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2018-05-20 13:41北国防务

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△中国电科第23所展出的光纤水听器岸基阵列实物图片

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。

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。

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。

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。

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。

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,北国防务特约撰稿人Flak就来说说这事。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△ “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

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。

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”。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△早期LOFAR是利用绘图机绘制出 “频率-时间”的变化图(左),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(右)

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”(SOFAR)。

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”(SOSUS)。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△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

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。

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”(LOFAR技术):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。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△2016年展示的海底观测网(1)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(2)与次接驳盒(3)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(4)将数据传回陆上。

另一个问题是:既然 “深海声道”是因为海底温度/密度变化所形成的,则声波传递的参数也与海水的环境特性有关,因此水下听音阵列需要搭配大范围的海洋环境实时监控来校正数据。中船工业集团在2016年的 “十二五成就展”就曾展出过完整的海洋观测网模型,藉由海底电缆与光纤作为电力与通讯网络,来支持外海海床上的声学接收阵列与多种环境监控装置,主要目的应该就是协助声学接收阵列分析出准确的目标信息。

而第23所的水下阵列也是采用光纤技术,这是将光纤缠绕在易延展的塑料管上,当声波使塑料管产生细微变形,就会导致光纤长度发生变化,使传递的光信号出现相位差。由于光纤可顺便将光信号传递到远处,不需要额外的电子装置与信号,具有构造简单与重量轻的优点,美国最新的“弗吉尼亚”级潜艇也是采用光纤听音阵列技术作为侧视舰体声纳。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△传统的被动声纳是安装大量的陶瓷听音器,将声波转成电力信号与数字/模拟转换,再透过信号电路传递回信号分析计算机。而光纤听音阵列用光纤同时完成探测与传递任务,因此“弗吉尼亚”级也用这种技术发展出 “轻型大孔径阵列”(LWWAA)

不过,水下听音阵列也有其短处:由于它不像雷达天线可以旋转,其探测角度是固定的,即便延长、弯曲声纳阵列来涵盖不同方向,仍可能产生死角;其次,随着潜艇静音技术的提升,水下听音阵列的探测距离也越来越短,渐渐难以发挥原有的远程预警效果。

因此,美国海军在冷战后期又发展 “水面拖曳阵列警戒系统”(SURTASS):利用远洋拖船拖曳800m长的阵列声纳,将原始数据实时透过卫星数据键传回本土进行分析。这种方式可让声纳阵列更接近威胁海域,并机动调整方位,弥补了固定式水下阵列的不足。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△此次的国防电子展上,23所还展出了光纤水听器拖曳声纳(右),其施放机构与美国“无敌”号的SURTASS拖曳阵列声纳(左)相当类似,有可能是同类型产品

另外,水下听音阵列完全靠频率来分辨目标与背景噪音的不同,如果出现新的潜艇,或者潜艇在大修后改变了频率,要如何 “听音辨艇”呢?因此,美国的SOSUS是搭配反潜机队/舰队一起建立的,尤其反潜机的速度快,航程远,在SOSUS一标定出可疑接触方位后,可在短时间内前往附近海域投下声纳浮标,平时可以确认目标型号并记录到声纹数据库,战时就可径行对不明潜艇发动攻击。

反潜兵力一直被外军视为中国海军的短板,而中国在建立海底观测网的同时,也同步推动大型反潜机成军,显示出弥补这块短板的强大决心。相信假以时日,中国强大的反潜网络必将一步步让对手窒息。

国产水下“预警机”震撼亮相,中国反潜大网将让对手窒息(图)

△高新6型反潜机在海上大阅兵后又被网友拍到,未来可能搭配水下听音阵列组成反潜网

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