美军神秘水下侦听系统的前世今生

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　　上世纪30年代，海洋学家无意中发现：海洋中存在一个神秘的“深海低频声学通道”——SOFAR (for Sound Fixing and Ranging) 声学通道。在这个通道里，低频声波几乎能毫无损耗地传递数百千米!而离开这个通道，声波在海水中传播几千米就衰减了。SOFAR通道之所以如此神奇，缘于不同温度的海水层形成“通道折射”效应，使得声波避免了与海面或海底的接触损耗。

　　SOFAR通道被发现后，首先被用于海上救生系统，即海军远距离发送求救信号的工具。最初的构想是，海上坠机或沉船的幸存者可以扔一个炸弹，在SOFAR声学通道爆炸，借助SOFAR声学通道的远程传递，该爆炸信号被陆地上的岸基监视站监视到，之后统计分析声波的到达时间差，就可以计算出幸存者的大概位置。该项目被称为SOFAR项目，但最终不了了之。

　　尽管早在一战时期就发明了原始声呐，二战时，用主被动声呐探测潜艇的技术已被大量应用，但这些系统多采用较高频率的声波，在有利的水文条件下作用距离也就几百米。二战期间，哈佛大学水下声音实验室负责人弗雷德里克·亨特，想到了SOFAR声学通道，提出使用SOFAR通道来监视潜艇发出的噪声。不仅如此，亨特还做了一个令人信服的论证，即无论潜艇本身是否处于SOFAR通道，其发出的低于500Hz的低频声波，都可以从任何震源深度渗透到SOFAR通道，在SOFAR通道里进行远距离传输。这就是SOSUS系统 (Sound Surveillance System) 的科学基础。

　　鉴于苏联潜艇是以二战时德国的潜艇技术为基础研制的，美军认为，其对美国的海上安全构成严重的威胁。1950年，美军内部多次秘密讨论如何应对苏联潜艇的威胁。

　　初期探索

　　几百英里外就能听到苏联潜艇?这无疑太诱人了!1950年底，美国海军研究办公室资助美国电话电报公司 (AT&T) 及其制造部门西部电力公司，开发实用化的“海底监视系统”原型，通过SOFAR信道探测并跟踪苏联潜艇。最初，项目代号为“Jezabel”。与此同时，著名的伍兹霍尔海洋研究所和加利福尼亚斯克里普斯海洋学研究所等机构，继续进行理论研究，重点是海洋中声音的远距离传输问题。这个项目被称为Michael项目。之后，Jezebel项目和Michael项目进行整合，最终演变成了高度机密的SOSUS系统。作为掩护，其对外的公开名称是“Caesar”。

　　通过美国电话电报公司的一系列努力，大量水听器阵列被放置在海底。这些水听器通过水下电缆连接到位于岸上的信息处理中心，这些信息处理中心对外模糊地被称为“海军设施”(Naval Facilities，NAVFAC)。1952年1月，第一个全尺寸的SOSUS系统原型，在巴哈马的伊柳塞拉岛约440米下的海底建成，包括一个长约305米的水听器阵列和40个水听器。测试表明，该阵列能在很远的距离上发现当时的美国潜艇。于是，美军决定在美国整个东海岸安装类似的阵列，这样就可以监视从欧洲进入大西洋的苏联潜艇。两年后，美军决定将系统扩展到美国西海岸和夏威夷。

　　早期的SOSUS线阵列位于大陆架的边缘，受当时技术限制，电缆长度不能超过241千米，因此，NAVFAC信号处理中心必须位于最靠近陆地的沿海地区。为了分析这些信号，AT&T公司采用当时最先进的语音分析设备声谱绘图仪。它能用当时很尖端的静电指针，在特殊的静电敏感纸上画出黑灰色的纹路。而另一种安装在NAVFAC中心的低频分析记录仪，被设计用于分析低频水下信号的各种频率特征，然后在所谓的LOFAR图谱中分辨出潜艇产生的独特声音特征。

　　在探测和跟踪苏联核潜艇方面，SOSUS系统非常成功。随着越来越多的苏联潜艇从巴伦支海和白海的基地进入北大西洋，美军在冰岛和英国威尔士，建立了更多的阵列和NAVFAC信号处理中心。当时，每个NAVFAC信号处理中心的几十台LOFAR分析仪和数百名操作人员，24小时不间断工作。在这里，所有声学信号最终被处理为一个扇形的水平波束，其中特定的声音信号可以绘制为一个个小角度扇形，每个扇形的张角只有2至5度，表示声源的方位角。然后，就是对声源的时频分析，区分海洋背景噪声，以及与机械相关的特定频谱，这是识别目标的关键。这些记录汇总到经过专门训练的分析人员那里进一步分析，寻找潜艇特定的“声学指纹”，进行身份识别，同时通过多个方位角扇形来交叉定位，预测其下一步走向，必要时给出预警。

　　到1957年，SOSUS系统延伸到了太平洋，除了北美洲，美军在关岛、中途岛、阿留申群岛、檀香山都部署了NAVFAC中心。到20世纪70年代中期，美军在全球建立了20个NAVFAC信号处理中心，分别隶属于太平洋和大西洋两个大洋系统司令部，工作人员多达3500人。

　　实战检验

　　美军希望SOSUS系统能提供苏联潜艇进入北大西洋或东太平洋的早期预警，并为前沿部署的反潜部队提供概略提示。通过多个阵列提供的方位数据，能计算出目标的大概位置区域，然后引导巡逻机、水面战舰和潜艇进一步识别查证。这需要整个SOSUS系统、NAVFAC中心与当地海军的密切协同。设计之初，SOSUS主要针对那些浮出水面充电的苏联柴电潜艇，毕竟水面柴油机航行的噪声远大于水下电动机，并据此建立了系统的关键技术特性，如频率覆盖范围等。1958年，当第一批苏联核动力潜艇开始运行时，美军发现SOSUS系统发现核潜艇的效果更为显著。在1961年的性能演示验证中，SOSUS系统追踪了美国自己的战略导弹核潜艇“乔治·华盛顿”号，从本土出发穿越北大西洋抵达英国的全过程。这也是所谓“SOSUS系统能隔着大西洋听到苏联潜艇出港”传言的由来。

　　1962年6月，NAVFAC哈特拉斯角中心与苏联柴电潜艇发生了第一次SOSUS接触。一个月后，NAVFAC巴巴多斯中心首次在挪威西部发现一艘苏联核潜艇。在古巴导弹危机期间，SOSUS系统的水声数据，第一次与现场的视觉侦察数据进行了关联比对。当时，NAVFAC大特克中心“听到”古巴有一艘苏联F级潜艇，一架在古巴附近游弋的美军巡逻机予以证实。随后，越来越多的苏联潜艇从巴伦支海和白海基地驶入北大西洋，它们利用地形复杂的挪威北部海岸线作为掩护，向南进入格陵兰、冰岛、英国 (GIUK) 一线，常规手段越来越难发现它们的活动。为此，美军决定将SOSUS扩展到更多的北大西洋水域，并于1966年和1974年分别在冰岛凯夫拉维克和威尔士布劳迪，成立了新的NAVFAC中心。1968年，NAVFAC凯夫拉维克中心首次“听到”了苏联的C级和V级核动力潜艇，同年5月，SOSUS系统在定位美军于亚速尔群岛附近失踪的“天蝎座”号潜艇残骸方面发挥了关键作用。1968年3月，SOSUS数据促成了苏联G级潜艇的发现。随后，SOSUS系统又尝试使用新的“分割阵列”技术，即一些单个线阵列被分割为更小的阵列，各自单独输出和处理其信号，然后以电子组网的方式重新组合以实现更窄的波束和更强的方向性。1974年，凯夫拉维克成为第一个检测到苏联D级战略导弹核潜艇的NAVFAC中心。

　　随着冷战的持续，苏联潜艇部队的规模和实力不断增强，SOSUS成为美军的“秘密武器”。由于苏联潜艇噪声普遍比美国高约30分贝，因此SOSUS系统很容易发现苏军潜艇。

　　到20世纪80年代，SOSUS系统的电缆技术得到改进。最显著的变化在于，NAVFAC信号处理中心可布置在离SOSUS系统的水听器阵列更远的地方，既可大为减少岸上NAVFAC信息处理中心的数量，又能把SOSUS水听器阵列向大洋深处延伸。例如，所有的大西洋和加勒比地区的NAVFAC中心，都被位于Dam Neck的海军海洋信息处理设施所取代。此外，在海底固定阵列网络基础上，美军还增加了船载的机动式的拖曳监视阵列传感器系统 (SURTASS)。这是一个长约2438米的船载拖曳线阵列，可机动灵活地在任何海区布防，作为固定式SOSUS系统的补充。在20世纪80年代中期，一小部分SOSUS阵列网络增加了民用海事卫星通信链路，而船载的SURTASS系统在海上通过拖曳声呐搜集的信息，也可通过卫星传送到岸上的SOSUS评估中心，进一步提高了系统的使用灵活性。包括固定阵列网络和拖曳阵列网络在内的整个系统，被称为综合海底监视系统(IUSS)。到上世纪80年代后期，整个IUSS系统包括11个NAVFACs/NOPFs岸基处理中心，14艘SURTASS船，两个大洋系统司令部，工作人员也达到顶峰的4000多人。此时，美军布防的海底电缆长度超过三万海里(55560千米)。

　　后期衰落

　　作为当时的最高机密，SOSUS系统的保密工作一直做得很好，直到美海军内部发生一起内鬼泄密事件——“Walker-Whitworth间谍网”事件，苏联情报机构才获悉SOSUS的存在。约翰·沃克是美国海军潜艇通信专家，从1968年到1985年被捕，他向苏联出售了大量的美国海军情报。杰里·惠特沃斯是沃克招募的一名美国海军通信专家，协助他进行间谍活动。

　　得知SOSUS系统及其巨大作用后，苏联迅速做出反应，努力使自己的潜艇安静下来。五年内，苏军一线潜艇的噪声明显降低。另外，苏联还对老旧的W级常规潜艇进行改造，在艇艏装上特制的金属犁，以破坏海床上的SOSUS系统的电缆，后因效果不理想而作罢。到20世纪80年代末，苏联最新一代潜艇的噪声水平已与美国潜艇接近，IUSS系统远程探测和跟踪苏联核潜艇的能力显著下降。现代柴电潜艇因更加安静，IUSS系统更难监视。　　


       为了重新占据主动，美军将IUSS系统的长线阵列、水平侦听、扇形交叉定位方式，转为密集分布在海底的“向上看”的水听器方式，每个水下探测器只专注侦听路过其头顶的潜艇。这些水下探测器部署在重要水道，与IUSS已有系统整合在一起建立了第一批“固定分布式系统”FDS，并在1985年开始部署。随着技术的进步，尤其是声学信号处理技术的不断改进，LOFAR频谱绘图仪逐步被计算机工作站取代，静电敏感纸条也被数字化技术取代，声音数据进行数字化预处理后，直接存储或显示在多个计算机屏幕上，供进一步分析比对。此外，为了提高效率，大部分原始阵列的NAVFAC处理中心，被关闭或被“远程”接入到少量的中心站，到2010年，IUSS系统只剩下两个NOPF信号处理中心，五艘SURTASS船只(全部在太平洋)，一个系统司令部，大约1000人。然而，具有讽刺意味的是，此时更多安静的潜艇出现了。


　　随着冷战的结束，一方面几乎没有假想敌的核动力潜艇还在大洋上巡航，另一方面现代化的安静型柴电潜艇在被动方式下几乎无法远程侦听到，于是，IUSS系统侦听到的潜艇越来越少。

四大支撑

　　今天，美军依然保持着相当数量的处于工作和战备状态的SOSUS/IUSS阵列，但岸上只剩下弗吉尼亚州Dam Neck、华盛顿州惠德贝岛和英国圣马根三个处理中心，承担着全球IUSS系统的数据处理任务。只顾“抬头看天”的FDS系统，被逐步部署到重要的狭窄海峡/水道，关键节点及濒海地区的海床上。美军还推出了FDS-C系统，即大量采用商用技术的FDS系统的高性价比版本，以满足舰队长期大范围水下监视的需要。SOSUS系统、FDS系统和FDS-C系统，共同构成了当前最新版本的IUSS系统，为美国联合部队指挥官提供准确的海上态势信息。

　　回顾美军水下监视系统不难看出，它绝不是简单的水下听音器网络。

　　  · 首先，它是依赖基础科学理论的创新。必须先有“深海低频声学通道”的发现和几十年理论研究为支撑，才能有“一个水听器听几百海里，64组水听器覆盖大半个海洋”的可能性。否则，单凭当时作用距离才几千米的普通水听器，想覆盖大洋简直是不可能完成的任务。

　　  · 其次，它是工程应用研发。光有理论不够，还必须向工程应用转化。美国电话电报公司AT&T的介入，研发出一系列具备实用化、工程化的水听器，电缆，静电敏感频谱绘图仪，频谱分析工具，远程定位算法，以及声纹识别技术等，将理论实用化。


　　  · 再次，它是浩大的工程建设。一旦原型系统验证成功，就是耗时半个多世纪，花费100多亿美元，在全球多达64个点、20个站，长3万多海里的阵列建设，以及后续数千人在半个多世纪的365×24小时的维护运作。


　　  · 最后，它是体系的建立与维护。SOSUS系统只是美军全球反潜体系的一部分，还有潜艇、水面舰艇、巡逻机等战术机动力量，各种专业化的反潜传感器，武器，指控、通信装备等，更有背后强大的海洋科学研究、海洋环境数据采集和目标声纹库的充实等基础性工作，以及整个体系的联动机制。

　　早期存在

　　冷战时期，SOSUS系统部署的重点首先是北大西洋，然后是西北太平洋，用于封堵苏联太平洋舰队潜艇南下的通道。1957年，美军在日本北海道西北端建立了一个“试验站”，水听器阵列从北海道延伸至宗谷海峡，相关的岸基信号处理中心则在上世纪60年代部署到位，代号为Barrier和Bronco。它监视着日本海进出海参崴和纳霍德卡的所有苏联潜艇动向。

　　到了上世纪70年代，美国又在日本与朝鲜半岛之间部署了一个阵列。1980年，随着稚内(编号JAP-4)、对马(编号JAP-108)和冲绳(编号RYU-80)的三个信号处理中心在日本的运行，美国逐步实现了在对马海峡和冲绳第一岛链区域的早期布防。到20世纪80年代中期，SOSUS水听器阵列已从日本南部延伸到菲律宾，基本上涵盖了中国进入太平洋的主要通道。

　　20世纪90年代初苏联解体后，美国面临的潜艇威胁骤减，美军在西北太平洋的SOSUS系统的军事用途逐步萎缩，相当一部分设施用于支持民间科学研究，如跟踪鲸鱼和监测海底火山活动。1994年8月，根据美海军当时发布的指令，太平洋所有海底固定阵列都应处于“热备”状态。除非收到早期预警，否则人员不再长期监视阵列数据。当时评论普遍认为，亚太地区还维持活动的SOSUS阵列仅剩三条：

　　  · 第一条，是沿阿留申群岛-白令海-千岛群岛-冲绳一线布置;


　　  · 第二条，是距美国西海岸3000海里沿线布置;


　　  · 第三条，是太平洋中部沿北纬38度线附近布置，西起日本东至西经150度线。

　　美日规划的“鱼钩”海底监视网

　　发展更新

　　2006年，美国将一个新的SOSUS网络从佐世保一直延伸到冲绳。日本共同社当时用无人机，在冲绳县宇流麻市的海洋观测所拍摄到两条向海中延伸的缆线铺设痕迹，被认为是新的SOSUS电缆的上岸接入点。据共同社报道，这个新的SOSUS网络，以冲绳县宇流麻市美军白沙滩基地内的海上自卫队冲绳海洋观测所为据点，两条电缆从这里在海底延伸数百公里，分别延伸至九州岛南部和台湾海域，每隔数十公里设置一台水下听音器。报道指出，最新型SOSUS网络，被视为日美安保体制的最高机密，双方全面共享搜集到的情报。

　　这期间，美国水下监视系统的技术不断进步。例如，美国海军有一个持续近20年的Seaweb“海网”项目，参与者包括海军SPAWAR太平洋系统中心、得克萨斯大学应用研究实验室、北约海底研究中心、加拿大大西洋国防研究与发展中心及挪威国防研究机构等，另外，还有一系列海洋科技企业参与其中。据目前透露的情况看，Seaweb不仅是一个水下监听系统，美军还希望借此解决水下作战的自组网通信问题。由于它是一个依赖庞大电子数据库的系统，美国盟友可以访问Seaweb，并从中受益。Seaweb拥有许多移动和固定平台，包括潜艇、无人潜航器、固定海底阵列等。其海底阵列利用多种最新的传感器技术，手段也不仅仅是老式的声学手段，可能还包括磁场、光学等手段。

　　那么，现在的水下监视系统是如何反潜的呢?美军根据前期情报，如卫星侦察到对方潜艇离港，可能会通过岛链，相应海区的IUSS阵列就会被激活，提高戒备等级，调整工作参数，等待潜艇的到来。尤其是第一岛链，水文地理情况对美军很有利，最宽的宫古海峡本身也就100多海里宽，100多米深。一旦SOSUS侦听和分析出可疑信号，驻日美军就会把情报，包括目标可能的类型、位置、运动状态等通报给值班的日本海上自卫队的驱逐舰和反潜巡逻机，由后者进行更精准的识别追踪。

　　变化特点

　　随着技术进步，美日反潜技术跟冷战时期已大不相同。

　　  · 第一，探潜不再被动听音，而是主被动相结合。在之前的探潜方式中，被动声学探测占了很大比例，无论是庞大的SOSUS固定水声监听系统，还是水面舰艇常用的拖曳线列阵声呐，都是通过侦听潜艇发出的机械噪声来对其进行识别定位。然而，随着消声瓦、减震浮阀、主动降噪等技术的使用，中俄潜艇的噪声水平不断降低，越来越接近海洋背景环境噪声，被动地“听”潜艇噪声已不再有效。现在美军更多倾向于使用低频主动声呐，主动发出低频声波，就像长波雷达可以克制隐身飞机一样，潜艇消声瓦对于低频声波的吸收效果很有限，打到潜艇上会形成各个方向的反射声波，然后被各种被动声呐侦听到，就能计算出潜艇的位置。


　　  · 第二，主动声呐也不再采用“砰砰”式的脉冲声波，而是采用多普勒连续波。旧式声呐虽是主动声呐，但它发出“砰砰”的强脉冲声波，打到潜艇外壳上形成反射波，由被动声呐接收到，通过计算发送脉冲和接收脉冲的时间差，以及方位测量，来确定潜艇的位置。这种方式效果较差：由于采用高频声脉冲，声波容易被潜艇消声瓦削弱;只能得到潜艇的位置;潜艇反射波容易跟海底地形反射波混在一起。现在的声呐多采用低频连续主动声波，是一组调制的连续低频声波，潜艇消声瓦对这种声波吸收能力有限。它不仅可以通过时间差测量距离推断方位，还可以利用连续波反射回来的“多普勒效应”(即反射声波在反射源向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低)，通过对比接收波与发射波的频率变化，就容易从固定背景中分辨出移动目标，通过数学计算，可以更快获得目标的位置，甚至目标运动的航向、航速等信息。

　　  · 第三，探潜不再依靠单打独斗，而是多基地组网协同探测。传统的探潜，多是一到两个平台协同，一次探测只能获得目标的一组距离、方位信息，需要探潜平台在不同位置上快速机动，在多个位置上连续测量，才能推算出目标的位置。如今，美军一次会投下多个声呐浮标，里面既有主动声呐，又有被动声呐，会在现场产生多个声源，在潜艇身上产生不同的回波，由在场的多个被动声呐同时接收。这些声呐都具备各自的识别ID、组网通信能力，能把自己的位置、发射/接收的声波信息，共享给在场的己方反潜飞机和舰艇。后者就不用再“跑断腿”多点测量，而是同时接收这些多源、多基地信息，进行快速计算，得出潜艇的位置和运动要素，以及身份识别信息，大大提高了探测效率。


　　 · 第四，声呐浮标变身“变形金刚”。以前的声呐浮标结构比较简单，它漂在水面附近，下部的水听器侦听潜艇的声音，上部接近水面的无线电发射机把声学信号发送给飞机或舰艇。由于只能在水面附近工作，它对隐藏在温跃层的潜艇侦听效果不佳，无线电发射机也只能跟投放平台通信，而且投放后工作参数就不能改变。现在浮标的能力也在进步，就拿美军现役的AN/SSQ-101空投浮标来说，入水后能展开一个巨大的五边形水听器阵列，上面有40个水听器，具备多基地组网能力。它的工作深度从20米至150米，留在水面的无线电发射机有47个频段可供飞机和舰船组网，随时把数据共享给飞机和舰船。它能工作四至六小时，在此期间无线电频率、水声工作频率，可随时遥控修改。


　　 · 第五，水声算法在进步，声音指纹也在不断积累。美日舰船的主被动声呐，看上去硬件变化不大，但运算能力和算法一直在升级改造：一方面，大幅度提升计算机的运算和处理能力;另一方面，不断提升对于声呐声波信号的处理、目标与海洋环境噪声的分离、目标的快速定位、目标运动参数的推算，以不断适应更安静的目标潜艇与更复杂的浅海环境。与此同时，美军几十年如一日地对假想敌潜艇的“指纹”信号进行采集建库，对全球各重要水道、海域的海洋温盐密浪潮流等环境数据进行搜集，这些数据成为美日反潜战能力提升的核心资本之一。

　　美军下一代反潜战体系，充分体现“分布式，无人化， 智能化”趋势

　　未来发展

　　美军还趁着“分布式、智能化、无人化”的浪潮，提出更新的搜潜模式。这是由于如今的防御性反潜战，需要投入大量的驱逐舰、巡逻机，甚至攻击型核潜艇，对美军是个不小的挑战。同时，随着潜艇的静音技术和性能不断进步，先进潜艇数量也在不断增加，美军对抗的代价越来越大。最新的防御性反潜战，在反潜效能不变的前提下，将把大量驱逐舰和巡逻机解放出来。

　　美军认为，固定的一体化水下监听系统IUSS是反潜作战的基础，依然要发展，但IUSS系统的作用将越来越有限，仅仅只能预警和概略引导。因此，美军提出部署可靠声学路径转换阵列系统TRAPS，作为SOSUS系统的补充。如果说SOSUS是固定的孔眼较大的渔网，那么TRAPS就是可临时机动布设的孔眼更密的小渔网。在没有SOSUS系统或SOSUS系统存在盲区的海域，随时部署下去，可迅速形成新的水下监听网。此外，美军大力发展低频主动连续波声呐技术、可变深声呐技术、水声信号处理技术，以及COTS技术，提升运算能力;发展超大型无人水面艇，如正在试验的“猎人”大型无人水面艇，航速高达20多节，续航力多达几个月，可长时间在海上追踪水下潜艇，它还能携带低频主动声呐，为其他多基地声呐提供声源;配备被动拖曳声呐阵列的无人潜航器、水下滑翔机，接收来自各个方向的敌人潜艇的声波反射，它们将比传统的浮标效率更高。

　　在搜索发现敌方潜艇后，P-8A巡逻机和未来的无人反潜机根据上述信息，实施高空、远程反潜战，并通过锚系通信网关浮标、无人水面通信浮标、次表面转发器等，组成水下通信网络和水面与水下之间的通信转发器，为参与协同反潜的有人/无人潜航器、飞机、舰船及潜艇提供通信网络支持。

　　在反潜武器方面，发展廉价的小型反潜鱼雷，可由有人和无人平台大量携带，潜艇速度慢，跑不过鱼雷，又无法拦截或干扰大量来袭鱼雷。一旦大量廉价的小型反潜鱼雷来袭，潜艇要么被击沉，要么必须机动规避，从而丧失隐蔽性，任务也随之中止，反潜战的目的也就达到了。

　　针对新一代水下监听系统在亚太的蔓延，以及美军反潜战术和技术的不断进步，中国一方面要发展有人/无人机动搜潜反潜平台，加强岸、海、空、天、潜协同反潜战术，加强周边海域地理水文数据和假想敌声纹数据的积累和分析研究，另一方面，要进一步提升潜艇的性能，降低IUSS系统效能。此外，还要深入研究“破网断索”的方法和手段，使得IUSS系统无法发挥作用。

　　来源：溪流之海洋人生公众号(ID：xiliu92899)，原文来自《世界军事》(2018年5月刊)

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东芝事件是不是和这有关的