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被称水下长城可防先进潜艇,光纤水听器

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被称水下长城可防先进潜艇,光纤水听器

  出品:科普中国

  6月上旬,在北京展览馆举行的国家“十二五”科技创新成就展上,中船工业集团展出了一套名为“海底观测网”的系统。这对于外行来说也许并不起眼,却让在场的专业人士眼前一亮。因为,这是中国官方首次公开外媒炒作多时的“中国版SOSUS”——海底反潜水声监测系统。

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  作者:瑷敏工作室

  英国《简氏防务周刊》网站在5月17日的报道中将其称为“水下长城”,认为其能大大削弱美国和俄罗斯核潜艇所垄断的水下作战优势。美国“国家利益”网站则认为,中国构筑水下观测系统的雄心,将适用于触及中国国家利益的所有海洋,包括“近海、深远海、边远海岛、战略通道”等。

中国电科第23所展出的光纤水听器岸基阵列实物图片

  策划:白璐

  钱报智库、海军军事学术研究院的曹卫东研究员接受本报连线时表示,这套海底观测系统体现了军民融合发展的精神,适合在南海和渤海湾大面积布设,我国将能有效掌控周边国家潜艇在这两个区域的活动,大大提高了中国海军舰艇和民船的行动自由度,甚至成为中国的反潜“主场”。

毫无疑问,相比美、日反潜强国,反潜至今仍是我国的一大软肋,尤其是远洋反潜。

  监制:光明网科普事业部

  海底固定水声监听阵列是捕捉神秘水下潜艇的“神器”

相比之下,因为有“主场优势”,中国在家门口的近海反潜通过持续不断的建设,已经取得了丰硕成果,外国潜艇想在中国近海做什么小动作就得掂量一下了。

  在今年5月初举办的中国国际国防电子展上,我国研究人员公开展示了光纤水听器岸基阵列的实物图片。光纤水听器是一种建立在光纤传感和光电子技术基础上的水下声信号探测器。主要利用相关检测技术,把水声信号转换成光信号,进而对汪洋大海中的各种声响进行高灵敏度侦听。随着光纤水听器工程应用的日渐成熟,这双洞察汪洋的“智慧之眼”,堪称水下反潜侦听的“钢铁长城”。

  “在海水里,雷达、红外、光学等陆地上的探测手段统统失效,而空气中传不远的声音,在水中传播却特别快、特别远。因此,声呐几乎是探测潜航状态潜艇的唯一有效手段。”

潜艇就像水下的“隐身战机”,打击它的一大突出难点还是如何发现它。中国的反潜建设除了我们可见的反潜舰艇、飞机,另一大成果应该就是建设水下预警探测网络,解决发现难问题。

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  曹卫东解释说,“如果把数以千计的水听器(即被动声呐)安装在海底声音传播最佳的位置,然后用电缆把他们串联起来,任何水下的声波只要进入到这个阵列范围,都会被察觉。根据不同水听器报警的先后顺序和安装位置,即可判断声源方位和大致距离,然后引导反潜飞机和舰艇到目标区域进行更精确的搜索,以跟踪、锁定敌潜艇。”

2017年5月,央视曾报导中国将投入5年时间与20亿人民币在东海与南海建立海底科学观测网,并于上海临港设立监测与数据中心来储存东海与南海获取的数据。海底科学观测网除了推动地球科学与全球气候的科学研究外,也将满足国防需求,一般相信这指的是会在水下部署声纳阵列作为反潜的远程预警。

  “无声”战场呼唤灵敏的“耳朵”

  可见,水声监听系统在反潜战中扮演了类似于防空雷达警戒网的关键角色,只是把雷达改成了声呐。

同样是2017年5月,中国电科第23所声光探测首席专家陈小宝的先进事迹引发外界关注,他的主要成果就是海底科学观测网的主要耳目——光纤水听器。

  看似祥和的大海,其实从来都不平静。游荡在水下的潜艇仿佛水中的“隐身战机”,对水下声信号的侦听提出了越来越高的要求。2009年2月,英国“前卫”号核潜艇与法国“凯旋”号核潜艇在大西洋深海上演了“深情一吻”。当时两艘潜艇均在水下航行,碰撞发生时潜艇上共有约250名乘员,可就是没有一个人利用声呐装置发现对方。

  与飞机、军舰使用的舰体声呐、拖曳式声呐、吊放式声呐及声呐浮标“从上往下”的探测不同的是,海底固定监听阵列是“从下往上”地“仰望”潜艇。据曹卫东介绍,由于海洋中各类温度、密度跃变层大多靠近海面,后者比前者受水体折射的影响要小得多,因此对低速航行的安静型潜艇有更高的捕获概率。

如今1年过去了,在本月初的中国国际国防电子展上,中国电科第23所罕见的展出了光纤水听器岸基阵列的实物图片,这让我得以一窥中国反潜大网中看不见的“千里眼”。那么,水下固定阵列对反潜有何重要性?今天,北国防务就来说说这事。

  声波不仅是目前人类唯一知道的能在水中远距离传播的物质,当在水中遇到物体时,还会被反射回来。不同频率的声波,在水中被吸收和反射的程度也不同,人们于是根据声波这一特性发明了声呐。近年来各类“悄无声息”的先进潜艇先后加入现役,利用传统声呐装置进行侦听的难度大大增加。反潜作战这个“无声”战场也成为各国海军公认的难题之一。

  据湖北卫视报道,十二五科技创新成就展展出的海底观测网,由水下声呐阵列、岸基分析处理中心和通信光纤等组成,如果信号质量够好,对潜艇的定位精度可达10公里。而且,这套系统还配备有无人潜航器和深海滑翔器,如“海燕”无人深潜器,最大潜深达1500米。

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  光纤水听器是一种建立在光纤传感和光电子技术基础上的水下声信号探测器。它通过高灵敏度的光纤相干检测技术,如同魔术师一般直接把水声信号变换成光信号,并通过光纤传输至信号处理系统。经过后续处理,我们就能从看似宁静的信号中提取出海洋中“不速之客”的独有声响。

  根据现场模型标示的深度,这套系统的水听器阵列可以布设在1500-2000米深的海底。

“深海声道”是声波速度在水下因为温度/密度的变化产生先低后高的现象,导致声波在其中会反复折射,上下起伏而传递得更远

  “光纤水听器时代”已经到来

  根据军事科普作家张明的设想,一旦系统捕捉到可疑潜艇的踪迹,无人深潜器可以迅速出动,向其靠近,紧紧地跟在该潜艇身后长时间“盯梢”,并收集其详细声学信号。这足以逼退某些国家心怀鬼胎的潜艇。

由于水下声纳阵列的外观类似电缆,在海底绵延上百公里远,会让有些人误以为像是防盗的压力警报器,只能探测到从上面通过的舰船。但其实不是,水下声纳阵列是利用 “深海声道”原理的远程探测器,这是美国科学家于1937年在大西洋观测到的现象:当炸药在约5千米深的海床引爆时,其低频声波传递比预期的远,似乎除了海面与海底的多重反射外,低频声波在深海有个隐密通道可以更低的损失率传递到更远的距离。

  早在1937年,研究人员就发现了深海中存在着一个能让声波传输到更远距离的“深海通道”。在“深海通道”和反潜技术发展的基础上,美国海军研究实验室于1977年发表了光纤水听器的首篇论文,开启了属于光纤水听器的水下侦听新时代。此后,美国海军研究实验室开始执行光纤传感器系统计划,光纤水听器是该实验系统的重要内容之一。

  中国海底观测网使用光纤水听器美国静音核潜艇将无法在南海隐匿行踪

麻省理工的科学家同时对深海的温度与密度进行量测,绘制出声波在不同深度的速度变化,发觉在特定的深度区间,声波以特定角度射入后,会像光纤一样上下反复折射,由于其能量传递的耗损比多重反射更低,也就形成神秘的 “深海通道”。

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  相对于美国从1950年代起开始针对苏联潜艇设置的SOSUS系统,中国的“海底观测网”采用了一系列全新的尖端技术。

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  美国海军在“流动噪声驳船”系统上对塑料芯轴光纤水听器进行了第一次海上实验,并于1983年7月在巴哈马群岛成功部署。其后,美国海军相继进行了多次拖曳式光纤水听器阵列的海上实验,并取得了重大成功。伴随着美国海军研究实验室正式制订潜艇用“光纤水听器系统标准”,光纤水听器也开始了向实用武器系统的巨大迈步。

  根据本次展会的公开展示,我国固定海底水声阵列使用了先进的光纤水听器技术。

早期LOFAR是利用绘图机绘制出 “频率-时间”的变化图,现在可用计算机绘图代替。当特定频率出现明显信号,分析人员可综合不同位置/角度的阵列信号来三角定位

  作为未来水下侦听系统的重要发展方向,英国、法国、意大利等国也相继开展光纤水听器领域的研究。光纤水听器能有效克服传统声呐需要大量水下电子元件、价格高、重量大、密封性不好等问题,能有效提高水声信号的侦听精度和系统的稳定度。这也难怪有研究人员曾自豪地说:“属于光纤水听器技术的时代已经到来!”

  “声波会对光传输造成干扰,被干扰后的光信号被接收后,经过调制解调变成数字信号,通过分析光波传导变化,就能得知声波的状态,从而探测到潜艇等水下航行物。”据张明透露,与采用压电水听器的传统被动声呐相比,光纤水听器最大的优点是灵敏度非常高,在海洋背景噪声条件下分辨目标的能力非常突出,对低频信号特别敏感,因此可以探测到现代化安静型潜艇。

在二战中,深海通道被当作紧急求救管道:飞行员落海后丢入特定深度引爆的小型炸弹,就可被数千公里外的水下听音器探测到,并以三角定位法标定位置,因此这种技术又被称为 “声波标定与测距”。

  英国海军主要聚焦利用阵列进行浅海监视和海岸线监控技术,已经成功研制出光纤海底阵系统,可实现远距离组建的光纤水听器阵列技术具有巨大的应用前景。法国、意大利与挪威合作执行全光纤光纤水听器线阵计划,旨在发展静态光纤水听器阵列,后来继续发展成为欧洲长期防卫联盟项目的一部分。

  还有个重大的优点是传输距离远,由于采用光纤作为传输介质,信号能传到1000公里左右,加上光纤可以传输多个信号,可以形成庞大的基阵,提高控制范围。

而在二战后,由于苏联接收了纳粹德国的XXI型潜艇技术,在短期内发展出以呼吸管远程航行的常规潜艇,美国海军秘密将这种技术转为反潜用途。又因为500Hz的极低频声波不但被海水的吸收率很低,而且几乎从任何深度发出都会射入 “深海通道”,因此海军将SOFAR的水下听音器扩展成为440长,含有40段听音器的线形阵列,称为 “水声监视系统”。

  立体反潜“水听网”呼之欲出

  此外,光纤水听器没有金属部件,对方不容易探测和破坏,不受电磁干扰,而且不易被海水腐蚀,使用寿命和可靠性都要高于传统声呐。

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  与传统水听器相比,光纤水听器可谓“好处多多”。由于能把大量信号从一根光纤里传输,光纤水听器具备形成大规模阵列的“特殊能力”。此外,光纤水听器的模块单元也可灵活设计,且响应带宽宽、灵敏度极高,在信号传输和单元布设时还无需担心电磁环境的干扰,具备组建形成光纤水听器大规模探测阵列的巨大潜力。

  光纤水听器如此优越,已成为世界反潜探测技术的一大热点,2003年美国和英国首先联合完成了一个数千个水下光纤水听器阵列的布置。

缩小的水下听音阵列可以部署在浅海作为近岸反潜警报系统,例如俄制MGK-608E固定被动声纳系统是部署在港口外,探测不明潜艇的接近

  光纤水听器与反潜巡逻机和反潜舰艇“强强联合”,就能形成一张洞察汪洋的立体反潜“水听网”。未来还可以把光纤水听器与陆地地面侦听站和空天探测卫星编织成的一张天、地、海的综合探测网,或将成为“军事物联传感网络”的重要组成部分。

  曹卫东认为,如果在出入南海的巴士、巴林塘及巴布延等各海峡布设这种先进高效的水听器阵列,即使是美国最先进的弗吉尼亚级核潜艇也不敢保证能“神不知鬼不觉”溜进南海中央深海区,能够有力保障中国战略核潜艇和航母编队的行动安全与自由。(钱江晚报)

因此,水下听音阵列并不是只能听到经过的舰船而已,而是从 “深海通道”听到 “千里之外”的舰船噪音,就像是水下的远程预警雷达,或者说预警机。随着技术进步,水下阵列本身也延长到上千公里,可以听到更低频的更远处声响,并用分段阵列方式产生更窄的被动波束,以提升测向的精确度。然而,由于水下听音阵列是一种被动探测器,判断不出声音传递了多久的时间,也就无法像雷达一般测量出目标的距离,必须综合不同位置的阵列才能进行三角定位。

  光纤水听器不仅可用于反潜作战和水下武器试验,成为水下反潜侦听的“钢铁长城”,在民用领域也是一位“多面手”。此前美国研究人员就与英国防卫研究局成功开发出一套海洋陆地钻孔成像系统,这个系统依托全光光纤水听器,可用于地下石油或天然气勘探。检查海洋平台、水下储油罐、海底电缆、海底输油管线等设施是否出现故障,光纤水听器也能大显身手。此外,光纤水听器还可用于海洋地震波检测和海洋环境检测,必将在军民用领域发挥日益重要的作用。(以上图片来源于网络)

而不同阵列如何关连出同一个目标呢?这就要靠 “低频分析与记录”:以频率为横轴,时间为纵轴,用绘图机画出声纳频谱的时间变化,不同船只的持续噪音会在自己的频率上留下明显的线条,则分析人员就可锁定特定船只的频率,调阅各地阵列的纪录来分析其位置。

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2016年展示的海底观测网包含了深海电力与信息网络来串连铺设在海底的 “声学接收阵列”与多种海洋监测系统。该年8月,中国科学院带领浙江大学等单位在于南海建立了实验网络,在1700米深海置放了由主接驳盒串通的150千米长基础网络,可提供10kV/10kW的电力,并以1Gbps的光纤将数据传回陆上

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