美军潜艇为何冒险抵近侦察外军基地:采集声纹

发布时间:2015-10-12 09:50:53
美军潜艇为何冒险抵近侦察外军基地:采集声纹

原标题:漫谈潜艇声纹识别技术 两个美国科学家创造的反潜战传奇

引言:洛法是英文LOFAR的音译,完整的意思大致是低频识别与跟踪,台湾地区则把它形象的称为潜艇声纹识别技术,这是一门与传统的声呐原理截然不同的绝技。对反潜战而言,洛法技术的重要性堪比雷达(RADAR)、声呐(SONAR),几十年来,美国人对该技术高度保密和封锁,国内公开文献大多只涉及皮毛,对其原理谈得明白的并不多。但不理解洛法技术,是无法理解现代反潜战的核心和精髓,在反潜战领域的对抗和赶超更是奢望。

那么洛法究竟是怎么来的?冷战时期美国科学家们曾经为反潜战付出过怎样的努力?SOSUS、声呐浮标、拖曳线列阵声呐这些反潜利器的核心原理是什么?为什么美国人要不惜代价获取苏联潜艇的声纹信号?本文试图带您重回那段被人为尘封的岁月,去探究一种全新的声呐技术如何左右着反潜战的历史。

招贤榜

1949年前后,美国海军发了一份招贤榜,发送对象是美国顶尖的院校和公司,招贤榜内容很简单:如何找潜艇?贝尔试验室的科斯内斯先生意识到,机会来了。

科斯内斯先生是贝尔试验室的高管,贝尔试验室曾经是美国科技界的大牛,今天叫朗讯科技,晶体管、激光、通信卫星、移动电话等等等等响当当的高科技,全是他家捣弄出来的,今天的朗讯科技仍手执专利25000多项,并且还在以每天至少3项的速度增加,简单的说,这是一家身怀绝活的高科技公司。科斯内斯先生想把找潜艇这桩生意揽下来,因为他们公司正在搞语音识别技术,如果用来找潜艇也许会派大用场。

语音识别技术不是贝尔试验室提出的,早在二战的时候就有人搞,最早玩这门技术的是德国纳粹,纳粹暴徒们的思想观念有问题,但科学素养并不低下,德国纳粹想用语音识别技术来监听电话,他们的设想是这样的,只要有人一摘电话,咳嗽一声就能分析出是张三还是李四,德国纳粹知道每个人的声音都有自己的特点,人体的生理结构特别发声的部分并不完全相同,声带的长短宽窄是否病变、口腔的形状甚至牙齿的多少都会给说话声打下标签,有人能在一屋子开PARTY的吵杂声中听出来熟人来,我家夫人能够在幼儿园的大合唱中,听出我家姑娘跑了调,就是这个道理,不过这一套还是人肉搜索识别范畴,贝尔试验室玩的机器分析。

漫谈潜艇声纹识别技术

上图:美国海军潜艇水兵正利用LOFAR图进行目标运动分析,那一条的亮线代表不同方向的存在声音频率

贝尔试验室的机器分析其实是想把声音拆开,声音是由不同的频率的振动组合而成的,贝尔试验室的仁兄们分析声音的方法是过“筛子”,“筛子”是一连串乐器上的簧片,簧片对应不同的振动频率,遇到相近的声音就会共振,这一共振就把声音拆成了不同的频率,遇到某个频率的声音强度比较大,就在纸上打个点,记录设备是一卷不停向下滚动的打印纸,横轴方向代表高低不同的频率,纵轴方向代表经过的时间,打印纸不断的滚动,时间长了,常出现的频率就会在对应处画出一条条的长纹,这就声纹识别技术的由来。

漫谈潜艇声纹识别技术

一张洛法图,垂直的那些车辙一样是该位置的线谱噪声

声呐分为主动声呐和被动声呐两种,早期的被动声呐相当于水下听音器,探测距离的远近和声呐兵的耳朵密不可分,通常哪边声大,声音更象潜艇,就往哪边追,作用距离也就几公里。洛法是对传统声呐理论的颠覆,大大提高了信噪比,非常适合用来跟踪那些持续稳定的水下歌声。

潜艇在唱歌

大洋里的潜艇其实也在唱歌,歌声也很有个性。深海大洋其实是在不停的大合唱,海底地震、鲸鱼、皮皮虾都能发出声音,但这些声音通常是漫无规律的,学术上讲叫白噪声,但潜艇的声音则有其特定的规律,潜艇上有水泵、空调、压缩机、发电机等种种机械,这些机械运转的时候,通常会在特定频率段上,形成连续的噪声,也叫线谱,比如通气管状态航行的潜艇,柴油机稳定运转的时候,会在一些频段上出现连续的谱线,贝尔试验室就是瞄着这些稳定的线谱去的。

贝尔试验室的点子被美国海军采纳了,下面是实际验证,最早他们用这套玩意儿来分析“食蚊鱼”级潜艇,“食蚊鱼”是条柴电动力的潜艇,柴油机带动发电机工作的时候,在80-100赫兹的低频段,声纹纸中出现清晰而稳定的条纹,这让美国海军很高兴,他们还发现,通气管状态的潜艇,因为水下的面积更大些,水下的噪声往往比水面航行的时候还要大,特别适合用这种方法来分析,于是他们给这种分析方法起名叫洛法(LOFAR)。

他们的下一问题,怎么能听到几百公里外的潜艇唱歌?这个时候,又有一位仁兄来揭榜了,这次揭榜的是伍兹霍尔海洋研究所的尤因先生。

漫谈潜艇声纹识别技术

莫里斯.尤因博士

尤因博士

莫里斯.尤因博士(Maurice Ewing)是位海洋学家,主要研究领域是海洋中声音的传播规律,海洋声学研究是份苦差使,有点类似地质找矿,需要不分昼夜的在海上漂来漂去,整天收收放放用来听水中声音的水下麦克风,也叫水听器,比渔民还辛苦有木有。尤因先生满头乱发,晒得通红,一件破衬衣长年不换,抖抖全是铅笔末儿,就这付德性也敢揭榜,可美国海军不敢怠慢,因为他也有绝活,他知道大洋深处有一条捷径,学名叫深海声道轴(SOFAR)。

漫谈潜艇声纹识别技术

多数声音在海洋中并不是直线传播的,特别是低频水声,海水对水中的声音或者说振动并不公平对待,高频的水声很容易被海水的吸收,低频水声则完全不同,通常频率越低吸收越小,比如同样的强度话,同样的距离,100赫兹的水声相比1千赫兹的水声吸收作用要小几百甚至上千倍,这样的话,低频水声的研究往往更有意义。

1944年4月3日,伊宁斯领导的科研团队,利用深海声道轴,听到了600公里外的爆炸声。上图是这次爆炸及混响的记录原图。

尤因认为,低频的水下噪声,在海水中的传播中受到温度、压力、盐度等因素影响,在深海大洋中会有一个平衡点,也叫深海声道轴(SOFAR),这是一条看不见的声学通道,低频水声一旦进入这个声通道,就会被束缚起来,传播几百甚至上万公里,而不会发生明显的变形(失真)。

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上图:深海声通道的原理示意图,通常深海声通道在赤道附近最深,大西洋中位于水深1100米,太平洋中位于900米深处,在北极水域可以接近海面。

1940年代早期,尤因和他的团队,就开始了这方面的研究。1944年4月3日,当时他们在约1300米的深水中,引爆了一颗1公斤的小炸弹,这枚炸弹的爆炸声在大西洋底约1100米的深海声道轴中跑了370多秒(海水中声速大约1500米左右),在320海里(约600公里)之外,终于收听到了清晰的爆炸声和之后的回响。

深海声道轴是尤因先生对美国科学界做出的巨大贡献之一,后来美国人以他的名字命名了一个专门奖项,甚至以他的名字为命名了月球上的一个环形山。

如果说洛法技术是能识别声音特征敏锐的双眼,那么深海声道轴则给这双眼睛配了一付远程望远镜。有了洛法技术,再加上尤因先生的深海声道轴,美国人在上世纪50年代初,终于搞出了独步全球的反潜神器—SOSUS,足足领先前苏联30年有木有。

SOSUS

最早的SOSUS技术验证,是1950年前后,在波士顿附近的外海偷偷摸摸搞的,美国人不敢大肆声张,附近载重卡车来来往往也不能去干涉,即使这样恶劣的干扰下,美国人成功的利用布放于深水中的多个基阵,发现了几十公里外的潜艇,当时的其它声呐技术,最理想的条件下,用声呐识别10-20公里外的潜艇就不错了。后来,美国人把试验场地转到了条件较理想的加洲外海的圣尼古拉斯岛,这一次,是飞跃性的提高,早期的SOSUS基阵,清晰的记录了几百公里外潜艇的声纹特征。

战争的需求永远是技术飞跃的巨大动力,1952年前后,美国制定了“凯撒计划”,开始沿美国的东海岸,布设SOSUS基阵,典型的SOSUS基阵,是布设在深约几百米深的大陆架上,长约1600米,由40个独立的水听器组成,这是做是为了增大声呐基阵的孔径,有利于对低频水声的识别。基阵是固定的,在基阵垂直方向形成一个开口约5度的看不见的封锁线,早期的探测距离约500千米,一旦有潜艇经过这条看不见的封锁线,就会被发现,并且记录下来。

最早的SOSUS系统被布放在西印度群岛的伊柳塞拉岛上,并且由于冷战的需要,以极快的速度发展,到1960年,至少已安装了20套这样的系统,系统通过长长的海底电缆与陆上的侦听站相连,几十个侦听站再与美国弗吉尼亚洲诺福克和加洲圣地亚哥两处国家反潜指挥中心相联系,这样,全球大洋中有点风吹草动,美国人就能及时调配力量,跟踪监视。 到冷战结束前,SOSUS系统已经布放了上千套装置。

漫谈潜艇声纹识别技术

漫谈潜艇声纹识别技术

上图,一份苏联潜艇上找到的SOSUS分布图,图上不有飞机场,无线电监听装置等的分布。

1960年,美国第一艘战略导弹核潜艇“乔治华盛顿”号水下横穿大西洋前往英国,SOSUS系统实现了全程无缝跟踪。1962年,古巴导弹危机,前苏联的派出的5艘F级潜艇无一漏网。SOSUS最成功的布放是位于格灵兰岛和冰岛到英国之间的GUIK通道,这样,前苏联出动的每一艘舰艇,只要经过这里就会被发现,苏联人对SOSUS一无所知,还一直认为美国人在这一带反潜兵力大大造成的,其实即使这一条相对狭窄水道,30-50艘水面舰艇和潜艇长年驻守也达不到SOSUS的效果。

反潜声呐浮标

洛法技术的下一个应用是反潜声呐浮标,反潜声呐浮标二战的时候就有,不过以往的反潜声呐浮标只能听出了大概,效果极差,有了洛法技术,声呐浮标只要调谐的几个指定的频段上,就能清晰快速识别出某种型号的潜艇。从原理上,洛法技术与警察抓通缉犯的路子非常相近,警察抓通缉犯的时候,如果手里只有一张照片,从茫茫人海里找人往往累死也找不到,但是,假如警察知道通缉犯是个大个子,一条腿有点跛,肩膀上再有个刺青,有这三点,那就容易得多了。洛法技术不必在所有频率上进行监视,只要在特定的频率上出现明显高于背景的噪声就行,比如某条苏联潜艇在100、200、300赫兹三个频率上出现线谱噪声,而且噪声强度100赫兹高于200赫兹,200赫兹高于300赫兹,那个丢到水里的声呐浮标听到100、200、300这三个频点有明显噪声,那么这么水域中有苏联潜艇的可能性就很大,下一步是密集搜索。

美国人把SOSUS和航空和水面反潜结合起来,形成一整套捕捉、识别、跟踪、确认的闭环流程,往往是SOSUS系统发现信号,就立即派出反潜飞机丢声呐浮标或水面舰船进行跟踪,如果有可能的话,目标浮出水面,确认目标的类型,并记录下来,以后再遇到类似目标,就能很快的发现。

洛法技术尽管先进,但它是建立在经验积累的基础上的,如果没有发现过类似的潜艇,最初往往是认不出来的。我夫人能听出亲生的姑娘的歌声,但对于陌生人包括我就不管用了。洛法技术首先需要对潜艇各种航速工况下的声纹样本的提取,完整的声纹样本数据库是洛法成功的关键,也是美国人整个反潜战的核心,这样,如何有效的采集并不断补充完善声纹数据库就成了当务之急。

上世纪六十年,前苏联的潜艇特别核动力潜艇部队,以吹气球的速度爆发性增长起来,苏联的核潜艇由红宝石、孔雀石、天青石三家潜艇设计局设计,北德文斯克造船厂(402厂)、海军部造船厂(194厂)、内陆伏尔加河畔的红色索尔莫沃造船厂(112厂)和远东阿穆尔河畔共青城造船厂(199厂)建造,不算改装潜艇,新造核潜艇就有33个型号,240余艇之多,最牛的年份,比如1970年,苏联人当年建成服役了核潜艇15艘,如同堆金子般造出来的核潜艇(海狼级单艇约32亿美金),一口气造这么多,世界军事史上,只有苏联人和美国人做到了。

漫谈潜艇声纹识别技术

苏联潜艇庞大的数量和型号,建造质量和技术水平七七八八,高低不同,噪声水平也不一样,这让美国采集声纹特征的家伙很头痛,可没办法啊!哪一条苏联潜艇都不能漏网,核战争的年代,一条战略导弹核潜艇能轻松灭了一个国家甚至整个世界,所以美国佬对新出现的每一条苏联新潜艇都不能掉以轻心,只能耐心的不断的跟踪识别,采集样本,不断的记录确认,就为有一天战争爆发的时候能派上用场。到上世纪70年代,更头痛的事来了,苏联潜艇出动的次数少了,特别是走GUIK通道的数量明显降低,美国人更坐不住了,这是咋回事涅?

原因有二个,一是苏联的潜射战略核导弹技术有了实质性的飞跃,射程大大增加;二是因为一个内奸把美国佬卖了。

先说第一个原因,前苏联的潜射战略核导弹,都是第385设计局的马克耶夫先生主持设计的,马克耶夫是个天才,年纪轻轻的就跟着前苏联火箭之父科罗瘳夫混,1950年代初就研究出了飞毛腿导弹,他主要研究液体推进的导弹,在他的独创性的探索下,前苏联用很落后的技术实现了潜射导弹的飞跃,举个例子,为了减轻重量,他敢把R-27导弹的主火箭发动机直接泡在推进剂里,这样,缩短了火箭长度,省了结构重量、传输管和冷却回路,试问全世界还有谁敢这么做?上世纪七十年代初,他主持研制出了R-29导弹,射程接近8000公里,这样,苏联的战略导弹核潜艇(D级,德尔塔级)直接进了北冰洋就能起到作用,再加不用去美国人家门口看人家脸色办事了。

第二个原因是个叫洛克的叛徒,他是美国海军的通信军官,他想发财,就把美国人SOSUS的秘密一股脑的卖给克格勃,知道了SOSUS的厉害,苏联人惹不起,就绕着走,这样,美国人只好深入虎穴,去苏联人的家门口采集声纹样本了。

冷战时期,美英等国家对前苏联的水下侦察搞得火热,潜艇是天然的隐身战舰,用来搞水下侦察天经地义。于是在苏联的北摩尔斯克、太平洋的海参崴、堪察加半岛的彼得罗巴甫洛斯克等重要潜艇基地外,美国人常年派出1-3艘潜艇进行蹲坑,遇到苏联人搞演习,就数量加倍,主要目的就是采集苏联潜艇声纹特征和活动规律,为洛法技术服务。

侦察活动搞多了,美国人甚至给苏联潜艇的声隐身性能排了英雄榜,就是下面这个表格,这是美国人在前苏联附近巴伦支海跟踪苏联的潜艇的经验总结,每一条数据都是提着脑袋采集来了,冷战结束后也解密了。

前苏联潜艇类型 相应距离发现概率

50公里 30公里 10公里

良好海况

667A型战略导弹核潜艇 扬基级(Y级) 0.12 0.95 1

667B型战略导弹核潜艇 德尔塔I型(D-I级) 0.05 0.54 1

667 BDR型战略导弹核潜艇 德尔塔III型(D-III级) 0 0.15 0.95

667BDRM型战略导弹核潜艇 德尔塔IV型(D-IV级) 0 0.08 0.45

971型攻击核潜艇 阿库拉级 0 0 0.03

较差海况(大风浪)

667A型战略导弹核潜艇 扬基级(Y级) 0.03 0.15 1

667B型战略导弹核潜艇 德尔塔I型(D-I级) 0 0.05 0.93

667 BDR型战略导弹核潜艇 德尔塔III(D-III级) 0 0 0.55

971型攻击核潜艇 阿库拉级 0 0 0

上面这个表,1是肯定能发现,下面的零点几的小数是发现的次数除以出动次数,美国人有先进的侦察卫星和无线电监控,每次苏联潜艇出动都能知道。从上表可以看出,服役于上世纪八十年代中期的阿库拉级攻击核潜艇是当之无愧的苏联潜艇静音之王,即使最良好的水文条件下,美国人蹲点在10公里处,对阿库拉的发现概率也不大于百分之三,这已经是相当高的静音水平了,孔雀石设计局在切尔内舍夫总设计师带领下的设计团队,在潜艇静音技术方面,是整个苏联潜艇设计界的最前沿,阿库拉级优秀的静音设计,超强的武器携带能力,堪称前苏联时代潜艇设计的巅峰。

漫谈潜艇声纹识别技术

上图,维克多级攻击核潜艇至今仍是俄罗斯海军的主战舰艇

从表中还可以看出,从六十年代末服役的扬基级(Y级)到八十年代末的德尔塔IV型(D-IV级),前苏联潜艇的静音性能不断提高,噪声指标不断下降,使美国潜艇的发现概率明显降低,但最好的水平也比阿库拉级有差距,也许是和红宝石设计局相当保守的设计风格不无关系,前苏联的战略导弹核潜艇全由红宝石设计局的克瓦列夫总设计师主持,这位老先生设计了前苏联时代所有的6型91艘战略导弹核潜艇,包括著名的台风级潜艇,是位超级设计大师。

漫谈潜艇声纹识别技术

德尔塔级战略导弹核潜艇

潜艇对对撞

常在河边走,哪有不湿鞋,美国潜艇为了采集声纹样本,长期对苏联潜艇基地的不间断水下监视跟踪,难免有出意外的时候。

1992年2月11日,美国洛杉矶攻击核潜艇的第二艘,巴吞鲁日号,潜伏在前苏联北方舰队基地,加吉耶沃的外海,这一次他跟踪的目标是俄罗斯的第三代攻击核潜艇塞拉-II级276号,艇名“螃蟹”号,塞拉-II级攻击核潜全艇由钛合金制造,静音性能不及阿库拉级,当时新兴的俄罗斯海军人心浮动,工资经常都发不出来,不过前苏联时代传承下来的时刻准备着美国人干一架的战斗意志还在。

这一次,也许是美国人一时大意,巴吞鲁日号被“螃蟹”发现了,“螃蟹”号艇长早就知道美国潜艇对苏联潜艇的不断跟踪,国破财亡的今天,还要上门来欺侮,新仇旧恨涌上心头,一个标准的“疯狂的伊万”战术动作,转身加全速向巴吞鲁日号撞了上来,撞击发生的地点,其实是在俄罗斯的领海线内,“螃蟹”号有权击沉美舰,不过“螃蟹”霸道却不愚蠢,没有使用武器。这是一次明显故意的撞击,撞击的部位选择在美艇的中下部,这样有可能把美国佬直接撞出水平,那样俄罗斯人就可以公开俘虏美国潜艇了,至少抓一个现行。撞击的结果很惨烈,“螃蟹”号的围壳就成了下面的样子。

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塞拉—II级攻击核潜艇“螃蟹”号被撞的样子

令人称奇的是,受了重伤的巴吞鲁日号打掉牙齿当点心吃,居然拖着受损的艇体,硬挺着不上浮水面求救,而是从水下默默的遛走了,艇长威伍有木有,唉,都是洛法惹的祸。

上世纪60年代末,海洋石油开发如火如荼,脑瓜一贯灵活眼盯高科技的美国海军,从海洋石油勘探设备中有了新发现。

拖曳线列阵声呐

拖曳线列阵声呐是由海洋石油勘探装置发展出来的。海洋石油其实藏在海底下面几百上千米的岩石缝隙里,要用爆震的方法测出来,测量装置分为震源和接收装置,震源通常是爆炸物或空气炮,接收装轩是是一根长长充油的塑料管,里面装着一大串的水听器,很便于收放。地震测量的时候,空气炮在海底不断的轰来轰去,遇到海底的藏油层,反射的回波会被水听器听到,分析一下,能知道油田的位置和深度。

美国海军对这种玩意儿很感兴趣,于是对这种接收装置进行了改进,改成了拖曳线列阵声呐,拖曳线列阵声呐可以用一个大绞车收放,可以做得非常长,最长的可以达到近三千米,水下的深度可以调节。拖曳线列阵声呐与其他声呐相比,有两个巨大的优点:一是声呐基阵可以远离船体,这样就减少了本船的振动噪声对声呐接收效果的影响,本船噪声一直是舰载声呐看不远的重要原因,看星星的天文台远离灯火通明的大城市也是这个道理,实际美国人测试中发现,拖曳线列阵声呐附近的干扰噪声甚至比SOSUS装置附近还低;第二个好处是,声呐基阵的长度可以很大,这样的话就加大了声呐的孔径,对于接收低频噪声的识别定位很有好处,其实搞无线电的都知道,信号频率真越低,天线尺寸越大,接收效果才好,美国的无瑕号的拖曳线列阵声呐基阵长达2400米,是目前已知的最长的拖曳线列阵声呐,能接收到5赫兹的低频水声,堪称水下天文望远镜。

冷战结束后,前苏联的土崩瓦解,曾经被视为红海军的骄傲的核潜艇部队纷纷趴了窝,出动率直线下降,曾经200余艘的核动力潜艇舰队,一度只有十余艘能够出动。独孤求败的美国海军并没有放松对反潜技术的探索,提出由海向陆的作战概念,这样,近海,对付常规动力柴电潜艇成了新的重点。近海大陆架通常没有深海声通道,美国人于是大量布署水文间谍船,无瑕号之类的水文间谍船开始纷繁活动。

漫谈潜艇声纹识别技术

美国能力号水声侦察船,目前拥有世界上最长的拖曳线列阵声呐(长达约2400米)

洛法技术发明已经六十多年,目前除了应用于反潜战领域,也被美国科学家用于对海洋中鲸类活动规律的研究,因为他们发现,鲸鱼天生会使用深海声道轴互相通信,美国海军的SOSUS声呐也是分析鲸鱼活动规律的利器,希望这个路子能延续下去,洛法能更多的为和平的目的的使用,洛法传奇而尘封的故事能有更完美的结尾。


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