要地水下反蛙人防御技术

孙建，赵艾奇，王雅芬，王博，马雪飞

1. 中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094

2. 91977部队，北京 102249

3. 哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

蛙人在海洋复杂环境中进行水下活动时，对其进行有效发现和探测十分困难。以目前普遍使用的蛙人探测声纳为例，由于武装蛙人已普遍使用封闭式氧气型再呼吸器和低噪声潜航器，其自噪声约为90 dB左右，接近海洋背景噪声，难以实现准确识别[1-6]。加之探测声呐本身存在易暴露、误报、配套设施要求高、固定基站敷设困难等技术缺陷，严重制约了其使用范围；尤其是在任务紧、海域宽、水文条件复杂等条件下要求快速敷设和应急使用，实施难度更大[7-9]。因此，为满足军事防御、海上执法和海洋主权维护需要，对水下低强度目标防御起关键作用的技术、装备、设施进行创新已迫在眉睫[10-15]。

本文提出了一种水下物理安全栅栏结合高聚能声波发生器，具有目标识别、定位、警告、驱离和被动防御非致命损伤为一体的立体警戒防御装备技术方案。

1 装备现状

国外从20世纪70年代起就非常重视港口等要地尤其是军港的水下防护，为对付潜入港口和海军基地不明潜艇、水下航行器和蛙人等威胁，前苏联、瑞典、挪威、美国等军事强国纷纷研制和装备了多种要地、港口水下安全防御设施或岸基水下探测系统[16-22]。如美国的港口防御系统（homeland defencing）、瑞典的海岸防御系统（the safe barrier system，如图1所示）、法国THALES公司开发的MAPS港口防护系统(modular area protection systems，如图2所示）、德国a.r.s.TECHNOLOGIES GmhH公司的海港预警系统、加拿大的L-3 Communications Klein Associates公司的海设施保护系统等。上述系统主要由水面、水下传感器网和防护网系统所组成：传感器系统的主要作用是24 h监视规定的水面水下区域，其中一部分传感器主要是为发现和探测水面目标，另一部分主要是针对水下目标，多种类的各个传感器之间相互协作与补充，信息综合处理和显控，自动对威胁目标识别、报警，辅助防御决策；水面、水下安全防护网主要是防止水面、水下小型航行器和蛙人进入港内的安全屏障，从而构成一个对海岸要地具备全天候、立体警戒的安全防护系统。

图1 瑞典海岸警戒和防御系统示意

图2 法国MAPS港口防护系统示意

2 需求分析

2.1 防御目标及其特点

1) 防御目标为敌方各种小型潜器及蛙人；

2) 防御目标来自于水下，隐蔽性好，给目标探测和定位带来极大困难；

3) 蛙人执行任务时通常都穿潜水服甚至携带封闭式的潜水设备，噪音低、声学特征不明显；

4) 防御目标的活动范围较大，且有一定规律，如小型潜器通常在距岛礁，尤其是港口较近的范围内活动，蛙人只在岛礁（主要是港口基地）附近出现和活动；

5) 防御目标一次性（在同一海域、同一时间段内）出现的数量少、批次少，对同时探测的数量要求不高；

6) 防御目标的运动速度低，对反应时间要求不高。

2.2 水下防御重点

要地水下直接威胁不是来自于潜艇、蛙人运载器本身，而是来自行动诡秘、破坏力巨大的水下蛙人特种部队，以及来自于布放在港口要地出海航道上的各种水雷。因此岛礁等要地水下防御的重点侧重于对蛙人入侵的防范和对小型潜器布放水雷的防范，并要求水下防御系统具有较强的水下早期预警能力；此外，系统还必须对非常规的恐怖式袭击具有防范能力。

3 系统概述

针对我国海洋环境安全防护的重大需求，研究提出一种要地水下反蛙人防御系统总体解决方案。

3.1 设计原则

3.1.1 功能动态性

系统功能将随时代变迁而不断向前发展和变化。例如，UUV等无人平台的出现，可实现多种以前没有的作战功能。即便是在同一时代，由于体系内系统的职能发挥受到国家战略、防御作战思想和装备性能等因素的影响和制约，各国要地水下防御体系的内部系统组成也可能不同。因此，不同国家、不同时期的要地水下防御体系概念之内涵是动态变化的。

3.1.2 要素完备性

任何一个体系，为了实现其目标或使命，其组成的某些系统（或要素）是必不可少的，要地水下防御体系也不例外，其要素必然包含目标警戒与探测、指挥与控制、防御手段等。

3.1.3 标准多样性

根据系统论的原理，复杂系统可以从不同角度或按不同标准划分子系统。体系也可从不同角度构建出内部结构不同的系统。如按功能构建体系、按水下防御武器构建体系等。为便于研究，通常按一种标准来划分体系内的构建系统，并满足完备性和独立性要求。

3.2 设计思路

要地水下反蛙人防御系统要实现对蛙人入侵的快速反应，包括探测、定位、通信、警告、杀伤设备，完成从集中指挥、精确识别定位、警告或软硬杀伤等逐级动作，探测距离相对较短、分辨率更高。采用磁探测系统，完成目标的识别，利用水下高压脉冲放电并进行警告或反制攻击。物理安全栅栏是最后一道防线，将光纤和高压电缆进行复合，经特种编织处理制作成物理安全栅栏；一旦物理安全栅栏任意处被割断，高压电能自动向网络供电并在被割断的线缆断面形成水中高压放电，对入侵目标实施非致命性攻击。

3.3 系统组成

按照任务划分和应具备的系统主要功能，要地水下反蛙人防御系统由水下警戒分系统、水面监控分系统、水下拦阻分系统、蛙人对抗分系统和数据处理中心组成。如图3所示。

图3 系统组成示意

4 系统功能及性能

4.1 系统功能

1) 对重点水域的水下目标探测功能；

2) 对水下小目标的物理拦阻功能；

3) 对近程水下小目标的探测功能；

4) 对近程水面小目标的监控功能；

5) 对敌蛙人的软对抗功能。

4.2 系统主要性能

1) 磁场分辨率为 0.5 nT～10 pT；

2) 对水下蛙人目标监测距离＞20 m；

3) 对水下蛙人目标软杀伤距离为2～50 m（可调）。

5 总体技术方案

5.1 使用流程

当蛙人在海上突破远程（2～55 km）和中程（400～2 000 m）预警防线后，进入近距离防御区（＜400 m），首先被微弱磁场传感器捕捉、识别和定位，由于光纤磁传感器隐蔽性好、无源且不受海洋环境影响，近距离捕捉、识别目标能力强，当光纤磁传感器监测到异常信号后将通过光纤直接反馈到控制中心，控制中心经信号调制解调处理后一旦确认符合蛙人相关特征，可人工或自动启动高压电源向聚能器供电，聚能器上的高压放电头在海水介质产生液电效应，瞬间在水中产生强大的压缩冲击波并释放强烈的超声波和次声波，经聚能罩汇聚后形成强大的定向冲击波向蛙人发出警告和攻击（通过放电电压和频率调整实现），蛙人在此冲击波的作用下难以在水中继续潜伏，直至失去行为能力。

如果蛙人躲过光纤磁传感器的探测，其前进途中将遇到由光电复合高压水密电缆构成的物理安全防御栅栏，具有物理阻止、安全监控和非致命损伤功能。光电复合高压水密电缆由光纤、同轴线芯（传输高压脉冲）、屏蔽层、抗拉层、外护套和屏蔽层组成，编织成网格状，网格密度为150 mm×150 mm，单线及网格节点抗拉强度达1.5 t，向上高出水面2 m，向下延伸40 m以上（蛙人装具使用极限）。对此，蛙人只能使用刀具进行水下切割才能穿过此网，而一旦割断栅栏任一处，光纤断点引起的光传输变化将及时反馈到控制中心，控制中心可自动向高压储能装置发出放电信号，高压储能装置向栅栏输送100 kV以上的高压脉冲电能，高压脉冲电能将在被割的断点处进行水中放电，其液电效应产生的力学、声学、光学、化学、电磁辐射等效应对蛙人机体造成损伤，使蛙人无法继续在水下完成相应动作，达到软杀伤目的。

5.2 微弱磁场传感器方案

图4 光纤传感器原理

本项目所设计的磁场传感器是通过确定光纤腔衰荡时间实现磁场测量，该模型要反映光纤腔衰荡时间与磁场之间的关系。传统光纤元器件设计方式如图5和6所示：前者灵敏度较高，但工艺复杂、复用难度大；后者灵敏度低，但具有抗干扰、耐腐蚀、体积小、易复用等有点。

图5 法布里-珀罗（F-P）结构

图6 光纤光栅器件结构

在总结上述2种传统光纤传感器优缺点的基础上，将两者进行有效复合，研制“机械场-光场”耦合型光纤器件，使两者优势互补，具有高灵敏度、易复用能力，结构如图7所示。

图7 新型光纤微弱磁场传感器结构

5.3 特种光纤复合高压电缆方案

特种光纤复合高压电缆的作用是将光纤微弱磁场传感器捕捉到的弱磁信号传输到信号处理器的唯一通道，同时，通过特殊的网格状编织构成水下防阻安全栅栏。当特种光纤复合高压电缆被蛙人割断时，光纤发出的断路信号将启动高压电源向该网络供电，高压电在电缆断面处构成水中等离子体放电条件，其等离子体声源电极尖端瞬时高压放电产生的强声波及光电效应等物理场将对蛙人产生非致命的被动攻击效果，其结构如图8所示，由缆芯、绝缘、光纤、屏蔽层、抗拉纤维及外护套组成。

图8 特种光纤高压复合电缆结构

5.4 高聚能冲击波发射装置方案

“液电效应”高压放电产生高强度冲击波的基本原理是：把数万伏的高压电存储在电容上并通过一个触发信号使开关导通，则电容上的高压电将在瞬间加载到电极间隙上，由于电极间距较短（1～10 mm），在高场强的作用下，间隙之间的介质将被击穿而生成一条高温、高压的等离子体通道，等离子通道迅速挤压周围的介质而产生冲击波，该类声源被称为等离子体声源。放电通道形成后，在焦耳热的作用下，水中的放电通道之间产生一个较大的球状气泡。放电完成后，气泡停止膨胀。在周围介质的压迫下，气泡半径开始收缩，在气泡半径达到极小的坍缩时刻，气泡向液体中辐射较强的冲击波脉冲。电弧放电产生冲击波的同时还伴随着流光的产生。相比传统的爆炸式声源、电声换能器和流体动力式等类型的声源，等离子体声源具有声源级高、脉冲波形可调、频带范围广等优点。

本项目研制的反射式聚能装置包含了两大部分：一是能量存储部分，包括电容、间隙开关、控制电路和防水密封外壳；二是能量释放及聚能部分，包括放电电极、反射罩和反馈电路。如图9所示。

图9 反射式聚能装置设计示意

6 试验验证

本项目试制了高压脉冲放电声源样机和水下冲击波测量系统。主要用于测试特种光纤高压复合电缆剪切后，其断面在高压状态下水中脉冲放电效果；以及测试椭球反射罩的聚焦效果和声场分布特性。试验样机如图10所示。

图10 原理试验现场测试

6.1 旋转椭球面聚能反射罩水中放电结果

根据采集的电压电流数据计算出放电通道建立时的功率曲线（如图11所示），在放电的过程中，峰值功率可达150 MV，计算注入放电通道的能量为195.5 J。理想情况下，实验装置中4.0 μF储能电容的电压为25 kV，可计算出总能量为1 250 J，从而可得出放电能量注入效率为15.64%。

图11 单次放电功率曲线

6.2 特种光纤高压复合电缆断面水中放电结果

通过压力传感器对特种旋转椭球面反射罩水中放电冲击波的采集及后续数据分析处理，得到了不同电压强度下产生的冲击波压力值。其中电容1 μF，电压35 kV典型数据结果及曲线如图12所示，其峰值压力可达88 MPa。

图12 1 μF、35 kV 采集压力值

7 结论

1）提出了一种要地水下反蛙人防御系统总体方案。

2）完成了弱磁场传感器、高能脉冲定向聚能、光电复合高压水密电缆设计。

3）试制了主要产品原理样机，完成了水下测试。本项目为后续工程型号应用奠定了基础，具有广泛的军事价值和经济价值。