陳德喜 王 青 向 前 顏 俐

（1.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）（2.中國人民解放軍第四八零八工廠軍械修理廠 上海 266042）

（3.海軍駐中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室 武漢 430064）

1 引言

高科技條件下的信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，以往那種彼此分立、功能單一的電子裝備已遠不能適應(yīng)部隊作戰(zhàn)需求。一體化技術(shù)作為謀求電子裝備最佳匹配的一種系統(tǒng)工程技術(shù)[1]，已成為當(dāng)前電子裝備發(fā)展的重點和未來電子裝備總的發(fā)展方向，為滿足當(dāng)前和未來作戰(zhàn)需求提供了技術(shù)途徑和方法。艦船聲納系統(tǒng)是艦船水聲探測水面艦船、潛艇、魚雷等水中武器的主要手段，將在未來海戰(zhàn)場信息戰(zhàn)中扮演重要的角色。因此，艦船聲納系統(tǒng)一體化是科技發(fā)展和裝備發(fā)展需求的必然結(jié)果，是以計算機軟、硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，集中水聲、電子、船體結(jié)構(gòu)、材料、總體性能、噪聲、電磁兼容等多個專業(yè)技術(shù)，從功能（警戒、偵察、測距、識別等）、結(jié)構(gòu)（平臺、各傳感器以及軟硬件等）、信息（資源共享、數(shù)據(jù)融合）三個方面，達成系統(tǒng)的最佳整合，以實現(xiàn)艦船對戰(zhàn)場態(tài)勢的全面感知、提高艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體效能，對實現(xiàn)武器裝備綜合一體化具有重要意義。

2 國外艦船聲納一體化發(fā)展現(xiàn)狀

國外早在上世紀(jì)70年代根據(jù)艦船作戰(zhàn)需求就已經(jīng)開展了聲納系統(tǒng)一體化設(shè)計研究工作，在采用新的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，使艦船聲納系統(tǒng)向全方位、多功能、寬頻帶、集中顯控、孔徑共享、數(shù)據(jù)融合等方向發(fā)展，并且一些研究成果已經(jīng)應(yīng)用到工程實際中。下面簡要介紹幾個典型的一體化應(yīng)用。

1）英國2076綜合聲納系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代后，英國開始在特拉法爾加級和機敏級潛艇上逐步引入高度集成的2076全新綜合多陣列聲納系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單機聲納。該聲納系統(tǒng)具有高靈敏度、大孔徑舷側(cè)陣以及先進的自動探測和傳感器數(shù)據(jù)融合功能；艙內(nèi)處理功能采用了冗余的、基于COTS技術(shù)的、開放式的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，可快速引入第三方程序和開發(fā)，從而能夠削減部隊成本、減少報廢，實現(xiàn)全壽命成本控制；并且在同一個電子機柜設(shè)計中把聲納和作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的處理融合到一個共享的處理平臺中，與潛艇指揮系統(tǒng)高度集成；系統(tǒng)的應(yīng)用是通過聲納系統(tǒng)綜合體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，每個來自任一操控臺的操控命令通過聲納數(shù)據(jù)和傳感器的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸（通過諸如跟蹤、分類和記錄的中央處理功能的支持）均能完成。2076綜合聲納系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 “特拉法爾加”級潛艇2076綜合聲納系統(tǒng)示意圖

2）美國BQQ－6型和BQQ－10型聲納系統(tǒng)

美國海狼級潛艇將BQQ－6型聲納系統(tǒng)和作戰(zhàn)指揮、武器控制分系統(tǒng)的信息進行了融合，將探測、識別、跟蹤、分析、傳遞、決策、執(zhí)行等任務(wù)融為一體；在其設(shè)計和建造過程采用模塊化技術(shù)，允許每一個專業(yè)工程師參與全程設(shè)計。海狼級潛艇艇艏部安裝的球型被動聲基陣、低頻被動聲基陣以及最下面的半截主動聲基陣，實現(xiàn)了多功能、不同頻率聲基陣在有限總體資源下的一體化設(shè)計。

根據(jù)美國海軍發(fā)布的公開信息，美國海軍認為“寬孔徑艏部聲納基陣”（即艏部共形陣）空間利用率高、使用壽命長、零部件價格低廉[2]，并且可以獲得類似甚至超過球形陣的空間增益，因此決定在弗吉尼亞級核潛艇的后續(xù)艇上采用共形陣代替BQQ－10型聲納系統(tǒng)球形陣，如圖2所示。

圖2 弗吉尼亞級核潛艇的后續(xù)艇上采用的共形陣

3）德國STN聲納系統(tǒng)

德國214潛艇ISUS90綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)配備的阿特拉斯公司STN聲納系統(tǒng)能全景偵察、分析、和分辨水面艦船、潛艇和魚雷，其多線路的數(shù)據(jù)融合技術(shù)更有效地利用了各種信息并減少了操作員工作量。ISUS 90作戰(zhàn)系統(tǒng)采用通用處理平臺上嵌入軟件功能模塊的方式實現(xiàn)了模塊化的開放式體系結(jié)構(gòu)；所有的顯控臺都可以通用，便于指揮員根據(jù)不同的作戰(zhàn)需要選擇顯示不同的信息。

3 艦船聲納系統(tǒng)一體化發(fā)展趨勢

國外艦船聲納系統(tǒng)經(jīng)歷了從單機單控到集中顯控、從信息獨立到數(shù)據(jù)融合、從獨立結(jié)構(gòu)到開放式體系、從區(qū)域功能單一到平臺一體化多功能等多種理念的轉(zhuǎn)變和技術(shù)變革，如圖3所示。

其發(fā)展趨勢可概括為以下兩個層次：

1）聲納設(shè)備一體化

建立模塊化和基于COTS技術(shù)構(gòu)建的開放式結(jié)構(gòu)體系，采用通用處理平臺，利用先進數(shù)據(jù)和信號處理技術(shù)，實現(xiàn)傳感器級數(shù)據(jù)融合，達到集中顯控、信息共享、配置靈活且可擴展等設(shè)計目的。

2）艦船聲納系統(tǒng)一體化（動態(tài)組合和切換）

面向不同任務(wù)需求，充分利用平臺有限空間達到區(qū)域功能集成，實現(xiàn)艦船平臺聲基陣的一陣多能、多陣共用，形成全方位、寬頻帶、多功能的態(tài)勢感知；采用全艇統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，提高信息傳輸效率；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)顯控臺，實現(xiàn)顯控設(shè)備的共用和備份，節(jié)省總體資源。

聲納設(shè)備一體化是基礎(chǔ)，艦船聲納系統(tǒng)一體化是資源整合和效能體現(xiàn)，兩個層次的一體化互為依存、互相促進。

圖3 艦船聲納系統(tǒng)一體化發(fā)展示意圖

4 艦船聲納系統(tǒng)一體化關(guān)鍵技術(shù)

艦船聲納系統(tǒng)一體化具有功能配置靈活、系統(tǒng)效能提升、總體資源節(jié)省等優(yōu)勢，但通過對國外艦船聲納系統(tǒng)一體化發(fā)展分析可知，其中存在以下多個需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1）多功能寬頻帶分布（或者一陣多能、多陣共用技術(shù)）

多功能寬頻帶分布技術(shù)，是指在艦船有限空間資源條件下，采用孔徑共享、區(qū)域基陣集成布置，達到聲基陣孔徑最大化、功能多樣化，實現(xiàn)全方位、寬頻帶范圍內(nèi)的目標(biāo)探測。

孔徑共享技術(shù)即共用孔徑技術(shù)，在雷達天線中應(yīng)用較廣，是一種相控陣天線技術(shù)，它利用寬帶多波束技術(shù)將多個天線的功能結(jié)合到一個孔徑中[3～4]，是把多種功能集成到一個硬件設(shè)備上的重要技術(shù)基礎(chǔ)。共用孔徑的方法主要有兩種。一種是一陣多用，即一個通用的孔徑實現(xiàn)多種功能；另一種是多陣共用，即多個子孔徑共同實現(xiàn)一項特定功能。目前單個孔徑共享技術(shù)難度還很大，如功能間的協(xié)調(diào)、隔離和控制等問題；多陣共用技術(shù)則需結(jié)合數(shù)據(jù)融合等其它技術(shù)來實現(xiàn)。

而區(qū)域基陣集成，則是較易達成的一項技術(shù)，即艦船所需區(qū)域不同功能基陣在空間上的合理分布，利用信號處理技術(shù)，在節(jié)省空間資源的條件下形成區(qū)域功能多樣。

艦船聲基陣多功能寬頻帶分布是當(dāng)前各國艦船為適應(yīng)各種海域包括復(fù)雜濱海作戰(zhàn)需求的新的發(fā)展模式，是對抗不同噪聲特性和不同環(huán)境聲場下敵對目標(biāo)的一體化設(shè)計技術(shù)，是真正實現(xiàn)艦船聲納一體化、節(jié)省平臺空間資源、提升態(tài)勢感知能力的核心技術(shù)。

2）基于COTS技術(shù)的開放式結(jié)構(gòu)體系

開放式結(jié)構(gòu)體系是由開放系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)所定義的一個結(jié)構(gòu)框架[5]。在遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范下，具有可移植性、可變規(guī)模性、可交互操作性，在論證、研制、采購、維修及更新時能降低成本。COTS[6]技術(shù)具有通用的、開放的標(biāo)準(zhǔn)和良好的技術(shù)支持[7]，能加速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并可較好地解決系統(tǒng)的擴展、修改、更新等。結(jié)構(gòu)體系如圖4所示。

圖4 基于COTS技術(shù)的開放式結(jié)構(gòu)體系

傳統(tǒng)艦船聲納系統(tǒng)是軍用專用技術(shù)系統(tǒng)，是根據(jù)特定需求構(gòu)建的，研制周期長、費用高，系統(tǒng)配置不靈活、難以升級和維護。采用COTS技術(shù)的開放式艦船聲納結(jié)構(gòu)體系，不僅能降低全壽命費用、縮短研制周期，還能提高系統(tǒng)的可靠性、維修性和擴展性，是顯控共用、處理平臺通用、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一等的基礎(chǔ)。

3）共形陣技術(shù)

共形陣，又稱保角陣[8]，沿著載體外形分布，是數(shù)字相控陣的一種，應(yīng)用數(shù)字多波束技術(shù)能同時在多個方向進行檢測，擴寬了掃描范圍，在有限空間內(nèi)可增加基元數(shù)量、降低工作頻率、提高作用距離，是艏部聲基陣一體化的發(fā)展方向和前提條件。

在艦船有限空間條件下，要降低工作頻率和擴大觀察范圍，當(dāng)前主流的圓柱陣和球形陣已很難達到要求；共形陣是沿艦船艏部線型布放，不但可提高基元布置數(shù)量以達到降低工作頻率的目的，還可節(jié)省出寶貴的內(nèi)部空間；同時，因共形陣基元貼殼安裝，受艇體結(jié)構(gòu)遮擋大大減少，擴大了觀察范圍。共形陣與艦船總體息息相關(guān)，因此共形技術(shù)不僅是艦船聲納一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，更是艦船集成優(yōu)化的突破性和創(chuàng)新性技術(shù)。

4）數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，又稱為多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)或多傳感器信息融合技術(shù)[9]，它可對多種類、多信息源和多平臺傳感器所獲取的信息進行檢測、相關(guān)、組合、分析和評估，以便形成準(zhǔn)確、完整的戰(zhàn)場態(tài)勢感知信息。艦船聲納系統(tǒng)一體化就是要將艇載各種水聲傳感器有機地結(jié)合起來，對探測到的信息進行相關(guān)，完成多陣多目標(biāo)信息融合，達到信息相容和互補，評估出全方位、全頻段的態(tài)勢感知，為作戰(zhàn)提供直觀、有效、全面的信息，從而提高對未來安靜型潛艇的探測、偵察和作戰(zhàn)能力。因此，數(shù)據(jù)融合技術(shù)是實現(xiàn)艦船聲納系統(tǒng)一體化的重要保障，是一體化中的“軟實力”。

5）模塊化技術(shù)

模塊化可分三個層次，第一層次是單個系統(tǒng)設(shè)備能在綜合到武器裝備平臺以前進行組裝和測試，這樣能縮短制造時間和降低成本，可稱為結(jié)構(gòu)模塊化；第二層次是單個系統(tǒng)設(shè)備在武器裝備平臺開放式結(jié)構(gòu)體系中的配置，這樣能簡化武器裝備的維修和技術(shù)引進，可稱為平臺模塊化；第三個層次則是根據(jù)武器裝備不同任務(wù)進行系統(tǒng)功能配置，可稱為功能模塊化。模塊化技術(shù)應(yīng)用，提高了建造的效率，增強了技術(shù)引進的選擇[10]，提高了成本和功能配置的靈活性，也即意味著設(shè)備系統(tǒng)的功能多樣性、武器裝備的用途多樣性，用戶可根據(jù)使命任務(wù)進行武器平臺功能重組來應(yīng)付新的威脅和挑戰(zhàn)。

基于模塊化技術(shù)的艦船聲納系統(tǒng)，配置靈活，適裝性強，可以消減各種功能的冗余配置，減少設(shè)備的數(shù)量重量，從而減少聲納設(shè)備在艦船有限空間安裝的矛盾，同時還便于改裝和擴充，方便維修，節(jié)省經(jīng)費，減少占位。模塊化是艦船聲納系統(tǒng)一體化的物理基礎(chǔ)，包括換能器、基陣、機械系統(tǒng)、電子機柜等硬件模塊和測距測向、數(shù)據(jù)處理以及圖形顯示等軟件模塊，它是重構(gòu)、共享、故障定位及外場可更換的最小單位。

5 幾點建議

艦船聲納系統(tǒng)作為艦船組成部分，應(yīng)融入到總體中去，同時總體應(yīng)盡可能為聲納設(shè)備提供優(yōu)良的工作環(huán)境；因此，除上述關(guān)鍵技術(shù)外，在艦船總體論證和設(shè)計中還涉及到聲基陣平臺區(qū)噪聲控制技術(shù)、透聲窗技術(shù)以及聲障板技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)同樣是實現(xiàn)艦船聲納系統(tǒng)一體化的核心。

因此，一體化設(shè)計應(yīng)從頂層設(shè)計出發(fā)，根據(jù)任務(wù)需求和總體要求，明確聲納系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；同時，聲納設(shè)備根據(jù)艦船要求開展相關(guān)研制并向總體提出相關(guān)建議，從而最終達成裝備性能最優(yōu)。

1）從艦船總體出發(fā)，開展艦船聲納系統(tǒng)需求論證和一體化頂層設(shè)計

（1）根據(jù)艦船任務(wù)需求，論證相匹配的艦船聲納系統(tǒng)功能和性能；

（2）根據(jù)平臺總體特性，開展分布式布陣研究設(shè)計，實現(xiàn)區(qū)域資源共享，即一陣多用和多陣共用，實現(xiàn)最小資源下的聲納功能、性能最大化；

（3）根據(jù)平臺總體線型，開展共形聲基陣布陣設(shè)計和仿真，實現(xiàn)有限空間下的性能提升；

（4）根據(jù)艦船聲納系統(tǒng)工作頻率范圍，開展透聲材料研制；

（5）對艦船聲納基陣平臺區(qū)聲學(xué)環(huán)境進行分析評估，平臺、系統(tǒng)、設(shè)備共同采取噪聲控制措施，提高裝艦（艇）聲納系統(tǒng)性能；

（6）開展艦船聲納系統(tǒng)行為級建模仿真，結(jié)合干擾源及耦合途徑的分析，實現(xiàn)傳導(dǎo)干擾的量化分析和設(shè)計，采取有針對性的總體控制措施，降低電磁不兼容隱患，以最小的代價使系統(tǒng)達到電磁兼容；

（7）根據(jù)艦船信息化要求，搭建統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)決策層信息共享、顯控共用、協(xié)調(diào)工作，統(tǒng)一管理、控制和指揮；

（8）開展艦船聲納系統(tǒng)信號處理模塊的集成優(yōu)化可行性分析論證；

（9）艦船數(shù)據(jù)融合，提供綜合戰(zhàn)場態(tài)勢信息；

（10）在艦船全壽命周期內(nèi)，開展艦船聲納系統(tǒng)可靠性等六性論證，提出總體要求。

2）從聲納設(shè)備出發(fā)，開展不同平臺的適應(yīng)性研制

（1）根據(jù)艦船電磁環(huán)境，從設(shè)備原理和電路、結(jié)構(gòu)上開展電磁兼容設(shè)計與控制，確保聲納設(shè)備及系統(tǒng)電磁兼容性；

（2）根據(jù)信息化需求，采用COTS技術(shù)，構(gòu)建開放式體系結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)周期和成本，提高可靠性；

（3）根據(jù)集成優(yōu)化要求，信號處理設(shè)備模塊化，實現(xiàn)統(tǒng)一硬件平臺，減少總體空間占用率，增強配置靈活性和提升聲納探測能力；

（4）多傳感器的數(shù)據(jù)融合，提升聲納系統(tǒng)綜合態(tài)勢感知能力。

6 結(jié)語

在武器裝備發(fā)展中，根據(jù)武器平臺作戰(zhàn)使命和任務(wù)來配備相應(yīng)的聲納系統(tǒng)是裝備配置的最基本原則；艦船聲納系統(tǒng)配置取決于作戰(zhàn)區(qū)域（藍水／公海水域與淺／窄水域）、任務(wù)剖面以及艦船類型，而一體化技術(shù)可以帶來合理使用平臺空間、高效利用設(shè)備資源、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、提高態(tài)勢信息可信度以及增強配置靈活性等多方面好處，一體化是未來科技發(fā)展的趨勢，也是艦船聲納系統(tǒng)適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需要。

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