浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.下篇

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/02 09:01:01
静里水声何处觅,流光暗影锁真机
——浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.下篇

中篇谈了FOVH的原理与西方特别是美帝的研究与应用情况。

有朋友催兵器迷了:抖包袱、打埋伏都有限度。酒过三巡菜过五味了,最要紧咱中国的事儿,咋总不提呢?

好,咱们这就——上硬菜!
中国压电矢量水听器:

众所周知,中国的声呐技术,乃至整个水声技术,一直是一个短板。以压电矢量水听器来说,研究工作从1990年代才开始——对比美苏,这个起点,落后了至少20年。

中国哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船重工715所和中科院声学所,是当时研究压电矢量水听器的主力军。有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工作同步展开。应当指出的是,在中苏关系正常化之后,以及中俄友好关系提升之后,中国通过对俄技术引进,全面展开了压电矢量水听器的工程应用研究。

以外场实验为标准,真正深入的研究工作要更晚,大约开始研究的时间在1998年。在这一年,中国进行了最早的关于声矢量传感器技术的外场实验:吉林松花湖实验。在这之后又进行了2000年的辽宁大连海试,2002年的北京密云水库实验,2003年的东海、南海声矢量传感器线阵实验。
中国FOVH光纤矢量水听器:

中国光纤矢量水听器的研究工作始于1986-1990年的“七五”计划期间,并在“八五”、“九五”和后续计划期间列入研究计划。中国FOVH的主要研究机构有:
-        国防科大长沙光电科学与工程学院
-        中国科学院声学研究所
-        声场声信息国家重点实验室

1996年,是中国FOVH发展的分水岭,中国将海洋领域纳入863计划,在南海建成了国家级海洋声学研究基地,海洋监测高技术领域从此走上了发展正轨,从实验室原理性研究到现场水域试验,都取得了一定的进展。

历经近二十年的大规模投入和持续跟踪、引进、消化、研究和实验,中国光纤矢量水听器技术在2001-2005年的“十五”计划后期,终于在关键性技术和(试)应用上开始获得突破性进展。

2002年8月,进行了中国首次光纤水听器阵列的海上试验。

据公开论文报道:
2003年7月,国防科大研制的光纤矢量水听器,在中船重工715所水声一级计量站进行了一维光纤矢量水听器的灵敏度及指向性测试,测试声压灵敏度达到-140dB,指向性为“8”字指向性,串扰小于-20dB。利用锐化技术应进目标方位估计,较准确地估算了目标船的方位角,并对海洋声场的矢量特性进行了测量。

图1 一维光纤矢量水听器


2003年8月,国防科大研制的四分量三维光纤矢量水听器在青岛外海域进行了海上试验,并成功实现了矢量三维定向和匹配场三维定位。在图1中可以看到,三个维度的三个干涉型光纤加速度计做成一个彼此正交的圆柱体,专业术语为“三维芯轴型推挽式结构”,以减小体积和交叉串扰。

图2 三维光纤矢量水听器结构图


2005年,中国在青岛附近海域布建完成了“水下光纤综合探测系统”项目实验。

2008年4月, 国防科大在南海进行了光纤矢量水听器的相关海上试验, 测试方向精度:优于5°(信噪比>3dB),工作水深可达500米。如图3和图4。

图3:三维矢量光纤传感头封装实物图,左图为封装前,右图为封装后。
   


图4三维光纤矢量水听器南海海上试验现场
   


2009年4月,“中国科学院声学研究所南海声学与海洋综合观测实验站”正式在海南陵水成立。至此,中国国的水声学研究,形成了中科院声学所北京本部,加东海站、北海站和南海站三个濒海研究平台的1+3格局。

2009年10月,海南陵水基地开始布放“863”重点项目“岸基光纤线列阵水声综合探测系统”。

2010年1月,863重点项目“岸基光纤线列阵水声综合探测系统”在南海多个关键海域成功布放完毕。

2011年,中科院在陵水站建设9600平方米的“南海海洋技术与系统试验研究基地”(一期)。同年,科技部在距陵水基地岸边100公里处,布放了第二套岸基光纤探测系统。

2012年, 科技部依托陵水基地建设中国首个“南海海底观测网试验系统”。同年,年国务院50号文令:在海南陵水建设海底观测网系统。

2013年5月13日,《中国科学报》报道,南海海洋所联合沈阳自动化所和声学研究所共同完成的中国第一个海底观测系统得到第一批数据。海底观测示范系统由岸基站、2km长的光电缆、基于自主技术的1个主接驳盒和1个次接驳盒、3套观测设备、1个声学网关节点与3个观测节点构成,并具有扩展功能,岸基站提供10kv高压直流电,接驳盒布放在20m水深的海底。

2014年5月11日,中科院南海海洋研究所网站报道,随着海底观测数据在屏幕上的实时显示,标志中国首个水下监视系统和海底观测系统建成。

图5: 海底监测数据实时显示


2012年,第八届国防电子展上,中国电子信息产业集团公司、国防科技大学、湖南光纤传感技术工程实验室,联合展出了国产光纤水听器的模型。

2014年,第九届国防电子展上中国电子信息产业集团公司和北京神州普惠科技股份有限公司联合展出了过程光纤水听器和FOVH阵元实物。至此,国产FOVH终于公开在世人的眼前。从报道看,中国的FOVH研发团队基于动态匹配的大容差光学均衡阵列设计与组装创新技术、光纤水听器阵列数据采集与信号处理技术、声全息测量技术、声聚焦技术、声场预报技术、声学仿真平台技术、声学仿真平台技术,已然渐成体系,让人对国产光纤水声器的发展充满了自豪和期许。

看到国内的进步,自然心里高兴。

可是,还是给大家提个醒:2014年中国投入使用的国产FOVH大多是128阵元的,根据技术要求不同,阵元间距0.75米-25米。国产FOVH256阵元的产品正在研制中,而美国2000年的产品是96阵元,2003年弗吉尼亚级核潜艇安装的是2700个FOVH的全光水听器阵列声呐舷侧阵。

别嫌兵器迷煞风景——进步是一种事实,差距也是一种事实。如果说前者值得我们欣喜,而后者就更有理由,值得我们格外的尊重。
总结
从中国FOVH的发展历程来,我们读到了一个清晰而重要的词汇:跨越。

从历史上看,1990年代之前,中国水声研究的底子是非常薄的。虽然中国上世纪50年代未,水声学的第一支国家队就组建于三亚,也就是即日后的中科院声学所南海研究站。但是,在声压水声器和传统压电矢量水听器的发展过程都乏善可陈。为什么?

第一:没钱。水声学烧钱,比电商还狠(后面详述)。“新”中国名字好听,从装备上,实际是个旧穷国。别说大面积反潜侦听网,就是拖曳声呐都是天鹅肉。好歹有个船壳声呐就很高科技了。一艘大舰相当于一个步兵师,传统的中国大陆军哪有那么多钱往水里砸。日本靠美国了。欧洲有无限制潜艇战的历史,知道反潜的重要性,但水声学的发展比美国差远了,主要问题也是钱。

第二:潜艇曾经不是主要威胁。很长一段时间内,中国面临的海上威胁主要来自美蒋的飞机——比如PV2每月2次,最远一直飞到哈尔滨侦查完再飞回台湾都拦不住。到1961年10月,累计大陆拦截400多架次无战果。其次是军舰,1950年代台湾的军舰一直有效封锁中国东部沿海,有兴趣的网友可以去查查1955年的台山列岛海战,国共的战果一边倒到什么程度(两边的材料都要看啊,特别是那边)。至于反潜,大陆海军被击沉击伤的舰艇不少,可有一艘是损于敌方潜艇?兵器迷没查到。后面的威胁就是北约都忌惮的苏联的坦克狂飙和战术核武器了。谁还有工夫理会躲躲藏藏的潜艇?

第三:反潜技术本身效果有限。无须赘述黄海和东海的复杂浅水环境噪声影响水听器的效果,很长一段时间,反潜效果最佳的武器还是潜艇本身。至于拖曳声呐,太大太沉——80年代中国引进法国的SS12,拖曳距离才200米,探测距离才16海哩,甲板重量却有4吨。况且,30年前中国舰艇的柴油机那轰鸣的低频噪声,装上啥声呐也白搭啊。就算是反潜第一大户美国,远有埃及老式柴电潜艇,近有瑞典哥特兰、中国宋改,都破了美国的反潜网。

需求不急迫,花钱不知底,效果不理想。穷人出身的中国水声研究步子,快得了吗?在这种情况下,反潜声呐装备,特别是拖曳声呐装备的发展,也就失去了技术基础,成为无源之水。这也是为什么美日嘲笑中国反潜能力数十年没有实质性改善的根本原因。

然而,时移世易。

随着中国中国海外贸易的发展,海上运输安全日益重要。中国海军防空反舰能力的提高,包括航母和核潜艇在内的大中型舰艇走向深蓝的步伐也在加快,这些都大大增加了我方面临敌方潜艇的几率。

同时,潜艇降噪技术发展造成了需求的变化。过去,潜艇的辐射噪声主要在高频。因此,探测潜艇噪声的声呐基阵的尺寸可以做的很小。浮漂声呐和吊放声呐就大致可以对付。但是21世纪以来,潜艇的降噪技术使得高频噪声大幅度减弱,因此主要辐射噪声在低频。而探测低频大波长噪声,声呐换能基阵的尺寸就要相应增大。因此,中国海军对声呐阵列如拖曳声呐、大型固定阵列的战术需求日益增高。

所幸的是,中国在水声器件方面薄弱的局面,在1990年代,终于迎来了一个翻身的转机。

一方面,如前文所述,在1990年代中苏关系正常化之后,中国有机会师从苏俄的水声技术。从而在基础理论、实验方法和数据处理、数据分析得到全面提升。另一方面,在矢量水听器的工程实现上,中国又可以绕过苏美电器件时代的很多坎坷,直接利用当时开始大规模应用的光纤传输、光传感器技术,集中精力发展光器件时代的水听器。

兵器迷之所以前面絮絮叨叨的介绍基础理论,目的就是让大家看出来:光纤水听器在水声探测的理论上,其实并没有全新的突破。光技术对水声探测的主要贡献,是在工程层面上,用全新的技术手段,去解决机电技术水声传感和声纳数据传输无法实现的高效率、一体化难题,同时大幅度提升系统的可靠性,降低制造、使用和维护的总成本。如同ZIBAO兄所说,模(拟)改数(字),硬(件)改软(件)、机(械)改电(子),电(气)改光(纤)——原理依旧,手段大变。

幸运的是,中国从继承传统理论和使用现代技术这两个方面抓住了机会,从而“弯道超车”,实现了中国矢量水声器的光纤化,从而缩小了与世界先进水平的差距。

跨越式发展的例子很多,中国相控阵雷达技术——有源体制超越无源体制的发展,中国通信交换技术——程控式交换超越纵横制交换的发展,中国陀螺仪技术——光纤体制超越机电体制,都是实例。发展中国家作为现代工业的后来者,能否实现跨越式发展,在于能否充分利用成熟理论补课的同时,抓住新技术发展的契机,并将二者加以结合。中国军工近年来的跨越式进步层出不穷,FOVH为这样的发展模式提供了一个很好的样例。

反观苏俄,在传统水声技术和工程上与美国本来是伯仲之间的事。然而在1990年代的苏联解体和其后十几年的经济困顿中,误了光通信这班车。虽然普京执政后逐渐开始恢复元气,但依旧在FOVH的发展上慢了一步。昔日的矢量水声学开山大师,现在已经被美国甩在了后面。

中国的一追一赶,苏俄的一停一顿,进退交错的对比之下,真是让人百感交集。

当然,跨越式发展,也是有局限的,看着别人走过的道超越,达到别人的80%,最多能勉强赶上别人。再想超近道就难了。因为,根本就没道了。有别人也不告诉咱。理论功底基础研究这时候就很重要了。理论先进一分,算法先进一分,工程上略施手段,进步一代半代都是可能的。基础落后,再大的能耐也就是仿得快。从这个角度讲,俄罗斯如果完全缓过来,比我们进步更快。

深一步聊:跨越式发展,说起来轻松,做起来又谈何容易。技术上要追赶,工程上要追赶,都有一个必不可少的条件。

对了。就是资金。

美国1990年代中期,五年用了8000万美元在光纤反潜上。从1988年初开始,美国用于发现低噪声柴电潜艇的近岸固定水声监视系统FDS耗资超过11亿美元。中国现在呢,更是没少花,《中国科学报》载文,2011年中科院投资的第二套岸基光纤探测系统,4000万人民币;同年陵水站“南海海洋技术与系统试验研究基地”,仅仅第一期就是7800万人民币;2012年, 科技部建的中国首个“南海海底观测网试验系统”,也是第一期,投资2.5亿元人民币。——用网络语言说,蛮拼的。

以前有句话,说“有钱不能打水漂”。可现在,为了光纤水声技术,白花花的银子,真正是大把大把往水里倒。为嘛?金钱换时间啊。

再往深一步想,为什么国家肯于往这里面投资?

这位说,有钱了呗。

也对。

不过中国人多底薄,再多的钱,也要有所选择。为什么选择了水声这一块?

窃以为,这从一个很小的侧面,反映出中国的发展战略已经发生了根本性的转折——中国正在从陆权时代加速进入海权时代。

什么是海权时代?

就是国家的力量、民族的利益、军力的发展、争端的起源和舆论的焦点,更多的集中在海洋而不是陆地。中国现在的贸易依存海洋,中国未来的发展依赖海洋,因此中国从此的战场就在海洋。

从水听器的角度看,我们看看美国的海权时代意味着什么:

美国从上世纪60年代起,针对苏联的潜艇在本土东西两侧的大西洋和太平洋建设固定式海洋水声监视系统,每个方向由多达三条深水水听器阵列组成,电缆总长度超过3万海里。在太平洋方的三条警戒线分别是:第一条由俄罗斯的堪察加外海经日本列岛向南延伸到菲律宾和马六甲海峡——这就是第一岛链的反潜水声器监听链,第二条由阿留申群岛到夏威夷群岛,第三条设在美国西海岸大陆架200海里外。2006年美国通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划”(OOI)。该计划于2009开始建设,计划使用30年。其中最为重要的是区域性海底观测网,即东北太平洋的加拿大“海王星”(NEPTUNE)计划,能将上千个海底观测设备联网。加拿大的NEPTUNE海底观测网已于2009年12月8日建成,目前有6个基站,海缆长度达800千米。

中国艰难沉重地开始由陆向海时,已经被美日韩台菲的第一岛链封锁了半个多世纪。近年来我们遇到的所有海上争端,似乎都让人听到,一个囚徒试图奋力挣脱这条锁链时发出的,类似金属碰撞般的铿锵作响。

国内某知名的外交学者说: “第一岛链只有想象概念,把地理上一些稀疏的小岛说是对中国的封锁完全是耸人听闻”。呵呵,兵器迷觉得,这样的言论,Too simple, sometimes naïve.

扯远了。

在本系列文章的最后,让我们再次把目光投向暗流涌动的南中国海。中国为什么在南海而不是其他地方,接连建立第一套、第二套岸基光纤探测系统,以及中国首个水下监视系统和海底观测系统?为什么陵水基地近年来,各种军民两用水声项目应接不暇?(这里边有真功夫,也有凑热闹,还有空手套白狼的,热闹非凡啊,呵呵。)

第一:中国黄海的平均水深只有30-40米,东海的平均水深是340米,南海的平均水深为1212米,这对工作深度500米的FOVH实验具有重要的意义(大型拖曳声呐阵列的最大倾斜入海工作深度也是500米)。

另:有消息说中国已经在第一岛链内侧已经设置了反潜侦听网,兵器迷存疑:从公开技术文献看,中国光纤水听器的技术进展没那么快。部分军港的保护性侦听网估计是有的,但如果整个第一岛链布设,这么大阵仗美日能没反应?至少公开资料中,美国认为中国只在南海有稍大规模的反潜侦查网。

第二:比较黄海和东海,南海海域广大,是中国海军陆基防空力量无法完全覆盖的海域,却是美国海军核潜艇能够大显身手的区域。二者叠加,对我方舰艇在这个海域的作战行动构成了更大的威胁。特别是考虑到解放军三亚新型核潜艇基地以及巨浪-2南海发射阵地的安全,上述威胁对中国海基战略核反击力量构成了不可忽视的严峻考验。更不要说未来三亚基地还承接着中国航母母港的潜在需求。这个海域的反潜作战需求之高就更加确定无疑。

第三:南海是中国贸易运输要道,特别是能源运输的最大线路,而美国和东盟各国的潜艇力量一直在此持续活跃。保障这一区域的畅通安全,是中国近海海洋权益的最大体现。

因此,在南海率先部署FOVH阵列水声探测系统,既是科研实验的需要,也是经济利益的需要,更是军事准备的需要。

今年简氏防务周刊报道中国居然能够在排水量1400吨的056轻护卫上部署小型拖曳声呐,探测距离远超压传统小型压电式拖曳声呐,足见中国反潜装备小型化的进步之快。2014年,中国新制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2012-2030年)》明确将海底观测系统列为16项将建设的重大科学工程的首位。

看见没,2030年见。好好活着吧——“谁活着,谁就看得见”(萨拉热窝的瓦尔特曾这样说)。

中国FOVH的科研和工程实践表明:我们在可见的将来,将有能力部署最大探测距离超过1000公里的,与海岸观通系统、舰船观测系统、空中预警系统、卫星监视系统完整整合的水下监视和海底观测系统。并可以将FOVH的应用范围,扩大到警戒声纳、拖曳线列阵声纳、舷侧阵共形阵声纳、水雷声引信、鱼雷探测声纳、多基地声纳、水下潜航器的导航定位、分布式传感器网络等。大中型船艇用拖曳声呐的探测距离,有望超过100公里达到150公里的水平。光纤矢量水听器对中国海军反潜能力提升的重要性,是无论怎样估计都不过分的。

中国光纤反潜技术的跨越式发展,从一个侧面反映出中国海军反潜能力快速提高的趋势,这块刺眼的短板,将有望在10-15年内被持续加长。回顾和展望这样的发展历程,让我们有理由对“密歇根”号艇长本杰明•皮尔森的“南海东海后院”论,给出这样的评论:

在昨天,这的确是一个事实;在今天,这或许是一个疑问;在明天,这将只能是一个笑话。

愿这样的明天,早日到来。


静里水声何处觅,流光暗影锁真机

注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢

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中篇谈了FOVH的原理与西方特别是美帝的研究与应用情况。

有朋友催兵器迷了:抖包袱、打埋伏都有限度。酒过三巡菜过五味了,最要紧咱中国的事儿,咋总不提呢?

好,咱们这就——上硬菜!
中国压电矢量水听器:

众所周知,中国的声呐技术,乃至整个水声技术,一直是一个短板。以压电矢量水听器来说,研究工作从1990年代才开始——对比美苏,这个起点,落后了至少20年。

中国哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船重工715所和中科院声学所,是当时研究压电矢量水听器的主力军。有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工作同步展开。应当指出的是,在中苏关系正常化之后,以及中俄友好关系提升之后,中国通过对俄技术引进,全面展开了压电矢量水听器的工程应用研究。

以外场实验为标准,真正深入的研究工作要更晚,大约开始研究的时间在1998年。在这一年,中国进行了最早的关于声矢量传感器技术的外场实验:吉林松花湖实验。在这之后又进行了2000年的辽宁大连海试,2002年的北京密云水库实验,2003年的东海、南海声矢量传感器线阵实验。
中国FOVH光纤矢量水听器:

中国光纤矢量水听器的研究工作始于1986-1990年的“七五”计划期间,并在“八五”、“九五”和后续计划期间列入研究计划。中国FOVH的主要研究机构有:
-        国防科大长沙光电科学与工程学院
-        中国科学院声学研究所
-        声场声信息国家重点实验室

1996年,是中国FOVH发展的分水岭,中国将海洋领域纳入863计划,在南海建成了国家级海洋声学研究基地,海洋监测高技术领域从此走上了发展正轨,从实验室原理性研究到现场水域试验,都取得了一定的进展。

历经近二十年的大规模投入和持续跟踪、引进、消化、研究和实验,中国光纤矢量水听器技术在2001-2005年的“十五”计划后期,终于在关键性技术和(试)应用上开始获得突破性进展。

2002年8月,进行了中国首次光纤水听器阵列的海上试验。

据公开论文报道:
2003年7月,国防科大研制的光纤矢量水听器,在中船重工715所水声一级计量站进行了一维光纤矢量水听器的灵敏度及指向性测试,测试声压灵敏度达到-140dB,指向性为“8”字指向性,串扰小于-20dB。利用锐化技术应进目标方位估计,较准确地估算了目标船的方位角,并对海洋声场的矢量特性进行了测量。

图1 一维光纤矢量水听器


2003年8月,国防科大研制的四分量三维光纤矢量水听器在青岛外海域进行了海上试验,并成功实现了矢量三维定向和匹配场三维定位。在图1中可以看到,三个维度的三个干涉型光纤加速度计做成一个彼此正交的圆柱体,专业术语为“三维芯轴型推挽式结构”,以减小体积和交叉串扰。

图2 三维光纤矢量水听器结构图

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2014-11-9 13:47 上传



2005年,中国在青岛附近海域布建完成了“水下光纤综合探测系统”项目实验。

2008年4月, 国防科大在南海进行了光纤矢量水听器的相关海上试验, 测试方向精度:优于5°(信噪比>3dB),工作水深可达500米。如图3和图4。

图3:三维矢量光纤传感头封装实物图,左图为封装前,右图为封装后。
   

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图4三维光纤矢量水听器南海海上试验现场
   

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2014-11-9 13:47 上传




2009年4月,“中国科学院声学研究所南海声学与海洋综合观测实验站”正式在海南陵水成立。至此,中国国的水声学研究,形成了中科院声学所北京本部,加东海站、北海站和南海站三个濒海研究平台的1+3格局。

2009年10月,海南陵水基地开始布放“863”重点项目“岸基光纤线列阵水声综合探测系统”。

2010年1月,863重点项目“岸基光纤线列阵水声综合探测系统”在南海多个关键海域成功布放完毕。

2011年,中科院在陵水站建设9600平方米的“南海海洋技术与系统试验研究基地”(一期)。同年,科技部在距陵水基地岸边100公里处,布放了第二套岸基光纤探测系统。

2012年, 科技部依托陵水基地建设中国首个“南海海底观测网试验系统”。同年,年国务院50号文令:在海南陵水建设海底观测网系统。

2013年5月13日,《中国科学报》报道,南海海洋所联合沈阳自动化所和声学研究所共同完成的中国第一个海底观测系统得到第一批数据。海底观测示范系统由岸基站、2km长的光电缆、基于自主技术的1个主接驳盒和1个次接驳盒、3套观测设备、1个声学网关节点与3个观测节点构成,并具有扩展功能,岸基站提供10kv高压直流电,接驳盒布放在20m水深的海底。

2014年5月11日,中科院南海海洋研究所网站报道,随着海底观测数据在屏幕上的实时显示,标志中国首个水下监视系统和海底观测系统建成。

图5: 海底监测数据实时显示

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2014-11-9 13:47 上传



2012年,第八届国防电子展上,中国电子信息产业集团公司、国防科技大学、湖南光纤传感技术工程实验室,联合展出了国产光纤水听器的模型。

2014年,第九届国防电子展上中国电子信息产业集团公司和北京神州普惠科技股份有限公司联合展出了过程光纤水听器和FOVH阵元实物。至此,国产FOVH终于公开在世人的眼前。从报道看,中国的FOVH研发团队基于动态匹配的大容差光学均衡阵列设计与组装创新技术、光纤水听器阵列数据采集与信号处理技术、声全息测量技术、声聚焦技术、声场预报技术、声学仿真平台技术、声学仿真平台技术,已然渐成体系,让人对国产光纤水声器的发展充满了自豪和期许。

看到国内的进步,自然心里高兴。

可是,还是给大家提个醒:2014年中国投入使用的国产FOVH大多是128阵元的,根据技术要求不同,阵元间距0.75米-25米。国产FOVH256阵元的产品正在研制中,而美国2000年的产品是96阵元,2003年弗吉尼亚级核潜艇安装的是2700个FOVH的全光水听器阵列声呐舷侧阵。

别嫌兵器迷煞风景——进步是一种事实,差距也是一种事实。如果说前者值得我们欣喜,而后者就更有理由,值得我们格外的尊重。
总结
从中国FOVH的发展历程来,我们读到了一个清晰而重要的词汇:跨越。

从历史上看,1990年代之前,中国水声研究的底子是非常薄的。虽然中国上世纪50年代未,水声学的第一支国家队就组建于三亚,也就是即日后的中科院声学所南海研究站。但是,在声压水声器和传统压电矢量水听器的发展过程都乏善可陈。为什么?

第一:没钱。水声学烧钱,比电商还狠(后面详述)。“新”中国名字好听,从装备上,实际是个旧穷国。别说大面积反潜侦听网,就是拖曳声呐都是天鹅肉。好歹有个船壳声呐就很高科技了。一艘大舰相当于一个步兵师,传统的中国大陆军哪有那么多钱往水里砸。日本靠美国了。欧洲有无限制潜艇战的历史,知道反潜的重要性,但水声学的发展比美国差远了,主要问题也是钱。

第二:潜艇曾经不是主要威胁。很长一段时间内,中国面临的海上威胁主要来自美蒋的飞机——比如PV2每月2次,最远一直飞到哈尔滨侦查完再飞回台湾都拦不住。到1961年10月,累计大陆拦截400多架次无战果。其次是军舰,1950年代台湾的军舰一直有效封锁中国东部沿海,有兴趣的网友可以去查查1955年的台山列岛海战,国共的战果一边倒到什么程度(两边的材料都要看啊,特别是那边)。至于反潜,大陆海军被击沉击伤的舰艇不少,可有一艘是损于敌方潜艇?兵器迷没查到。后面的威胁就是北约都忌惮的苏联的坦克狂飙和战术核武器了。谁还有工夫理会躲躲藏藏的潜艇?

第三:反潜技术本身效果有限。无须赘述黄海和东海的复杂浅水环境噪声影响水听器的效果,很长一段时间,反潜效果最佳的武器还是潜艇本身。至于拖曳声呐,太大太沉——80年代中国引进法国的SS12,拖曳距离才200米,探测距离才16海哩,甲板重量却有4吨。况且,30年前中国舰艇的柴油机那轰鸣的低频噪声,装上啥声呐也白搭啊。就算是反潜第一大户美国,远有埃及老式柴电潜艇,近有瑞典哥特兰、中国宋改,都破了美国的反潜网。

需求不急迫,花钱不知底,效果不理想。穷人出身的中国水声研究步子,快得了吗?在这种情况下,反潜声呐装备,特别是拖曳声呐装备的发展,也就失去了技术基础,成为无源之水。这也是为什么美日嘲笑中国反潜能力数十年没有实质性改善的根本原因。

然而,时移世易。

随着中国中国海外贸易的发展,海上运输安全日益重要。中国海军防空反舰能力的提高,包括航母和核潜艇在内的大中型舰艇走向深蓝的步伐也在加快,这些都大大增加了我方面临敌方潜艇的几率。

同时,潜艇降噪技术发展造成了需求的变化。过去,潜艇的辐射噪声主要在高频。因此,探测潜艇噪声的声呐基阵的尺寸可以做的很小。浮漂声呐和吊放声呐就大致可以对付。但是21世纪以来,潜艇的降噪技术使得高频噪声大幅度减弱,因此主要辐射噪声在低频。而探测低频大波长噪声,声呐换能基阵的尺寸就要相应增大。因此,中国海军对声呐阵列如拖曳声呐、大型固定阵列的战术需求日益增高。

所幸的是,中国在水声器件方面薄弱的局面,在1990年代,终于迎来了一个翻身的转机。

一方面,如前文所述,在1990年代中苏关系正常化之后,中国有机会师从苏俄的水声技术。从而在基础理论、实验方法和数据处理、数据分析得到全面提升。另一方面,在矢量水听器的工程实现上,中国又可以绕过苏美电器件时代的很多坎坷,直接利用当时开始大规模应用的光纤传输、光传感器技术,集中精力发展光器件时代的水听器。

兵器迷之所以前面絮絮叨叨的介绍基础理论,目的就是让大家看出来:光纤水听器在水声探测的理论上,其实并没有全新的突破。光技术对水声探测的主要贡献,是在工程层面上,用全新的技术手段,去解决机电技术水声传感和声纳数据传输无法实现的高效率、一体化难题,同时大幅度提升系统的可靠性,降低制造、使用和维护的总成本。如同ZIBAO兄所说,模(拟)改数(字),硬(件)改软(件)、机(械)改电(子),电(气)改光(纤)——原理依旧,手段大变。

幸运的是,中国从继承传统理论和使用现代技术这两个方面抓住了机会,从而“弯道超车”,实现了中国矢量水声器的光纤化,从而缩小了与世界先进水平的差距。

跨越式发展的例子很多,中国相控阵雷达技术——有源体制超越无源体制的发展,中国通信交换技术——程控式交换超越纵横制交换的发展,中国陀螺仪技术——光纤体制超越机电体制,都是实例。发展中国家作为现代工业的后来者,能否实现跨越式发展,在于能否充分利用成熟理论补课的同时,抓住新技术发展的契机,并将二者加以结合。中国军工近年来的跨越式进步层出不穷,FOVH为这样的发展模式提供了一个很好的样例。

反观苏俄,在传统水声技术和工程上与美国本来是伯仲之间的事。然而在1990年代的苏联解体和其后十几年的经济困顿中,误了光通信这班车。虽然普京执政后逐渐开始恢复元气,但依旧在FOVH的发展上慢了一步。昔日的矢量水声学开山大师,现在已经被美国甩在了后面。

中国的一追一赶,苏俄的一停一顿,进退交错的对比之下,真是让人百感交集。

当然,跨越式发展,也是有局限的,看着别人走过的道超越,达到别人的80%,最多能勉强赶上别人。再想超近道就难了。因为,根本就没道了。有别人也不告诉咱。理论功底基础研究这时候就很重要了。理论先进一分,算法先进一分,工程上略施手段,进步一代半代都是可能的。基础落后,再大的能耐也就是仿得快。从这个角度讲,俄罗斯如果完全缓过来,比我们进步更快。

深一步聊:跨越式发展,说起来轻松,做起来又谈何容易。技术上要追赶,工程上要追赶,都有一个必不可少的条件。

对了。就是资金。

美国1990年代中期,五年用了8000万美元在光纤反潜上。从1988年初开始,美国用于发现低噪声柴电潜艇的近岸固定水声监视系统FDS耗资超过11亿美元。中国现在呢,更是没少花,《中国科学报》载文,2011年中科院投资的第二套岸基光纤探测系统,4000万人民币;同年陵水站“南海海洋技术与系统试验研究基地”,仅仅第一期就是7800万人民币;2012年, 科技部建的中国首个“南海海底观测网试验系统”,也是第一期,投资2.5亿元人民币。——用网络语言说,蛮拼的。

以前有句话,说“有钱不能打水漂”。可现在,为了光纤水声技术,白花花的银子,真正是大把大把往水里倒。为嘛?金钱换时间啊。

再往深一步想,为什么国家肯于往这里面投资?

这位说,有钱了呗。

也对。

不过中国人多底薄,再多的钱,也要有所选择。为什么选择了水声这一块?

窃以为,这从一个很小的侧面,反映出中国的发展战略已经发生了根本性的转折——中国正在从陆权时代加速进入海权时代。

什么是海权时代?

就是国家的力量、民族的利益、军力的发展、争端的起源和舆论的焦点,更多的集中在海洋而不是陆地。中国现在的贸易依存海洋,中国未来的发展依赖海洋,因此中国从此的战场就在海洋。

从水听器的角度看,我们看看美国的海权时代意味着什么:

美国从上世纪60年代起,针对苏联的潜艇在本土东西两侧的大西洋和太平洋建设固定式海洋水声监视系统,每个方向由多达三条深水水听器阵列组成,电缆总长度超过3万海里。在太平洋方的三条警戒线分别是:第一条由俄罗斯的堪察加外海经日本列岛向南延伸到菲律宾和马六甲海峡——这就是第一岛链的反潜水声器监听链,第二条由阿留申群岛到夏威夷群岛,第三条设在美国西海岸大陆架200海里外。2006年美国通过了由近海、区域、全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划”(OOI)。该计划于2009开始建设,计划使用30年。其中最为重要的是区域性海底观测网,即东北太平洋的加拿大“海王星”(NEPTUNE)计划,能将上千个海底观测设备联网。加拿大的NEPTUNE海底观测网已于2009年12月8日建成,目前有6个基站,海缆长度达800千米。

中国艰难沉重地开始由陆向海时,已经被美日韩台菲的第一岛链封锁了半个多世纪。近年来我们遇到的所有海上争端,似乎都让人听到,一个囚徒试图奋力挣脱这条锁链时发出的,类似金属碰撞般的铿锵作响。

国内某知名的外交学者说: “第一岛链只有想象概念,把地理上一些稀疏的小岛说是对中国的封锁完全是耸人听闻”。呵呵,兵器迷觉得,这样的言论,Too simple, sometimes naïve.

扯远了。

在本系列文章的最后,让我们再次把目光投向暗流涌动的南中国海。中国为什么在南海而不是其他地方,接连建立第一套、第二套岸基光纤探测系统,以及中国首个水下监视系统和海底观测系统?为什么陵水基地近年来,各种军民两用水声项目应接不暇?(这里边有真功夫,也有凑热闹,还有空手套白狼的,热闹非凡啊,呵呵。)

第一:中国黄海的平均水深只有30-40米,东海的平均水深是340米,南海的平均水深为1212米,这对工作深度500米的FOVH实验具有重要的意义(大型拖曳声呐阵列的最大倾斜入海工作深度也是500米)。

另:有消息说中国已经在第一岛链内侧已经设置了反潜侦听网,兵器迷存疑:从公开技术文献看,中国光纤水听器的技术进展没那么快。部分军港的保护性侦听网估计是有的,但如果整个第一岛链布设,这么大阵仗美日能没反应?至少公开资料中,美国认为中国只在南海有稍大规模的反潜侦查网。

第二:比较黄海和东海,南海海域广大,是中国海军陆基防空力量无法完全覆盖的海域,却是美国海军核潜艇能够大显身手的区域。二者叠加,对我方舰艇在这个海域的作战行动构成了更大的威胁。特别是考虑到解放军三亚新型核潜艇基地以及巨浪-2南海发射阵地的安全,上述威胁对中国海基战略核反击力量构成了不可忽视的严峻考验。更不要说未来三亚基地还承接着中国航母母港的潜在需求。这个海域的反潜作战需求之高就更加确定无疑。

第三:南海是中国贸易运输要道,特别是能源运输的最大线路,而美国和东盟各国的潜艇力量一直在此持续活跃。保障这一区域的畅通安全,是中国近海海洋权益的最大体现。

因此,在南海率先部署FOVH阵列水声探测系统,既是科研实验的需要,也是经济利益的需要,更是军事准备的需要。

今年简氏防务周刊报道中国居然能够在排水量1400吨的056轻护卫上部署小型拖曳声呐,探测距离远超压传统小型压电式拖曳声呐,足见中国反潜装备小型化的进步之快。2014年,中国新制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2012-2030年)》明确将海底观测系统列为16项将建设的重大科学工程的首位。

看见没,2030年见。好好活着吧——“谁活着,谁就看得见”(萨拉热窝的瓦尔特曾这样说)。

中国FOVH的科研和工程实践表明:我们在可见的将来,将有能力部署最大探测距离超过1000公里的,与海岸观通系统、舰船观测系统、空中预警系统、卫星监视系统完整整合的水下监视和海底观测系统。并可以将FOVH的应用范围,扩大到警戒声纳、拖曳线列阵声纳、舷侧阵共形阵声纳、水雷声引信、鱼雷探测声纳、多基地声纳、水下潜航器的导航定位、分布式传感器网络等。大中型船艇用拖曳声呐的探测距离,有望超过100公里达到150公里的水平。光纤矢量水听器对中国海军反潜能力提升的重要性,是无论怎样估计都不过分的。

中国光纤反潜技术的跨越式发展,从一个侧面反映出中国海军反潜能力快速提高的趋势,这块刺眼的短板,将有望在10-15年内被持续加长。回顾和展望这样的发展历程,让我们有理由对“密歇根”号艇长本杰明•皮尔森的“南海东海后院”论,给出这样的评论:

在昨天,这的确是一个事实;在今天,这或许是一个疑问;在明天,这将只能是一个笑话。

愿这样的明天,早日到来。


静里水声何处觅,流光暗影锁真机

注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢

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好文得凸,海权啊海权......

点进楼主的博客看了看,必须强推啊,很多不错的文章!

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不错的介绍文章,对中国反潜声纳阵大概的技术与方向有了一点认识了
原来反潜也可以用光纤
这样的科普贴不顶妄为军迷啊!谁把这篇好帖的上篇链接发一下,谢谢。
不能把试验的样品和人家已经装备部队的装备去比性能。

我们02年还在原理验证、试验。人家已经定型装备

根本不具备可比性
呆傻老男人 发表于 2014-11-11 21:30
这样的科普贴不顶妄为军迷啊!谁把这篇好帖的上篇链接发一下,谢谢。
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