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[摘 要]由于海洋经济与军事的发展需求，国内外对水下侦听网络进行了大量的研究工作。水声侦听网络是水声通信技术和网络技术相结合的产物，目前各海军强国正在实施多个水下联网项目以构建水下侦听网络。在国外水下侦听网络逐渐走向成熟的今天，及时研究对策，是赢得未来水下战争的关键。本文将详细介绍一体化水下监视系统、海网系统、近海水下持续监视网、鲁棒被动声呐等水下侦听网络的研究内容和研究现状，为国内相关技术的发展提供借鉴意义。
[关键词]水声侦听网络 反潜网络 水听器阵列阵列 网络中心战
中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0317-02
1.引言
水声侦听网络是水声通信技术和网络技术相结合的产物，近二、三十年以来得到了长足的发展。水声侦听网络的发展有两类动因：一是海洋数据收集，一是水下侦听（预警）。随着人类对地面资源的过度使用，资源短缺的情况也越见明显。海洋拥有地球大部分资源，包括石油、天然气、各种金属等宝贵的资源。对海洋资源的探索引起了许多国家的领土之争，如何保护自家的资源也是一个非常严峻的问题[1，2]。对于我国来说，南海就是一个资源丰富但是备受侵扰的地区，它的周边国家都看中了其中海洋资源。为了更好地维护我们的海洋资源，我们就需要借助水声侦听网络来进行实时观察监控。水声侦听网络不仅可以实时监控海里的情况，还能为海下的科研探索提供方便的平台，同时对海洋灾害，如地震海啸等，也是一种预警[3]。
水声侦听网络由布放在海底、海中的传感器节点（包括固定的传感器节点和装载传感器的移动平台）和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可以通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基或船基的信息控制中心的综合系统[4，5]。这种技术能够增加水下探测距离、提高水下战场信息控制能力，扩大水声预警范围，适应现代水下作战的需求。
目前各海军强国正在实施多个水下联网项目以构建水下侦听网络，例如美国的一体化水下监视系统、 “海网”水声网络[6]、“鲁棒被动声呐”系统和“近海水下持续监视网”[7，8]、加拿大在Saanich Inlet 海域建立的试验观测站VENUS、日本的ARENA（区域先进的实时地球监视网络）计划和欧洲的ESONET（欧洲海底观测网络）计划等，目标都是通过水下网络实现海洋多学科、多要素的综合研究。本文将重点介绍这些监听技术，以期对国内相关研究提供借鉴素材。
2.国外主要水下侦听网络
2.1 一体化水下监视系统
美海军计划中在研发和使用的主要是一体化水下监视系统（IUSS—Integrated Underwater Surveillance System）。一体化水下监视系统实际上是一种将现有多种水下侦察监视系统综合在一起形成的一种战略反潜系统，它主要包括应用成熟技术的固定式分布系统（FDS-C）、水声监视系统（SOSUS）、先进的布放式系统（ADS）以及拖曳式传感器阵列监视系统（SURTASS LFA）。FDS-C和SOSUS提供了长期固定的水下监视能力和提示信息，以便战术部队能够及时发现目标并实施目标攻击。
民用现成技术固定式分布系统（FDS-C）是现有长期被动水声监视固定式分布系统（FDS—Fixed Distributed System）的民用现成技术改进型。FDS-C 将继续为战术部队提供威胁位置信息及为联合部队司令官提供精确的海上图像，由于它具有重要的战略位置和很长的寿命，它还能在冲突开始前对敌方海上活动进行指示和告警。
FDS 和FDS-C 都是由一系列布放在深海、海峡和其它咽喉要地或具有战略意义的浅水濒海地区的海底基阵组成的。二者都由两部分组成：一部分是岸基信号和信息处理部分（SSIPS），它具有处理、显示和通信的功能；另一部分是完成探测任务的水下部分，由大面积分布的声阵场构成。FDS-C 是作为FDS 的一种费用较低的后续研制型，它用成熟商业设备替代了FDS 的专用硬件。它利用民用工业的技术发展，提供费效比更高的与FDS 质量相当的系统，满足舰队长期水下监视的需要。此外，该计划正在试图进行其他技术的开发，如全光纤水听器被动阵，在低费用前提下进一步增加系统的可靠性。
水声监视系统（SOSUS—Sound Surveillance System）是一个广域的、固定的、被动水下监视系统，该系统继续具有一体化水下监视系统（IUSS—Integrated underwater surveillance system）的关键性部件。它由一系列布放在海底的水听器组成，并与岸上进行声学信号的接收、处理和声学分析的设施相连接。SOSUS 能报告水面舰艇的活动并通过探测、识别、跟踪和报告潜艇活动支持反潜战的指挥及其战术部队。此外，SOSUS 具有军民两用的基础，如它可用来支持全球变暖、地震活动、海上哺乳动物的研究以及渔业法规的实施等活动。SOSUS 声学数据的分析已从单一波束的纸质显示转变为以计算机为基础的工作站显示。岸基信号信息处理（SSIPS）和定向监视系统（SDS）的安装已于1998 财年在所有岸基设施中完成，岸基设施奠定了SOSUS 通用設备的结构并有效的减少了系统基础结构的支持费用。
先进的布放式系统ADS（advanced deployable system）是洛克希德·马丁公司为美国海军研制的一个近海水下监视系统，本质上是一种小型可运载“声呐监听系统”（SOSUS）水听器阵列。ADS是一种可迅速布放的、短期使用的、大面积的水下监视系统，用来探测、定位和报告游弋在浅水近岸环境中的安静型常规（柴电和不依赖空气动力推进的）潜艇和核潜艇。该系统也将具有一定的探测布雷活动和跟踪水面目标的能力。ADS 现处在工程试验阶段。目前，正在针对近海战斗舰安装的舷外传感器系统来开发ADS。2009 财年始开始研究由其它平台布放ADS。 为了弥补固定式水声监视系统的不足，美国还建立了由专用拖船和战略型长拖曳线列阵构成的机动监视系统（SURTASS LFA）。SURTASS LFA是一种远程声呐系统，操作频率为低频（LF）（100～500 赫兹），适用于各种天气条件。该系统由两个部分组成：一分部为拖曳式阵列传感器监视系统（SURTASS，surveillance towed array sonar system），另一个部分为低频主动声呐系统（LFA，Low Frequency Active）。
SURTASS LFA的主要目的是增强远距离探测安静的、难以发现的外国潜艇的能力，从而为美国海军提供足够的时间来反击潜在的潜艇威胁，但是自己却置身在外国潜艇武器有效打击范围之外。但是由于冷战的结束，美国海军正面临着一些小的柴电潜艇，尽管这些潜艇在行，小的海域中运行，但它们的武器打击范围显著增强。此外，现在的海战策略主要是利用静音的潜艇在滨海、关键海峡巡逻，跟踪航母等。
2.2 海网系统
海网（SeaWeb）是目前规模最大、最先进的在研实用水声网络，用于支撑FRONT试验计划，FRONT计划是美国NOPP（National Oceanographic Partnership Program，国家海洋学研究伙伴计划）实施的一项称为“遥测前沿观测网”（Front-Resolving Observational Network with Telemetry，FRONT）的计划，用于水声通信、水下网络传输及海军其他使命。
目前已投入应用的是SeaWeb-3和SeaWeb-4系统。SeaWeb是DADS计划的扩展项目，最初动机是沿海地区借助DADS进行大范围水下监视任务的需要，有组织地为DADS提供命令、控制、通信和导航等功能。SeaWeb由美国海军研究局（ONR）和空海战系统中心（SPAWAR）主持，在1998-2005年间进行了系列海试。
2.3 近海水下持续监视网
在美国海军潜艇联合会举行的2006年潜艇技术论坛上，披露了当今世界上最先进的水下网络计划之一—美国“近海水下持续监视网”（PLUSNet）。PLUSnet是一种半自主控制的海底固定加水中机动的网络化设施，由携带半自主传感器的多个潜航器组成。这些潜航器能够相互通信，并在没有人为指令的情况下做出决策，从而履行多项功能，包括对温度、盐度、水流、化学成分及其他海洋元素进行取样，密切监视并预测海洋环境。PLUSnet计划由美国宾西法利亚大学承担，为期3年，耗资2770万美元，美国海军希望PLUSnet能在2015年前后具备完全作战能力。
PLUSNet计划的阶段性目标是：（1）某个战场节点（如固定节点）能够通过水声通信向另一个战场节点（如移动节点）传输数据与指令，后者通过射频通信方式向主舰/岸基装备中继消息；（2）主舰/岸基装备能够通过射频通信向网关战场节点传输数据与指令，由后者向其他战场节点中继信息；（3）能够准确的感知环境，预测声音参数，并重新机动部署，改进声音性能与通信战术；（4）能自主探测、跟踪明显目标，并在节点之间以及向主舰/岸基装备传输目标信息；（5）能使可移动装备重新指向目标路径，重新获取目标、获取附加数据以对目标分类；（6）能利用记录的数据处理现实目标信号。
2.4 鲁棒被动声呐计划
针对美海军未来作战将主要集中在濒海水域的特点，美国先进研究计划局（DARPA）在技术层面上描绘了未来需要发展和投资水下传感器的设想。DARPA 先进技术办公室（ATO）某项目负责人透露，军方对未来海上部队的构想是必须抛弃冷战时的技术和大平台，向分散和“更富进攻性的态势”转变。濒海水域海战中的关键是传感器能够提供持久稳定的监视，船员配置较小的舰艇以及水下无人航行器（UUV）能协同作战。其中舷外传感器节点能帮助海军自动寻找和跟踪目标，使其能够在很远的距離与敌方交战，利用所发射武器中的传感器，海军可以从更远的距离对更大的区域进行监视。
鲁棒被动声呐（RPS）计划是DARPA 首先提出的新技术概念，在官方文献中对计划中技术细节解释并不明确，而根据该项目所进行的试验和报道的相关数据可以认为，该计划旨在利用自适应信号处理算法，减少水面舰和潜艇的拖曳线列阵、舷侧阵即其他监听声呐收到的背景干扰，以提高反潜能力。简言之就是运用先进的可靠的被动水声换能器阵列和优化的信号处理技术手段从浅水区海洋混响和航运噪声中分辨敌方军事目标的噪声辐射，特别是安静型潜艇。美国已经对西南太平洋近海进行了海洋声场的数据测量和模拟。应用该技术将使濒海区水声系统的性能增益提高10分贝～20 分贝。
3.结论
通过对一体化水下监视系统、海网系统、近海水下持续监视网、鲁棒被动声呐等水下侦听网络的研究内容和研究现状进行分析，可以发现水下侦听网络是在茫茫大海中进行目标探测的听觉神经系统，它具有如下优点：
（1）局部受损不影响整体工作。传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提高了较强的容错能力，局部遭受损坏不会中断整个系统工作。
（2）侦听范围广，发现目标概率高。大量的传感器节点的联合，形成了覆盖面积很大的实时探测区域。分布式的传感器节点多角度和多方位的获取目标信息，从而有效提高了发现目标的概率。多种传感器节点的混合应用有利于提高探测的性能指标。
网络中心战是200年来军事领域最重要的变革，水下网络战争是网络中心战的重要组成部分，了解水下侦听网络的构成是进行水下网络战争的基础。在国外水下侦听网络逐渐走向成熟的今天，及时研究对策，是赢得未来水下战争的关键。
参考文献
[1] 魏昕，赵力，李霞等.水声通信网综述.电路与系统学报，2009，14（6）： 96-104.
[2] 凌国民.海洋水声监视技术.声学与电子工程，2001，61（1）：1-6.
[3] 李淑秋，李启虎，张春华.水下声学传感器网络的发展和应用.物理， 2007，35（11）：945-952.
[关键词]水声侦听网络 反潜网络 水听器阵列阵列 网络中心战
中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0317-02
1.引言
水声侦听网络是水声通信技术和网络技术相结合的产物，近二、三十年以来得到了长足的发展。水声侦听网络的发展有两类动因：一是海洋数据收集，一是水下侦听（预警）。随着人类对地面资源的过度使用，资源短缺的情况也越见明显。海洋拥有地球大部分资源，包括石油、天然气、各种金属等宝贵的资源。对海洋资源的探索引起了许多国家的领土之争，如何保护自家的资源也是一个非常严峻的问题[1，2]。对于我国来说，南海就是一个资源丰富但是备受侵扰的地区，它的周边国家都看中了其中海洋资源。为了更好地维护我们的海洋资源，我们就需要借助水声侦听网络来进行实时观察监控。水声侦听网络不仅可以实时监控海里的情况，还能为海下的科研探索提供方便的平台，同时对海洋灾害，如地震海啸等，也是一种预警[3]。
水声侦听网络由布放在海底、海中的传感器节点（包括固定的传感器节点和装载传感器的移动平台）和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可以通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基或船基的信息控制中心的综合系统[4，5]。这种技术能够增加水下探测距离、提高水下战场信息控制能力，扩大水声预警范围，适应现代水下作战的需求。
目前各海军强国正在实施多个水下联网项目以构建水下侦听网络，例如美国的一体化水下监视系统、 “海网”水声网络[6]、“鲁棒被动声呐”系统和“近海水下持续监视网”[7，8]、加拿大在Saanich Inlet 海域建立的试验观测站VENUS、日本的ARENA（区域先进的实时地球监视网络）计划和欧洲的ESONET（欧洲海底观测网络）计划等，目标都是通过水下网络实现海洋多学科、多要素的综合研究。本文将重点介绍这些监听技术，以期对国内相关研究提供借鉴素材。
2.国外主要水下侦听网络
2.1 一体化水下监视系统
美海军计划中在研发和使用的主要是一体化水下监视系统（IUSS—Integrated Underwater Surveillance System）。一体化水下监视系统实际上是一种将现有多种水下侦察监视系统综合在一起形成的一种战略反潜系统，它主要包括应用成熟技术的固定式分布系统（FDS-C）、水声监视系统（SOSUS）、先进的布放式系统（ADS）以及拖曳式传感器阵列监视系统（SURTASS LFA）。FDS-C和SOSUS提供了长期固定的水下监视能力和提示信息，以便战术部队能够及时发现目标并实施目标攻击。
民用现成技术固定式分布系统（FDS-C）是现有长期被动水声监视固定式分布系统（FDS—Fixed Distributed System）的民用现成技术改进型。FDS-C 将继续为战术部队提供威胁位置信息及为联合部队司令官提供精确的海上图像，由于它具有重要的战略位置和很长的寿命，它还能在冲突开始前对敌方海上活动进行指示和告警。
FDS 和FDS-C 都是由一系列布放在深海、海峡和其它咽喉要地或具有战略意义的浅水濒海地区的海底基阵组成的。二者都由两部分组成：一部分是岸基信号和信息处理部分（SSIPS），它具有处理、显示和通信的功能；另一部分是完成探测任务的水下部分，由大面积分布的声阵场构成。FDS-C 是作为FDS 的一种费用较低的后续研制型，它用成熟商业设备替代了FDS 的专用硬件。它利用民用工业的技术发展，提供费效比更高的与FDS 质量相当的系统，满足舰队长期水下监视的需要。此外，该计划正在试图进行其他技术的开发，如全光纤水听器被动阵，在低费用前提下进一步增加系统的可靠性。
水声监视系统（SOSUS—Sound Surveillance System）是一个广域的、固定的、被动水下监视系统，该系统继续具有一体化水下监视系统（IUSS—Integrated underwater surveillance system）的关键性部件。它由一系列布放在海底的水听器组成，并与岸上进行声学信号的接收、处理和声学分析的设施相连接。SOSUS 能报告水面舰艇的活动并通过探测、识别、跟踪和报告潜艇活动支持反潜战的指挥及其战术部队。此外，SOSUS 具有军民两用的基础，如它可用来支持全球变暖、地震活动、海上哺乳动物的研究以及渔业法规的实施等活动。SOSUS 声学数据的分析已从单一波束的纸质显示转变为以计算机为基础的工作站显示。岸基信号信息处理（SSIPS）和定向监视系统（SDS）的安装已于1998 财年在所有岸基设施中完成，岸基设施奠定了SOSUS 通用設备的结构并有效的减少了系统基础结构的支持费用。
先进的布放式系统ADS（advanced deployable system）是洛克希德·马丁公司为美国海军研制的一个近海水下监视系统，本质上是一种小型可运载“声呐监听系统”（SOSUS）水听器阵列。ADS是一种可迅速布放的、短期使用的、大面积的水下监视系统，用来探测、定位和报告游弋在浅水近岸环境中的安静型常规（柴电和不依赖空气动力推进的）潜艇和核潜艇。该系统也将具有一定的探测布雷活动和跟踪水面目标的能力。ADS 现处在工程试验阶段。目前，正在针对近海战斗舰安装的舷外传感器系统来开发ADS。2009 财年始开始研究由其它平台布放ADS。 为了弥补固定式水声监视系统的不足，美国还建立了由专用拖船和战略型长拖曳线列阵构成的机动监视系统（SURTASS LFA）。SURTASS LFA是一种远程声呐系统，操作频率为低频（LF）（100～500 赫兹），适用于各种天气条件。该系统由两个部分组成：一分部为拖曳式阵列传感器监视系统（SURTASS，surveillance towed array sonar system），另一个部分为低频主动声呐系统（LFA，Low Frequency Active）。
SURTASS LFA的主要目的是增强远距离探测安静的、难以发现的外国潜艇的能力，从而为美国海军提供足够的时间来反击潜在的潜艇威胁，但是自己却置身在外国潜艇武器有效打击范围之外。但是由于冷战的结束，美国海军正面临着一些小的柴电潜艇，尽管这些潜艇在行，小的海域中运行，但它们的武器打击范围显著增强。此外，现在的海战策略主要是利用静音的潜艇在滨海、关键海峡巡逻，跟踪航母等。
2.2 海网系统
海网（SeaWeb）是目前规模最大、最先进的在研实用水声网络，用于支撑FRONT试验计划，FRONT计划是美国NOPP（National Oceanographic Partnership Program，国家海洋学研究伙伴计划）实施的一项称为“遥测前沿观测网”（Front-Resolving Observational Network with Telemetry，FRONT）的计划，用于水声通信、水下网络传输及海军其他使命。
目前已投入应用的是SeaWeb-3和SeaWeb-4系统。SeaWeb是DADS计划的扩展项目，最初动机是沿海地区借助DADS进行大范围水下监视任务的需要，有组织地为DADS提供命令、控制、通信和导航等功能。SeaWeb由美国海军研究局（ONR）和空海战系统中心（SPAWAR）主持，在1998-2005年间进行了系列海试。
2.3 近海水下持续监视网
在美国海军潜艇联合会举行的2006年潜艇技术论坛上，披露了当今世界上最先进的水下网络计划之一—美国“近海水下持续监视网”（PLUSNet）。PLUSnet是一种半自主控制的海底固定加水中机动的网络化设施，由携带半自主传感器的多个潜航器组成。这些潜航器能够相互通信，并在没有人为指令的情况下做出决策，从而履行多项功能，包括对温度、盐度、水流、化学成分及其他海洋元素进行取样，密切监视并预测海洋环境。PLUSnet计划由美国宾西法利亚大学承担，为期3年，耗资2770万美元，美国海军希望PLUSnet能在2015年前后具备完全作战能力。
PLUSNet计划的阶段性目标是：（1）某个战场节点（如固定节点）能够通过水声通信向另一个战场节点（如移动节点）传输数据与指令，后者通过射频通信方式向主舰/岸基装备中继消息；（2）主舰/岸基装备能够通过射频通信向网关战场节点传输数据与指令，由后者向其他战场节点中继信息；（3）能够准确的感知环境，预测声音参数，并重新机动部署，改进声音性能与通信战术；（4）能自主探测、跟踪明显目标，并在节点之间以及向主舰/岸基装备传输目标信息；（5）能使可移动装备重新指向目标路径，重新获取目标、获取附加数据以对目标分类；（6）能利用记录的数据处理现实目标信号。
2.4 鲁棒被动声呐计划
针对美海军未来作战将主要集中在濒海水域的特点，美国先进研究计划局（DARPA）在技术层面上描绘了未来需要发展和投资水下传感器的设想。DARPA 先进技术办公室（ATO）某项目负责人透露，军方对未来海上部队的构想是必须抛弃冷战时的技术和大平台，向分散和“更富进攻性的态势”转变。濒海水域海战中的关键是传感器能够提供持久稳定的监视，船员配置较小的舰艇以及水下无人航行器（UUV）能协同作战。其中舷外传感器节点能帮助海军自动寻找和跟踪目标，使其能够在很远的距離与敌方交战，利用所发射武器中的传感器，海军可以从更远的距离对更大的区域进行监视。
鲁棒被动声呐（RPS）计划是DARPA 首先提出的新技术概念，在官方文献中对计划中技术细节解释并不明确，而根据该项目所进行的试验和报道的相关数据可以认为，该计划旨在利用自适应信号处理算法，减少水面舰和潜艇的拖曳线列阵、舷侧阵即其他监听声呐收到的背景干扰，以提高反潜能力。简言之就是运用先进的可靠的被动水声换能器阵列和优化的信号处理技术手段从浅水区海洋混响和航运噪声中分辨敌方军事目标的噪声辐射，特别是安静型潜艇。美国已经对西南太平洋近海进行了海洋声场的数据测量和模拟。应用该技术将使濒海区水声系统的性能增益提高10分贝～20 分贝。
3.结论
通过对一体化水下监视系统、海网系统、近海水下持续监视网、鲁棒被动声呐等水下侦听网络的研究内容和研究现状进行分析，可以发现水下侦听网络是在茫茫大海中进行目标探测的听觉神经系统，它具有如下优点：
（1）局部受损不影响整体工作。传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提高了较强的容错能力，局部遭受损坏不会中断整个系统工作。
（2）侦听范围广，发现目标概率高。大量的传感器节点的联合，形成了覆盖面积很大的实时探测区域。分布式的传感器节点多角度和多方位的获取目标信息，从而有效提高了发现目标的概率。多种传感器节点的混合应用有利于提高探测的性能指标。
网络中心战是200年来军事领域最重要的变革，水下网络战争是网络中心战的重要组成部分，了解水下侦听网络的构成是进行水下网络战争的基础。在国外水下侦听网络逐渐走向成熟的今天，及时研究对策，是赢得未来水下战争的关键。
参考文献
[1] 魏昕，赵力，李霞等.水声通信网综述.电路与系统学报，2009，14（6）： 96-104.
[2] 凌国民.海洋水声监视技术.声学与电子工程，2001，61（1）：1-6.
[3] 李淑秋，李启虎，张春华.水下声学传感器网络的发展和应用.物理， 2007，35（11）：945-952.