光电探测在探潜方面的发展分析
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Key words： OpticaI - eIectric detectiOn Of the submarine，Iaser detectiOn Of submarine，infrared detectiOn
l引言
目前，实用探潜技术主要依赖声呐探测和磁异常 探测［l］，随着潜艇技术的不断发展，以及未来海战复 杂背景下对探潜设备准确、高效的要求，这些探测技 术还不能达到实战的要求，具体表现为：声呐探测机 动性差，难以进行灵活、迅速的大面积搜索；其次，主 动声呐容易暴露己方位置，而被动声呐只有在敌方潜 艇发出较大噪声时才能进行探测、识别；再者，随着现 代潜艇各种消声技术的应用，声呐探潜的能力已被大 大削弱。磁异常探测不能进行远距离潜艇探测，且受 本底磁噪声和水文气象条件的影响较大，并且在现代 战争中大功率的电磁压制会使磁探仪束手无策。
测深度有限，目前还没有探测深度达到 300m 的实验
（3）可直接采用 LD 泵浦，可靠性提高，大大延长
系统，已达到的探测深度是 70m，与实用要求相差悬 了使用寿命。
殊。
20 世纪 90 年代国外出现的 Cr3 + ：LiSAF 激光器
（2）现在比较流行的点阵扫描体制海洋激光雷 及其倍频“海军蓝”激光（产生波长为 457 . 5nm）极有
的流体掺混后密度增大，因为海水密度的逐渐减小， 单元向多元发展到今天的红外焦平面成像器件，红外
有可能遇到相同密度的海水使得热尾流的浮升受到 探测系统已从单一的红外探测器发展到了红外热像
抑制。本课题组在各种理想假定条件下建立了潜艇 仪阶段。特别是凝视型红外焦平面热像仪除了具备
排出热尾流的大概浮升规律模型，计算得出热尾流浮 一般热像仪被动、全天候昼夜工作的优点外，还具有
国 妍等： 光电探测在探潜方面的发展分析
· 43 ·
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（2）能实时对大面积海域进行探测，尤其是机载
Cr：LiSAF 激光用于水下应用的优势：
激光水下探测每小时可探测几百平方千米的海域；
0.6
!/ "S·cm2
15 . 6
泵浦方式 灯泵
运转方式 P / CW / O
Cr：LiSAF 750 ~ 1050 67
4.8
321 . 6 灯泵激光 LD P / CW / ML / O
钛宝石 660 ~ 1050 3 . 2
35
11 . 2
灯泵激光 P / CW / ML
信号，例 如 国 外 专 家 估 测，一 台 190kW 反应堆为动力的核潜艇每 秒钟释放入海洋的热能多达 1 . 8828 X 108（J 4500 万卡），在速度 为 5kn 时，它排出的热能能使其身 后的 水 温 升 高 约 0 . 2C。利 用 水 中温度异常探测潜艇的构想是于
升规律曲线，如图 l ~ 4 所示。
可靠、高效率、高响应率、快速实时成像、优质显示的
从图中可以看出，当水流呈均匀层分布时，热尾 特点，这就使得红外探测技术更加显示出它在高新探
流的浮升是无限制地升到水面；当呈密度分层分布 测技术领域的重要性。不过，现有热像仪的最小可分
时，热尾流的浮升受到明显限制，浮升幅度呈波浪式 逐步递减。影响热尾流浮升的因素主要有热尾流排
辨温差为 0 . 02C 左右，还不能完全满足探潜的需要。 随着热像仪向高分辨率、高灵敏度方面的发展，它必
出时速度、海水密度分布及卷吸系数等，而海水水文 将在探潜方面发挥重要作用，因此未来的红外探潜技
环境是起决定作用的因素。海水的性质在各种情况
术会日臻成熟，成为有效的光电探潜手段之一。
图 l 密度均匀分布流体中热尾流浮升轨迹
第 24 卷 第 Baidu Nhomakorabea 期
舰船科学技术
VOI . 24 NO . 4
2002 年 8 月
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Aug . 2002
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光电探测在探潜方面的发展分析
潜艇热尾流能否浮升到水平面；（2）热尾流引起的水 律的断续热图像。
面温差能否被探测器探测到，即探测器的灵敏度能否 3 . 2 探测器条件
满足探测要求。 3.l 潜艇热尾流浮升规律分析
潜艇热尾流排出后因其密度比周围水密度小受 浮力作用上升，在上升过程中不断卷吸周围密度较大
热尾流在水面形成的温差信号一般为 0 . 02C 甚 至0 . 005 C ，而目前红外探测器的温度灵敏度已达 0 .00l ~ 0 . 000lC，所以使用红外探测器可以测出温 度的变化，从而确定潜艇的存在。随着红外探测器从
2 蓝绿激光探测
激光探测是一种利用机载的蓝绿激光发射和接 收设备，通过发射大功率窄脉冲激光探测海洋水下目 标的技术。同其他非光电探测方式相比较，激光水下 探测技术的优点是：
（l）战术机动性强，可实现空中、水 面、水 下 探 测，满足战略防御和现代战争的要求；
收稿日期：200l - 02 - 2l
第4期
（1）波长最佳又可调，易于与最理想的窄带滤波
（3）对军事目标的水下探测定位精度高。
器铯原子滤波器匹配，并可适用于不同海区最佳透射
2.1 激光探潜的主要问题及解决方法分析
波长的少量变化；
2.1.1 激光探潜的主要问题
（2）与钛宝石系统相比，转换环节简化，效率提
（1）由于蓝绿激光在水中也有较大衰减使得探 高，体积、重量、能耗减少；
通水下探测距离能在 6 个衰减长度距离上识别水中 目标，在大于 10 个衰减长度的距离上探测到目标。
（2）同步扫描技术 该技术将激光器与接收机设置在一个间距一定
距离的地方，使照明光束扫描线与接收机视线在被观 察区域相交成一个角度，使得后向散射光尽可能少地 进入接收机中，这种方法能有效地增大探测距离。目 前国外水下光电探测系统多采用同步扫描技术。
解决目前问题的关键技术是：（1）研究产生相应 通技术现在已经是一种较为成熟的技术，实用距离选
波长光源 的 大 功 率、高 效 率、高 脉 冲 频 率 的 激 光 器；
（2）研究有效的接收技术，克服后向散射，并提高接收 系统的灵敏度。 2 . 2 . 1 激光器技术［4，5］ 美国的激光器研究经历了倍频 Nd：YAG 激光器、 XCCL 和 HgBr 喇曼频移激光器阶段，目前正在研究 LD 泵浦 LiSAF 类激光器，中国的此项研究还停留在 闪光灯泵浦的倍频 Nd：YAG 激光器阶段，国内目前的 试验也还是使用这种激光器。LiSAF（具有 colguiritC 结构的氟化物中掺 Cr3 + 的激光晶体）是一种迄今为
·由于水中悬浮微粒对光的后向散射效应是导 自悬浮微粒的后向散射光。当反射光到达接收机一
致激光在水中衰减的直接原因，所以，必须有效地克 瞬间，选通门开启，让来自目标的反射光进入接收机。
服后向散射。
选通门开启持续时间与激光脉宽一致。形成的目标
2.2 发展激光探潜的关键技术
图像主要与距离选通时间内的反射光有关。距离选
20 世纪 70 年代以来，光电探测技术以其快速、 精度高、昼夜全天侯、被动工作、不受电磁干扰等优点
而受到军方重视［2］，特别是海湾战争、科索沃战争都 充分表明光电技术重中之重的战略地位。鉴于此，发 挥光电探测技术的优势、开发已有的光电探潜技术， 使各种探潜手段优势互补，增强战术重组能力以适应 未来高科技海战的需要。本文阐述了主要光电探潜 方式的优势并分析其关键技术。
关键词： 光电探潜 激光探潜 红外探测
Analysis of Development of Optical - Electric Detection in the Field of Submarine Detection
GuO Yan Wang Jiangan （Dept . Of WeapOnry Eng . ，NavaI Univ . Of Engineering，Wuhan，430033）
3 红外探测
止综合指标最好的可调谐激光材料，它与其他激光材 料的主要性能对比如表 1 所示。
核潜艇航行时为了冷却核动力装置，总是要放出 大量的温热尾流，在水中产生温差
表 1 LiSAF 与金绿宝石、钛宝石主要性能的对比
名称 调谐范围 / nm
金绿宝石 700 ~ 858
能级寿命 !/"S
26
发射截面 / 10 - 20cm2
Abstract： AccOrding tO the prObIems existed in the submarine detectiOn tOday，this paper described the necessity Of OpticaI - eIectric technOIOgy On the detectiOn Of the submarine . The existing prObIem Of Iaser technOIOgy On submarine - detectiOn and its key technOIOgies are intrOduced in this paper . Besides，the feasibiIity Of infrared detectiOn Of the wake Of submarine is estimated . On this basis，the tendency in this area is anaIyzed .
4结语
参考文献
由于反潜战的日趋复杂化和未来作战近海化的 发展趋向，光电探潜技术的地位也会日益提高并得到 迅速的发展。
图 2 密度均匀分布流体中热尾流密度差值变化曲线
图 3 密度分层流体中热尾流浮升轨迹
图 4 密度分层流体中热尾流密度差值变化曲线
第4期
国 妍等： 光电探测在探潜方面的发展分析
· 45 ·
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达由于激光束窄，所以搜索效率低，必须提高激光器 希望成为新一代水下应用激光器。
的脉冲重复频率。 2.1.2 解决方法分析
2.2.2 接收技术 目前，克服水下激光后向散射影响主要有两种方
· 实验表明：衰减率最小的精确波长与海水的浊 法：
度、生物含 量、温 度 和 深 度 有 关，在 探 测 深 度 不 超 过 75m 时，蓝绿光穿透海水的衰减率比其它波长低；当
具体的红外探潜研究目前国外一直未有公开报道，只 几乎不受任何抑制的浮升形成水面大面积温差信号，
有简短报道国外红外前视系统（FLIR）可以探测水下 40m 的潜艇［l，6］。
成像显示则是连续的长长的热轨迹；一种是热尾流浮 升受抑制情况下形成的不连续的热轨迹。当然，这些
决定红外探测是否有效的几个关键问题是：（l） 热轨迹成像显示应当是一定范围线内有某种排列规
· 44 ·
舰船科学技术
第 24 卷
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20 世纪 80 年代提出的，并已有卫星装备了红外微波 下的不同，导致热尾流在水面的热轨迹就会呈现不同
探测器作为探测潜艇的辅助设备，但是切实有效比较 的形状，理论上会呈现至少两种形状：一种是热尾流
（1）距离选通技术 激光器发射很强的短脉冲，脉冲激光传输到目标
深度超过 75m 时，穿透窗口移向蓝波长为 455nm，其 上，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到接收
衰减 可 低 至 1 . 7dB / 10m。 因 此，按 最 新 观 点，将 455nm 的波长作为激光探潜的最佳波长［4］。
机。当激光脉冲处于往返途中时间内，水下激光探测 系统的接收器选通门或光闸“关闭”，这样就挡住了来
国 妍 王江安 （海军工程大学兵器工程系 武汉 430033）
摘 要： 针对目前探潜方面存在的问题已不能满足未来海上实战的需要，阐述了光电探测潜艇技术的优势及
其必要性，分析了激光探潜技术存在的主要问题及解决方法，介绍了发展激光探潜的关键技术、激光器技术和接收技 术，并作了红外探测潜艇热尾流的可行性分析，研究了潜艇热尾流在不同流体环境中的浮升的差异以及水面热轨迹 的大体形状，同时分析了目前的红外探测器件条件和红外探潜对红外器件的更高要求，最后分析了光电探潜技术未 来的发展趋势。
l引言
目前，实用探潜技术主要依赖声呐探测和磁异常 探测［l］，随着潜艇技术的不断发展，以及未来海战复 杂背景下对探潜设备准确、高效的要求，这些探测技 术还不能达到实战的要求，具体表现为：声呐探测机 动性差，难以进行灵活、迅速的大面积搜索；其次，主 动声呐容易暴露己方位置，而被动声呐只有在敌方潜 艇发出较大噪声时才能进行探测、识别；再者，随着现 代潜艇各种消声技术的应用，声呐探潜的能力已被大 大削弱。磁异常探测不能进行远距离潜艇探测，且受 本底磁噪声和水文气象条件的影响较大，并且在现代 战争中大功率的电磁压制会使磁探仪束手无策。
测深度有限，目前还没有探测深度达到 300m 的实验
（3）可直接采用 LD 泵浦，可靠性提高，大大延长
系统，已达到的探测深度是 70m，与实用要求相差悬 了使用寿命。
殊。
20 世纪 90 年代国外出现的 Cr3 + ：LiSAF 激光器
（2）现在比较流行的点阵扫描体制海洋激光雷 及其倍频“海军蓝”激光（产生波长为 457 . 5nm）极有
的流体掺混后密度增大，因为海水密度的逐渐减小， 单元向多元发展到今天的红外焦平面成像器件，红外
有可能遇到相同密度的海水使得热尾流的浮升受到 探测系统已从单一的红外探测器发展到了红外热像
抑制。本课题组在各种理想假定条件下建立了潜艇 仪阶段。特别是凝视型红外焦平面热像仪除了具备
排出热尾流的大概浮升规律模型，计算得出热尾流浮 一般热像仪被动、全天候昼夜工作的优点外，还具有
国 妍等： 光电探测在探潜方面的发展分析
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（2）能实时对大面积海域进行探测，尤其是机载
Cr：LiSAF 激光用于水下应用的优势：
激光水下探测每小时可探测几百平方千米的海域；
0.6
!/ "S·cm2
15 . 6
泵浦方式 灯泵
运转方式 P / CW / O
Cr：LiSAF 750 ~ 1050 67
4.8
321 . 6 灯泵激光 LD P / CW / ML / O
钛宝石 660 ~ 1050 3 . 2
35
11 . 2
灯泵激光 P / CW / ML
信号，例 如 国 外 专 家 估 测，一 台 190kW 反应堆为动力的核潜艇每 秒钟释放入海洋的热能多达 1 . 8828 X 108（J 4500 万卡），在速度 为 5kn 时，它排出的热能能使其身 后的 水 温 升 高 约 0 . 2C。利 用 水 中温度异常探测潜艇的构想是于
升规律曲线，如图 l ~ 4 所示。
可靠、高效率、高响应率、快速实时成像、优质显示的
从图中可以看出，当水流呈均匀层分布时，热尾 特点，这就使得红外探测技术更加显示出它在高新探
流的浮升是无限制地升到水面；当呈密度分层分布 测技术领域的重要性。不过，现有热像仪的最小可分
时，热尾流的浮升受到明显限制，浮升幅度呈波浪式 逐步递减。影响热尾流浮升的因素主要有热尾流排
辨温差为 0 . 02C 左右，还不能完全满足探潜的需要。 随着热像仪向高分辨率、高灵敏度方面的发展，它必
出时速度、海水密度分布及卷吸系数等，而海水水文 将在探潜方面发挥重要作用，因此未来的红外探潜技
环境是起决定作用的因素。海水的性质在各种情况
术会日臻成熟，成为有效的光电探潜手段之一。
图 l 密度均匀分布流体中热尾流浮升轨迹
第 24 卷 第 Baidu Nhomakorabea 期
舰船科学技术
VOI . 24 NO . 4
2002 年 8 月
SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Aug . 2002
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光电探测在探潜方面的发展分析
潜艇热尾流能否浮升到水平面；（2）热尾流引起的水 律的断续热图像。
面温差能否被探测器探测到，即探测器的灵敏度能否 3 . 2 探测器条件
满足探测要求。 3.l 潜艇热尾流浮升规律分析
潜艇热尾流排出后因其密度比周围水密度小受 浮力作用上升，在上升过程中不断卷吸周围密度较大
热尾流在水面形成的温差信号一般为 0 . 02C 甚 至0 . 005 C ，而目前红外探测器的温度灵敏度已达 0 .00l ~ 0 . 000lC，所以使用红外探测器可以测出温 度的变化，从而确定潜艇的存在。随着红外探测器从
2 蓝绿激光探测
激光探测是一种利用机载的蓝绿激光发射和接 收设备，通过发射大功率窄脉冲激光探测海洋水下目 标的技术。同其他非光电探测方式相比较，激光水下 探测技术的优点是：
（l）战术机动性强，可实现空中、水 面、水 下 探 测，满足战略防御和现代战争的要求；
收稿日期：200l - 02 - 2l
第4期
（1）波长最佳又可调，易于与最理想的窄带滤波
（3）对军事目标的水下探测定位精度高。
器铯原子滤波器匹配，并可适用于不同海区最佳透射
2.1 激光探潜的主要问题及解决方法分析
波长的少量变化；
2.1.1 激光探潜的主要问题
（2）与钛宝石系统相比，转换环节简化，效率提
（1）由于蓝绿激光在水中也有较大衰减使得探 高，体积、重量、能耗减少；
通水下探测距离能在 6 个衰减长度距离上识别水中 目标，在大于 10 个衰减长度的距离上探测到目标。
（2）同步扫描技术 该技术将激光器与接收机设置在一个间距一定
距离的地方，使照明光束扫描线与接收机视线在被观 察区域相交成一个角度，使得后向散射光尽可能少地 进入接收机中，这种方法能有效地增大探测距离。目 前国外水下光电探测系统多采用同步扫描技术。
解决目前问题的关键技术是：（1）研究产生相应 通技术现在已经是一种较为成熟的技术，实用距离选
波长光源 的 大 功 率、高 效 率、高 脉 冲 频 率 的 激 光 器；
（2）研究有效的接收技术，克服后向散射，并提高接收 系统的灵敏度。 2 . 2 . 1 激光器技术［4，5］ 美国的激光器研究经历了倍频 Nd：YAG 激光器、 XCCL 和 HgBr 喇曼频移激光器阶段，目前正在研究 LD 泵浦 LiSAF 类激光器，中国的此项研究还停留在 闪光灯泵浦的倍频 Nd：YAG 激光器阶段，国内目前的 试验也还是使用这种激光器。LiSAF（具有 colguiritC 结构的氟化物中掺 Cr3 + 的激光晶体）是一种迄今为
·由于水中悬浮微粒对光的后向散射效应是导 自悬浮微粒的后向散射光。当反射光到达接收机一
致激光在水中衰减的直接原因，所以，必须有效地克 瞬间，选通门开启，让来自目标的反射光进入接收机。
服后向散射。
选通门开启持续时间与激光脉宽一致。形成的目标
2.2 发展激光探潜的关键技术
图像主要与距离选通时间内的反射光有关。距离选
20 世纪 70 年代以来，光电探测技术以其快速、 精度高、昼夜全天侯、被动工作、不受电磁干扰等优点
而受到军方重视［2］，特别是海湾战争、科索沃战争都 充分表明光电技术重中之重的战略地位。鉴于此，发 挥光电探测技术的优势、开发已有的光电探潜技术， 使各种探潜手段优势互补，增强战术重组能力以适应 未来高科技海战的需要。本文阐述了主要光电探潜 方式的优势并分析其关键技术。
关键词： 光电探潜 激光探潜 红外探测
Analysis of Development of Optical - Electric Detection in the Field of Submarine Detection
GuO Yan Wang Jiangan （Dept . Of WeapOnry Eng . ，NavaI Univ . Of Engineering，Wuhan，430033）
3 红外探测
止综合指标最好的可调谐激光材料，它与其他激光材 料的主要性能对比如表 1 所示。
核潜艇航行时为了冷却核动力装置，总是要放出 大量的温热尾流，在水中产生温差
表 1 LiSAF 与金绿宝石、钛宝石主要性能的对比
名称 调谐范围 / nm
金绿宝石 700 ~ 858
能级寿命 !/"S
26
发射截面 / 10 - 20cm2
Abstract： AccOrding tO the prObIems existed in the submarine detectiOn tOday，this paper described the necessity Of OpticaI - eIectric technOIOgy On the detectiOn Of the submarine . The existing prObIem Of Iaser technOIOgy On submarine - detectiOn and its key technOIOgies are intrOduced in this paper . Besides，the feasibiIity Of infrared detectiOn Of the wake Of submarine is estimated . On this basis，the tendency in this area is anaIyzed .
4结语
参考文献
由于反潜战的日趋复杂化和未来作战近海化的 发展趋向，光电探潜技术的地位也会日益提高并得到 迅速的发展。
图 2 密度均匀分布流体中热尾流密度差值变化曲线
图 3 密度分层流体中热尾流浮升轨迹
图 4 密度分层流体中热尾流密度差值变化曲线
第4期
国 妍等： 光电探测在探潜方面的发展分析
· 45 ·
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
达由于激光束窄，所以搜索效率低，必须提高激光器 希望成为新一代水下应用激光器。
的脉冲重复频率。 2.1.2 解决方法分析
2.2.2 接收技术 目前，克服水下激光后向散射影响主要有两种方
· 实验表明：衰减率最小的精确波长与海水的浊 法：
度、生物含 量、温 度 和 深 度 有 关，在 探 测 深 度 不 超 过 75m 时，蓝绿光穿透海水的衰减率比其它波长低；当
具体的红外探潜研究目前国外一直未有公开报道，只 几乎不受任何抑制的浮升形成水面大面积温差信号，
有简短报道国外红外前视系统（FLIR）可以探测水下 40m 的潜艇［l，6］。
成像显示则是连续的长长的热轨迹；一种是热尾流浮 升受抑制情况下形成的不连续的热轨迹。当然，这些
决定红外探测是否有效的几个关键问题是：（l） 热轨迹成像显示应当是一定范围线内有某种排列规
· 44 ·
舰船科学技术
第 24 卷
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
20 世纪 80 年代提出的，并已有卫星装备了红外微波 下的不同，导致热尾流在水面的热轨迹就会呈现不同
探测器作为探测潜艇的辅助设备，但是切实有效比较 的形状，理论上会呈现至少两种形状：一种是热尾流
（1）距离选通技术 激光器发射很强的短脉冲，脉冲激光传输到目标
深度超过 75m 时，穿透窗口移向蓝波长为 455nm，其 上，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到接收
衰减 可 低 至 1 . 7dB / 10m。 因 此，按 最 新 观 点，将 455nm 的波长作为激光探潜的最佳波长［4］。
机。当激光脉冲处于往返途中时间内，水下激光探测 系统的接收器选通门或光闸“关闭”，这样就挡住了来
国 妍 王江安 （海军工程大学兵器工程系 武汉 430033）
摘 要： 针对目前探潜方面存在的问题已不能满足未来海上实战的需要，阐述了光电探测潜艇技术的优势及
其必要性，分析了激光探潜技术存在的主要问题及解决方法，介绍了发展激光探潜的关键技术、激光器技术和接收技 术，并作了红外探测潜艇热尾流的可行性分析，研究了潜艇热尾流在不同流体环境中的浮升的差异以及水面热轨迹 的大体形状，同时分析了目前的红外探测器件条件和红外探潜对红外器件的更高要求，最后分析了光电探潜技术未 来的发展趋势。