已有的撫仙湖深度地形電子數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)位比較，方便給出激光探測(cè)的測(cè)量精度。

圖1 激光器環(huán)境探測(cè)試驗(yàn)方法剖面示意圖

此外，在南部淺水區(qū)還可進(jìn)行湖底目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)，即將坐底目標(biāo)作為湖底環(huán)境的一部分（或稱目標(biāo)環(huán)境融合）進(jìn)行激光探測(cè)試驗(yàn)。如將靜態(tài)目標(biāo)布于相應(yīng)湖底位置，采用與上述相似的方法，高架船裝載激光探測(cè)器按一定的航路尋探，獲得探測(cè)激光圖像和位置數(shù)據(jù)，試后比對(duì)并評(píng)估激光探測(cè)準(zhǔn)確性或精度。

2.2.2 機(jī)載激光器水下靜態(tài)目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)方法

水下靜態(tài)目標(biāo)是指深潛器懸浮狀態(tài)、懸停目標(biāo)、錨目標(biāo)等在水中處于靜止的目標(biāo)，其機(jī)載激光探測(cè)試驗(yàn)，可采用單船方法在任意水域進(jìn)行。舉例設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法如圖2所示。

圖2 激光武器水下靜態(tài)目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)方法示意圖

在高架船后部天井段高臺(tái)架上安裝激光探測(cè)器，被測(cè)目標(biāo)用纜繩吊放至下方一定水深位置，定點(diǎn)探測(cè)或掃描探測(cè)目標(biāo)，獲得探測(cè)目標(biāo)激光圖像數(shù)據(jù)，試后比對(duì)。具體探測(cè)一般采取以下方法：①激光探測(cè)器與目標(biāo)間以盡可能小的入射角探測(cè)，目標(biāo)深度逐步增加直到探測(cè)到最大深度；②在背景光、水質(zhì)、目標(biāo)不變的情況下，逐步增大激光入射角，得到每個(gè)入射角的最大探測(cè)深度；③在最深可探測(cè)位置，分別對(duì)不同的掃描速度、目標(biāo)材質(zhì)、水面波動(dòng)、背景光、水質(zhì)等條件下進(jìn)行探測(cè)。

2.2.3 機(jī)載激光器水下動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)方法

水下動(dòng)態(tài)目標(biāo)是指深潛器、自航平臺(tái)、UUV、拖曳體等在水中運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，其機(jī)載激光探測(cè)試驗(yàn)可在撫仙湖全湖區(qū)進(jìn)行，但考慮到對(duì)目標(biāo)本身要進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤定位，因此，應(yīng)選擇在撫仙湖北部具有湖底跟蹤系統(tǒng)的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)更為合適。舉例設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法如圖3所示。

在高架船后部天井段裝載激光探測(cè)器。高架船在指定范圍內(nèi)（約100 km2）走矩形航路或走鋸齒形航路（大方向與水下目標(biāo)航路一致并同步，航速<7 kn），大面積掃描探測(cè)水下目標(biāo)。水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可按外形分為潛水器類、外形接近圓柱體類、扁平式UUV等異形類。目標(biāo)航深可在70 m內(nèi)變化，水平面可走直航、機(jī)動(dòng)或各種形式軌跡，常規(guī)航速或低速航行（便于激光探測(cè)器掃描探測(cè)），航程在幾千米到一二十千米范圍。試驗(yàn)時(shí)，利用船載GPS定位系統(tǒng)和水下目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，以指引完成激光探測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)激光器探測(cè)的數(shù)據(jù)與目標(biāo)航行位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估激光器動(dòng)態(tài)探測(cè)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量精度。

圖3 激光器水下動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)方法示意圖

3 結(jié)束語

本文在分析機(jī)載激光探測(cè)器技術(shù)特性基礎(chǔ)上，探討了在湖上進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)方法，以撫仙湖為例，提出了湖上探測(cè)水下目標(biāo)與環(huán)境（平臺(tái)、UUV等實(shí)體目標(biāo)及地形地貌環(huán)境目標(biāo)）的動(dòng)、靜態(tài)實(shí)航試驗(yàn)技術(shù)方法。

2012年某研究所水下激光探測(cè)器在撫仙湖上利用高架船進(jìn)行水下探測(cè)科研試驗(yàn)獲得成功，說明了在湖上試驗(yàn)的可行性與有效性。本文所提方法是在此基礎(chǔ)上的研究與擴(kuò)展，旨在為機(jī)載激光器更深層的試驗(yàn)策劃與試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)提供參考。本文對(duì)方法的研究探討只是初步的，一些方法設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，如機(jī)載激光器探測(cè)水下動(dòng)態(tài)目標(biāo)的軌跡設(shè)計(jì)特別是垂直方向軌跡如何與探測(cè)器配合還不夠具體，這有待于今后的進(jìn)一步研究。