國外航空磁探潛裝備應用分析及發展趨勢

陶榮華,王 丹,遲 鋮

國外航空磁探潛裝備應用分析及發展趨勢

陶榮華,王 丹,遲 鋮

(海軍潛艇學院,山東 青島,266199)

航空磁探儀(MAD)作為目前主要的非聲探潛裝備,是對水下潛艇進行探測、定位、識別和跟蹤的可靠手段之一。當前,隨著磁探頭組件、磁補償水平及磁性目標識別技術的迅猛發展,MAD作用距離得到較大提升,承擔著局域搜潛和應召反潛等任務。文中從反潛作戰應用出發,詳細分析了國外先進航空磁探潛裝備的戰技術性能和應用設計特點,并對其發展趨勢進行了展望,提出無人機載MAD與有人機配合、MAD編組集群將是航空磁探潛的發展重點。文章內容可為我國相關裝備建設提供參考。

航空磁探儀; 非聲探測; 反潛作戰; 應用能力; 發展趨勢

0 引言

反潛作戰包括搜潛和攻潛2個階段,其中的難點是搜潛。隨著減振降噪措施的有效運用,潛艇逐步趨向靜音,對潛非聲探測技術也在對抗中不斷提升。航空磁異常探潛(簡稱磁探潛)是一種重要的非聲探潛手段,它利用機載標量磁探儀(magnetic anomaly detector,MAD)對水下潛艇的磁性進行航測,通過數據處理監測背景磁場的變化和對磁異常的判斷,進而實現對潛艇的探測、定位和確認。與其他探潛設備相比,MAD具有不受水文氣象條件限制、可以連續搜索、使用簡單可靠、反應迅速、定位精度高以及隱蔽性好等顯著特點,特別適用于攻擊水下目標前的運動要素解算。自二戰期間投入使用后,MAD就成為了航空反潛的標配裝備,并被認為是當今水下目標鑒別和提高對潛攻擊效率最可靠的手段之一[1]。文中以國外先進航空磁探潛裝備為研究對象,分析其圍繞最大化支持航空搜潛的戰技術性能、應用開發和發展趨勢,為我國相關裝備建設提供參考。

1 現役航空磁探潛裝備應用特點分析

潛艇鐵磁外殼因磁化產生的附加磁場信號非常微弱,一艘中型潛艇在上方400 m處的磁場約為0.4 nT[2],該量值僅約為背景地磁場的十萬分之一。因此,在標準的綜合反潛流程中,當其他探測器材將水下疑似目標限定在局域范圍內后,MAD通常才會派上用場,通過航路機動接觸該目標并實施跟蹤。由于潛艇探測與反探測是一個博弈問題,因此,航空磁探潛結果存在諸多不確定性,而勝任“找到”和“跟住”的航空磁探潛系統,無不在磁異探測技術和應用設計方面表現優異。目前,P-3C反潛巡邏機、P-8A反潛巡邏機、P-1反潛巡邏機、SH-2反潛直升機、S-70B/C反潛直升機、SH-2D反潛直升機、SH-60B/F/J/K反潛直升機、S-2T/3艦載反潛機及MQ-8B無人偵察機等多型反潛平臺上都載有多類MAD,它們以其優越性能在綜合反潛中承擔著局域搜索和應召反潛等任務。綜合梳理發現,這些MAD系統圍繞勝任搜潛任務在技術層面和應用層面上具備如下顯著優勢。

1.1 技術先進、系統集成高

MAD包括探頭、磁補償及識別軟件,因此,實施磁探潛的技術難點主要集中在研制高精度、高分辨率的磁測量探頭和研究更好的濾波算法,以便測量微弱的潛艇磁場信號并將其從強背景噪聲中分離出來[3]。目前,國外先進MAD設備研制廠家在弱磁采集、低動態噪聲濾除、自動磁補償及微弱信號檢測等方面頗有建樹。加拿大CAE公司是全球設計、制造和集成MAD系統的引領者,其最新產品先進綜合MAD系統(裝備編號AN/ASQ-508,圖1為該型MAD的探頭和控制顯示組件)外銷美國、英國、日本、澳大利亞、印度及智利等多國海軍。該型MAD代表當前業界的頂級水平,其靈敏度優于0.3 pT,擁有18項磁補償項,在深海條件下對常規潛艇和核潛艇的最大探測距離分別為800 m和1200 m。美國Polatomic公司為美海軍研制的Polatomic-2000(裝備型號AN/ASQ-233A)是一型數字化MAD(Digital MAD,DMAD)設備,它是P-3C反潛巡邏機升級改裝的指定MAD型號(圖2為該型MAD的探頭和控制顯示組件),其整體水平十分先進,靈敏度優于0.3 pT,探測距離達千米級[4]。

另外,在綜合性能穩定提升的前提下,先進MAD研制廠家還力求進一步減少探測系統專用輔助設備,這樣既可以壓縮整體質量同時又方便維護。以美國研制的系列MAD為例: 早期的AN/ASQ-81V型MAD由16項武器可更換組件(weapons replaceable assemblies,WRAs)構成,其衍生型AN/ASQ-208(V)型MAD將WRAs精簡為3件,最新的AN/ASQ-233A型MAD則進一步縮減為2件。需指出的是,磁補償后潛艇目標信號仍會淹沒在背景干擾中[5],國外先進MAD設備采用更精細的濾波方法剝離出目標磁異常信號。例如: 加拿大CAE公司采用大帶寬頻率數字轉換技術,降低了較高頻率情況下的背景噪聲。美國Polatomic公司則通過磁通門MAD、加速計和低噪聲C碼全球定位系統(global positioning system,GPS)等輔助傳感器協力噪聲模型來降低其影響。

圖1 AN/ASQ-508先進綜合MAD系統

圖2 AN/ASQ-233A數字化MAD

1.2 輸出多樣、綜合識別強

作為一類被動探測器材,航空MAD通過平臺機動采集磁總場數據,經磁補償、帶通濾波、異常信號檢測及識別等步驟完成數據到信息的轉換工作,并將處理結果呈現給MAD操作員。美海軍自AN/ASQ-208(V)開始,采用微處理技術和數字信號處理技術,摒棄AN/ASQ-81(V)、AN/ ASQ-10(V)等跟蹤式MAD技術實現方案,電子電路及終端顯示全部采用數字化,探測性能得以提升,用戶使用也更為便捷。圖3和圖4分別是AN/ASQ-10的輸出結果和AN/ASQ-233A的顯示界面,這2型MAD都實時呈現檢測到的磁異常信號,差別在于前者是機械式的條形圖記錄器,后者則將數字信號的結果直接顯示在顯控臺上。在此基礎上,為了進一步挖掘補償后磁信號中蘊含的疑似目標信息,先進MAD研制廠家對該數據進行多域別特征分析,并以時頻圖形式呈現出磁異信號與背景信號的差異化特征,時頻空間中的典型結構為MAD操作員綜合判別提供了另一種信息來源。圖5是AN/ASQ-508的輸出界面,顯見,位于顯示窗口下方的子圖即為時頻圖。另外,為提高檢測結果的穩定性和減輕MAD操作員的壓力,外軍將疑似潛艇信號的鑒別工作由人工識別改為自動識別為主,如: 美方的AN/ASQ-208 (V)在經過三通道濾波及門限處理后,自動進行異常信號識別; AN/ASQ-233A型MAD配有專門的自動識別裝置; 加拿大CAE公司自AN/ASQ- 504(V)開始就采用計算機自動判斷和處理,并將特征識別結果連續傳輸。

1.3 技戰一體、作戰能力優

搜索和跟蹤是對潛實施攻擊的前提,因此,在與水下目標取得首次接觸后,能否高效地獲得下一次接觸是MAD 發揮作用的關鍵。目前,外軍以作戰需求引導MAD應用設計,除了提供視聽覺探測警報,還能基于接觸到的潛艇磁信號及其特征挖掘出更多的關聯信息,不斷拓展其輔助反潛作戰的能力水平。一方面,在單次接觸后能快速對水下目標位置進行估計和左右側判別。資料顯示,AN/ASQ-208(V)具有顯示目標距離的功能,AN/ASQ-504(V)能夠給出目標位置(存在左右側模糊),其后續產品AN/ASQ-508及MAD-XR (增程型)則能進一步分辨出水下目標位航測平臺的左右側。獲得的目標位置信息為反潛戰術長規劃搜索航路提供了依據,進而大大縮短了接續磁接觸的時間。另一方面,能夠根據接觸到的潛艇目標磁信號強弱及特征值大小對自動識別結果進行置信度估計。資料顯示,AN/ASQ-208(V)、AN/ ASQ-233A及AN/ASQ-508[6]的識別程序中都帶有置信度輸出標簽。事實上,任何異常信號檢測都是基于一定的假設前提,探測距離越遠意味著檢測工作面臨的信噪比越低,因此,識別結果本身帶有不確定性。在這種情況下,以概率形式給出識別結果的可信度,即為反潛戰術長采信磁探系統輸出結果提供了合理提示。另外,還能夠根據目標磁特性的強弱對潛艇實施潛在分類[7]。資料顯示,AN/ASQ-508及MAD-XR(見圖6)內置了新研制的識別軟件,其亮點之一就是能夠基于單次接觸到的水下目標磁信號特征間的相互關系反推出潛艇磁矩,進而預估出水下目標的噸位大小及類別(常規潛艇或核潛艇)。此項功能豐富了目標特性獲取維度,改變了以往反潛作戰行動僅依據聲學手段進行目標分類的不足,對指揮員的輔助決策支持極大,有利于提高水下威脅判斷結果的可靠性。

圖3 AN/ASQ-10系統輸出結果示意圖

圖4 AN/ASQ-233A系統界面

圖5 AN/ASQ-508系統界面

圖6 加拿大CAE公司研制的MAD-XR

2 航空磁探潛裝備應用展望

目前,航空MAD大多載于反潛巡邏機和反潛直升機,隨著探測距離的不斷增大,加之空中無人平臺技術的日漸成熟,在體系反潛作戰思想牽引下,航空MAD的運用方式日益多元。今后一段時間,無人機載MAD與有人機配合、無人機載MAD編組集群將是航空磁探潛的又一應用重點。

2.1 機載空投磁探無人機,高低搭配聯合探測

2020年5月起,美P-8A反潛巡邏機完全接替P-3C反潛巡邏機執行反潛作戰任務。按照廣域海上監視(broad area maritime surveillance,BAMS)作戰理念,美P-8A反潛巡邏機專注于高空反潛作戰(high altitude anti-submarine warfare,HAASW),其低空反潛則由無人瞄準航空系統(unmanned targeting air system,UTAS)和“磁鷹”(Mag-Eagle)無人機共同執行[8]。后者由波音公司以“掃描鷹” (Scan Eagle)無人機為基礎研發,自帶低成本MAD,配備GPS導航系統。實際反潛過程中,P-8A反潛巡邏機視任務需要將該無人機投放至低空,并對其實施控制[9],“磁鷹”無人機使用降落傘下降至作業高度后(見圖7),一旦探測到水下磁性目標即將目標位置上報至反潛機,顯著縮短“從傳感器到射手”的時間。

圖7 “磁鷹”無人機使用降落傘降低高度

2.2 多架磁探無人機編組,高度集成協同探測

無人系統具有成本低廉、機動靈活、模塊化配置及便于組網等突出優點,特別適合執行大范圍的網絡化持久監視任務。目前,國外先進MAD的探測距離雖已達千米量級,但單個MAD探測能力仍然有限,多個微型無人機集群載MAD協同工作不但可提升探潛效率,而且測量數據差分有助于探測精度和定位精度的提升。資料顯示,美軍已對無人機蜂群集成及作戰應用開展系統研究,曾設計過利用數十個磁探無人機執行自上而下探潛的技術方案[10],英國宇航系統公司、美國海軍研究院、加拿大BAS公司都在開展磁探無人機蜂群及識別算法的研制攻關[11]。隨著緊湊性、小型化、低功耗MAD陸續面世(表1中MAD-XR在質量、尺寸及功耗等方面具有明顯優勢,適用于無人機、直升機和小型固定翼飛機等多種平臺),將有力推進無人機在水下戰領域的應用。

表1 MAD-XR與AN/ASQ-508典型參數比較

3 結束語

文中分析了國外航空磁探潛裝備應用情況及發展趨勢。潛艇磁異常量值較小,航空磁探潛裝備探測性能受MAD靈敏度、平臺磁噪聲及弱信號檢測水平等共同制約。當前,隨著高靈敏磁異常傳感器、集成電路技術及磁信號識別技術的發展,探測距離遠、小型功耗低、平臺適配性強的高質量MAD在航空探潛系統市場中成長較為迅猛,磁探潛也越來越受到各海軍強國的重視。在立體反潛和協同反潛等先進作戰思想牽引下,有人和無人機載MAD必將發揮自身獨特優勢,進一步面向未來作戰環境創新應用模式。

[1] 成建波,孫心毅. 航空磁異常探潛技術發展綜述[J]. 聲學與電子工程,2018(3): 46-49.

[2] 王樹樂,胡迺成,崔慶揚. 國內航空磁探反潛技術研究現狀[J]. 中國新通信,2018,20(11):177-178.

[3] 陳宇沁,周宏威,袁建生. 基于磁異常檢測的潛艇探測探頭類型分析[J]. 電測與儀表,2015,52(11): 20-24.

[4] Bobb L C,Davis J P,Kuhlman G,et al. Advanced Sensors for Airborne Magnetic Measurements[R]. US: Naval Air Warfare Center Aircraft Division,2001.

[5] 韓磊. 航空磁異常探測關鍵技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學,2014.

[6] Sterk R. It’s a MAD World In Anti-Submarine Warfare[EB/OL]. (2015-9-22)[2020-05-07]. https://dsm.fore- castinternatioal.com/wordpress/2015/09/22/its-a-mad-wo- rld-in-anti-submarine-warfare/.

[7] 董鵬,孫哲,鄒念洋. 國外磁探潛裝備現狀及發展趨勢[J]. 艦船科學技術,2018,40(11): 166-168.

Dong Peng,Sun Zhe,Zou Nian-yang. The Situation and Development Trend of Foreign Magnetic Exploration Submarine Equipment[J]. Ship Science and Technology,2018,40(11): 166-168.

[8] Keller J. BAE Systems to Develop ASW UAS[EB/OL]. (2015-02-03) [2020-05-07]. https://www.uasvision.com/ 2015/02/03/bae-systems-to-develop-asw-uas/.

[9] 羅山愛. 美軍強化西太航空反潛網,日本助監視中國艦機[N]. 新民晚報,2015-07-10.

[10] 王曉靜. 美國水下探測技術發展綜述[EB/OL]. (2017- 04-03)[2020-05-07]. https://www.sohu.com/a/131897005_ 465915.

[11] 鄭太尉觀天下. 相比有人平臺,無人作戰平臺反潛能更靠譜嗎[EB/OL]. (2017-5-7)[2020-05-07]. https://www. sohu.com/a/138888307_600501.

1. 李紅志,閆晨陽,賈文娟. 海洋溫鹽深傳感器技術自主創新與產業發展的幾點思考. 2021,29(3).

2. 張林森,寧小玲,胡平. 超聲耦合無線電能傳輸技術研究綜述. 2021,29(3).

3. 何心怡,程善政,盧軍,等. 國外水下渦流探測技術研究進展. 2021,29(1).

4. 杜方鍵,張永峰,張志正. 基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系初探. 2021,29(1).

5. 謝少榮,劉堅堅,張丹. 復雜海況無人艇集群控制技術研究現狀與發展. 2020,28(6)

6. 郭銀景,鮑建康,劉琦,等. AUV實時避障算法研究進展. 2020,28(4).

7. 錢東,趙江. 海上實兵作戰實驗綜述——概念、案例與方法. 2020,28(3).

8. 孫芹東,蘭世泉,王超,等. 水下聲學滑翔機研究進展及關鍵技術. 2020,28(1).

9. 黃穎淞,葛輝良,王付印,等. 蛙人探測聲吶系統發展綜述. 2020,28(1).

10. 何心怡,陳雙,陳菁,等. 國外反潛訓練靶標應用現狀與啟示. 2019,27(6).

11. 吳尚尚,李閣閣,蘭世泉,等. 水下滑翔機導航技術發展現狀與展望. 2019,27(5).

12. 錢洪寶,盧曉亭. 我國水下滑翔機技術發展建議與思考. 2019,27(5).

13. 劉偉,范輝,呂建國,等. 超高速水下航行器控制方法研究熱點綜述. 2019,27(4).

14. 文海兵,宋保維,張克涵,等. 水下磁耦合諧振無線電能傳輸技術及應用研究綜述. 2019,27(4).

15. 黃玉龍,張永剛,趙玉新. 自主水下航行器導航方法綜述. 2019,27(3).

16. 嚴浙平,劉祥玲. 多UUV協調控制技術研究現狀及發展趨勢. 2019,27(3).

17. 王延杰,郝牧宇,張霖,等. 基于智能驅動材料的水下仿生機器人發展綜述. 2019,27 (2).

18. 胡橋,劉鈺,趙振軼,等. 水下無人集群仿生人工側線探測技術研究進展. 2019,27(2).

19. 張萌,譚思煒,張林森. 美海軍三型魚雷最新研發進展及技術途徑. 2019,27(1).

20. 魏博文,呂文紅,范曉靜,等. AUV導航技術發展現狀與展望. 2019,27 (1).

Application Analysis and Development Trend of Foreign Airborne Magnetic Anomaly Detection Equipment

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(Navy Submarine Academy,Qingdao 266199,China)

Currently,as the main non-acoustic submarine detection equipment,using an airborne magnetic anomaly detector (MAD) is one of the most reliable methods to detect,locate,identify,and track underwater submarines. The action distance of an airborne MAD has been greatly improved due to the rapid development of magnetic probe components,the magnetic compensation level,and magnetic target recognition technology; therefore,this equipment has been applied in local search and on-call anti-submarine operations. In this study,the technical performance and design characteristics of foreign advanced airborne magnetic anomaly detection equipment are analyzed regarding its application in supporting anti-submarine operations. Furthermore,the development trend of this technology is discussed,which indicates that the cooperation of the MAD performed by unmanned aerial vehicles (UAVs),manned aerial vehicles,and the MAD cluster will be the development focus.

airborne magnetic anomaly detector; non-acoustic detection; anti-submarine operation; application ability; development trend

TJ67; P716.82

R

2096-3920(2021)04-0369-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.001

陶榮華,王丹,遲鋮. 國外航空磁探潛裝備應用分析及發展趨勢[J]. 水下無人系統學報,2021,29(4): 369-373.

2020-09-01;

2021-03-18.

陶榮華(1971-),男,博士,副教授,主要研究方向為非聲探測技術及應用.

(責任編輯: 陳 曦)