無人平臺自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀和展望

郝宇， 邱龍皓， 鄒男， 王燕， 梁國龍

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.海洋信息獲取與安全工業(yè)與信息化部重點實驗室(哈爾濱工程大學)，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著國防科技的迅猛發(fā)展，無人化與智能化已經成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要發(fā)展趨勢。在海洋這片重要戰(zhàn)場上，無人水下潛航器(unmanned underwater vehicle，UUV)、無人水面艇(unmanned surface vessel，USV)等小尺度自主作戰(zhàn)平臺已經開始展露鋒芒。這些無人平臺可由潛艇或水面艦艇發(fā)射，用于執(zhí)行偵察、監(jiān)視、情報、打擊等多種作戰(zhàn)任務。作為一種新型作戰(zhàn)平臺，已成為各國海軍競相研制、列裝的水下武備平臺。

未來水下戰(zhàn)爭的需求為無人平臺帶來了新的發(fā)展機遇。在美國《2025年自主潛航器需求》報告中，已將反潛戰(zhàn)作為無人平臺通過隱蔽和最前沿保障介入方式執(zhí)行的多種任務之一[1]。在危險海域，可以使己方潛艇保持在安全海域，由攜帶水聲探測聲吶的無人平臺游弋于前方，自主、長時間地執(zhí)行探測任務，一旦發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，則自動實施跟蹤，或者及時與指揮中心通信，根據(jù)指揮中心的命令實施相應的操作。它可作為一個艇外傳感器或探測器，在既保證自身隱秘性，又不增加母艇危險的前提下擴大探潛范圍。美國國防部于2008—2018年陸續(xù)發(fā)布的4版《無人系統(tǒng)綜合路線圖》中指出，在未來戰(zhàn)場中不同空間域中無人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)將是必然的發(fā)展趨勢，最終實現(xiàn)由水下無人平臺、空中(包括太空)無人平臺和陸地無人平臺的協(xié)同作業(yè)，組成模塊化、分布式和網絡化的多無人平臺協(xié)同感知、探測與偵察系統(tǒng)[2-5]。

水下無人平臺的作戰(zhàn)能力主要取決于以下4個特征：1)傳感器/有效載荷；2)續(xù)航能力；3)自主性；4)指揮、控制和通信。其中，水下無人平臺的有效載荷包括目標探測、水聲通信、水聲偵察、水聲信息支援對抗等。目標探測載荷的任務是，利用目標輻射噪聲信號或者主動聲吶信號的反射回波，搜尋敵方潛艇，并提供目標方位指示。該任務載荷的探潛能力對拓展?jié)撏Х礉撊蝿蘸Ｓ颉l(fā)揮潛艇作戰(zhàn)使用效能具有至關重要的作用。

聲吶探測過程的自主性需求是設計無人平臺探測聲吶時面臨的最主要挑戰(zhàn)[6-7]。在有人系統(tǒng)搭載的聲吶系統(tǒng)中，人在整個探測環(huán)路中扮演了重要的角色。有人探測聲吶系統(tǒng)的信號處理機將聲吶基陣采集的數(shù)據(jù)進行加工，并將得到的信息反映在視覺和聽覺顯示器上。聲吶員結合顯示的信息對目標進行檢驗判決，同時根據(jù)檢測結果實時調整聲吶工作狀態(tài)和參數(shù)，以更好地對目標進行搜索和跟蹤。與有人探測聲吶截然不同，無人探測聲吶需要在無人干預的環(huán)境下自主工作，這一特性限定了其所配備的信息獲取、檢測判決、狀態(tài)和參數(shù)控制等分系統(tǒng)都必須具備完全的自主決策能力。此外，受限于無人平臺的尺寸，可搭載的聲吶基陣的孔徑有限，這會影響系統(tǒng)能夠獲得的空間增益與分辨率。同時，聲吶系統(tǒng)還會面臨平臺自噪聲干擾、平臺能源限制、平臺機動等諸多不利因素的影響。無人平臺自主探測聲吶面臨的全新挑戰(zhàn)使傳統(tǒng)的聲吶信號處理技術不再適用，因此，需要發(fā)展適用于無人聲吶的信號處理核心技術，以滿足其自主化、遠距離、高性能的探測需求。

本文首先概述了國內外無人平臺自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀，并以“基于矢量水聽器陣的無人平臺遠程主被動自主探測系統(tǒng)”為例，介紹了無人平臺自主探測聲吶的應用及進展。最后，對無人平臺自主探測聲吶的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

1 無人平臺自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀

為應對未來安靜型潛艇所帶來的威脅，世界各國都在努力研制基于無人平臺的自主探測系統(tǒng)。美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)于2010年啟動了“反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人水面艇”(anti-submarine warfare continuous trail unmanned vessel, ACTUV)研究計劃[8]。DARPA希望借此計劃開發(fā)出成本較低的USV，以實現(xiàn)對敵方潛艇的長時間、大范圍的自主跟蹤，如圖1所示。2016年，ACTUV計劃的首艘技術驗證艇“海上獵手”號下水，如圖2所示。作為世界上最大的無人水面艦船，其最大長度39.6 m，最高航速27 kn，作戰(zhàn)半徑達到3 000 km，可以連續(xù)執(zhí)行反潛任務至少70 d[9]。“海上獵手”號執(zhí)行反潛任務的核心聲吶設備是由美國雷聲公司提供的模塊化可擴展聲吶系統(tǒng)(modular scalable sonar system，MS3)，MS3聲吶系統(tǒng)是雷聲公司生產的SQS-56中頻艦載聲吶的第5代產品，其主動探測距離達到18 km，同時具有主被動探測與跟蹤、魚雷預警以及自動避障等功能[10-11]。借助于MS3聲吶系統(tǒng)，“海上獵手”號即可以對水下的當前情況和突發(fā)威脅進行自主判斷。為了讓MS3聲吶系統(tǒng)適應無人平臺，雷聲公司對聲吶進行了重新設計和改進，大幅減少了元器件的數(shù)量，同時采用光纖水聽器作為聲吶的接收陣元，在提升靈敏度的同時，還降低了重量和功耗[11]。

圖2 “海上獵手”號無人艇Fig.2 USV-“Sea Hunter”

“海鷗”號是以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研發(fā)的一種自主式多用途無人水面艇，可執(zhí)行反潛戰(zhàn)、反水雷戰(zhàn)、電子戰(zhàn)等多種任務。為了讓“海鷗”號在反潛戰(zhàn)中更好地發(fā)揮作用，該公司已與多個機構合作，嘗試將探測聲吶安裝于“海鷗”號上。最初，以色列海軍曾對著名的直升機遠程主動聲吶(helicopter long range active sonar, HELRAS)進行了改進，并安裝在“海鷗”號上使用[12]。2020年4月，美國GTI公司和Curtiss-Wright公司合作研發(fā)的收放式主被動拖曳聲吶(towed reelable active passive sonar，TRAPS)被集成在“海鷗”號上[13]，如圖3所示。該聲吶結合了垂直主動發(fā)射陣與被動拖曳陣，具有小巧、輕便、成本低的特點，無需復雜的系統(tǒng)完成拖曳陣的收放，十分適合于應用在UUV、USV等小型平臺上。GTI公司聲稱，該聲吶系統(tǒng)可工作于低、中、高頻，且具有左右舷分辨、實時多目標探測、定位、跟蹤和識別等能力[14]。2020年6月，在英國國防部的組織下，“海鷗”號在英國近海進行了試驗。在這次試驗中，“海鷗”號上搭載了美國L3哈里斯公司研發(fā)的聲吶，證明了“海鷗”號的自主反潛能力[15]。

圖3 搭載TRAPS聲吶系統(tǒng)的“海鷗”號無人艇Fig.3 USV-“Seagull” with TRAPS sonar system

除USV外，各國也十分重視利用UUV來執(zhí)行未來的反潛任務。DARPA于2016年提出了移動舷外秘密通信與途徑(mobile offboard clandestine communications and approach，MOCCA)計劃，旨在提升潛艇的探測距離，并降低自身被鎖定的風險[16]。MOCCA計劃尋求主動聲吶探測解決方案，以彌補潛艇搭載的被動聲吶的缺陷。MOCCA計劃的核心是一種工作在潛艇舷外的UUV，該UUV小于21英寸，具備在水中復雜環(huán)境下工作的能力，搭載高性能主動探測聲吶，同時還能將探測信息實時、秘密地傳送給己方潛艇[17]。BAE系統(tǒng)公司獲得了MOCCA第1階段的研究合同，致力于解決UUV搭載的主動聲吶的效率問題，以提升探測能力[18]。2019年，美國海軍正式向波音公司訂購了4艘“奧卡”超大型UUV，如圖4所示。“奧卡”由波音公司的“回聲旅行者”型UUV改造而來，可用于執(zhí)行反潛作戰(zhàn)、反水面艦作戰(zhàn)、反水雷作戰(zhàn)等任務[7,19]。美國海軍希望在“奧卡”舷側設計72或96元水聽器聲吶陣列[7]，以探測敵方潛艇的位置。在將情報發(fā)送給水面艦與反潛直升機的同時，“奧卡”還能對敵方潛艇進行長時間的自主跟蹤，并利用其攜帶的重型魚雷實現(xiàn)自主攻擊。

圖4 “奧卡”超大型UUV概念圖Fig.4 Extra Large UUV-“Orca”

北大西洋公約組織的水下研究中心(NATO Undersea Research Centre，NURC)也很早就投入到了無人自主探測聲吶的研究之中，并在2009年完成了一次基于UUV的雙基地聲吶自主探測試驗[20]。在該試驗中，NURC在海底布置了聲源作為發(fā)射站，并將自研的細拖曳陣聲吶系統(tǒng)(slim towed array，SLITA)搭載在“海洋探險者”UUV上，作為接收站，如圖5所示。“海洋探險者”長度為4.5 m，直徑0.53 m，當搭載拖曳陣聲吶時，其最高航行速度為3 kn，續(xù)航時間7 h。SLITA擁有83個換能器，最多可同時配置其中的32個。該聲吶目前提供了4種工作陣元配置，所對應的工作頻帶覆蓋了714 Hz～3 471 Hz的范圍，使聲吶可以工作在較低頻的被動模式與較高頻的主動模式。該套聲吶系統(tǒng)可基于實時探測結果對UUV的運動進行自動規(guī)劃，使SLITA的法線方向自適應指向目標方位，以擴大陣列的有效孔徑，提高方位分辨率。

圖5 搭載SLITA聲吶系統(tǒng)的“海洋探險者”UUVFig.5 UUV-“Ocean Explorer” with SLITA sonar system

新加坡國立大學聲學研究室研發(fā)了數(shù)字式細線拖曳陣聲吶系統(tǒng)(digital thin line array，DTLA)[21]，如圖6所示。DTLA擁有12個聲學通道，直徑僅為15 mm。DTLA的輕便特性使其十分適合搭載于小型UUV平臺上。該研究室利用自研的“STARFISH”小型UUV搭載DTLA，如圖7所示，在外場環(huán)境下實現(xiàn)了目標的自主探測，并同時實現(xiàn)了離線的目標跟蹤[22]。

圖6 DTLA聲吶系統(tǒng)的拖曳陣Fig.6 Towed array of DTLA sonar system

圖7 “STARFISH”小型UUVFig.7 Small UUV-“STARFISH”

隨著減震降噪技術的發(fā)展，水中目標的聲隱身性顯著提高。而為了提高與之相對抗的自主探測能力，需要進一步增加聲吶的陣元個數(shù)和陣列孔徑，但受限于無人平臺的尺寸以及布放、回收等實際操作需要，這一要求往往難以滿足。矢量水聽器的出現(xiàn)為該問題的解決指出了新的方向[23-24]。相比于傳統(tǒng)聲壓水聽器，矢量水聽器兼有聲壓的和相互正交的質點振速分量輸出通道，能夠提供更為全面的聲場觀測結果，與此同時，其體積小、重量輕，對發(fā)展小平臺聲吶系統(tǒng)具有重要意義。研究表明，不同于聲壓傳感器的全指向性，振速傳感器陣元本身就具有偶極子指向性，利用這一特性，從干擾抑制的角度來看，單個矢量傳感器就具有對空間中的點源強目標干擾信號的抑制能力，而從方位估計的角度來看，單個矢量傳感器就可以從振速場中提取出目標的方位信息，從而實現(xiàn)360°的無模糊定向；另一方面，利用遠場點源信號和環(huán)境噪聲在聲壓振速相關性上的不同，單個矢量水聽器在各向同性噪聲場中能獲得一定的空間增益，提高在低信噪比環(huán)境下的信號處理能力。基于這些優(yōu)勢，成陣后的矢量水聽器陣列能夠在相同的布陣條件下，達到更好的強目標干擾抑制能力、更好的空間分辨能力以及更高的空間處理增益，為在復雜的水聲環(huán)境下提高聲吶系統(tǒng)的遠程目標探測能力提供了物理基礎[25]。近年來，已經有多個外國研究機構嘗試在無人平臺上搭載矢量水聽器，以執(zhí)行自主探測任務。美國麻省理工大學將一條長為100 m矢量水聽器拖曳陣搭載在“Bulefin-21”型UUV上，實現(xiàn)了對艦船的探測和跟蹤[26]，如圖8所示。意大利比薩大學與意大利海軍和北約科技組織海事研究和實驗中心(Center for Maritime Research and Experimentation，CMRE)合作，利用搭載在“eFolaga”型UUV上的單矢量水聽器，實現(xiàn)了對1 kHz線譜目標的實時被動檢測與方位估計[27]，如圖9所示。葡萄牙海軍研究中心與葡萄牙大學合作，將雙加速度計矢量水聽器(dual accelerometer vector sensor，DAVS)搭載于“MARES”型UUV上，成功實現(xiàn)了對目標的定位[28-29]，如圖10所示。CMRE還嘗試將三維矢量水聽器加裝于水下滑翔機上，以實現(xiàn)對水聲目標的定位[30]，如圖11所示。

圖8 搭載矢量水聽器拖曳陣的“Bluefin-21”型UUVFig.8 Bluefin-21 UUV with a vector hydrophone towed array

圖9 搭載矢量水聽器的“eFolaga”型UUVFig.9 UUV-eFolaga with a vector hydrophone

圖10 搭載DAVS系統(tǒng)的“MARES”型UUVFig.10 UUV-MARES with DAVS sonar system

在國內的水下無人自主探測聲吶領域，哈爾濱工程大學、中科院聲學所等單位起步較早，這些單位研制的自主探測聲吶設備已經經過湖海試驗驗證。哈爾濱工程大學水聲定位與目標探測研究團隊是國內矢量聲吶信號處理和自主聲吶探測領域研究的先驅者，基于近20年的研究成果，在“十二五”期間，團隊研發(fā)出了“基于矢量水聽器陣的無人平臺遠程主被動自主探測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已經過多次的外場試驗驗證，能夠有效地完成對水下、水面目標的遠距離實時自主探測。

圖11 搭載3維矢量水聽器的水下滑翔機Fig.11 Buoyancy glider with 3-D vector hydrophone

從上述的國內外無人平臺自主探測聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀中可以看出，隨著USV、UUV等無人平臺進入快速發(fā)展階段，能夠實現(xiàn)自主檢測、測向、跟蹤的無人探測聲吶系統(tǒng)已趨于成熟，必將在水下戰(zhàn)場上發(fā)揮重要作用。但是，目前的無人平臺自主探測聲吶主要采用單平臺獨立工作模式，基于多無人平臺的分布式、網絡化探測系統(tǒng)尚未形成。

2 無人平臺自主探測聲吶的應用

“十二五”期間，哈爾濱工程大學水聲定位與目標探測研究團隊攻克了近場強干擾背景下的矢量水聽器線列陣遠程弱目標被動探測、高穩(wěn)健性矢量陣波束形成、高相對速度下的矢量水聽器線譜檢測等多項自主探測關鍵技術，研制了“基于矢量水聽器陣的無人平臺遠程主被動自主探測系統(tǒng)”。研制的原理樣機搭載大型UUV、USV等多個無人平臺，在湖上、海上典型環(huán)境下，對原理樣機的性能、技術指標、關鍵技術、環(huán)境適應性等進行了充分考核和驗證。搭載航行中的無人平臺，分別對靜態(tài)目標和運動目標實現(xiàn)了自主、全向、無模糊探測，為無人平臺提供了精確的目標方位信息，在國內首次實現(xiàn)了人不在環(huán)條件下對目標的自主探測。

該系統(tǒng)的濕端為4個矢量水聽器子陣組成的線列陣，矢量水聽器子陣如圖12所示。為進一步優(yōu)化矢量水聽器線列陣的適裝性，團隊還進行了矢量水聽器陣小型化設計，以提高無人平臺航行時的機動性能，小型化矢量水聽器線列陣與原矢量陣的實物對比如圖13所示。

圖12 矢量陣子陣實物圖Fig.12 Vector hydrophone subarray

圖13 小型化矢量陣與原矢量陣的對比Fig.13 Comparison between miniaturized vector hydrophone array and original array

在外場試驗中，該自主探測系統(tǒng)搭載無人平臺進行了主被動探測性能驗證。下面給出部分外場搭載試驗的結果。

2.1 靜態(tài)目標被動探測結果

首先給出了靜態(tài)目標的被動探測結果。目標探測結果如圖14所示，其中參考基準方位由水下無人平臺內記的導航數(shù)據(jù)結合聲源GPS坐標計算得到。無人平臺在水下航行過程中，矢量陣自主探測系統(tǒng)將目標探測結果實時提供給無人平臺，同時進行數(shù)據(jù)內記，下圖顯示的均為無人平臺內記數(shù)據(jù)的回放。從圖中可以看出，該矢量陣探測系統(tǒng)可實現(xiàn)360°全向、無左右舷模糊的自主探測，且具有低虛警概率和低漏報概率的特點。

圖14 靜態(tài)目標被動探測性能試驗結果Fig.14 Passive detection experiment results of static target

2.2 運動目標被動探測結果

下面給出了運動目標的被動探測結果。本試驗以運動小艇為探測目標。小艇在水面自由航行，UUV在水下7 m運行，跟蹤水面目標，目標探測結果如圖15所示。從圖中可以看出，運動小艇的方位軌跡清晰，目標探測性能優(yōu)越。

圖15 運動目標被動探測性能試驗結果Fig.15 Passive detection experiment results of moving target

2.3 主動工作模式下的探測結果

下面給出該系統(tǒng)主動工作模式下的探測結果。圖16～18分別給出了探測聲吶對目標回波信號的測距、測向以及測速結果，其中三角表示GPS測量的水平方位和距離結果，實線表示目標模擬回波發(fā)射的真實速度，點表示各周期下主動探測聲吶系統(tǒng)對距離、方位以及徑向速度的估計結果。從圖中可以看出，工作在主動模式時，無人平臺自主探測聲吶能夠對目標的距離、方位和運動速度實現(xiàn)精確估計，探測性能優(yōu)越。

圖16 目標主動探測距離估計試驗結果Fig.16 Active detection experiment results of target range estimation

圖17 目標主動探測方位估計試驗結果Fig.17 Active detection experiment results of target direction-of-arrival estimation

圖18 目標主動探測航速估計試驗結果Fig.18 Active detection experiment results of target speed estimation

3 展望

無人平臺在未來的水下戰(zhàn)爭中將扮演更加重要的角色，也必將承擔更加復雜多樣的作戰(zhàn)任務。無人平臺的多維度、多基地、一體化的作戰(zhàn)需求驅動著自主探測聲吶向智能化、模塊化、協(xié)同化、編隊化的方向發(fā)展。

1)智能化。

近年來，以深度學習為代表的人工智能技術發(fā)展迅猛，這也給無人平臺聲吶的智能化發(fā)展提供了契機。在執(zhí)行任務時無人平臺聲吶能夠采集到大量的海洋數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)的訓練，其能夠以系統(tǒng)任務為導向，在未知外部環(huán)境和目標特性的前提下，對平臺的探測手段、決策過程、工作狀態(tài)進行自動優(yōu)化和修正，且隨著執(zhí)行任務次數(shù)的增多，無人平臺聲吶的“進化”也會愈加完善。

2)模塊化。

目前，無人平臺自主探測聲吶大多是為特定無人平臺的特定任務而定制的。當該任務結束時，該聲吶設備難以直接應用于新無人平臺的新任務場景，一般需要對聲吶設備進行成本高昂地升級和維護。發(fā)展具備開放式結構、通用接口與協(xié)議、標準互操作配置文件的模塊化聲吶設備，有助于該問題的解決[7]。模塊化無人聲吶設備能夠在不同類型的無人平臺上以“即插即用”的方式實現(xiàn)自主探測功能，將成為未來的發(fā)展熱點。

3)協(xié)同化。

基于單無人平臺、單聲吶基陣的自主探測系統(tǒng)的作用距離有限，難以滿足未來水下戰(zhàn)爭的需求。基于多無人平臺、多聲吶基陣的分布式、一體化協(xié)同探測網絡有助于解決這一問題。一方面，多無人平臺進行機動可以顯著地擴大幾何探測范圍；另一方面，對多個無人平臺聲吶的探測信息進行目標級或特征級融合有助于獲得更好的探測效果。

4)編隊化。

作為未來海軍裝備的重要部分，無人平臺將會與其他平臺合作形成作戰(zhàn)網絡完成任務，這些平臺既包括艦船、潛艇等水面、水下有人平臺，還包括了戰(zhàn)斗機、直升機等空中作戰(zhàn)平臺。各類平臺形成的一體化海空作戰(zhàn)編隊是未來戰(zhàn)爭的重要發(fā)展方向。在編隊化過程中，無人平臺聲吶不但要與有人平臺聲吶進行信息互通，還要結合一些非聲探測信息，共同完成對水下高威脅目標的精確鎖定。