潛艇的非聲學探測技術

方爾正 桂晨陽 王 歡/文

潛艇的隱身技術的現狀

潛艇是一個國家的戰略力量，作為水下的大型機動平臺，其行動隱蔽，攻擊能力強，可執行復雜任務，具有強大的戰斗力。攜帶強大攻擊武器潛伏在深海的潛艇，能夠讓一個艦隊“退避三舍”。因此，保證己方潛艇的安全，消滅敵方潛艇，是海上作戰的重中之重。從潛艇誕生至今，探潛和潛艇隱身技術就在不斷地發展，各國海軍都希望強己之盾，利己之矛。進入21 世紀以來，潛艇減振降噪技術進一步發展，致使潛艇的輻射噪聲進一步降低，被動聲吶探測能力被大幅削減；消聲瓦和浮閥以及新型潛艇涂層技術的產生，大幅降低主動聲吶的探測能力；近海作戰環境的復雜性也將影響聲吶性能的穩定發揮.因此，近年來歐美等國開始注重非聲探測技術的發展與應用，試圖與聲吶探測技術形成互補。聲波目前還是水中能量傳遞的唯一有效形式，這就決定了水下探測必須以聲學為主。然而跨過水—氣介質進行探測，非聲學手段就有了用武之地。

潛艇的非聲學探測方法進展

空中平臺就像天上飛翔的鷹隼，水下的魚類要與之對抗難度極大。從空氣中對水下目標進行探測，有幾個特殊的優點。其一是載體平臺具有極強的機動性。飛機的運動能力和搜索效率無疑要比水面和水下平臺高。其二，空中平臺攜帶大量精密探測設備，而水下目標通常潛水深度為幾百米，因此只要垂直探測距離在有效范圍內，其探測定位精度是很高的。正是基于這兩點，非聲學探測近年來得到了有效發展。2015 年1 月，美國戰略與預算評估中心發布《水下戰新紀元》報告，認為非聲探測技術的出現和擴散使未來水下作戰環境更為復雜，給美國水下安全帶來巨大威脅。為繼續保持水下優勢，美國正在加快研發新興技術，建設信息主導的水下戰裝備體系，新體系將整合更多的優勢資源，加入多種新型裝備，傳統裝備兵力構成和作戰模式將發生重大變化。到目前為止，可進行應用或有可能進行應用的非聲學探測手段主要包含：雷達探測、磁探測、光學探測、水面尾跡探測和其他，如電場探測、重力異常和釋放物探測等。

雷達探測。雷達對于水面目標的探測應用技術是十分成熟的，早在“二戰”時期英國軍艦便利用雷達波的散射強度變化發現千米量級上的德國潛艇。其原理是利用無線電波回波進行判別。由于海水對無線電波的衰減較大，僅能觀測水面航渡狀態和潛望狀態的潛艇，不能探測深潛的水下目標。而這一切隨著雷達技術的發展有了全新的變化。合成孔徑雷達技術原理是通過載體的勻速運動獲得一個大孔徑回波的效果而取得極高的分辨率，可分辨亞米級甚至厘米級的圖像。采用SAR 探測水下主要目標的內波。潛艇這類幾千噸的剛性體在水下運動時不可避免地在水下幾十米處產生內波。美國“長曲棍球”合成孔徑雷達成像偵察衛星能克服惡劣天氣的影響，對港內駐泊、水面狀態航行的目標和水下45 m航行的潛艇實施偵察。隨著各國對潛艇水動力學的研究，發現潛艇潛深較深和較淺時，潛艇運動都會導致海水表面產生尾跡現象，并且該現象通過合成孔徑雷達成像結果也可觀察到，由此實現了雷達對深潛潛艇的探測。

攜帶磁探設備的固定翼飛機

磁探測。地球本身是一個巨大的磁場，任何磁性物體在地球上都會被磁化。潛艇通常由高強度合金制成，進行機械加工和制造時，材料溫度和內部應力會反復變化，這些都會導致鐵磁材料內無磁滯磁化的形成，因此潛艇建成時便自帶永久磁性。即便采取消磁措施，這種磁性也不能完全被消除。潛艇的磁場特性不同于地球磁場的特性，潛艇經過時，其周圍水域的磁場特性將會改變。磁異常探測則是針對潛艇特征導致的大地磁場異常變化，和地磁原始磁場進行比對進行探測?！岸稹逼陂g，盟國就在關鍵航道處布設大量磁異常探測器用于監視德國潛艇。隨著MAD 技術水平的不斷提高，該類探測設備已經從水下配置在反潛巡邏機和反潛直升機上，具有移動速度快、探測距離遠的特點。初期設備體積較大時，主要配置在反潛固定翼飛機上，例如，美國的P-3C 型反潛機和俄羅斯的TU-142 等反潛巡邏機，均配有MAD 設備。

隨著磁探測裝備小型化后，配置在反潛直升機如美國的SH-60B，俄羅斯的Ka-28。固定翼飛機自身對磁探測有影響，因此通常設置在飛機尾部的尾椎靠外側。直升機則采用吊放方式，距離直升機本體至少30m 的距離。磁探測的靈敏度也十分驚人，尤其采用光泵磁力儀的情況下，探測靈敏度可以達到PT，理論探測深度可達500m，對潛艇直接產生嚴重的威脅。由于磁探測的有效性，世界各強國均加緊研究更有效的磁探測設備。德拜效應同樣是潛艇在水下運動時產生的一種磁場，只是此磁場不同于彼磁場，它不是由潛艇上的鐵磁材料引起的艇體磁場，而是由海水中帶電離子運動產生的磁場。雖然該磁場比較微弱，但它不會因為潛艇定期消磁或采用鈦金屬這樣的非磁材料而消失，并可用專門研發的德拜探測儀對其進行探測。從這個意義上說，潛艇運動形成的德拜磁場對潛艇是“與生俱來”的，與潛艇自身有無磁性毫無關系，并且該磁場同尾流一樣會“跟隨”潛艇很長一段時間。有報道說，該類探測系統可以探測達到近千米量級深度的水下目標。

光學探測。在紅外到紫外波段的光譜中，絕大部分光在海水中的衰減嚴重，然而藍綠波段的激光衰減遠小于其他光頻段，即存在“窗口效應”，此現象為利用光波進行水下探測與水下通信奠定了基礎。由于溫度和鹽度對光波的波速基本沒有影響，光探測具有很好的方向性，利用光波進行目標定位時，定位結果較準確。除此之外，利用光波還可進行二維強度成像和多光譜攝像，且圖像的分辨率較高，操作者可利用圖像判斷目標類型。美國“魔燈”系統和俄羅斯“紫水晶”系統是較早的激光探測應用實例，并已在掃雷等方面展現較好的探測效果。雖然光波具有很多優點，但它在海水中衰減仍很大，且對海水水質要求較高，海水中的懸浮顆粒、浮游生物等都會使光波產生嚴重的散射現象。因此，機載激光的探測深度有限，在澄清的海域，可見光的穿透深度大約為水下100 m。例如，美國“先進防御研究項目機構”開發的激光雷達系統利用波長510nm 的藍綠激光進行水下目標探測，探測結果顯示其最大可探測深度達到200m。隨著條紋管激光成像、雷達等新型技術的發展，有望降低雨、霧等天氣對激光探測的影響，提高激光探測的性能。

水面尾跡探測。艦艇的尾跡是造成艦艇暴露并破壞其隱身性能的重要物理特征。內波尾跡和熱尾跡是兩種主要的水下艦艇尾跡。水下艦艇尾跡的產生原因可以歸結于體積和溫度兩種因素。海水是密度分層流體，在海洋中航行的水下艦艇，其艇體的擾動和航行引起的尾流會破壞海水原來的密度分層，因而會在海洋中產生內波。這種不規則的內波會對海面的水波產生調制作用，從而改變海面的粗糙程度。當使用星載合成孔徑雷達對海面進行探測時，被調制的海面水波會影響電磁波的后散射，引起SAR 圖像的明顯像變，導致水下艦艇的尾跡被發現。美國的星載SAR在0.006s 的時間之內就可以生成一幅覆蓋范圍達到1000km2、分辨能力為3m 的圖像。通過多個星載SAR 的不間斷掃描，就可以實時遠距離監測全球范圍內海洋艦艇的活動。水下艦艇的下潛深度即使超過了100m，其產生的內波尾跡依然可以被探測到。水下艦艇的體積產生的水動力學尾跡還包括開爾文尾跡、渦尾跡、湍流尾跡、冷尾跡、伯努利“水丘”等。

另外，水下艦艇的熱排水在上浮過程中會形成一條持續時間較長、持續范圍較大的熱尾流，并可能上浮到海面。使用最小可分辨溫差已達到0.001℃的紅外熱像儀可以觀察到水下艦艇的熱尾跡。水下艦艇尾跡探測設備除了上述的SAR 和紅外熱像儀外，還有發射藍綠激光的光學探測器。由于水下艦艇尾跡擴散范圍大，可延伸幾千米，配備機載SAR 和機載紅外探測設備的反潛機在幾千米的高空就可以探測到水下艦艇的尾跡，探測距離可達數十千米。抑制水下艦艇的內波尾跡是非常困難的，這方面的研究基本都處于探索階段。美國正在研究的一項尾跡隱身技術的原理是在艇體表面覆蓋一層內嵌微型水泵的三維晶格多孔金屬材料，使從覆層中流出的水流速度與艇體外的水流速度相當，從而減弱水下艦艇的尾跡。對熱尾跡的抑制一般采用冷卻水分級排放技術，以降低水下艦艇熱排水與環境海水的溫差。

非聲探測與隱身——對抗中的進步

非聲探測的發展，促進了探測和隱身技術的共同發展。目前水下非聲探測技術和非聲隱身的發展趨勢主要包括兩個方面:

水下高速目標在水面形成的開爾文尾跡

建立專用的非聲特性測量場。長期以來，水下目標隱身特性的測試范圍較窄，通常只按照聲學和磁異常兩方面進行特性測試。非聲探測的發展迫使專用測試場和專項測試正得以建立和實施。法國國防部下屬武器裝備總署在布雷斯特完成了對3 個測試場的現代化改造，使其具備在水深25m，15m 和9m 處測量艦艇的磁場和水壓場的能力; 同時又建立一個深度為25m 的電場信號測量場。建立專用測量場的目的是準確掌握艦艇的非聲物理特性，以便在后續型號艦艇的設計建造階段就對非聲隱身問題加以考慮。

研制更高性能的探測設備。歐美各國近年來一方面著力于提高磁場傳感器和電場探測電極的靈敏度、頻率響應范圍和穩定性，并降低其自噪聲;另一方面致力于將電場和磁場測量設備進行集成，構建多場測量系統。

除了這兩項進步外，非聲隱身技術也呈現出以下發展趨勢:

閉環消磁技術——這項技術通過精確計算和設計，采用低磁材料進行建造，將大大降低水下結構的磁特征。

新型推進技術——該技術主要目的是針對尾跡的產生，采取泵噴和磁流體推進技術。

多功能隱身材料——未來的隱身材料需要具有寬頻帶特性，能同時應對雷達和紅外熱像儀的探測。發達國家正在研制的薄膜型材料和半導體型材料既能吸收雷達波，又具有低紅外輻射特性。

非聲隱身措施的兼容性設計——為了減少腐蝕，陰極保護系統會產生電流，使得艦艇的電場特性變得更為明顯。類似的，為了補償感應磁場，消磁繞組中通入的電流也可能會增大艦艇的電場強度。為解決諸如此類的兼容性問題，需要進行非聲隱身措施的兼容性設計，比如發達國家已經上艇應用的考慮靜電場隱身的陰極保護系統優化設計技術。