王金成，郭星香，孫玉臣，，房俊偉，姜 斌

（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢430033；2.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041；3.中國人民解放軍92767部隊(duì)，山東 青島 266102；4.海軍潛艇學(xué)院 航海觀通系，山東 青島 266100）

0 引言

在對水域的安全監(jiān)控手段上，不論國內(nèi)國外，現(xiàn)有措施多依靠雷達(dá)等裝備保證水面以上區(qū)域的預(yù)警，而水下區(qū)域預(yù)警探測手段比較薄弱。隨著“非對稱作戰(zhàn)”模式逐步受到各國重視，敵對破壞分子逐步開始利用水下蛙人、微型潛艇、機(jī)器人等秘密潛入碼頭、海港、海上勘探平臺、艦艇錨泊區(qū)及島礁等重點(diǎn)水域?qū)嵤﹤刹旎蚱茐摹?/p>

由于蛙人體積小、噪聲強(qiáng)度低、目標(biāo)信號頻率低，使得開發(fā)反蛙人的作戰(zhàn)裝備具有一定的困難，水下蛙人探測裝備受到各國，尤其是海軍強(qiáng)國的普遍重視[1-3]。

探測蛙人的方式，按照不同的物理原理，可以分為如下幾類：水面搜索雷達(dá)、可見光及熱成像系統(tǒng)、水下磁探測網(wǎng)絡(luò)以及水聲等多種方式。但是，當(dāng)蛙人潛入水下時，由于可見光及電磁波信號的衰減，使其難以實(shí)施有效監(jiān)測，同其它水下作戰(zhàn)目標(biāo)監(jiān)測類似，水聲目標(biāo)才是唯一可靠、可用的物理特性。同樣在水下30 kHz頻率上的輻射損失，電磁波可達(dá)7 500 dB/km，而聲波僅為5 dB/km[4]，而實(shí)際電磁波頻率一般比30 kHz要高很多。這使得水下視頻監(jiān)視和電磁探測等設(shè)備根本無法與聲吶設(shè)備相媲美，故探測水下蛙人，主要依靠聲吶。

圖1 攜帶運(yùn)載器的蛙人Fig.1 Frogman with a SDV

1 反蛙人聲吶的研究進(jìn)展

蛙人的目標(biāo)尺度小，噪聲頻率低，且經(jīng)?；顒拥母劭诤脱睾５貐^(qū)因船舶殘骸、港壁、海床或水面等眾多后向散射物體和邊界環(huán)境引起的混響噪聲嚴(yán)重[5]，這都為聲吶設(shè)計(jì)帶來了困難。針對目標(biāo)尺度小的特點(diǎn)，必須有高頻的聲波信號去分辨蛙人，因而需要用主動聲吶去探測蛙人。為了獲取較高的目標(biāo)回波強(qiáng)度以盡量增加探測距離，目前各國大多采取高頻主動聲吶技術(shù)來探測水下蛙人，工作頻率主要分布于60～100 kHz，帶寬3～20 kHz，發(fā)射聲強(qiáng)級180～210 dB，最遠(yuǎn)探測距離400～2 000 m不等[6-8]。主要在港口基地、大型船舶、高價值海上設(shè)施等處固定或吊放布置于水底、船側(cè)和碼頭側(cè)墻等部位[9]。蛙人本身所輻射出的聲學(xué)特性，是被動聲吶探測的技術(shù)基礎(chǔ)，蛙人目標(biāo)的聲信號主要來源于蛙人身體呼吸振動聲、呼吸器減壓閥振動聲及氣泡破裂振動聲。在港口等復(fù)雜噪聲環(huán)境下，對蛙人的目標(biāo)檢測并不理想，主要原因是蛙人體積小、信號強(qiáng)度低，可被檢測的距離短。但聲吶采取被動方式探測具有諸多優(yōu)勢，比較主動聲吶，其魯棒性強(qiáng)，對生態(tài)環(huán)境友好，能耗低，隱蔽性強(qiáng)，尤其配置于航母等大型艦艇周圍時，不易暴露目標(biāo)，且可根據(jù)不同目標(biāo)的不同聲學(xué)特性，更容易識別目標(biāo)[10-12]。

2 蛙人目標(biāo)聲信號特征研究進(jìn)展

在主動聲吶作用下，蛙人目標(biāo)回波信號主要來源于開式呼吸排出的大量氣泡（75 kHz時目標(biāo)強(qiáng)度不小于-16.9 dB），其次來源于干式潛水服（75 kHz時目標(biāo)強(qiáng)度約-17 dB），再次是開式呼吸氣瓶（75 kHz時目標(biāo)強(qiáng)度約-24 dB），蛙人身體的目標(biāo)強(qiáng)度相對較?。?5 kHz時目標(biāo)強(qiáng)度約-27.2 dB），且依次來源于肺部組織、骨骼和其他軟體組織。身穿濕式潛水服并采取閉式呼吸的蛙人，其回波目標(biāo)強(qiáng)度不到-25 dB（75 kHz時）[5，13-15]。

在被動聲吶作用下，呼吸是蛙人水下探測和識別的主要依據(jù)，開式蛙人水下聲輻射信號頻率范圍覆蓋了0.2～13 kHz，且周期與蛙人水下生理性呼吸周期基本一致（約3～5 s），吸氣能量主要集中于高頻（2～13 kHz，持續(xù)時間約0.7～0.8 s，主要源于減壓閥振動），呼氣能量主要集中于低頻（0.2～2 kHz，持續(xù)時間約1.2～1.5 s，主要源于氣泡群的排出入水）。呼氣造成的低頻信號能量高于吸氣造成的高頻信號，但呼氣的低頻段信號隨距離衰減嚴(yán)重；吸氣的高頻段信號特征明顯，隨距離衰減較慢，成分也比較規(guī)則，是被動探測的理想頻段。在標(biāo)準(zhǔn)參考距離和聲壓下，開式蛙人、半閉式蛙人、全閉式蛙人的聲源級分別約為（161±1）dB，（131±2）dB，（108±1）dB，且聲源能量主要集中于 200 Hz 以下[10，16-28]。

同時，很多研究機(jī)構(gòu)使用了圖像識別等方法對蛙人聲學(xué)圖像進(jìn)行目標(biāo)識別，機(jī)器學(xué)習(xí)等方法也逐步引入水下蛙人目標(biāo)的探測與識別。

3 反蛙人武器的研究進(jìn)展

針對蛙人，為了實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)即打擊”，各國均發(fā)展了對抗蛙人的專用武器，如：由計(jì)算機(jī)控制的反蛙人水雷、便于軍艦上使用的反蛙人手榴彈、反蛙人深水炸彈、反蛙人火箭炮及以俄軍 APS水下自動步槍為代表的各種水下槍械[1，29]。

3.1 國外重型武器發(fā)展情況

20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)斯普拉夫設(shè)計(jì)院研制出了DP-62岸基自行式多火箭發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由40管BM-20PD戰(zhàn)車、22mmPRS-60火箭彈組成，能夠與蛙人探測聲吶結(jié)合自動運(yùn)行，可單發(fā)、半齊射（最多20枚火箭彈）和全齊射（20 s內(nèi)發(fā)射40枚火箭彈），可在300 m距離對蛙人及其運(yùn)載器造成0.99概率的毀傷[30]。

1971年，蘇聯(lián)“玄武巖”設(shè)計(jì)局研制成功了MRG-1（火花）微型 7管深彈發(fā)射器。經(jīng)過多年升級改造，MRG-1系統(tǒng)在 1991年通過加裝一套包含小型聲吶在內(nèi)的搜索火控系統(tǒng)，深彈發(fā)射器改為10管，成為DP-65反蛙人系統(tǒng)。其具備對蛙人目標(biāo)的探測、識別和跟蹤功能，可以發(fā)射RG-55M、RGS-55、RG-55-1 3種高爆榴彈。榴彈均配備雙引信，打擊范圍可達(dá)80 m2，包括水下、水面和陸地，可對水下 60 m的蛙人進(jìn)行有效殺傷，DP-65系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可安裝于岸基、艦艇等多種平臺[30]。

目前，俄羅斯正在研制新型的反蛙人火箭助飛榴彈，新型的榴彈射程將達(dá)1 000 m，使用水深超過60 m，水下殺傷半徑超過20 m，該型榴彈發(fā)射器可與蛙人探測聲吶結(jié)合使用，除了打擊水下目標(biāo)，還能摧毀岸上人員及車輛[30]。

圖2 蘇聯(lián)MRG-1反蛙人系統(tǒng)Fig.2 Soviet MRG-1 anti-frogman system

圖3 蘇聯(lián)DP-65蛙人打擊系統(tǒng)Fig.3 Soviet DP-65 frogman strike system

3.2 國外輕型武器發(fā)展情況

1960年末，蘇聯(lián)研制出了 AP-61型單兵反蛙人火箭，該型火箭系統(tǒng)可配備機(jī)械引信（GRS-55）和無線電引信（GDS-55）兩種型號榴彈，因操作簡單、攜帶方便，得到廣泛應(yīng)用[31]。

圖4 蘇聯(lián)AP-61型單兵反蛙人火箭Fig.4 Soviet AP-61 individual anti-frogman rocket

1989年，“玄武巖”設(shè)計(jì)局還研制成功了DP-65的輕便型，型號為DP-64，并于 1990年量產(chǎn)。該型反蛙人武器主要為手持式雙管榴彈發(fā)射器，重量僅10 kg左右，采用后端裝填，有效打擊距離400 m，不僅可以手持使用，還可以掛載于船舷或直升機(jī)對蛙人進(jìn)行立體打擊。配備有FG-45高爆榴彈（水下殺傷半徑超過14 m）和SG-45信號榴彈（照亮?xí)r長不短于50 s），對蛙人的打擊效果借鑒了深水炸彈對潛艇的打擊，目前該裝備已列裝俄羅斯和越南海軍陸戰(zhàn)隊(duì)[30-31]。

圖5 蘇聯(lián)DP-64反蛙人武器Fig.5 Soviet DP-64 anti-frogman weapon

俄羅斯自蘇聯(lián)時期開始，中央精密機(jī)械工程研究所就研制出了多型水下蛙人使用的近戰(zhàn)槍械，用于反制水下蛙人及食肉動物，主要有 APS（AΠC）型5.66 mm水下無聲自動步槍、ASM-DT和 ADS兩款 5.45 mm兩棲突擊步槍、SPP-1（CΠΠ-1）型和SPP-1M（CΠΠ-1M）型4.5 mm水下 4管無聲手槍，并研制了配套的槍彈。目前，除了新研制的ADS之外，其他水下槍械已出口十幾個國家[1-2，30，32-34]。

1975年，APS型5.66 mm水下無聲自動步槍研制成功并裝備部隊(duì)。該槍型借鑒AK系列的長行程活塞導(dǎo)氣式自動原理，槍機(jī)回轉(zhuǎn)式閉鎖，采用細(xì)長箭形彈和機(jī)框撞針的擊發(fā)方式，可進(jìn)行單、連發(fā)射擊，適用于40 m以內(nèi)水深。5 m水深處有效殺傷距離為22 m，40 m水深處有效殺傷距離為11 m，空氣中有效殺傷距離超過100 m。

2007年，俄羅斯運(yùn)動及狩獵武器中央設(shè)計(jì)研究局研制出了 5.45 mm口徑的兩棲特種自動步槍ADS，以逐步取代現(xiàn)有水下自動步槍。該槍型專門配備陸上和水中兩種槍彈，陸上采用5.45×39 mm全系列制式彈藥，并可加掛 40 mmVOG-25型和VOG-25P型榴彈；水下使用5.45×39 mm水下特種彈藥[35]。

圖6 俄羅斯ADS型兩棲特種自動步槍Fig.6 Russian ADS amphibious special automatic rifle

1971年，SPP-1型4.5 mm水下4管無聲手槍裝備俄羅斯戰(zhàn)斗蛙人部隊(duì)，該槍水中最大有效射程為20 m，且水深越大，有效射程越小（水深5 m時射程為17 m，水深20 m時射程為11 m，水深40 m時射程為6 m），之后的改進(jìn)型SPP-1M一直服役至今。該系列手槍配套專門的 SPS水下彈藥發(fā)射箭形槍彈，該槍彈全長145 mm，質(zhì)量17.5 g；彈頭為低碳鋼，長 115 mm，彈徑 4.5 mm，質(zhì)量12.8 g，為突緣瓶頸形狀。這種箭形彈在手槍的有效射程內(nèi)可輕易地穿透保暖潛水衣或5 mm厚的塑料面罩，對潛水員造成嚴(yán)重創(chuàng)傷[30]。

圖7 俄羅斯SPP-1M型手槍Fig.7 Russian SPP-1M pistol

1980年代，德國Heckler＆Koch公司研制出了P11水下手槍，該手槍由5發(fā)裝管束和底把組成，發(fā)射采用電擊發(fā)方式。為保持彈道穩(wěn)定，槍彈設(shè)計(jì)有尾翼，水下有效射程約 15 m，近距離可射穿約10 mm后的潛水氣瓶鋼板，槍瞄使用氚光管，適合能見度低的水下，目前該手槍已幾乎成為北約國家海軍特種部隊(duì)的標(biāo)配[33]。

圖8 德國P11型手槍Fig.8 German P11 pistol

3.3 國外軟殺傷武器發(fā)展情況

2010年，美國史蒂文斯理工學(xué)院的Sutin等利用優(yōu)化的淺海聲學(xué)模型，對水下蛙人進(jìn)行方位估計(jì)，通過水下?lián)P聲器對蛙人進(jìn)行軟殺傷，且不會對其他海洋生物造成傷害[36]。

北約國家許多反蛙人聲吶系統(tǒng)中，也帶有水下?lián)P聲器，用于對隱蔽于水下的蛙人進(jìn)行警告或逼迫其浮出水面[37-40]。

3.4 國內(nèi)重型武器發(fā)展情況

CS-AR1型反蛙人探測打擊一體化系統(tǒng)是蘇聯(lián)DP-65的國產(chǎn)型，具備榴彈發(fā)射遙控功能；DP-65是裝載于“現(xiàn)代”級驅(qū)逐艦而被同時引進(jìn)的。CS-AR1于2011年由中國兵器裝備集團(tuán)成功定型，并于2012年開始裝備南海部分島礁和國產(chǎn)航母等重要艦艇；該系統(tǒng)依靠水下聲吶探測到蛙人或微型潛艇后，可以僅發(fā)出預(yù)警信號，也可以利用10管榴彈發(fā)射器對危險目標(biāo)實(shí)施殺傷，有效監(jiān)視半徑為500 m，并具備故障自檢等一系列AN智能判別功能，榴彈殺傷半徑可達(dá) 16 m。在永暑礁上，該系統(tǒng)與61式雙聯(lián)25 mm艦炮共同組成對蛙人和小艇的近防打擊系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)“小島堡壘化，大島陣地化”的目標(biāo)[2，41-42]。

圖9 CS-AR1型國產(chǎn)反蛙人系統(tǒng)Fig.9 Domestic CS-AR1 anti-frogman system

CS-LK4近區(qū)防御遙控武器系統(tǒng)是一型岸基一對多的防御武器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可整合現(xiàn)役的多種其他武器，打擊目標(biāo)覆蓋海陸空，可對水下蛙人、水面快艇和空中飛行器進(jìn)行打擊，功能參數(shù)也可根據(jù)作戰(zhàn)需要進(jìn)行臨時調(diào)整[31]。

圖10 CS-LK4型近區(qū)防御遙控武器系統(tǒng)Fig.10 CS-LK4 near zone defense remote control weapon system

2019年，中北大學(xué)的姚養(yǎng)無等設(shè)計(jì)了一型55 mm反蛙人外能源自動炮，并對其性能做了仿真研究，該自動炮設(shè)計(jì)口徑為55 mm，重量≤60 kg，彈藥采用1.2 kg重量的高爆榴彈，射程2 km，射速60發(fā)/min，可岸上固定安裝或艦載使用[31]。

圖11 反蛙人自動炮整體布局俯視圖Fig.11 Top-down view of the anti-frogman automatic gun layout

3.5 國內(nèi)輕型武器發(fā)展情況

QBS-06型5.8 mm水下突擊步槍，是第一型國產(chǎn)的近距反蛙人特種輕武器，自20世紀(jì)90年代開始研制，借鑒于俄羅斯的APS型5.66 mm反蛙人步槍，并做了諸多優(yōu)化。2006年定型，適于0～40 m水深使用，必要時也可陸地使用，可點(diǎn)射或連射，彈夾容量26發(fā)。為保持槍彈的水下彈道穩(wěn)定，其配備的槍彈采用大長徑比設(shè)計(jì)，外形為箭形，尾部設(shè)計(jì)成棱形。該槍彈全長150 mm，重量28 g，質(zhì)心靠前，擊中目標(biāo)后會造成槍彈翻轉(zhuǎn)，以擴(kuò)大殺傷創(chuàng)面，在水下能見度范圍內(nèi)能夠擊穿蛙人用的防水面罩及氣瓶[31，43]。

圖12 QBS-06型5.8 mm水下突擊步槍（帶刺刀）Fig.12 QBS-06 5.8 mm underwater assault rifle（with bayonet）

圖13 5.8 mm水下突擊步槍配套槍彈Fig.13 Matching bullet for 5.8 mm underwater assault rifle

3.6 國內(nèi)軟殺傷武器發(fā)展情況

中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院與哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了一型基于磁探測的要地水下反蛙人防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)將磁傳感器與高壓電纜進(jìn)行復(fù)合，形成水下物理安全柵欄。有效探測距離約20 m，在蛙人切割柵欄時，釋放高壓電對蛙人進(jìn)行軟殺傷，殺傷距離2～50 m可調(diào)，制作的樣機(jī)經(jīng)測試可發(fā)射88 MPa峰值壓力，比傳統(tǒng)的爆炸式等打擊聲源具有聲源級高、頻帶范圍廣等特點(diǎn)，但該電子系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜且所需瞬間功率高，峰值功率需達(dá)到150 MW[44]。

此外，國內(nèi)還有許多學(xué)者研究了次聲等聲學(xué)武器對水下蛙人目標(biāo)的應(yīng)用效果[45]。

4 結(jié)束語

本文綜述了國內(nèi)外反蛙人武器系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外反蛙人聲吶裝備系統(tǒng)和蛙人水下目標(biāo)主被動聲學(xué)特征的研究進(jìn)展。通過綜合分析，總結(jié)出目前國內(nèi)外的反蛙人聲吶系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)有[9，46]：

1）大多采用高頻主動方式進(jìn)行探測，被動探測方式較少；

2）主動聲吶中心工作頻率大多為 60～100 kHz，帶寬可達(dá)20 kHz，且一部聲吶可有多個工作頻率[47]；

3）被動聲吶主要以開式呼吸蛙人為主要探測目標(biāo)，根據(jù)蛙人水下呼吸信號特點(diǎn)進(jìn)行探測和識別[48]；

4）主動探測距離一般大于1 200 m，被動探測距離一般不少于350 m[49]；

5）主動聲吶探測角度覆蓋范圍一般水平可達(dá)360°，垂直可達(dá) 14°，以利于海岸等淺水環(huán)境，探測角度分辨率可達(dá)0.1°；

6）適用場景多樣，工作水深可達(dá) 100 m，可手持、座底、岸側(cè)和隨船安裝攜帶；

7）能同時對多達(dá)250個目標(biāo)進(jìn)行探測、識別和跟蹤；

8）配合自身算法，在強(qiáng)混響背景下的目標(biāo)檢測具有極低的虛警率。

反蛙人聲吶系統(tǒng)在現(xiàn)有發(fā)展的基礎(chǔ)上，也逐步向以下方向發(fā)展：

1）多部聲吶組合工作，提高發(fā)現(xiàn)概率[50]；

2）智能化和集成化程度越來越高，功能越來越多樣，與蛙人對抗武器進(jìn)行組合的趨勢明顯[51-52]；

3）聲吶系統(tǒng)在減小的體積和重量的同時，向低頻、寬帶、大垂直束寬方向發(fā)展；

4）聲吶的垂直發(fā)射波束和水平接收波束逐步變窄，以適應(yīng)淺海小目標(biāo)探測和跟蹤；

5）高頻成像聲吶逐步運(yùn)用于水下蛙人探測；

6）機(jī)器學(xué)習(xí)等新的算法開始引入蛙人探測和識別；

7）在原有硬殺傷武器的基礎(chǔ)上，軟殺傷武器種類開始增多[45]。

國外由于研究起步早，在水下反蛙人武器、反蛙人聲吶裝備和蛙人目標(biāo)聲信號特征研究方面的成果突出。經(jīng)過近幾年的努力，我國在此方面與國外的差距正逐步縮小，武器系統(tǒng)比較完備，所列裝的主動聲吶性能已接近國際先進(jìn)水平，對蛙人水下聲信號特征的研究日趨成熟，但對武器系統(tǒng)的殺傷距離和范圍、被動探測聲吶裝備、不同條件下的蛙人水下聲信號特征等方面的研究還有諸多提升空間。這些空間是保衛(wèi)我國沿海島礁等重點(diǎn)水域安全的重要需求，也是我國水下安保技術(shù)領(lǐng)域的一個重要的發(fā)展方向，值得進(jìn)一步研究。