舰艇近区安全防卫系统分析_宋昕.pdf

第 35 卷 第 5 期2013 年 10 月指挥控制与仿真Command Control SimulationVol.35No.5Oct.2013文章编号:1673-3819(2013)05-0039-04舰艇近区安全防卫系统分析*宋昕1，甘新胜2(1 海军驻 716 研究所军事代表室，江苏 连云港222061;2 江苏自动化研究所，江苏 连云港222061)摘要:针对我国舰艇近区安全存在的问题，提出一种舰艇近区安全防御的系统方案构想，系统配备用于探测地面、水上、低空近临目标、水下目标的传感器和用于驱逐或打击的多种武器，并阐述了系统中各装备的发展状况，为舰艇的近区防御系统的发展提供技术参考。关键词:舰艇近区安全;近区安全防卫系统;非致命武器中图分类号:E94文献标识码:ADOI:10 3969/j issn 1673-3819 2013 05 009Discussion on Development of Ship Near-zone Defense SystemSONG Xin1，GAN Xin-sheng2(1 The Military Agent of 716th esearch Institute，Lianyungang 222061;2 Jiangsu Automation esearch Institute，Lianyungang 222061，China)Abstract:In order to improve the near-zone security in ship，a defense system equips multi-sensors and multi-weapons areproposed Sensors are used to detect ground targets，surface targets，low air targets and underwater targets Weapons areused to reject or beat the targets The equipments in the system are introduced All these researches can provide technologyreference for the future development of ship near-zone defense systemKey words:ship near-zone security;near-zone security defense system;non-deadly weapon收稿日期:2013-04-03修回日期:2013-05-20*基金项目:“十二五”国防预研基金作者简介:宋昕(1966-)，男，北京人，高级工程师，研究方向为舰艇装备。甘新胜(1979-)，男，硕士，工程师。舰艇的安全威胁主要来自于战场，但在非战场条件下，舰艇也需要防卫各种不对称的攻击。航行状态下，舰艇的安全主要依靠全体军官以及舰上武器系统。当各种搜索设备、武器设备都处于关闭状态时，附近的民船也会对舰艇构成威胁。2000 年美“科尔”号驱逐舰(DDG 67)的爆炸事件，以及 2005 年美“奇尔沙治”号(LHD3)遭到火箭弹袭击的事件都表明，舰艇在停泊状态下的自身安全防卫工作非常薄弱。国外许多公司开发了各种非战斗方式下保卫舰艇近身安全的系统，如英国皮尔金顿光电集团研制的“九头蛇”轻型被动光电监视系统，该系统可以执行 24 小时的监视、导航、搜索和救援任务;美国诺斯罗普格鲁曼公司的“CENTUION(百夫长)”系统，配备了声学传感器、雷达、光学传感器和自动识别系统(AIS)等。反恐和护航(如索马里护航)的紧迫形势下，我国舰艇需要具有任何状态下的自我安全防卫能力。针对当前舰艇存在的近区安全隐患，有必要开展舰艇近区安全防卫系统的研制和装备应用。本文构想的舰艇近区安全防卫系统，综合利用声纳和观瞄设备对水下目标、地面、水上及低空近邻目标进行昼夜探测，并配备反蛙人火箭炮、舰用机枪、声学拒敌、光学拒敌等致命和非致命武器装备，完成舰艇的安全防卫工作。1近区安全防卫系统组成近区安全防卫系统是集目标预警、探测、跟踪和打击等功能于一体的武器系统。该系统包括:传感器、武器以及综合控制台，如图 1 所示。传感器主要包括声纳、观瞄设备等。声纳用于探测水下威胁因素，如蛙人、无人水下航行器(UUV)等。观瞄设备用于探测地面、水上的威胁因素，如民船(快艇)、遥控飞机、汽车以及威胁人物等。武器包括反蛙人火箭炮、机枪、光学拒敌装置、声学拒敌装置等。反蛙人火箭炮、机枪属于致命性攻击武器，反蛙人火箭炮主要用于攻击水下的蛙人1，并在舰艇航行前，具有清除水下威胁。光学拒敌装置有多个用途:一是警告的作用，提示附近的人员、船只避让;二是强光具有致敌晕眩的作用，另外，在夜间，光学拒敌装置可以为观瞄设备提供照明。声学拒敌装置能够对周围目标进行声音提示，也能够对不需要歼灭的但具有威胁的且靠近目标进行声波攻击，能够使其震聋震伤。综合控制台是整个系统的中枢神经，负责接收声纳的目标信息，实时解算目标的运动参数，辅助指挥员进行水下目标攻击决策;接收观瞄设备探测到的目标信息，进行自动识别和跟踪，实时解算出机枪打击诸元40宋昕，等:舰艇近区安全防卫系统分析第 35 卷及光学拒敌装置、声学拒敌装置的打击参数;并实时绘制态势信息，为指挥员提供实时的周围情况。通过综合控制台，指挥员可以根据对目标的特点制定针对性的防卫方案。图 1近区防卫系统组成1.1声纳探测设备国内外对小目标的声纳探测技术进行了研究，且取得不同程度的进展。专用蛙人探测声纳系统采用高频主动声纳技术，对蛙人等小目标的探测距离为达2000m，采用大角度或者 360全向搜索覆盖扇面，具备多目标探测跟踪识别能力。具有代表性的蛙人探测系统有以下几个。挪威 Kongsberg 公司的 SM2000 反蛙人声纳及其构成的综合反蛙人系统(美国 IAS 综合反蛙人系统)，包括探测声纳、水下扬声器和水下脉冲发射器，可远距离对水下蛙人进行探测、警告并强迫上浮。通过 SM2000高频声纳图像，可正确识别目标是蛙人还是海洋生物或其他物体。HSS 是美海军部署的综合海上监视系统，该系统综合了雷达、声纳、光电和红外传感器，用于提供全面的覆盖监视能力。其中配置了英国 QinetiQ 的“冥府守门狗 360”，能够在 800m 范围内对蛙人进行探测。主动搜索声纳的频率为 100kHz。该声呐能够进行 360搜索，同时探测 50 个以上的目标，并具有目标分类功能，可在水下 500m 距离识别人类的胸腔，区分目标是蛙人还是哺乳动物，减少虚警率。以色列的蛙人探测声纳(DDS)主要针对闭式循环呼吸的蛙人，其工作频率是 60kHz，可水平 360全向搜索。接收阵由 4 个水平线列十字交叉状布置，发射阵由垂直线列阵组成(4 个扇面，每个 90发射)。DDS 采用基于目标图像特征提取和图像处理技术的目标分类系统，可以区分不同类型的目标，为自动目标跟踪提供了三维的图像显示(距离、方位、深度)，最多可跟踪 20个目标。对携带封闭式呼吸装置的蛙人，DDS 的探测距离达 700m;对于携带开放式呼吸器的蛙人，DDS 探测距离达 1000m 2000m;对于有动力系统的蛙人运载器，DDS 探测距离能够延伸到 1400m 2000m。加拿大 C-TECH 公司的 CSDS-85 侦察声纳，工作频率为 80kHz，带宽 3kHz，探测量程为多档可选，最大可达 2000m，能够 360水域全向监视，也可进行扇区监视2。俄罗斯“帕拉达”反蛙人声纳借助于舰艇首和尾吊放在水中的 2 个基阵和相应的控制设备，实现对舰艇周边水域的声纳搜索预警。1.2观瞄设备观瞄设备泛指探测各种水上、地面、空中威胁的传感器，包括雷达、可见光和红外等传感器3。目前，舰上的雷达、光电传感器主要用于探测较远距离的战斗目标，对于近身的目标探测主要依赖于光学监视设备。国外基于可见光和红外传感器的近身目标探测监视系统主要有以下几个。美国 Genex 技术公司利用 OmniEye 全景成像技术，开发了智能化视频/红外全景摄像机，该设备可以安装在舰船的桅杆上，能够为舰船在港口停泊时提供新型全景、全天候、高分辨率的视频信息。该设备把一台 360OmniEye 摄像机与一台具有补偿功能、可以旋转/俯仰/变焦的高分辨率摄像机组合在一起，可获得同步的半球视场和所选择目标的高分辨率。Charles iver Analytics 公司提出研制一种智能舰载监视系统。该系统使用兼具反射和折射成像方式获取 360全景覆盖，采用可见光和红外传感器组合实现昼夜工作。该系统软件部分包括背景分析和杂波消除模块、多目标跟踪模块等。系统可以输出含目标轨迹以及注解的视频流，便于观察。emote eality 公司研制的全向成像和跟踪设备用于海军舰船驻扎和靠近港口时的防护。全向光学器件可覆盖水平 360范围。采用高分辨率、全向摄像机并配备探测和跟踪软件。除了以上几个系统外，还有许多公司开发了各种监视系统。这些系统都有两个特点:一是成像传感器能够覆盖 360范围;二是采用图像处理技术完成全景图拼接、目标检测、跟踪、识别等功能。1.3综合控制台综合控制台是整个系统的控制核心，接收传感器的探测数据，处理，形成决策，并通过打击武器实现范围。控制台一方面为指挥员提供侦察信息，一方面负责执行指挥员拟定的作战方案。控制台主要的组成如图 2 所示，包括综合态势感知、视频目标的自动识别和跟踪、武器打击诸元解算、智能决策等。1.4武器近区安全防卫系统的武器配备打击地面、水上以及水下目标的武器。地面、水上目标的打击武器主要是舰用机枪。机第 5 期指挥控制与仿真41枪可以打击水面目标，也可以打击近空小目标，如遥控飞机。在非战斗方式下，地面、水上目标的打击武器多数用于示警，要求打击的武器尽量减少伤亡，减少不必要的纠纷。光学拒敌装置和声学拒敌装置等非致命武器非常适用于这种情况。光学拒敌装置由指挥员根据目标的威胁情况调整光照的亮度，并对威胁目标进行眩目致盲。同样声学拒敌装置能够根据指挥员的要求调节声波的高低，具有震晕震聋的功能。光学拒敌装置和声学拒敌装置的指向和强度可以通过控制台进行控制，实现发现目标后快速反击的能力。图 2控制台的结构蛙人是来自水下的最大威胁，是当前各国都非常重视发展和防护的水下有生力量。反蛙人武器主要有以下几种。1)反蛙人水雷。一种小型水下兵器，专门用于对付蛙人。反蛙人水雷对大型舰船不起作用，但能有效对付蛙人。通过在基地附近水域布设一定数量的小型反蛙人水雷，可以有效阻止蛙人入侵海军基地和港口。反蛙人水雷平时静止不动，当声纳系统或海岸探测系统探测到有来犯的蛙人或者可疑水下不明航行体，便可通过控制系统对其进行控制，使其启动，并实施攻击。2)反蛙人手榴弹。一种用于对抗蛙人的水下兵器。当舰上人员发现有蛙人企图对军舰实施攻击时，舰上人员可用反蛙人手榴弹进行反击。这种武器在水中爆炸，其产生的爆炸力足够给蛙人致命的打击。3)反蛙人水下枪械。这是一种蛙人与蛙人之间进行对抗的水中兵器。其中，以俄罗斯为首的海军国家发明的蛙人用枪械最为著名。4)反蛙人火箭炮。这是一种可以用于对付远近蛙人目标的攻击性武器。该武器包括炮弹发射架、控制台、电源等配套的装置。它可以连续发射多面火箭炮或者反蛙人深水炸弹，打击的方式、瞄准的方向由计算机进行精确地控制，能够高精度地打击蛙人目标。2关键技术分析2.1综合态势感知综合态势包括水下目标态势和水上(含地面)目标态势。态势图是采用图的方式为指挥员从复杂信息中快速掌握局势的一种方法。水下目标态势的数据来源是声纳探测设备，描述本艇与水下目标空间上的关系以及它们之间的运动关系，图 3 是目标态势图。观瞄设备的配置方案与系统的需求有关。一个方案可以采用多个固定于桅杆的成像设备覆盖整个 360范围以及一个具有随动控制的成像设备用于局部的特写。另一个方案是多个成像设备安装与舰船的几个区域，每个成像设备由独立的随动系统控制进行 360范围的搜索，这个方案能够避免在大的舰船中出现舰船本身的自我遮挡，从而导致的盲区。图 3目标态势图观瞄设备探测到的地面、水上目标可以反映在态势图中，也可以利用全景拼接技术，把图像序列拼接成比较直观的全景图像。与静态图像相比，视频具有实时地记录场景动态行为的优点。为了清楚观察较远距离的目标，需要将视场调小，但不利于人们从全局的角度把握监控场景。全景拼接就是把视频序列合成一副全景图像，从而使人们更加容易理解视场的位置。视频拼接包括两个步骤:图像的配准和融合4。图像配准的目的是恢复图像序列帧间的空间几何关系。图像融合的目的是消除对齐图像的不连续和缝隙以及扭曲校正。图 4 是图像序列拼接结果5，结果图像出现扭曲的原因是没有经过校正。2.2视频目标自动识别与跟踪自动目标识别技术和稳定的目标跟踪技术是监视系统的关键技术之一。目标识别技术辅助指挥员从复杂的背景中识别出目标。目前，在一些简单的场合完全自动的识别技术可以使用，但在复杂的背景下，完全自动识别技术是否可用还有待进一步研究。由于受到疲劳、注意力分散等原因的影响，依靠人从电视中发现目标的工作方式是很容易出现遗漏。通过自动目标检测42宋昕，等:舰艇近区安全防卫系统分析第 35 卷可以给出提示，减少人的工作量。而且当舰艇停泊或者缓慢航行时，通过比较当前图像与全景图的差异来实现目标检测，这是一种基于背景差分的检测方法6。图 4视频拼接结果目标识别的目的是为了向指挥员提供决策辅助，只需要能够区分出基本的类型，如人、车、船等类型，识别的效果依赖于前期的目标检测提取。目标跟踪用于得到目标的运动参数，一方面可以掌握目标的意图，另一方面，通过跟踪数据可以精确解算武器诸元。2.3武器诸元解算通过对侦察到的目标点进行滤波、解算等处理，估计出目标的运动参数，预测出目标在下一时刻的位置，为各种武器的打击提供支持 7。诸元解算还需要考虑打击武器的特点，例如激光武器没有任何的空间和时间延迟，而火箭炮、机枪不但考虑炮弹的飞行时间，还要根据不同气象条件下的影响进行修正。光学拒敌装置和声学拒敌装置由于其发散角大，可以只进行简单的解算。2.4智能攻击决策非战场条件下与战场条件下的目标攻击决策有很大差别。非战场条件下，攻击目标的目的不一定是为了摧毁目标、消灭目标，而是给目标足够的警示、威慑，使目标离开。攻击决策就是根据目标的特点为指挥员提供辅助的决策提示，指挥员也可以根据实际情况进行调整。目标靠近舰艇有各种原因，有一些是无意的，比如好奇，对这种情况的目标(人或船只)，给以声学、光学警示让其离开。但是，对于多次警告也不起作用的情况，需要给出红色警报，提示指挥员威胁的存在。攻击决策模块分为两种工作模式:一种是智能工作状态，该状态系统对入侵目标进行自动的警告，主要采用非致命武器光学拒敌装置和声学拒敌装置;另一种工作模式是手工模式，这种模式需要指挥员的确认才进行攻击，系统只是给予提示。3结束语随着我国参加国际事务的日益增多，我舰艇受到的威胁也逐渐增多。本文介绍的近区安全防卫系统是针对近区安全防卫工作的一套集合传感器、武器的系统。该系统能够有力地保障舰艇免受来自地面、水上、水下的各种威胁，有效保障舰艇非战斗下的安全。参考文献:1 张彦敏，佟盛 反蛙人技术在港口监控中的战术应用 J 舰船科学技术，2008，30(6):168-171 2 尹凯华 蛙人探测声纳在水下安保的技术实现J 上海船舶运输科学研究所学报，2011，34(1):71-75 3 雷厉 侦察与监视 M 北京:国防工业出版社，2008 4 Kumar，Samwhney H，Samarasekera S，etc Aerial Vid-eo Surveillance and ExploitationJ In Proceedings ofthe IEEE，2001，89(10):1518-1539 5 邓军，甘新胜 一种基于不变特征的视频拼接方法 J 指挥控制与仿真，2009，31(3):98-100 6 甘新胜 基于码书的运动目标检测方法J 中国图象图形学报，2008，13(2):365-371 7 本书编写组 现代舰艇火控系统M 北京:国防工业出版社，2008