水下非声技术发展研究

本文转载自 蓝海星智库（ID：SICC_LHX）

作者：王晓静 朱鹏飞  张旭 马晓晨 王国亮

无线电波、光波在水介质中衰减较为严重，而声波可在水介质中远距离传播，一直被视为水下有效的信息载体，水声探测、通信、定位导航技术也一直是海洋领域的重点研究对象。一方面由于水介质的复杂性，声纳在应用过程中受水面、水底、水中物体的反射声波和水中噪声干扰严重；另一方面，声波在水中传播速度远低于无线电波和光波，时变空变严重，多普勒扩展严重，这些均限制了水声技术的发展，影响其探测、通信、定位导航的有效性和可靠性。

近年来，由于安静型潜艇和无人潜航器等安静型小目标削弱了声学探测的优势，水声通信的速率、带宽、安全性致使水中平台、武器、预置无人系统的作战效能无法发挥到极致，美俄欧等国寄希望于非声探测、通信技术，加大了投资研发力度，希望发挥电磁波、光波的优势，在局部应用中有所突破，成为水下声学手段的有力补充。2009年，美国海军研究实验室正式立项研究德拜效应用于探潜；2014年1月，美国海军研究署与加州大学共同研发出了一种新型快速闪烁双曲超材料用于光通信；2016年12月，美国高级研究计划局微系统办公室发布“变形虫”项目研发公告，发展小型无线电通信设备以实现水下远距离通信；2017年3月，美国海军空间与海战系统司令部发布“模块化光学通信”载荷项目公告，以实现高速、跨域通信；2017年7月，欧洲防务局委托瑞典国家国防研究中心、德法联合的圣路易斯研究所研究激光技术，用于水下目标探测和识别。

一、水下非声探测技术

（一）发展背景

潜艇作为水下的机动平台，续航力高、打击能力强、可隐蔽执行复杂任务，一直作为海洋中的隐蔽突袭力量而存在，为世界各国所忌惮。在反潜战中，反潜探测是至关重要的环节，一旦探测到敌方潜艇，它将很难逃脱，短时间内将被消灭。因此，从潜艇诞生至今，探潜和潜艇隐身技术就在不断的发展，各国海军都希望强己之盾，利己之矛。进入新世纪以来，潜艇减振降噪技术进一步发展，致使潜艇的辐射噪声进一步降低，被动声纳探测能力被大幅削减；金属水和隐身衣等新型潜艇涂层技术的产生，一旦应用将大幅降低主动声纳的探测能力；近海作战环境的复杂性也将影响声纳性能的稳定发挥；基于上述原因，近年来欧美等国开始注重非声探测技术的发展与应用，试图与声探测技术形成互补。

（二）非声探测主要成就

1、美俄海军发展德拜效应磁探仪提供探潜新途径

2009年美国海军研究实验室正式立项研究德拜效应，探索将其应用于反潜的可行性，项目分为三个阶段。第一阶段分析微量电磁场的探测方案，评估利用德拜效应探潜的可行性；第二阶段确定最优探测频率，对探测方案进行实测，完成探测传感器样机研制；第三阶段优化设计，并将技术向平台转化。海军研究实验室研究发现，不仅仅是潜艇的尾流可以出现德拜效应，潜艇游动产生的水下扰动“内波”和扁平漩涡，以及潜艇鳍板和舵面产生的微型漩涡，都能形成德拜效应，并且相应的磁信号能够被探测系统捕捉到。德拜效应反潜领域的研究仍处在实验室阶段，美国海军计划引入超导以及量子领域的成果，研制灵敏度极高的磁传感器，以实现对微弱磁信号的探测。另有消息透露，俄罗斯研制的德拜效应探测器已经能够探测到数千米外潜艇留下的尾流，并通过跟踪尾流找到潜艇。

德拜效应同样是潜艇在水下运动时产生一种磁场，只是此磁场不同于彼磁场，它不是由潜艇上的铁磁材料引起的艇体磁场，而是由海水中带电离子运动产生的磁场。虽然该磁场比较微弱，但它不会因为潜艇定期消磁或采用钛金属这样的非磁材料而消失，并可用专门研发的德拜探测仪对其进行探测。从这个意义上说，潜艇运动形成的德拜磁场对潜艇是“与生俱来”的，与潜艇自身有无磁性毫无关系，并且该磁场同尾流一样会“跟随”潜艇很长一段时间。

德拜效应磁探仪一旦实现对微弱磁信号的大范围搜索，将对水下战装备产生深刻影响。在潜艇平台方面，当前潜艇为实现理想的隐身能力，异常重视声隐身和磁隐身（铁磁）技术发展，通过流线外形、消声瓦、泵喷推进、采用钛合金等多种途径降低声磁信号。但德拜效应的利用，开辟了一条探潜新途径，使当前为潜艇隐身所做的努力起不到应有效果。由于德拜效应只和潜艇周边水的受迫运动有关，为降低德拜效应，未来潜艇需要在艇型及推进方面重点革新。

2、美国高级研究计划局发展“分布式敏捷反潜”浅海子系统以实现非声传感器组网探潜

2010年，美国高级研究计划局开始“分布式敏捷反潜”系统项目的研发工作，该系统由深海子系统、浅海子系统两部分构成，深海子系统由海底固定声纳节点和数十个无人潜航器构成，创新的采用了“自下而上”的探测方式，有效降低海底地形对声学探测的影响；浅海子系统由无人机构成，利用无人机携带的非声传感器采用“自上而下”的探测方式，搜集潜艇尾流等非声学特征。2013年，美国高级研究计划局完成非声传感器和系统的研究工作，开始数据收集用于非声反潜，并完成非声信号探测和评估，但相关细节和进展透露较少。

DASH深海、浅海反潜子系统作战示意图

3、欧防局发展激光探测技术用于复杂水域目标探测和识别

2017年7月披露，欧防局委托瑞典国家国防研究中心、德法联合的圣路易斯研究所进行一项研究，发现使用光探测和激光探测系统可探测和识别水下目标。

该项技术具有两个优势，一是机载激光扫描系统可以快速部署，如果目标足够大，在水面平台或水下平台上部署激光门控视图（LGV）、水下激光扫描（ULS）系统，可以确认目标；二是适合在浅水区域、环境复杂的海洋区域、声波不易接近的区域等作为声纳的补充执行探测任务。

（三）水下非声通信技术发展思路

美俄欧均比较关注水下非声探测技术，主要发展思路为：

1、针对浅水等声纳有效性较差的复杂环境研发非声探测技术，以弥补声探测的不足。浅水环境中，声纳受温度、天气、岛屿、过往船只、水中生物、界面散射声波等因素的影响，探测性能会大打折扣，远不如深海中可利用深海声道轴、可靠声学路径等较为理想的声学信道进行探测，此时需要非声探测技术作为声纳技术的补充，增强浅水区的预警探测能力。

2、以另辟蹊径的方式实现常规非声探测技术的突破，可能会对水下攻防产生颠覆性影响。水下非声探测技术发展多年，主要应用磁探仪、红外探测仪、探潜雷达等装备进行辅助探测。近年来，不止通过升级改造常规装备技术以提升探测性能，更是以另辟蹊径的方式，达到原理的创新，以打破现有水下非声探测的常规化攻防形式，将会对水下攻防产生颠覆性影响，对对手造成技术突袭，已形成非对称优势。

二、水下非声通信技术

（一）发展背景

潜艇作为战术突袭力量和战略威慑力量，大量时间处于潜伏状态，对通信能力的要求不高。新世纪以来，美海军大力发展无人系统，未来水下战要求潜艇/UUV能与水下、水面、空中有人/无人系统协同作战，对水下通信和跨介质通信技术提出更高要求。水下通信主要应用声波，水声通信具有远距离传输的优势，被视为水下通信的主要手段，但通信速率目前只能达到kb/s量级，且水声信道时变、空变性强，噪声高，多途干扰严重，通信带宽窄、速率低、易于暴露。为满足日益紧迫的对高速率、大带宽、隐蔽通信技术的需求，美国借助DARPA等颠覆性技术发展机构，力求突破非声通信技术瓶颈，与声通信技术互为补充。

（二）非声通信主要成就

1、银硅纳米层材料可用于水下LED高速光通信

1963年，研究学者发现，海水对450～550nm波段内的可见光蓝绿波段的吸收远小于其他的光波段，可用于水下通信。2014年4月，美国海军研究署与加州大学共同研发出了一种新型快速闪烁的双曲超材料，用于LED系统后可有效提高水下光通信的速率，可用于水面舰与潜艇、潜艇与蛙人、水下传感器与无人潜航器等通讯过程。该材料具有银与硅构成的纳米层结构，分子的闪烁速率为目前广泛应用基于氮化镓的LED相应速率的76倍，亮度为普通材料的80倍。

声通信受限于较低的传输速度以及较小的传输带宽，并且会引起一些鲸鱼等海洋生物的不安。蓝绿LED光通信技术成熟后，该技术将很有可能取代声波在短距离通信领域的地位。

2、美国高级研究计划局研制微型特低频/甚低频发射机用于水下无线电通信

2016年12月，美国高级研究计划局发布“变形虫”项目广泛机构征询书，开发微型特低频/甚低频（ULF/VLF）信号发射机，提高长波通信和数据传输能力。ULF（300Hz-3kHz）/VLF（3kHz-30kHz）频段对应波长较长，穿透性和绕射能力较强，同时大气波导也可将ULF/VLF信号传播至数百公里外，因此该频段特别适用于长距离通信。但频率越低，波长越长，发射机尺寸越大，需研发适用于UUV的小型发射装置，用于水下通信。

项目应用示意图

传统发射机依靠功率放大器电路产生振荡电流，然后将电流馈入天线发射电磁波信号。于此不同，“变形虫”项目研发的发射机由带有强电场或强磁场的特殊材料的机械振动产生电磁波，比如利用磁棒或驻极体按特定速率反复移动产生ULF/VLF射频信号。该发射机拥有两个输入端口，一个是供电端口，另一个是原始数据端口。采用功率射频电路、匹配网络、机械振动驱动、电磁波发射材料、天线结构、热管理组件、封装与加固结构等关键技术，在目标频带产生电磁波，并将将原始数据调制到射频载波上。

在水下高频射频信号穿透性差，无法进行长距离通讯，低频射频信号穿透性好，能实现长距离通讯，但天线体积较大，设备适装性差。利用“变形虫”项目研发的ULF/VLF发射机能显著减小长波通讯设备的尺寸、重量和功耗等，可装备潜艇、UUV、浮标、蛙人等，提高水下超视距通信能力。

3、美国海军发展“模块化光学通信”技术以实现高速跨域通信

2017年3月，美国海军空间与海战系统司令部发布“模块化光学通信”载荷项目公告，旨在设计有人潜艇/UUV与飞机间的全双工通信系统。该系统无需水面通信转换节点，可实现潜艇与飞机的直接通信，目标通信速率不低于1kbps，未来有望实现更高速率，通信距离15海里，深度超过100英尺，并且具有低截获概率和低探测概率（LPI/LPD）特性。

项目应用示意图

这套空潜光学通信系统将解决海上跨介质通信问题，具有低截获概率和低探测概率（LPI/LPD）特性，数据通信速率潜力巨大，使空潜通信摆脱对水面平台、浮标的依赖，并无需潜艇浮出水面，为跨与协同作战开辟新的通信保障途径。

（三）水下非声通信技术发展思路

美国比较重视水下非声通信技术发展，特点是针对重点应用领域研发一些方案，实现技术的重点突破。分析水下通信研究项目可知，美海军对水下通信技术领域进行了充分考量和全方位的布局，主要思路为：

1、充分考量无线电通信、光通信的优劣与适用条件，均安排了相关的应用项目，力求实现全方位的技术突破，便于根据实际的作战环境和作战需求，灵活选择高效经济的通信方式，通过优化配置的方式实现通信能力的提升，如水下声通信速率很慢，短时间难以实现巨大突破满足作战需求，通过发展通信速率较快的无线电通信、光通信，应用于短距离或清澈水域等适宜环境，可以极大扩展整个水下的数据传输量；

2、美海军在布局水下通信应用项目时，充分考虑了近年来的军事需求，例如无人系统的快速发展和应用对通信设备提出的小型化需求，有人平台、无人平台、传感器形成的异构通信网络对需要可靠的信息保障，水下水上作战群需要跨域通信指控能力以实现联合作战，于是提出了发展适用于UUV搭载的小型无线电通信发射机、跨域通信技术。此次美海军在通信技术领域的新布局也体现了美海军技术发展思路的变化，综合运用声、光、电磁等水下通信、跨域通信技术手段，力求在各通信技术擅长的应用领域取得突破，在作战应用时采用最优的通信技术方案，实现整体的扩频、增速、安全通信。

三、总结

（一）美国较为重视非声探测、通信技术的发展

虽然美俄欧等海军强国均在非声探测、通信技术领域投入了相关的人力、物力，但是从近年来的动向和取得的成果可看出，美国较为重视水下非声技术的发展，不仅美国海军研发机构联合其他优势单位进行技术攻关，近两年来，还依托美国以创新而闻名的国防高级研究计划局，安排了相关的水下非声技术的研究工作，希望可以实现关键技术的重大突破。

（二）非声探测、通信技术的成熟度较低，一旦成熟会对水下战造成颠覆性影响

非声探测、通信技术成熟度远不如声探测、声通信技术，大部分技术仍处于实验室研发阶段，或者研发工作刚刚启动。但一方面由于迫切的军事需求，一方面由于大数据技术、计算机技术、新型材料工艺的快速发展，水下非声技术呈现出良好的发展势头，一旦成熟应用，将打破现有的水下作战模式，技术优势国相对于对手将形成压倒性优势。

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