无人平台自主探测声呐的发展现状和展望.docx

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1、无人平台自主探测声呐的发展现状和展望正文目录目录正文目录1图表目录21 .序言32 .无人平台自主探测声呐的发展现状43 .无人平台自主探测声呐的应用133.1.概述133. 2.静态目标被动探测结果154. 3.运动目标被动探测结果下面给出了运动目标的被动探测结果155. 4.主动工作模式下的探测结果下面给出该系统主动工作模式下的探测结果164.无人水下航行器声呐装备现状与发展趋势184. 1.国外UUV声呐装备现状204. 1.1.国外UUV探测声呐装备204. 1.2.国夕卜UUV导航声呐装备254. 1.3.国夕卜UUViiH言声。内装备264. 2.国内UUV声呐装备现状264. 2

2、.1.国内UUV探测声呐装备264. 2.2.国内UUV导航声呐与通信声呐装备284. 3.UUV声呐装备关键技术304. 3.1.声纳一体化设计技术304. 3.2.自主目标探测技术304. 3.3,水声导航技术314. 3.4.水声通信技术314. 4.UUV声呐装备发展趋势314. 4.1,高自主性能324. 4.2.高模块化程度326. 4.3,高分布式协同能力325.结语与展望335. 1.概述335. 2.智能化335. 3.模块化335. 4.协同化347. 5.编队化34图表目录图IACTUV工作效果5图2海上猎手”号无人艇6图3搭载TRAPS声呐系统的“海鸥”号无人艇7图4奥

3、卡超大型UUV概念图8图5搭载S11TA声呐系统的“海洋探险者”UUV9图6DT1A声呐系统的拖曳阵9图7STARFISH”小型UUV10图8搭载矢量水听器拖曳阵的“B1uefin-21”型UUV11图9搭载矢量水听器的“eFo1aga”型UUV12图10搭载DAVS系统的“MARES”型UUV12图11搭载3维矢量水听器的水下滑翔机13图12矢量阵子阵实物图14图13小型化矢量阵与原矢量阵的对比15图14静态目标被动探测性能试验结果15图15运动目标被动探测性能试验结果16图16目标主动探测距离估计试验结果16图17目标主动探测方位估计试验结果17图18目标主动探测航速估计试验结果17表1不

4、同级别UUV任务需求优先级18图19UUV主要声呐装备20图20EdgeTech2200系列侧扫声呐21图21H1SAS1030合成孔径声呐23图22Seabat7125-AUV多波束测深声呐24图23“虎鲸”超大型UUV25图24“替代者”超大型UUV（携带拖曳线列阵）25图25Shark系列侧扫声呐27图26AUV53型合成孔径声呐28图27UUV舷侧阵声呐与拖曳线列阵声呐2930图28QMY系列水声通信声呐1 .序百随着国防科技的迅猛发展，无人化与智能化已经成为了现代战争的重要发展趋势。在海洋这片重要战场上，无人水下潜航器(UUV)、无人水面艇(USV)等小尺度自主作战平台已经开始展露锋

5、芒。这些无人平台可由潜艇或水面舰艇发射，用于执行侦察、监视、情报、打击等多种作战任务。作为一种新型作战平台，已成为各国海军竞相研制、列装的水下武备平台。未来水下战争的需求为无人平台带来了新的发展机遇。在美国2025年自主潜航器需求报告中，已将反潜战作为无人平台通过隐蔽和最前沿保障介入方式执行的多种任务之一。在危险海域，可以使己方潜艇保持在安全海域，由携带水声探测声呐的无人平台游弋于前方，自主、长时间地执行探测任务，一旦发现敌方潜艇，则自动实施跟踪，或者及时与指挥中心通信，根据指挥中心的命令实施相应的操作。它可作为一个艇外传感器或探测器，在既保证自身隐秘性，又不增加母艇危险的前提下扩大探潜范围。

6、美国国防部于20082018年陆续发布的4版无人系统综合路线图中指出，在未来战场中不同空间域中无人系统的协同作战将是必然的发展趋势，最终实现由水下无人平台、空中(包括太空)无人平台和陆地无人平台的协同作业，组成模块化、分布式和网络化的多无人平台协同感知、探测与侦察系统。水下无人平台的作战能力主要取决于以下4个特征：传感器/有效载荷；续航能力；自主性；指挥、控制和通信。其中，水下无人平台的有效载荷包括目标探测、水声通信、水声侦察、水声信息支援对抗等。目标探测载荷的任务是，利用目标辐射噪声信号或者主动声呐信号的反射回波，搜寻敌方潜艇，并提供目标方位指示。该任务载荷的探潜能力对拓展潜艇反潜任务海域、

7、发挥潜艇作战使用效能具有至关重要的作用。声呐探测过程的自主性需求是设计无人平台探测声呐时面临的最主要挑战：1)在有人系统搭载的声呐系统中，人在整个探测环路中扮演了重要的角色。有人探测声呐系统的信号处理机将声呐基阵采集的数据进行加工，并将得到的信息反映在视觉和听觉显示器上。声呐员结合显示的信息对目标进行检验判决，同时根据检测结果实时调整声呐工作状态和参数，以更好地对目标进行搜索和跟踪。2)与有人探测声呐截然不同，无人探测声呐需要在无人干预的环境下自主工作，这一特性限定了其所配备的信息获取、检测判决、状态和参数控制等分系统都必须具备完全的自主决策能力。此外，受限于无人平台的尺寸，可搭载的声呐基阵的

8、孔径有限，这会影响系统能够获得的空间增益与分辨率。同时，声呐系统还会面临平台自噪声干扰、平台能源限制、平台机动等诸多不利因素的影响。无人平台自主探测声呐面临的全新挑战使传统的声呐信号处理技术不再适用，因此，需要发展适用于无人声呐的信号处理核心技术，以满足其自主化、远距离、高性能的探测需求。本文首先概述了国内外无人平台自主探测声呐的发展现状，并以“基于矢量水听器阵的无人平台远程主被动自主探测系统”为例，介绍了无人平台自主探测声呐的应用及进展。最后，对无人平台自主探测声呐的未来发展趋势进行了展望。2 .无人平台自主探测声呐的发展现状为应对未来安静型潜艇所带来的威胁，世界各国都在努力研制基于无人平台

9、的自主探测系统。美国国防高级研究计划局(DARPA)于2010年启动了“反潜战持续跟踪无人水面艇(ACTUV)研究计划。DARPA希望借此计划开发出成本较低的USV,以实现对敌方潜艇的长时间、大范围的自主跟踪，如图1所示。2016年，ACTUV计划的首艘技术验证艇“海上猎手”号下水，如图2所JO作为世界上最大的无人水面舰船，其最大长度39.6m,最高航速27kn,作战半径达到3000km,可以连续执行反潜任务至少70do“海上猎手”号执行反潜任务的核心声呐设备是由美国雷声公司提供的模块化可扩展声呐系统(MS3),MS3声呐系统是雷声公司生产的SQS-56中频舰载声呐的第5代产品，其主动探测距离

10、达到18km,同时具有主被动探测与跟踪、鱼雷预警以及自动避障等功能。借助于MS3声呐系统，“海上猎手”号即可以对水下的当前情况和突发威胁进行自主判断。图IACTUV工作效果图2海上猎手”号无人艇为了让MS3声呐系统适应无人平台，雷声公司对声呐进行了重新设计和改进，大幅减少了元器件的数量，同时采用光纤水听器作为声呐的接收阵元，在提升灵敏度的同时，还降低了重量和功耗。“海鸥”号是以色列埃尔比特系统公司研发的一种自主式多用途无人水面艇，可执行反潜战、反水雷战、电子战等多种任务。为了让“海鸥”号在反潜战中更好地发挥作用，该公司已与多个机构合作，尝试将探测声呐安装于“海鸥”号上。最初,以色列海军曾对著名

11、的直升机远程主动声呐(HE1RAS)进行了改进，并安装在“海鸥”号上使用。2023年4月，美国GT1公司和Curtiss-Wright公司合作研发的收放式主被动拖曳声呐(TRAPS)被集成在“海鸥”号上，如图3所示。该声呐结合了垂直主动发射阵与被动拖曳阵，具有小巧、轻便、成本低的特点，无需复杂的系统完成拖曳阵的收放，十分适合于应用在UUV、USV等小型平台上。GT1公司声称，该声呐系统可工作于低、中、高频，且具有左右舷分辨、实时多目标探测、定位、跟踪和识别等能力。2023年6月，在英国国防部的组织下，“海鸥”号在英国近海进行了试验。在这次试验中，“海鸥”号上搭载了美国13哈里斯公司研发的声呐，

12、证明了“海鸥”号的自主反潜能力。图3搭载TRAPS声呐系统的“海鸥号无人艇除USV外，各国也十分重视利用UUV来执行未来的反潜任务。DARPA于2016年提出了移动舷外秘密通信与途径(MOeCA)计划，旨在提升潜艇的探测距离，并降低自身被锁定的风险。MOCCA计划寻求主动声呐探测解决方案，以弥补潜艇搭载的被动声呐的缺陷。MOCCA计划的核心是一种工作在潜艇舷外的UUV,该UUV小于21英寸，具备在水中复杂环境下工作的能力，搭载高性能主动探测声呐，同时还能将探测信息实时、秘密地传送给己方潜艇。BAE系统公司获得了MOCCA第1阶段的研究合同，致力于解决UUV搭载的主动声呐的效率问题，以提升探测能

13、力。2019年，美国海军正式向波音公司订购了4艘“奥卡”超大型UUV,如图4所示。“奥卡”由波音公司的“回声旅行者”型UUV改造而来，可用于执行反潜作战、反水面舰作战、反水雷作战等任务。美国海军希望在“奥卡”舷侧设计72或96元水听器声呐阵列，以探测敌方潜艇的位置。在将情报发送给水面舰与反潜直升机的同时，“奥卡”还能对敌方潜艇进行长时间的自主跟踪，并利用其携带的重型鱼雷实现自主攻击。图4奥卡超大型UUV概念图北大西洋公约组织的水下研究中心(NURC)也很早就投入到了无人自主探测声呐的研究之中，并在2009年完成了一次基于UUV的双基地声呐自主探测试验。在该试验中，NURC在海底布置了声源作为发

14、射站，并将自研的细拖曳阵声呐系统(S11TA)搭载在“海洋探险者”UUV上，作为接收站，如图5所示。“海洋探险者”长度为4.5m,直径0.53m,当搭载拖曳阵声呐时，其最高航行速度为3kn,续航时间7h。S1ITA拥有83个换能器，最多可同时配置其中的32个。该声呐目前提供了4种工作阵元配置，所对应的工作频带覆盖了714Hz3471Hz的范围，使声呐可以工作在较低频的被动模式与较高频的主动模式。该套声呐系统可基于实时探测结果对UUV的运动进行自动规划，使S1ITA的法线方向自适应指向目标方位，以扩大阵列的有效孔径，提高方位分辨率。新加坡国立大学声学研究室研发了数字式细线拖曳阵声呐系统(DT1A

15、),如图6所示。DT1A拥有12个声学通道，直径仅为15mmoDT1A的轻便特性使其十分适合搭载于小型UUV平台上。该研究室利用自研的“STARFISH”小型UUV搭载DT1A,如图7所示，在外场环境下实现了目标的自主探测，并同时实现了离线的目标跟踪。图6DT1A声呐系统的拖曳阵图7STARF1SH”小型UUV随着减震降噪技术的发展，水中目标的声隐身性显著提高。而为了提高与之相对抗的自主探测能力，需要进一步增加声呐的阵元个数和阵列孔径，但受限于无人平台的尺寸以及布放、回收等实际操作需要，这一要求往往难以满足。矢量水听器的出现为该问题的解决指出了新的方向。相比于传统声压水听器，矢量水听器兼有声压的和相互正交的质点振速分量输出通道，能够提供更为全面的声场观测结果，与此同时，其体积小、重量轻，对发展小平台声呐系统具有重要意义：1）研究表明，不同于声压传感器的全指向性，振速传感器阵元本身就具有偶极子指向性，利用这一特性，从干扰抑制的角度来看，单个矢量传感器就具有对空间中