《数字海洋与水下攻防》主要刊载海洋环境与资源科学、海洋数据与信息技术、海洋智能装备技术、海上攻防技术、水下预警与指挥控制技术、战场环境与对抗技术等领域，涉及体系研究、基础前沿、应用技术、工程设计、使用保障等方面的研究和综述论文。系《中国学术期刊综合评价数据库》统计来源期刊、《万方数据——数字化期刊群》收录期刊、《中国核心期刊（遴选）数据库》收录期刊，被《中国期刊全文数据库（CJFD）》、超星期刊域出版平台全文收录。
挪威科技大学（NTNU）的一组海洋科学家在斯瓦尔巴特群岛（Svalbard Archipelago）（译注：位于北极圈内，主权属挪威，中国科学院在此建有黄河站）成功探测到在大约70～90千米外的北冰洋和北海上嬉戏的须鲸的叫声。乍一看，这似乎没什么大不了的，因为研究人员经常监测鲸鱼的行为，而鲸叫声一直被认为可以穿越很远的距离。但是，这组特殊观测的特别之处在于传感器的选择，所用的传感器不是海洋生物声学界信赖的工具——水听器，而是利用朗伊尔城（Longyearbyen）和新奥尔松（Ny-Ålesund）之间120千米长的海底光缆传导的光脉冲实现了探测。
NTNU的科学家们使用了一种相对较新的创新技术，称为“分布式声传感”（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技术，它依靠光纤来探测声学或地震活动发出的压力波。使用一种被称为询问器（interrogator）的专门设备，光脉冲以已知间隔沿着未使用的“暗”（dark）光纤发送（译注：暗光纤是指已铺设但未投入使用的光缆。通信公司通常会铺设多于其需求的光纤数量，以适应将来的需要而避免反复铺设带来的高额成本。暗光纤可被特定用户租用）。当光在光纤中遇到微小缺陷时，其中一些将被反射回询问器（一种被称为“瑞利后向散射”的现象）。当来自声发射的压力波对光纤施加“纳米应变”（nano strains）时，它会引起反射光的波动。然后，可用先进的信号处理技术分析这些波动，将其转换为独特的声学特征，这样不仅可以探测声波，还可以识别甚至定位声源。当DAS用于海洋环境下时，沿光纤的缺陷基本上就像微型水听器一样，将一定长度的光缆转变为大孔径传感器阵列。由于声波可以穿透海床，传感光纤无需完全暴露在水体中就能发挥作用。NTNU项目中使用的光缆，部分被埋在1～2米深的沉积物下。
考虑到全球遍布120万公里长的海缆，DAS代表着海洋观测的重大突破。不再依赖于散布在海底的离散的声学和地震传感器，任何地方海缆内的暗光纤现在都可被转化为长达数千米的传感器阵列，相当于配备了数千个能够探测生物和人为噪声的水听器。除了鲸鱼的发声，DAS还成功地探测到了水面船只、地震、海浪和遥远的海洋风暴，甚至可作为全球海啸预警系统。
鉴于DAS已经遍布广阔的大洋，能够提供广域、持久的传感器网络，在水下防御作战中具有相当大的潜力——特别是通过提供额外的监视覆盖层，能够跟踪水面和水下目标。DAS可以探测和跟踪水面战舰，增强从卫星、飞机等其他ISR平台收集到的情报。DAS除了探测航行中的舰船外，还可探测到动态定位系统的声音，这些信号表明正在进行某种海床作业。
图1 DAS探测示意图
（图片来源：研究文章Eavesdropping at the Speed of Light: Distributed Acoustic Sensing of Baleen Whales in the Arctic）
在海面之下，还有水下战方面的应用。目前，DAS似乎在探测低频辐射（甚至到了毫赫范围）方面进行了优化，虽然现代潜艇确实在低频范围内辐射，但这些辐射的强度也很低——根据开源的非密估计，大约在95～110分贝之间，仅略高于约90分贝的海洋环境噪声。分贝数是一个对数测度（即每增加10、20、30分贝，分别对应声功率增加10、100、1000倍），相比较而言，北大西洋蓝鲸的呻吟声可超过180分贝，而载人潜艇产生的声功率却小得多。
但在更近距离上，潜艇的辐射可能更容易被探测到，尤其是被敷设在海床表面的光纤探测到。最终，DAS可能提供更多的、限制在较小水域空间内的反潜（ASW）防御屏障，而非远程探测和跟踪系统。在海底防御方面也有应用。如果我们考虑与海床战相关的活动类型——海缆篡改、水雷战、以及部署、操作或破坏海底基础设施——DAS可以在探测、识别和定位这些威胁方面发挥作用。
尽管目前针对低频探测进行了优化，但DAS也有能力探测高频辐射，如由航行器的作动器和推进器产生的高频辐射，以及水下导航、成像和通信装置发出的信号。麻省理工学院（MIT）2020年的一项研究发现，小型AUVs在15～24千赫兹范围内产生强烈的辐射，比环境背景噪声高出10～45分贝（译注：详见An acoustic remote sensing method for high-precision propeller rotation and speed estimation of unmanned underwater vehicles, The Journal of the Acoustical Society of America. 2020, 148, 3942）。典型DVL的发射频率为400～600千赫兹，而SAS的发射频率为60～120千赫兹。回声探测仪发出高频和更高强度的声音——185～230分贝不等。
尽管潜器的推进系统，如蛙人运载器（Swimmer Delivery Vehicle，SDV）、大排量UUV（Large Displacement UUV，LDUUV）或超大型UUV（extra-large UUV，XLUUV）可能会产生低强度噪声，但如果噪声来自近距离，则有可能探测到低频辐射。
水下施工活动会产生低频声波和地震波，因此与安放能源站、AUV坞站或传感器阵等海床结构件相关的噪声将很容易被DAS探测到。在海床上着底的自由落体传感器单元可能会产生可探测到的“微震”（microseism）——一种通常与小地震相关的地震波。空投水雷在海面上撞击，在海床上轰然停止，可能会产生强大的声波和地震波。DAS有可能协助绘制雷场图，提供额外的数据点，辅助推动MCM作战行动。随着俄罗斯继续推进“海神”（Poseidon）核武、核动力AUV的研发，DAS可能在集成式水下远程预警和防御系统中发挥重要作用，提供ISR或向拦截器中继传送目标数据。
尽管DAS在国防应用方面显示出了广阔的前景，但它也有局限性——至少目前是这样。例如，由于在双向传播过程中反射光的衰减，它的有效距离大约为50～100千米，所以真正大规模DAS阵将需要某种增强（amplification）。集成式DAS防御网络需要将声音样本与已知的声学特征数据库进行比较，以识别威胁，并区分合法目标和虚警。因此，DAS需要大量的实时测量和信号情报（MASINT）来帮助探测和识别新出现的水下威胁。“除了所需的MASINT数据量外，DAS生成的大量声学情报（acoustic intelligence，ACINT）也会使人望而生畏。”
例如，NTNU项目每天产生约7 TB的数据，在整个研究过程中产生了近250 TB的数据。然而，即使面临这些挑战，DAS仍有潜力极大地影响水下防御。随着低成本、低维护（low-maintenance）、现成的传感器网络已经遍布全球海洋，DAS可能很快就会变为敌我双方国防装备库中的资产。
编译：Whitehead
译自：www.marinetechnologynews.com
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