水下非声探测与隐身技术综述

彭 亮，王建勋，邓海华，刘 宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

水下非声探测与隐身技术综述

彭 亮，王建勋，邓海华，刘 宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

非声隐身技术的重要性日益凸显，本文从分析舰艇的磁场、电场和尾迹这几种国外重点关注的非声特性入手，介绍了国外的非声探测手段和探测水平，分析了水下非声探测的机理;在此基础上，本文介绍了国外磁场、电场、尾迹、雷达波和可见光等先进非声隐身单项技术的发展现状和特点，分析了水下非声隐身技术的原理;最后对非声隐身技术的发展趋势进行展望。

非声探测技术;非声隐身技术;磁场;电场;尾迹

0 引言

良好的隐蔽性能是舰艇军事价值的源泉。由于部分发达国家的声隐身技术已经达到了较高的水平，加之在近岸海区的声探测环境比较恶劣，发展非声隐身技术已经成为各国海军非常关注的一个方向［1］。美国海军在《2000－2035年海军技术－反潜战》报告中指出，非声反潜是水声探测的必要辅助手段。

目前，国内研究单位初步掌握了国外部分非声探测技术的概况。文献［1］介绍了一些20世纪在浅海区域使用的非声探测手段;文献［2］研究了部分航空非声探测设备的应用情况;文献［3］说明了几种非声探测技术的现状;文献［4］探讨了关于舰艇水下非声物理场特性测量的一些基本问题。国外的非声探测和隐身技术早已进入实用阶段，但出于保密原因，仅能查阅到一些关于测量系统的介绍［5］和建模分析的论文［6］。

本文从水下非声隐身技术的军事需求出发，在说明国外非声探测技术水平的基础上，重点分析几种对水下目标较为重要的非声隐身单项技术。

1 水下非声探测与隐身技术现状

舰艇的主要非声物理特性有磁场特性、电场特性和尾迹特性等。在不同的航行工况以及在执行不同的任务时，各种非声探测手段对水下目标的威胁程度是不同的。对于航速较高、航行深度较大的舰艇来说，合成孔径雷达 (SAR）探测内波尾迹的方式对其威胁较大;对于处于水面航态的舰艇来说，雷达波探测和可见光成像的方式对其威胁较大;当舰艇以较低航速驶过在海底布设有磁场传感器阵列的海峡时，磁场探测设备对其威胁最大。为对抗来自空中、水下各种武器装备的探测、跟踪与攻击，舰艇必须采取多方面的非声隐身防护措施，对自身物理场特性进行控制，以有效降低被探测和攻击的可能性。

1.1 磁场探测与隐身技术

舰艇由于自身磁场特性面临的威胁主要来自于2个方面，一是远场航空磁探，即反潜机上的地磁异常探测仪可以在不受海况影响的情况下发现水下目标并对其进行精确定位;二是近场磁引信水雷。矢量磁场传感器在晃动的条件下无法进行精确测量，不适用于飞机平台，因此反潜机上搭载的是测量磁场强度总量的光泵式磁探仪。

常用的磁场隐身技术有消磁站消除固定磁场(外消磁）、艇载消磁系统实时补偿感应磁场 (内消磁）［7］、对艇上设备进行低磁化设计消除交变磁场以及用低磁材料建造舰艇。

在艇载消磁系统控制算法方面，发达国家已从磁罗经控制 (第1代）发展到地磁解算和磁探头控制 (第2代）的开环消磁系统，并向闭环消磁系统(第3代）进行过渡。开环控制方式的艇载消磁系统采用地磁解算方法得到舰艇航行位置处的地磁场值，进而计算得到舰艇的感应磁场值，然后根据此感应磁场值实时调整在消磁绕组中通入的电流。在消磁控制技术应用方面，国外采用嵌入式数字控制、分布式网络控制和热备份冗余等工业控制技术，以保证消磁系统的可靠性。

为配合磁场隐身技术研究工作的开展以及对磁隐身措施的效果进行验证，国外在舰艇磁场特性建模分析方面开展了深入的研究工作，包括舰艇磁场远距离推算技术、舰艇磁场特性分布仿真技术、艇载消磁系统仿真技术。目前国外主要采用数学模型仿真为主、物理模型仿真为辅的方法开展水下舰艇磁场特性仿真研究。在数学模型仿真方面主要应用大平面法、谐波分析法、磁体模拟法、边界元法和有限元法等方法。

法国Cedrat公司开发的电磁仿真软件FLUX在舰艇磁场特性建模分析方面的仿真计算功能很强大，被广泛使用，但该软件在以下方面有待改进:

1）绘图功能不足。该软件难以绘制出由较多曲面组成的精确的舰艇模型;另外，该软件与其他三维绘图软件 (如Catia）的接口功能较弱。

2）无法对固定磁场进行仿真分析。该软件在静磁场仿真分析方面只能对感应磁场进行计算，无法综合考虑影响固定磁场的众多因素。

在磁隐身措施的效果验证方面，俄罗斯经过多年的研究积累，在综合考虑对抗水雷和对抗反潜机需求的基础上，采用2套考核指标 (舰艇磁场幅值及磁矩）配合使用的方式，较好实现了对水下舰艇静态磁场近场、远场磁防护性能评估的兼顾。发达国家还通过不断改进磁场测量技术，将试验研究的范围从传统意义上的舰艇静态磁场扩展到了低频电磁场，对杂散磁场、腐蚀相关电磁场、涡流磁场以及尾流磁场的分布规律开展了大量的研究工作。

1.2 电场探测与隐身技术

舰艇的电场特性主要由2个因素引起，一是舰艇受到海洋环境的腐蚀，二是用于防腐的阴极保护系统。这两者会在舰艇周围的海水中产生电流，导致舰艇被布放于水中的电场传感器探测到，以及被电场引信水雷 (西班牙MINEA水雷和美国LSM水雷）攻击。水下电场传感器一般采用氯化银电极或碳纤维电极作为电场感应元件［8］，用相隔一定距离的2个电极测量电势差的方式得到某一区域的电场强度。瑞典和英国的电场传感器系统自噪声可以达到 1 nV，测量频率范围约为1Hz～3kHz，精度可以达到1nV/m。

与腐蚀相关的舰艇电场主要分为静电场、轴频电场以及工频电场［9］。海水、舰艇壳体和螺旋桨等导电介质构成的电流通路中的腐蚀电流和阴极保护电流产生的能量集中在DC～0.1Hz频段的电场，称为静电场;由于螺旋桨的旋转使螺旋桨－轴－艇体－海水电流回路的电阻发生周期性变化，流经海水的腐蚀和防腐电流因此受到调制，产生频率与轴旋转频率相同的交变电场，称为轴频电场;阴极保护系统的电源谐波，以及艇上机电设备的漏电流和电磁辐射引起的工频及其倍频分量的交变电场，称为工频电场。

被动轴接地和主动轴接地系统可以有效抑制轴频电场。主动轴接地系统通过额外的电路实现主轴接地，从而将轴承旁路掉，以抑制轴承电阻波动所引起的轴频电场。进行阴极保护系统优化设计可以在保证舰艇防腐性能的同时兼顾电场隐身性能，该方法通过优化辅助阳极的位置和输出电流的大小等参数来实现降低静电场强度的目的。抑制工频电场的措施主要是使用内置无源滤波和有源滤波系统的低纹波系数电位仪为阴极保护系统提供电源。俄罗斯的舰艇所采用的电场抑制装置与其他国家不同，其Каскад电场消除系统对所有接触的异种金属进行了有效的电绝缘，并利用磁性调制传感器测量轴频电流特征参数，在尾部阳极施加反向电流消除轴频电磁场;俄罗斯还制定了系统的电场防护结构工艺标准，通过在舰艇的结构工艺上尽量避免不同金属材料之间电连接的方式从源头上降低舰艇电场。

为配合电场隐身技术研究工作的开展以及对电场隐身措施的效果进行评价，英国、法国和加拿大等国家开发了有限元、边界元和偶极子分析软件，能够对舰艇电场的主要来源——防腐系统所产生的静电场、轴频电场以及工频电场进行分析计算。在分析软件中输入舰艇尺寸结构和阴极保护系统的阳极位置，就可以预测静电场或低频电场的空间分布特性。

1.3 尾迹探测与隐身技术

舰艇的尾迹是造成舰艇暴露并破坏其隐身性能的重要物理特征。内波尾迹和热尾迹是2种主要的水下舰艇尾迹。水下舰艇尾迹的产生原因可以归结于体积和温度2种因素。海水是密度分层流体［10］，在海洋中航行的水下舰艇，其艇体的扰动和航行引起的尾流会破坏海水原来的密度分层，因而会在海洋中产生内波。这种不规则的内波会对海面的水波有调制作用，从而改变海面的粗糙程度。当使用星载合成孔径雷达 (SAR）对海面进行探测时，被调制了的海面水波会影响电磁波的后散射［11］，引起SAR图像的明显像变，导致水下舰艇的尾迹被发现。美国的星载SAR在0.006 s的时间之内就可以生成一幅覆盖范围达到1 000 km2、分辨能力为3 m的图像。通过多个星载SAR的不间断扫描，就可以实时远距离监测全球范围内海洋舰艇的活动。水下舰艇的下潜深度即使超过了100 m，其产生的内波尾迹依然可以被探测到。由于水下舰艇的体积产生的水动力学尾迹还包括开尔文尾迹、涡尾迹、湍流尾迹、冷尾迹、伯努利“水丘”等。

另一方面，水下舰艇的热排水在上浮过程中会形成一条持续时间较长、持续范围较大的热尾流(与周围海水的温差可达到0.001℃ ～0.01℃），并可能上浮到海面 (水下舰艇在密度跃层之下航行时热尾流无法浮升至海面）。使用最小可分辨温差已达到0.001℃的的红外热像仪可以观察到水下舰艇的热尾迹。水下舰艇尾迹探测设备除了上述的SAR和红外热像仪外，还有发射蓝绿激光的光学探测器。由于水下舰艇尾迹扩散范围大，可延伸几千米，配备机载SAR和机载红外探测设备的反潜机在几千米的高空就可以探测到水下舰艇的尾迹，探测距离可达数十千米。

抑制水下舰艇的内波尾迹是非常困难的，这方面的研究基本都处于探索阶段。美国正在研究的一项尾迹隐身技术的原理是在艇体表面覆盖一层内嵌微型水泵的三维晶格多孔金属材料［12］，使从覆层中流出的水流速度与艇体外的水流速度相当，从而减弱水下舰艇的尾迹。对热尾迹的抑制一般采用冷却水分级排放技术，以降低水下舰艇热排水与环境海水的温差。

1.4 其他非声探测与隐身技术

除磁场、电场和尾迹探测技术外，雷达波探测技术和可见光探测技术对处于近水面状态航行的舰艇也有一定的威胁。

雷达可以对舰艇暴露在海面以上部分的艇体结构和升降装置进行远距离探测和识别。减小舰艇露出水面部分的雷达波散射截面积 (RCS）可以取得较好的雷达波隐身效果。指挥台围壳自下而上呈一定角度内倾、升降装置小型化设计、在升降装置上加装导流罩或屏蔽罩、涂覆雷达波吸波材料是美国、德国、瑞典和日本部分舰艇目前采用的减小RCS的主要手段。

舰艇露出水面的升降装置，其表面颜色、光谱特性与环境水色和光谱有明显差别，多光谱探测设备可以远距离探测到这种差别。涂覆多光谱迷彩隐身涂料，可以起到良好的可见光隐身效果。

除上述5种非声物理场外，目前已知的舰艇非声物理特性还包括红外、水压场、通信电磁波、激光、生物荧光、核辐射和重力场等。

红外:舰艇在水面航行时，太阳光对舰艇水面以上部分的金属结构的加热和反射，会产生较强的红外辐射。反潜机上装备的红外探测器可以探测到这种红外辐射。红外辐射的强度与舰艇水面以上部分的表面温度密切相关。红外辐射的波长为3～5 μm和8～13μm。

水压场:舰艇航行于水下时，会使周围水流场的流速发生变化，从而引起流场压力的变化。水压场引信的水雷就是基于这种非声特性对舰艇进行攻击的。

通信电磁波:舰艇在进行通信时，天线发射的电磁波容易被敌方的侦察电台截获。

激光:向水下发射的大功率窄脉冲激光遇到舰艇会发生反射，利用这种特性可以对水下舰艇进行探测，0.5μm左右的蓝绿光波段是激光探潜的最佳波段。

生物荧光:舰艇的螺旋桨搅动和艇体运动引起的扰动会使一些特殊的生物体因受到刺激而发光。基于高灵敏度光谱分析仪构建的水下生物光探测器可以通过探测这种生物荧光来发现水下舰艇。

核辐射:核反应堆产生的γ光子会穿透核动力装置一、二次屏蔽和舱壁射入水中。反应堆中的中子通过使海水活化和慢化的方式可以产生γ射线。高分辨率γ探测器可以捕获上述γ光子和γ射线。另外，γ射线与海水相互作用产生的切伦科夫光，可以被具有微光探测能力的卫星发现。

2 水下非声探测与隐身技术发展趋势

水下非声探测技术的发展趋势主要包括以下2个方面:

1）建立专用的舰艇非声特性测量场。法国国防部下属武器装备总署 (DGA）于2004年在布雷斯特完成了对3个测试场的现代化改造，使其具备在水深25 m，15 m和9 m处测量舰艇的磁场和水压场的能力;2011年，DGA在布雷斯特又新建了一个测量深度为25 m的电场信号测量场。建立专用测量场的目的是为了准确掌握舰艇的非声物理特性，以便在后续型号舰艇的设计建造阶段就对非声隐身问题加以考虑。

2）研制更高性能的探测设备。欧美各国近年来一方面着力于提高磁场传感器和电场探测电极的灵敏度、频率响应范围和稳定性，并降低其自噪声;另一方面致力于将电场和磁场测量设备进行集成，构建多场测量系统。

水下非声隐身技术的发展趋势主要包括以下几个方面:

1）闭环消磁技术。相比于开环控制方式，闭环消磁技术的控制精度更高。使用闭环控制方式的艇载消磁系统需要根据艇内传感器的磁场强度测量值，推算艇底部的近场磁场强度，然后根据此数值实时调整在消磁线圈中通入的电流。因此，为了使舰艇近场磁场强度的测量计算结果受到艇上铁磁物质的影响较小，需要使用低磁材料建造舰艇。

2）新型推进技术。目前，美国、英国等国家的新型水下舰艇使用了泵喷推进装置，不仅降低了水动力噪声，同时在减弱尾迹方面也有较大贡献。俄罗斯开展的研究表明，磁流体推进技术在降低水下舰艇水动力噪声和减弱尾迹方面也有较好的效果。

3）多功能隐身材料。未来的隐身材料需要具有宽频带特性，能同时应对雷达和红外热像仪的探测。发达国家正在研制的薄膜型材料和半导体型材料既能吸收雷达波，又具有低红外辐射特性。

4）非声隐身措施的兼容性设计。为了减少腐蚀，阴极保护系统会产生电流，使得舰艇的电场特性变得更为明显。类似的，为了补偿感应磁场，消磁绕组中通入的电流也可能会增大舰艇的电场强度。为解决诸如此类的兼容性问题，需要进行非声隐身措施的兼容性设计，比如发达国家已经上艇应用的考虑静电场隐身的阴极保护统优化设计技术。

3 结语

作为声隐身技术的补充手段，非声隐身技术对提高舰艇的综合隐身性能来说至关重要。加快舰艇多目标特征的综合隐身技术研究和应用的步伐，对提高舰艇的隐蔽作战能力和生存能力是非常有意义的。

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Review of the non-acoustic detection and stealth technology

PENG Liang，WANG Jian-xun，DENG Hai-hua，LIU Hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

The importance of non-acoustics stealth technology is increasing.Firstly，the magnetic field，electric field，and wake characteristics of vessels focused abroad are analyzed.The non-acoustics detection method and ability are introduced.The mechanism of underwater non-acoustics detection is discussed.Secondly，the state-of-the-art and characteristics of advanced non-acoustic stealth technology abroad are introduced involving magnetic field，electric field，wake，radar and visible light.Finally，the future developments and prospects of non-acoustic stealth technology are presented.

non-acoustics detection technology;non-acoustics stealth technology;magnetic field;electric field;wake

M937

A

1672－7649(2014）05－0006－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.002

2013－07－17;

2013－08－16

彭亮(1983－），男，博士，工程师，从事舰船技术研究工作。