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美国海军于2007年7月首次发布《海军无人作战水面艇总体规划》，明确了水面无人艇的7项使命任务和5大重点发展技术。7大任务使命按照优先级排列包括：反水雷、反潜作战、海上安全、水面作战、特种作战支持、电子战、海上封锁支持。5大重点发展技术包括：自主技术、障碍规避技术、载荷/武器耦合技术、释放与回收技术以及先进的船体/机械/电气/系统技术。 小型无人艇可随驱护舰搭载，担负基地、岛礁等要地周边海域及母船、舰艇编队外围海域的持续性、常态化警戒巡逻任务，主要在浅海使用，其声学载荷主要完成反潜、反水雷、反蛙人/UUV、确潜等任务；中型无人艇可随大型战艇坞载，执行警戒巡逻、反潜、侦察监视、海洋调查等多样化任务，执行反水雷任务，为其他水面舰艇提供水雷侦察、规避引导和航道开辟等支持，其声学载荷主要在浅海海域完成反潜、反水雷等任务，在深海海域完成反潜任务；大型无人艇可在重要目标海域独立部署、长期蹲守或协同其他兵力执行搜索、攻击敌潜艇任务，兼顾担负对海作战、警戒巡逻、侦察监视、海战场环境调查等任务，其声学载荷主要在浅海、深海海域完成反潜任务。 不同吨位的USV，应根据其使命任务选择一种或几种声呐系统的组合配置。根据声呐湿端基阵安装位置的不同，USV声呐装备可分为前视(舰壳)声呐、拖曳声呐(包括变深声呐、线列阵声呐及舷外主动声源)、吊放声呐及声呐浮标等。前视声呐主要用于USV自主航行过程中水下物体如水雷、蛙人等军事目标探测，也可探测水下地形、礁石等；USV通常规模较小，受风浪海况等因素影响较大，而拖曳声呐工作时远离母船平台，受平台影响较小，因此更适合USV搭载，通常情况下，探测效果最好；声呐浮标与吊放声呐通常配合使用，前者用于区域警戒，后者用于探测定位。 9 E8 {2 \0 Z, Y! p
一、国外USV声呐装备现状 " p' K3 T, K: T! ^; h
⒈拖曳声呐装备 在USV声呐装备中，拖曳声呐种类最为丰富，常见的有中低频被动拖曳线列阵声呐、高频合成孔径声呐、多波束侧扫声呐等。载荷由于受USV空间及其动力限制，需要根据USV任务需求及协同方式灵活设计选取相应声呐种类参数。 ⑴中低频被动拖曳线列阵声呐 为节省安装空间，USV装备的中低频被动拖曳线列阵声呐一般为细线型，可与自身配置的大功率拖曳声源独立进行主动模式探测，也可与其他有人/无人舰艇构成双/多基地被动隐蔽协同探测。利用拖曳声源和线列阵声呐，USV能够在反潜战(ASW)中产生巨大效能。 美国TAIL被动式拖曳阵列系统装备于美海军“波浪滑翔者”无人艇，利用后者安静的特性接收远处舰艇辐射噪声数据，可深入对方海域偷窥核潜艇动向。德国的ARCIMS-SeaSense主被动拖曳线列阵声呐，是ATLAS公司在传统水面舰艇装备的ACTAS基础上设计专用于USV的声呐，可搭载10～15t级USV，采用中低频主动工作方式，可实现对潜艇的中远程探测，探测距离约15～25km。澳大利亚研发的由多艘“蓝瓶”USV组成的“蓝色哨兵”自主无人系统集成了泰勒斯公司的新型细线光纤拖曳阵声呐阵列，能够自主检测、分类和定位水面和水下舰艇。英国系统工程和评估公司研制的加长型超细拖曳阵KraitArrayTM(图1)，专用于小型舰艇、小型无人反潜平台，外径16mm，声阵段长150m，改进型号声通道数增加至192路。
图1 KraitArrayTM细线拖曳线列阵声呐
图2 超细拖曳阵与传统拖曳阵声呐外形对比 与传统的拖线阵相比，该型保证性能的同时降低了功耗、重量和成本，是一型真正适用于无人艇执行反潜、港口警戒、环境监测等任务的拖线阵。加拿大GeoSpectrum技术公司开发的可收放式低频主被动拖曳声呐(TRAPS)，是一套结合垂直主动发射阵和高性能被动拖曳阵的可变深拖曳系统(图3)。作为“海鸥”无人艇模块化载荷之一，其体积小、重量轻、成本低，可在ASW中探测、分类、定位和跟踪潜艇。
图3 可收放式主被动拖线阵声呐（TRAPS） ⑵高频合成孔径声呐 合成孔径声呐(SAS)是利用小孔径基阵的移动来获得移动方向上大的合成孔径，从而得到方位(方向)的高分辨力，其横向分辨率与工作频率及距离无关，与常规侧扫声呐相比，分辨率高1～2个量级，其探测范围不仅包括水体和海底面，而且还包括海底面以下一定深度。获得这种高分辨率的代价是复杂的成像算法和对声阵导流壳体运动姿态的严格要求。目前国际上具有代表性的货架产品包括法国的Shadows(IXBLUE公司)、T-SAS(泰勒斯公司)、挪威的Hisas(FFI公司)、美国的4400SAS(EdgeTech公司)。由于具备超高分辨率的小目标成像能力，SAS常作为军用USV执行反水雷(MCM)任务的首选装备，如美国“斯巴达侦察兵”无人艇、MCM无人艇、以色列“海鸥”无人艇、法国Inspector120等无人艇均有配备。 美国“斯巴达侦察兵”无人艇配备的是诺格公司开发的用于水雷战的远程SAS系统AN/AQS-24C(图4)，其具备自动目标识别能力。该能力以其图像处理组件为基础，融入机器学习算法开展自动目标辨识。
图4 AN/AQS-24C猎雷拖曳声呐 MCM无人艇配备的是雷神公司研制的AN/AQS-20C(图5)，由4个独立声呐组成，其中包括一套远距离SAS。UltraSonarSystems公司与Kraken公司合作为丹麦皇家海军无人艇研制的SeaScout系统由KATFISH拖体(集成AquaPix合成孔径声呐，见图6)、触手绞车以及收放系统组成，获取的信息通过拖缆和无线电传输到有人和无人平台，可标记潜在目标并对其进一步检查。法国Inspector120无人艇配备的是ECA集团开发的T18-M拖曳合成孔径声呐(图7)，具备执行反水雷游击战和常规反水雷任务能力，同时也能够执行水下勘测、水文调查等一般任务。
图5 AN/AQS-20C猎雷声呐
图6 KATFISH合成孔径声呐
图7 T18-M拖曳合成孔径声呐 ⑶多波束侧扫声呐 侧扫声呐基于回声探测原理进行水下目标探测，通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度，向海底发射高频具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，声波传播至海底或海底目标后发生反射和散射，又经过接收基阵接收海底的反向散射数据进行成像。 KleinUUV-3500、Klein5900由KleinMarineSystems公司研制(图8、9)。KleinUUV-3500最大特点为紧凑、轻便、低功耗，双频(455kHz/900kHz)可同时工作，可自主或半自主执行浅海水雷探测任务，美国海军将其装备在MARTAC公司开发的新一代多用途无人水面艇MANTAST12上，该艇曾出现在美国对乌克兰军事援助清单中。Klein5900具有动态聚焦和动态孔径技术特点，能够保持100%海底覆盖，单侧达20个波束，比利时海军曾于2017年对装备Klein5900侧扫声呐的“海鸥”无人艇进行过为期一周的验证试验，结果表明，即使是在恶劣海况、高速(10～12kn)航行状态下，设备依然能够保持高分辨率。
图8 KleinUUV-3500
图9 Klein5900 EdgeTech4205三频侧扫声呐系统是由EdgeTech公司研制的一款工业级标准的侧扫声呐系统(图10)。该声呐系统采用EdgeTechChrip全频谱线性调频技术，最大量程可达500m，可在获得高分辨率图像的同时覆盖超过50%的覆盖范围(在同等频率下相较非线性调频侧扫声呐)。
图10 EdgeTech4205 ⒉前视声呐和舰壳声呐装备 ⑴前视声呐 前视声呐一般安装在USV艏部进行水下探测。由于前视声呐能够提供远距离、高分辨率的水下声学图像，弥补了光学设备在水下探测中短视距、低分辨率的缺点。世界各国投入了大量的人力、物力来研究复杂海况下的前视声呐系统。美国、英国、法国、丹麦、挪威、加拿大等一些发达的海洋国家都有许多成熟的产品投入市场，其中美国FarSounder公司、丹麦TeledyneReson公司、BlueView公司、英国Tritech公司、挪威KongsbergMaritime、NorbitSubsea公司等生产的前视声呐具有一定代表性(图11)，被广泛应用。其中，图11(f)作为模块化声学载荷之一被美军装备在MANTAST12上。
图11 国外典型前视声呐产品 ⑵舰(艇)壳声呐 美国雷神公司为DARPA反潜持续跟踪无人艇(ACTUV)项目(图12)，开发了SQS-56第五代中频舰壳声呐最新型号即MS3(模块化可伸缩艇壳声呐系统)安装在无人艇船舱下方整流罩内部，工作频率为7.5kHz，具备主被动搜索、鱼雷探测预警和威胁分析、过滤小目标、定位和跟踪潜艇能力。船艏底部装备两个高频主动声呐，用来近距离分析目标声纹特征。
图12 ACTUV及其反潜概念图 ⒊声呐浮标和吊放声呐装备 作为传统的航空反潜探测设备，声呐浮标与吊放声呐一般为反潜飞机所携带，两者通常配合使用。前者主要载体为固定翼反潜巡逻机，主要用于区域警戒；后者主要载体为反潜直升机尤其是舰载反潜直升机，主要用于探测定位。 近年来，随着无人自主系统的发展，也出现了航空吊放声呐装备与水面无人艇的结合。泰勒斯公司为美国海军“斯巴达侦察兵”USV舰艏部分装备了折叠式主动吊放声呐(FLASH)，见图13。FLASH系统工作频率3～5kHz，最大工作深度750m，可覆盖深海声道，展开直径1.4m，1kHz带宽可支持其探测识别潜艇。
图13 国外部分艇载吊放声呐 L3公司改装了航空吊放声呐HELRAS(HElicopterLong-RangeActiveSonar)，使其能够搭载以色列海军“海鸥”无人艇，该声呐工作频率1.38kHz，对潜探测距离可达37km(会聚区探测)。作为小型水面舰艇，USV声呐浮标一般利用浮标发射管在威胁海域部署投放，可独立或与其他声学设备配合共同完成探测任务，图14展示了美军现役多种型号声呐浮标。
图14 美国的多种型号声呐浮标 二、国内USV声呐装备现状
/ k( e3 h/ R2 B6 t“十二五”以来，中国船舶第七一五研究所、中科院声学所、哈尔滨工程大学等国内科研机构相继开展针对无人平台的声呐装备研究，依托国家“863”计划及大量预研专项基金，USV声呐装备得到了快速发展。国内现有各型吨位的USV，如小型、中型、大型USV等都可根据其任务需求，配置国产声呐装备。 ⒈拖曳声呐装备 USV拖曳声呐装备中，用于海洋环境调查、小目标探测等的合成孔径声呐、侧扫声呐装备发展相对成熟，国内如苏州桑泰双频合成孔径声呐、海卓同创SS3060型侧扫声呐、蓝创Shark-S609M型无人平台侧扫声呐、中海达iSide4900型多波束侧扫声呐等，在同类产品技术指标上已接近国际先进水平。常见型号及探测效果如图15所示。
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+ c; ?7 d% `6 r9 K. S图15 国内部分USV拖曳声呐装备 苏州桑泰研发的双频合成孔径声呐能同时对水下悬浮、沉底及掩埋目标进行实时同步探测，在不降低扫侧宽度和成像精度的前提下大幅提高作业效率。 SS3060双频高清宽带侧扫声呐采用宽带信号处理技术、可变孔径技术、软硬件结合图像均衡技术、高清显示技术等，具有分辨率高、远近清晰、图像细腻、应用涵盖广泛等优点。可适用各种浅水水域、兼顾多种使用要求。 Shark-S609M多波束侧扫声呐具有低速和高速两种使用模式，可按需实时在线选择作业方式。低速模式时单波束双频侧扫，高速模式为高频多波束侧扫。该系统采用动态波束聚焦技术，相较常规侧扫模式，分辨率显著提高。高速工作时频率为600kHz，低速时150kHz/600kHz可同步工作。可适用于水雷搜索及水底线缆、管道扫测。 iSide4900型侧扫声呐，工作频率为400kHz和900kHz，通过收发基元分置并引入新型材料工艺，提升系统收发灵敏度及工作带宽。显控界面支持实时图片截取、目标物体尺度测量等功能。适用于航道普查、搜救打捞、管道排查等工作。 国内目前适用于USV的拖曳声呐装备仍处于样机阶段，虽然国内市场已出现几款商业化产品，但在实际装配USV使用过程中，仍旧不能完全达到“人不在回路”的无人化目标。随着现有技术的更新迭代，及人工智能的涌入，有望在未来几年形成正式装备，从而真正实现高度无人化目标。 ⒉前视声呐装备 国内对前视声呐的研究起步较晚，市面上自主研发的成熟产品较少，但多家科研机构和企业都积极开展了基础理论研究和实际系统开发。 蓝衡科技SV1201-400/700型双频前视声呐，见图16(a)。其工作频率为400kHz或700kHz，两个工作频段均有100°探测开角，对模拟沉底雷、锚雷和闭式蛙人目标探测距离可达200m。海底鹰HDY-700D是一款大视角、远距离、高分辨率的多波束图像探测声呐，见图16(b)，其工作频率为400kHz或700kHz，探测距离在150～200m，拥有180°探测开角，可自动识别蛙人、沉底雷等目标。
图16 国内部分USV前视声呐装备 ⒊声呐浮标和吊放声呐装备 图17展示了声呐浮标与USV吊放声呐水下工作状态。国内由中国船舶第七一六研究所与七O二研究所联合研制建造的JARI-USV多用途无人艇，排水量约20t，任务载荷采用模块化设计，针对反水雷、反潜等不同作战任务目标，可以做到快速换装。该艇反潜战任务模块集成了吊放式声呐，可与本舰或其他有人舰机投放的声呐浮标协同完成对潜探测。
图17 USV声呐浮标与吊放声呐水下工作状态 三、USV声呐装备关键技术
* g" I- f" `5 l/ a6 J3 D! X水面无人艇实现无人自主探测能力，关键在于构建智能化水声任务系统，主要体现在新的系统架构，提高水声系统自适应能力，应用自主水声信号处理与任务规划技术、声呐载荷模块化、通用化设计技术、自主收放技术，使系统在不需要人工干预的条件下自动感知、判断、决策、协同、行动，以最优的方式对快速变化的战场情况做出实时、灵活和准确的反应，实现智能化平台的自主、协同作战。 ⒈自主水声信号处理与任务规划技术 自主水声信号处理技术指根据海洋环境参数，自适应的调整设备工作参数和工作机制，达到探测效能的最大化。在自主水声信号处理环节，应用深度学习技术、大数据挖掘技术，提高声呐探测自主化程度，降低对操作人员的依赖程度，实现水下威胁目标的综合判决，实现自主式目标探测、识别和确认。任务智能规划技术是指根据上级系统下发的探潜任务需求，结合我情与敌情分析，以及当前环境现状，进行水下协同探潜方案策略、效能分析、参数设置、态势推演等优化设计。 ⒉声呐载荷模块化、通用化设计技术 随着电子技术和信号处理技术的发展，声呐系统已经由早期的模拟声呐发展成为现代数字式声呐。为适应未来无人作战平台的使命任务需求、缩短声呐产品技术更新迭代周期及节约研制开发成本，USV声呐系统模块化、通用化设计技术不可或缺。发展具备开放式结构、通用接口与通信协议、标准互操作配置文件的模块化设备是实现声呐载荷模块化、通用化设计的有效途径。 ⒊自主收放技术 作为无人艇声呐系统重要分机之一，自主收放设备的工作效率与探测载荷的工作效率息息相关，其可靠性甚至能够决定整个系统的运行安全。收放技术的无人化程度是声呐系统乃至无人艇智能化发展水平较为重要也是最直观的量化指标。根据探测载荷的形状尺寸重量及平台的实际预置空间，设计合适的收放系统是十分必要的。声呐系统收放设备机械控制单元自主智能化设计、与USV艇体一体化设计是未来的一大发展趋势。 四、USV声呐装备发展趋势 * l) N+ G, B# C& Z) n# B/ O
未来海战场环境将极其复杂，USV无疑将在其中扮演着举足轻重的角色，这自然就对USV声呐装备提出了更高要求。为适应这种高维度、多实体、无人化的综合作战需求，发展具备智能化、模块化、通用化和高分布式协同能力的USV声呐装备，将成为未来发展趋势。 ⒈高智能化 近年来，以深度学习为代表的人工智能技术发展迅猛，这为USV声呐装备的智能化发展提供了契机。在执行任务时，USV声呐能够接收到大量的散射回波数据，基于大数据的训练，其能够以系统任务为导向，在未知外部环境和目标特性的前提下，对平台的探测手段、决策过程、工作状态进行自动优化和修正，且随着执行任务次数的增多，无人艇声呐的“进化”也会愈加完善。 ⒉高模块化和通用化 注重直接利用其他装备的成熟技术和民用技术的最新成果，强调模块化、通用化技术的研究和推广。由于采用了相同的标准和开放式体系结构设计，将缩短声呐设备的研发周期，降低风险和成本，简化后勤维修的难度，提高改造升级和生成战斗力的效率，同时与其他无人平台之间相互协调的能力也将得到增强。 ⒊高分布式协同化 单声呐系统的探测区域相比任务海区范围十分有限，从单基地探测向多基地探测方向发展，是提高反潜、反水雷效率及满足未来海战需要的有效途径。随着未来海战场无人化方向的发展，网络化、协同化方向拓展是USV声呐装备的发展趋势，与己方有人舰艇、UUV及固定式水下无人装备联合，从而构建分布式的水下无人警戒探测网络和高效的预警体系，将成为发展趋势。高分布式协同化反潜网络的发展形成不但可以扩大探测区域，还可获得多源信息进行目标特征融合，提升探测效果。 五、结语 : K2 a2 x8 ^) }, z6 t
当前世界各国已经服役及技术成熟度已达到服役水平的USV中，军事用途的无人艇占70%以上。无人艇的出现、发展、陆续服役，使未来海战场发生巨大变化，随着对海战模式研究的不断深入，赋予无人水面艇声学载荷的使命任务将越来越多样化，载荷类型也将远不止本文所列出的几型装备。装备论证机关、一线科研机构，需以声呐自主信号处理技术、声呐载荷模块化设计技术、自主收放技术为抓手，使我国USV声呐装备朝着高度智能化、模块化、通用化、分布式协同化方向发展。
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