孫建，趙艾奇，王雅芬，王博，馬雪飛

1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094

2. 91977部隊，北京 102249

3. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

蛙人在海洋復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行水下活動時，對其進(jìn)行有效發(fā)現(xiàn)和探測十分困難。以目前普遍使用的蛙人探測聲納為例，由于武裝蛙人已普遍使用封閉式氧氣型再呼吸器和低噪聲潛航器，其自噪聲約為90 dB左右，接近海洋背景噪聲，難以實現(xiàn)準(zhǔn)確識別[1-6]。加之探測聲吶本身存在易暴露、誤報、配套設(shè)施要求高、固定基站敷設(shè)困難等技術(shù)缺陷，嚴(yán)重制約了其使用范圍；尤其是在任務(wù)緊、海域?qū)?、水文條件復(fù)雜等條件下要求快速敷設(shè)和應(yīng)急使用，實施難度更大[7-9]。因此，為滿足軍事防御、海上執(zhí)法和海洋主權(quán)維護(hù)需要，對水下低強(qiáng)度目標(biāo)防御起關(guān)鍵作用的技術(shù)、裝備、設(shè)施進(jìn)行創(chuàng)新已迫在眉睫[10-15]。

本文提出了一種水下物理安全柵欄結(jié)合高聚能聲波發(fā)生器，具有目標(biāo)識別、定位、警告、驅(qū)離和被動防御非致命損傷為一體的立體警戒防御裝備技術(shù)方案。

1 裝備現(xiàn)狀

國外從20世紀(jì)70年代起就非常重視港口等要地尤其是軍港的水下防護(hù)，為對付潛入港口和海軍基地不明潛艇、水下航行器和蛙人等威脅，前蘇聯(lián)、瑞典、挪威、美國等軍事強(qiáng)國紛紛研制和裝備了多種要地、港口水下安全防御設(shè)施或岸基水下探測系統(tǒng)[16-22]。如美國的港口防御系統(tǒng)（homeland defencing）、瑞典的海岸防御系統(tǒng)（the safe barrier system，如圖1所示）、法國THALES公司開發(fā)的MAPS港口防護(hù)系統(tǒng)(modular area protection systems，如圖2所示）、德國a.r.s.TECHNOLOGIES GmhH公司的海港預(yù)警系統(tǒng)、加拿大的L-3 Communications Klein Associates公司的海設(shè)施保護(hù)系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)主要由水面、水下傳感器網(wǎng)和防護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)所組成：傳感器系統(tǒng)的主要作用是24 h監(jiān)視規(guī)定的水面水下區(qū)域，其中一部分傳感器主要是為發(fā)現(xiàn)和探測水面目標(biāo)，另一部分主要是針對水下目標(biāo)，多種類的各個傳感器之間相互協(xié)作與補(bǔ)充，信息綜合處理和顯控，自動對威脅目標(biāo)識別、報警，輔助防御決策；水面、水下安全防護(hù)網(wǎng)主要是防止水面、水下小型航行器和蛙人進(jìn)入港內(nèi)的安全屏障，從而構(gòu)成一個對海岸要地具備全天候、立體警戒的安全防護(hù)系統(tǒng)。

圖1 瑞典海岸警戒和防御系統(tǒng)示意

圖2 法國MAPS港口防護(hù)系統(tǒng)示意

2 需求分析

2.1 防御目標(biāo)及其特點

1) 防御目標(biāo)為敵方各種小型潛器及蛙人；

2) 防御目標(biāo)來自于水下，隱蔽性好，給目標(biāo)探測和定位帶來極大困難；

3) 蛙人執(zhí)行任務(wù)時通常都穿潛水服甚至攜帶封閉式的潛水設(shè)備，噪音低、聲學(xué)特征不明顯；

4) 防御目標(biāo)的活動范圍較大，且有一定規(guī)律，如小型潛器通常在距島礁，尤其是港口較近的范圍內(nèi)活動，蛙人只在島礁（主要是港口基地）附近出現(xiàn)和活動；

5) 防御目標(biāo)一次性（在同一海域、同一時間段內(nèi)）出現(xiàn)的數(shù)量少、批次少，對同時探測的數(shù)量要求不高；

6) 防御目標(biāo)的運動速度低，對反應(yīng)時間要求不高。

2.2 水下防御重點

要地水下直接威脅不是來自于潛艇、蛙人運載器本身，而是來自行動詭秘、破壞力巨大的水下蛙人特種部隊，以及來自于布放在港口要地出海航道上的各種水雷。因此島礁等要地水下防御的重點側(cè)重于對蛙人入侵的防范和對小型潛器布放水雷的防范，并要求水下防御系統(tǒng)具有較強(qiáng)的水下早期預(yù)警能力；此外，系統(tǒng)還必須對非常規(guī)的恐怖式襲擊具有防范能力。

3 系統(tǒng)概述

針對我國海洋環(huán)境安全防護(hù)的重大需求，研究提出一種要地水下反蛙人防御系統(tǒng)總體解決方案。

3.1 設(shè)計原則

3.1.1 功能動態(tài)性

系統(tǒng)功能將隨時代變遷而不斷向前發(fā)展和變化。例如，UUV等無人平臺的出現(xiàn)，可實現(xiàn)多種以前沒有的作戰(zhàn)功能。即便是在同一時代，由于體系內(nèi)系統(tǒng)的職能發(fā)揮受到國家戰(zhàn)略、防御作戰(zhàn)思想和裝備性能等因素的影響和制約，各國要地水下防御體系的內(nèi)部系統(tǒng)組成也可能不同。因此，不同國家、不同時期的要地水下防御體系概念之內(nèi)涵是動態(tài)變化的。

3.1.2 要素完備性

任何一個體系，為了實現(xiàn)其目標(biāo)或使命，其組成的某些系統(tǒng)（或要素）是必不可少的，要地水下防御體系也不例外，其要素必然包含目標(biāo)警戒與探測、指揮與控制、防御手段等。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)多樣性

根據(jù)系統(tǒng)論的原理，復(fù)雜系統(tǒng)可以從不同角度或按不同標(biāo)準(zhǔn)劃分子系統(tǒng)。體系也可從不同角度構(gòu)建出內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的系統(tǒng)。如按功能構(gòu)建體系、按水下防御武器構(gòu)建體系等。為便于研究，通常按一種標(biāo)準(zhǔn)來劃分體系內(nèi)的構(gòu)建系統(tǒng)，并滿足完備性和獨立性要求。

3.2 設(shè)計思路

要地水下反蛙人防御系統(tǒng)要實現(xiàn)對蛙人入侵的快速反應(yīng)，包括探測、定位、通信、警告、殺傷設(shè)備，完成從集中指揮、精確識別定位、警告或軟硬殺傷等逐級動作，探測距離相對較短、分辨率更高。采用磁探測系統(tǒng)，完成目標(biāo)的識別，利用水下高壓脈沖放電并進(jìn)行警告或反制攻擊。物理安全柵欄是最后一道防線，將光纖和高壓電纜進(jìn)行復(fù)合，經(jīng)特種編織處理制作成物理安全柵欄；一旦物理安全柵欄任意處被割斷，高壓電能自動向網(wǎng)絡(luò)供電并在被割斷的線纜斷面形成水中高壓放電，對入侵目標(biāo)實施非致命性攻擊。

3.3 系統(tǒng)組成

按照任務(wù)劃分和應(yīng)具備的系統(tǒng)主要功能，要地水下反蛙人防御系統(tǒng)由水下警戒分系統(tǒng)、水面監(jiān)控分系統(tǒng)、水下攔阻分系統(tǒng)、蛙人對抗分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理中心組成。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成示意

4 系統(tǒng)功能及性能

4.1 系統(tǒng)功能

1) 對重點水域的水下目標(biāo)探測功能；

2) 對水下小目標(biāo)的物理攔阻功能；

3) 對近程水下小目標(biāo)的探測功能；

4) 對近程水面小目標(biāo)的監(jiān)控功能；

5) 對敵蛙人的軟對抗功能。

4.2 系統(tǒng)主要性能

1) 磁場分辨率為 0.5 nT～10 pT；

2) 對水下蛙人目標(biāo)監(jiān)測距離＞20 m；

3) 對水下蛙人目標(biāo)軟殺傷距離為2～50 m（可調(diào)）。

5 總體技術(shù)方案

5.1 使用流程

當(dāng)蛙人在海上突破遠(yuǎn)程（2～55 km）和中程（400～2 000 m）預(yù)警防線后，進(jìn)入近距離防御區(qū)（＜400 m），首先被微弱磁場傳感器捕捉、識別和定位，由于光纖磁傳感器隱蔽性好、無源且不受海洋環(huán)境影響，近距離捕捉、識別目標(biāo)能力強(qiáng)，當(dāng)光纖磁傳感器監(jiān)測到異常信號后將通過光纖直接反饋到控制中心，控制中心經(jīng)信號調(diào)制解調(diào)處理后一旦確認(rèn)符合蛙人相關(guān)特征，可人工或自動啟動高壓電源向聚能器供電，聚能器上的高壓放電頭在海水介質(zhì)產(chǎn)生液電效應(yīng)，瞬間在水中產(chǎn)生強(qiáng)大的壓縮沖擊波并釋放強(qiáng)烈的超聲波和次聲波，經(jīng)聚能罩匯聚后形成強(qiáng)大的定向沖擊波向蛙人發(fā)出警告和攻擊（通過放電電壓和頻率調(diào)整實現(xiàn)），蛙人在此沖擊波的作用下難以在水中繼續(xù)潛伏，直至失去行為能力。

如果蛙人躲過光纖磁傳感器的探測，其前進(jìn)途中將遇到由光電復(fù)合高壓水密電纜構(gòu)成的物理安全防御柵欄，具有物理阻止、安全監(jiān)控和非致命損傷功能。光電復(fù)合高壓水密電纜由光纖、同軸線芯（傳輸高壓脈沖）、屏蔽層、抗拉層、外護(hù)套和屏蔽層組成，編織成網(wǎng)格狀，網(wǎng)格密度為150 mm×150 mm，單線及網(wǎng)格節(jié)點抗拉強(qiáng)度達(dá)1.5 t，向上高出水面2 m，向下延伸40 m以上（蛙人裝具使用極限）。對此，蛙人只能使用刀具進(jìn)行水下切割才能穿過此網(wǎng)，而一旦割斷柵欄任一處，光纖斷點引起的光傳輸變化將及時反饋到控制中心，控制中心可自動向高壓儲能裝置發(fā)出放電信號，高壓儲能裝置向柵欄輸送100 kV以上的高壓脈沖電能，高壓脈沖電能將在被割的斷點處進(jìn)行水中放電，其液電效應(yīng)產(chǎn)生的力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、電磁輻射等效應(yīng)對蛙人機(jī)體造成損傷，使蛙人無法繼續(xù)在水下完成相應(yīng)動作，達(dá)到軟殺傷目的。

5.2 微弱磁場傳感器方案

圖4 光纖傳感器原理

本項目所設(shè)計的磁場傳感器是通過確定光纖腔衰蕩時間實現(xiàn)磁場測量，該模型要反映光纖腔衰蕩時間與磁場之間的關(guān)系。傳統(tǒng)光纖元器件設(shè)計方式如圖5和6所示：前者靈敏度較高，但工藝復(fù)雜、復(fù)用難度大；后者靈敏度低，但具有抗干擾、耐腐蝕、體積小、易復(fù)用等有點。

圖5 法布里-珀羅（F-P）結(jié)構(gòu)

圖6 光纖光柵器件結(jié)構(gòu)

在總結(jié)上述2種傳統(tǒng)光纖傳感器優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，將兩者進(jìn)行有效復(fù)合，研制“機(jī)械場-光場”耦合型光纖器件，使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，具有高靈敏度、易復(fù)用能力，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 新型光纖微弱磁場傳感器結(jié)構(gòu)

5.3 特種光纖復(fù)合高壓電纜方案

特種光纖復(fù)合高壓電纜的作用是將光纖微弱磁場傳感器捕捉到的弱磁信號傳輸?shù)叫盘柼幚砥鞯奈ㄒ煌ǖ?，同時，通過特殊的網(wǎng)格狀編織構(gòu)成水下防阻安全柵欄。當(dāng)特種光纖復(fù)合高壓電纜被蛙人割斷時，光纖發(fā)出的斷路信號將啟動高壓電源向該網(wǎng)絡(luò)供電，高壓電在電纜斷面處構(gòu)成水中等離子體放電條件，其等離子體聲源電極尖端瞬時高壓放電產(chǎn)生的強(qiáng)聲波及光電效應(yīng)等物理場將對蛙人產(chǎn)生非致命的被動攻擊效果，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，由纜芯、絕緣、光纖、屏蔽層、抗拉纖維及外護(hù)套組成。

圖8 特種光纖高壓復(fù)合電纜結(jié)構(gòu)

5.4 高聚能沖擊波發(fā)射裝置方案

“液電效應(yīng)”高壓放電產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波的基本原理是：把數(shù)萬伏的高壓電存儲在電容上并通過一個觸發(fā)信號使開關(guān)導(dǎo)通，則電容上的高壓電將在瞬間加載到電極間隙上，由于電極間距較短（1～10 mm），在高場強(qiáng)的作用下，間隙之間的介質(zhì)將被擊穿而生成一條高溫、高壓的等離子體通道，等離子通道迅速擠壓周圍的介質(zhì)而產(chǎn)生沖擊波，該類聲源被稱為等離子體聲源。放電通道形成后，在焦耳熱的作用下，水中的放電通道之間產(chǎn)生一個較大的球狀氣泡。放電完成后，氣泡停止膨脹。在周圍介質(zhì)的壓迫下，氣泡半徑開始收縮，在氣泡半徑達(dá)到極小的坍縮時刻，氣泡向液體中輻射較強(qiáng)的沖擊波脈沖。電弧放電產(chǎn)生沖擊波的同時還伴隨著流光的產(chǎn)生。相比傳統(tǒng)的爆炸式聲源、電聲換能器和流體動力式等類型的聲源，等離子體聲源具有聲源級高、脈沖波形可調(diào)、頻帶范圍廣等優(yōu)點。

本項目研制的反射式聚能裝置包含了兩大部分：一是能量存儲部分，包括電容、間隙開關(guān)、控制電路和防水密封外殼；二是能量釋放及聚能部分，包括放電電極、反射罩和反饋電路。如圖9所示。

圖9 反射式聚能裝置設(shè)計示意

6 試驗驗證

本項目試制了高壓脈沖放電聲源樣機(jī)和水下沖擊波測量系統(tǒng)。主要用于測試特種光纖高壓復(fù)合電纜剪切后，其斷面在高壓狀態(tài)下水中脈沖放電效果；以及測試橢球反射罩的聚焦效果和聲場分布特性。試驗樣機(jī)如圖10所示。

圖10 原理試驗現(xiàn)場測試

6.1 旋轉(zhuǎn)橢球面聚能反射罩水中放電結(jié)果

根據(jù)采集的電壓電流數(shù)據(jù)計算出放電通道建立時的功率曲線（如圖11所示），在放電的過程中，峰值功率可達(dá)150 MV，計算注入放電通道的能量為195.5 J。理想情況下，實驗裝置中4.0 μF儲能電容的電壓為25 kV，可計算出總能量為1 250 J，從而可得出放電能量注入效率為15.64%。

圖11 單次放電功率曲線

6.2 特種光纖高壓復(fù)合電纜斷面水中放電結(jié)果

通過壓力傳感器對特種旋轉(zhuǎn)橢球面反射罩水中放電沖擊波的采集及后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理，得到了不同電壓強(qiáng)度下產(chǎn)生的沖擊波壓力值。其中電容1 μF，電壓35 kV典型數(shù)據(jù)結(jié)果及曲線如圖12所示，其峰值壓力可達(dá)88 MPa。

圖12 1 μF、35 kV 采集壓力值

7 結(jié)論

1）提出了一種要地水下反蛙人防御系統(tǒng)總體方案。

2）完成了弱磁場傳感器、高能脈沖定向聚能、光電復(fù)合高壓水密電纜設(shè)計。

3）試制了主要產(chǎn)品原理樣機(jī)，完成了水下測試。本項目為后續(xù)工程型號應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，具有廣泛的軍事價值和經(jīng)濟(jì)價值。