閔瑞紅，肖杰雄

( 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

現(xiàn)代潛艇綜合聲吶系統(tǒng)是由多部聲吶和水聲測量設(shè)備組成的、具有綜合化功能的水聲探測系統(tǒng)，通常由被動測距基陣、艇首陣、偵察水聽器陣、探雷陣、通信陣、舷側(cè)線列陣、拖曳線列陣、本艇噪聲監(jiān)測水聽器、通用信號處理機、通用多功能顯控臺等組成。潛艇綜合聲吶系統(tǒng)內(nèi)各聲吶之間可進行數(shù)據(jù)傳遞，共享某些聲吶基陣或信號處理部件，共同完成任務。

潛艇綜合聲吶系統(tǒng)具有以下功能:

1)對目標進行搜索、跟蹤、測向、測距和識別;

2)對聲吶脈沖源實施偵察、定位和波形參數(shù)測定;

3)主動發(fā)射脈沖對目標進行定位;

4)完成潛艇之間以及潛艇與水面艦艇之間的通信、測距與敵我識別;

5)探測水雷;

6)監(jiān)測聲吶導流罩內(nèi)、螺旋槳附近和其他典型部位的本艇噪聲，并對其異常情況進行報警;

7)測量聲速隨深度的變化，提供現(xiàn)場海洋條件下聲能傳播的直觀圖像，為指揮員和聲吶操作員選擇最佳戰(zhàn)術(shù)機動和聲吶使用方式提供依據(jù);

8)綜合處理和顯示各種聲吶的信息，將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入指揮與控制系統(tǒng)。

潛艇的綜合聲吶系統(tǒng)可以在復雜的多目標環(huán)境下，或者突然出現(xiàn)危險的情況下，快速準確地獲得戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢以及敵方的有關(guān)數(shù)據(jù)，以最大限度地減小本艇風險，提高潛艇作戰(zhàn)任務的成功率。因此，先進的綜合聲吶系統(tǒng)應該具有以下特征:

1)系統(tǒng)功能盡可能由軟件控制，除少量的人工干預和決策外，系統(tǒng)應該具有計算機輔助決策功能。

2)將所有潛艇聲吶的功能進行綜合，實現(xiàn)信息的分布式處理與信息融合以及信息管理的自動化。

3)軟硬件采用模塊化設(shè)計，使系統(tǒng)易于進行現(xiàn)代化改進和升級。采用通用的多功能顯控臺和信號處理機，實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化。

4)系統(tǒng)采用高速冗余數(shù)據(jù)傳輸，滿足大容量的數(shù)據(jù)交換和高速、高可靠性傳輸?shù)囊?，對于重要的?shù)據(jù)實現(xiàn)分布式冗余存儲［1］。

1 國外潛艇綜合聲吶系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

從第二次世界大戰(zhàn)開始到現(xiàn)在，潛艇聲吶系統(tǒng)進入高速發(fā)展時期。導致潛艇聲吶系統(tǒng)高速發(fā)展的因素主要有2 點:第一，由于潛艇特別是核潛艇的性能、攻擊力和隱蔽性大大提高，致使各國海軍對聲吶探測潛艇的能力不斷提出新的要求，促進了聲吶的快速發(fā)展;第二，由于電子技術(shù)、水聲技術(shù)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，為聲吶的發(fā)展提供了技術(shù)保證。從第二次世界大戰(zhàn)開始，潛艇聲吶的發(fā)展經(jīng)歷了三代，現(xiàn)在正向第四代發(fā)展。

第一代潛艇聲吶發(fā)展時間從第二次世界大戰(zhàn)后期到20世紀50年代末。從20世紀60年代到70年代初期潛艇裝備的聲吶為第二代。第三代潛艇聲吶出現(xiàn)在20世紀70年代中期到80年代后期。第四代潛艇聲吶是從20世紀80年代末90年代初開始出現(xiàn)的，這一代聲吶具有更高的綜合控制、綜合管理、集中處理、集中顯示的特點［2］。

1.1 美國

美國的AN/BQQ-5 綜合聲吶系統(tǒng)是美國海軍第一部潛艇用數(shù)字化綜合聲吶系統(tǒng)，于20世紀60年代后期開發(fā)，在1972年和1973年期間經(jīng)過了全面的測試，1973年8月批準生產(chǎn)，并于1974年裝備在美國海軍“洛杉磯”級攻擊型核潛艇上。AN/BQQ-5 型聲吶系統(tǒng)的主要用途是為“魚叉”導彈、“沙布洛克”潛射反潛導彈和MK 48 魚雷的發(fā)射提供水下目標定位數(shù)據(jù)，承擔水下目標的探測、跟蹤、分類、識別、噪聲測向、被動測距、偵察和水下通信等使命。

AN/BQQ-5 綜合聲吶系統(tǒng)由AN/BQS-13 艇殼式主動/被動球形聲吶、AN/BQR-20 首部共形聲吶和AN/BQR-25 拖曳聲學水聽器陣列組成。AN/BQR-25 拖曳聲學水聽器陣列最初使用TB-16 粗線型拖曳陣，聚乙烯覆蓋著的拖曳線纜最大長度約800 m，直徑9.5 mm，基陣在線纜的末端，布置有水聽器和電子設(shè)備，基陣直徑8.25 mm?；囉墒紫蛭仓饾u變細，以便將流噪聲降到最低。AN/BQQ-5 型聲吶系統(tǒng)從1974年至今已經(jīng)發(fā)展了5 個型號，后續(xù)型號分別是AN/BQQ-5B、AN/BQQ-5C (V)、AN/BQQ-5D 和AN/BQQ-5E。AN/BQQ-5D 使用1 個TB-23 型細線拖曳基陣，于1988年裝艇運行。它是一種重量較輕的系統(tǒng)，安裝在耐壓艇體外部從首部通向尾部的壓力管中，帶有電纜絞車，能盤卷進入潛艇的首部主壓載水艙之內(nèi)。AN/BQQ-5E 低頻首部球形基陣采用了一種被動測距的新型細線拖曳基陣TB-29，于1993年左右投入海上運行。AN/BQQ-5E 可提供先進的低頻數(shù)據(jù)探測、跟蹤和分類。該系統(tǒng)能夠提供低頻主動抗干擾能力、雙重拖曳基陣處理和全光譜處理能力。AN/BQQ-5 采用了數(shù)字多波束控制 (digital multibeam steering，DIMUS)技術(shù)，僅1 名聲吶操作員即可同時觀察360°方位，通過改進的顯示裝置提供被動分類。

圖1 AN/BQQ-5 的艇首陣Fig.1 AN/BQQ-5 bow array

到目前為止，已經(jīng)交付了100 套AN/BQQ-5系列聲吶系統(tǒng)，其中91 套用于潛艇，4 套用于維護訓練器，5 套用于工程模型［2-3］。

目前所有“洛杉磯”級和“海狼”級攻擊型核潛艇都裝備AN/BQQ-5 系統(tǒng)。“洛杉磯”級核潛艇安裝的是AN/BQQ-5D 和AN/BQQ-5E 型。 “海狼”級核潛艇裝備了AN/BQQ-5D 型［2-4］。

美國AN/BQQ-5 綜合聲吶系統(tǒng)既可進行主動定位，又可進行被動定位。主動目標定位通過AN/BQS-13DNA 主動聲吶實現(xiàn)。除利用主動聲吶外，快速被動測距聲吶也能起到對目標進行測距和定位的作用。該聲吶系統(tǒng)在潛艇每舷側(cè)設(shè)首、中、尾3個基陣，以艇中基陣為參考點，結(jié)合首、尾基陣收到目標信號的時間差，便能計算出目標的距離和方位［2］。

AN/BQQ-5 系列聲吶經(jīng)過進一步升級，發(fā)展為聲學快速COTS 嵌入(acoustic rapid COTS insertion，ARCI)AN/BQQ-10 聲吶系統(tǒng)。

AN/BQQ-10 計劃分多個階段進行，目的是為潛艇提供性能更強、更加靈活的通用型聲吶系統(tǒng)。

計劃的第1 階段是為2 艘“洛杉磯”級核潛艇上的拖曳基陣聲吶提供增強的窄帶和空間游標處理器;第2 階段是對這2 艘核潛艇上的拖曳基陣處理器實現(xiàn)全面的重大升級;第3 階段將改進球形和艇殼基陣處理器;第4 階段將解決高頻聲吶處理能力。

目前，第1 和第2 階段的設(shè)備已經(jīng)安裝到2 艘“洛杉磯”級核潛艇上。第3 和第4 階段的工作將隨后展開［2-3］。

2008年9月，洛克希德·馬丁公司被授予一份價值890 萬美元的合同，為美國海軍潛艇生產(chǎn)低成本共形基陣(low cost conformal array，LCCA)并支持其在艇上的使用。LCCA 是一種安裝在潛艇指揮室圍殼后部的被動平面陣列，與ARCI AN/BQQ-10聲吶系統(tǒng)集成在一起。它可在高密度航運環(huán)境中為改進的戰(zhàn)術(shù)控制提供環(huán)境探測和避碰能力。LCCA能夠提高在擁擠的近海環(huán)境中的環(huán)境探測能力。該基陣與AN/BQQ-10 聲吶系統(tǒng)集成，安裝到改進的“洛杉磯”級核潛艇上［5］。

此外，由美國海軍和國防高級研究計劃局共同發(fā)起的Tango-Bravo 計劃，致力于5 個關(guān)鍵的潛艇技術(shù)領(lǐng)域。其中一個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域是研究適應艇殼的聲吶陣，使其能全艇布置。這樣的陣列可使聲吶進行全方位監(jiān)控?，F(xiàn)已實施一些共形基陣發(fā)展計劃，如先進共形潛艇水聲傳感器計劃和共形聲速傳感器計劃［6］。

1.2 俄羅斯

俄羅斯基本上繼承了蘇聯(lián)的潛艇聲吶技術(shù)，是世界上少數(shù)能自行研制拖曳陣聲吶的國家之一?，F(xiàn)在俄羅斯?jié)撏掀毡檠b備了艇殼式基陣聲吶和拖曳變深聲吶。MGK-540 綜合聲吶系統(tǒng)裝備在俄羅斯海軍現(xiàn)役的所有主戰(zhàn)潛艇上，其中包括“阿庫拉”Ⅰ、Ⅱ型，“塞拉”Ⅰ、Ⅱ型核潛艇等。該系統(tǒng)主要用于連續(xù)監(jiān)視潛艇所在水域的水面和水下狀況，以被動監(jiān)聽方式對目標進行探測、定向和跟蹤。其監(jiān)聽方式分為寬帶和窄帶，工作頻率為聲頻、低聲頻和次聲頻。以主動方式對目標進行探測，可測定目標距離和相對方位的變化。對主動聲吶發(fā)射的窄帶和寬帶信號進行分析，能測定其方位參數(shù)。該系統(tǒng)還可對所探測的目標進行自動分類識別，其綜合性能較為先進。MGK-540 綜合聲吶系統(tǒng)主要由艇殼基陣聲吶、低/中頻、主/被動搜索跟蹤聲吶和被動拖曳陣變深聲吶組成。其中低頻艇殼聲吶以被動方式進行搜索警戒，換能器基陣裝貼于艇首殼體上，基陣布置在首部魚雷管下方，對水面艦艇被動作用距離為60 km，對潛艇作用距離為20 km;拖曳陣聲吶用于遠程被動警戒，作用距離大于90 km［2］。

俄羅斯的671RTM V-Ⅲ級攻擊型核潛艇上加裝的綜合聲吶系統(tǒng)包括低頻被動搜索聲吶、主動高頻攻擊聲吶和被動低頻聲吶舷側(cè)基陣。該級核潛艇還裝備了被動甚低頻拖曳陣列聲吶，探測范圍超過100 km，在垂直尾翼上安裝了1 個紡錘形回收裝置，非常引人注目。

“阿庫拉”-Ⅱ型核潛艇使用新型綜合聲吶系統(tǒng)，包括用于搜索和攻擊的被動低頻聲吶球形基陣，舷側(cè)噪聲測距聲吶和被動甚低頻拖曳基陣聲吶以及其他線列陣［7］。

俄羅斯的Irtysh/Amfora 綜合聲吶系統(tǒng)由大型MGK-500 “鯊魚腮”低頻被動/主動搜索和攻擊球形首部基陣、Mouse Roar 超低頻舷側(cè)噪聲測距聲吶和Skat 3 拖曳基陣等組成。該系統(tǒng)裝備在新型“亞森”級攻擊型核潛艇和“北風之神”級彈道導彈核潛艇上［3，8-9］。

雖然俄羅斯在聲吶技術(shù)的整體發(fā)展水平上與美國相差不多，但其電子設(shè)備多采用中、小規(guī)模的集成電路，所以體積通常較為龐大，整個聲吶的元器件很多，可靠性差，可維護性能通常較差。

為解決上述問題，俄羅斯不惜花大力氣提高聲吶的使用性能，形成了以下特點:

1)重視聲吶設(shè)計工藝、制造工藝、材料等方面的研究，因此俄羅斯聲吶的水聲換能器、聲吶基陣和導流罩的綜合性能都相當好，其系統(tǒng)不突出某一性能而是重視整體搭配后的綜合性能;

2)重視潛艇自身的減振降噪，使聲吶的性能盡可能得到發(fā)揮;

3)十分重視對海洋環(huán)境條件和海洋波導聲傳輸特性等基礎(chǔ)科學方面的研究，經(jīng)過幾十年的積累，俄羅斯已經(jīng)建立起世界各大洋的水聲傳播參數(shù)和海底特征軟件，這些軟件已成為指導聲吶操作人員正確選擇使用參數(shù)，有效發(fā)揮聲吶性能不可缺少的一部分;創(chuàng)建了新的水下聲道傳播理論，為新的信號處理開辟了方向。

4)此外，俄羅斯還在聲吶系統(tǒng)配置上與英、美等國有著不同之處。其中最大的特點是俄羅斯?jié)撏Ш苌傺b備被動測距聲吶，這并不是因為俄羅斯沒有研究被動測距技術(shù)，而是用起來達不到實用要求，進而轉(zhuǎn)向其他途徑來解決潛艇隱蔽攻擊的問題。另外，俄羅斯的拖線陣聲吶只裝備核潛艇，而不裝備常規(guī)動力潛艇［2］。

1.3 英國

1983年，英國著手開發(fā)2054 型被動/主動偵察和拖曳基陣聲吶設(shè)備。2054 型聲吶是英國皇家海軍“前衛(wèi)”級彈道導彈核潛艇上的聲吶系統(tǒng)，由2043主動/被動聲吶、2046 拖曳聲吶、2082 偵察聲吶和183 水下電話聲吶基陣組成。

2054 聲吶系統(tǒng)采用數(shù)字式處理器，整個系統(tǒng)包含18 個機柜和7 個控制臺(2 個寬頻控制臺、2 個窄頻控制臺、1 個被動基陣控制臺、1 個偵察聲吶控制臺和1 個聲吶控制器控制臺，而主動基陣既可使用寬頻控制臺又可使用窄頻控制臺)。各機柜由1個1553 標準數(shù)據(jù)通路相互連接，該數(shù)據(jù)通路也提供向外的接口。

英國皇家海軍總共訂購了6 套2054 聲吶系統(tǒng)，其中4 套用于“前衛(wèi)”級彈道導彈核潛艇，2 套作為岸基系統(tǒng)，目前已經(jīng)全部交付使用［3，10］。

2076 聲吶是泰利斯公司為英國皇家海軍設(shè)計的一種潛艇聲吶探測系統(tǒng)，是世界上最先進的全綜合被動/主動搜索和攻擊聲吶系統(tǒng)［11-12］。

2076 聲吶的開發(fā)工作始于1990年。2002年在英國皇家海軍“托貝”號核潛艇上進行了2076 聲吶系統(tǒng)寬孔徑舷側(cè)噪聲測距聲吶部件的海試。 “托貝”號和“鋒利”號分別于2003年和2004年完成2076 聲吶改換裝工作?！皺C敏”級核潛艇從建造開始就把2076 聲吶裝備在艇上［3，13-14］。

2076 綜合聲吶設(shè)備采用了重要的商用成熟技術(shù)，被稱為第5 階段的一個提高計劃將用COTS 產(chǎn)品部分替代過去的結(jié)構(gòu)。這種“開放”結(jié)構(gòu)能夠迅速嵌入新的軟件功能。一旦所有的工作完成，2076第5 階段的系統(tǒng)將完全部署在整個英國皇家海軍的攻擊型核潛艇艦隊中［3，15-16］。

圖2 2076 聲吶在“特拉法爾加”級核潛艇上的布置示意圖Fig.2 The arrangement of 2076 sonar on Trafalgar

2076 聲吶系統(tǒng)由主動和被動聲吶系統(tǒng)綜合設(shè)備組成，包括首部、圍殼、舷側(cè)和拖曳基陣，其組成部分包括:2077 型Parian 避障聲吶、2081 型環(huán)境監(jiān)示器、2094 型海洋學聲吶、2079 型主動/被動首部聲吶、2078 型火控首部元件、2065 型拖曳基陣和舷側(cè)噪聲測距聲吶。其支持系統(tǒng)包括指控臺、升級了的無線電通信、升級了的信號降低和減少自噪聲的新型彈性聯(lián)接器［11］。

“天才”號核潛艇是2076 型聲吶第5 階段工作的首個測試平臺，2009年9月開始進行碼頭試驗，2010年第2 季度進行海試［13］。

2076 聲吶還被集成到“快速”級和“特拉法爾加”級核潛艇最后階段升級計劃之中。它為“特拉法爾加”級核潛艇提供了一種無可匹敵的能力，并使“機敏”級核潛艇在服役時成為英國皇家海軍技術(shù)最先進的潛艇［18-21］。

1.4 法國

TSM 2233 是眾所周知的“埃萊當”系列聲吶的最新一代產(chǎn)品，是模塊化的綜合聲吶系統(tǒng)，適合任何排水量的潛艇，滿足任何操作需求。

基于一個開放式系統(tǒng)的COTS 結(jié)構(gòu)，TSM 2233包括下列聲學傳感器:線性拖曳基陣、舷側(cè)噪聲測距聲吶、首部基陣(圓柱形或共形的)、偵察基陣、分布式基陣、主動基陣和避障基陣。

TSM 2233 聲吶系統(tǒng)的關(guān)鍵特性是:模塊化的信號處理器使其有可能適合于各種外形形式，從而適合新的潛艇設(shè)計和現(xiàn)代化改裝;由于探測、跟蹤和定位功能的高度自動化減少了操作人員的工作量;同時具有靈活性和易于適合潛艇尺寸和任務要求的特性。

圖6 TMS2233 型聲吶系統(tǒng)Fig.6 TMS2233 sonar system

該系統(tǒng)使用TMS 320，C30 和68040 微處理機在MiMD 型主機系統(tǒng)進行信號處理，與內(nèi)部交叉高速環(huán)形網(wǎng)絡和外部標準VME 型數(shù)據(jù)總線進行通信［3，22］。

法國的TSM 2233 型聲吶系統(tǒng)采用先進的算法，其首部、舷側(cè)和拖曳基陣具有如下優(yōu)點:旁瓣抑制;束寬減小;方位測量準確性大幅度提高;降低安靜目標附近的噪聲干擾效應以及排除潛艇自噪聲;提高并保持聲吶系統(tǒng)在高航速時的探測能力［18］。

圖7 艇內(nèi)潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)布局中的TMS2233型聲吶系統(tǒng)Fig.7 TMS2233 sonar system in submarine tactical integrated combat system

TSM 2233 聲吶系統(tǒng)提供以下功能:

1)被動探測;

2)自動反干擾;

3)被動自適應處理;

4)自動探測和跟蹤;

5)探測;

6)主動能力

7)目標分類;

8)敵方武器警報器;

9)目標運動分析。

TSM 2233 潛艇被動和主動聲吶系統(tǒng)安裝在巴基斯坦海軍“阿戈斯塔”90B 型潛艇上，也被選擇用來裝備馬來西亞海軍2 艘新型“鲉魚”級潛艇。在印度購買的“鲉魚”級常規(guī)潛艇上，選定安裝的也是TSM 2233 型聲吶系統(tǒng)。其衍生產(chǎn)品裝備在澳大利亞皇家海軍的“柯林斯”級和法國海軍“紅寶石”級核潛艇上［3，18，22］。

1.5 德國

CSU 90 是一種技術(shù)非常尖端且成本效力高的潛艇綜合聲吶系統(tǒng)，由阿特拉斯電子股份有限公司開發(fā)，可用于各種尺寸和各種任務能力的潛艇。它將傳感器的主要功能集成到一個以同一技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，無論什么情況下都恰當適用。CSU 90 聲吶技術(shù)也是ISUS 90 潛艇作戰(zhàn)管理系統(tǒng)一個重要的組成部分。

CSU 90 可配備頻帶大約從10 kHz ～100 kHz 的傳感器系統(tǒng)，在這個范圍內(nèi)能夠探測到輻射噪聲和重要的脈沖信號。不同的聲吶傳感器能夠在任何用戶定義的配置下進行組合。

CSU 90 包括圓柱形或共形基陣聲吶(cylindrical or conformal array sonar，CAS)、偵察測距 聲 吶 (intercept detection and ranging sonar，IDRS)、主動式寬頻操作聲吶 (broadband active operating sonar，BAOS)、被動測距聲吶 (passive ranging sonar，PRS)、側(cè) 翼 聲 吶 陣 (flank array sonar，F(xiàn)AS)、帶有絞盤系統(tǒng)的拖曳聲吶 (towed array sonar，TAS)、避 雷 聲 吶 (mine avoidance sonar，MAS)和支持潛艇地形導航的海底導航聲吶(bottom navigation sonar，BNS)等。

已經(jīng)過海上測試的CSU 90/ISUS 90 系統(tǒng)及其前身正在全球20 多個國家海軍不同級別的潛艇上使用，如土耳其和南非海軍的209 級潛艇以及希臘和韓國海軍的214 型潛艇。另外，瑞典“哥特蘭”級(A19 型) “哥特蘭”號、 “哈蘭德”號和“烏普蘭”號潛艇均裝備了阿特拉斯電子公司生產(chǎn)的CSU 90-2 綜合聲吶傳感器設(shè)備［3，23-24］。

最近CSU 90 項目開發(fā)的DBQS-40 系統(tǒng)包括有:被動中頻探測圓柱基陣;TAS-3 低頻拖曳陣聲吶;FAS-3 舷側(cè)噪聲測距低頻/中頻探測聲吶;被動測距聲吶和敵方聲吶偵察系統(tǒng)。其主動高頻探雷聲吶是阿特拉斯電子公司的MOA 3070 型［3，25］。

德國和意大利海軍的212A 級潛艇和印度海軍升級的209 級潛艇，以及德國的新型214 型潛艇均裝備了DBQS 綜合聲吶系統(tǒng)。除此以外，德國阿特拉斯電子公司為德國海軍提供了DBQS-40 聲吶系統(tǒng)，安裝在德國4 艘212A 型AIP 潛艇上。德國及其向以色列、印度出售的具有“二次打擊”能力的U212 型潛艇也采用了最新型的DBQS-40 綜合聲吶系統(tǒng)［26-28］。

德國的CSU 90 綜合聲吶系統(tǒng)的開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊化設(shè)計相結(jié)合，考慮到未來的增長潛力，并且在經(jīng)濟條件下合并新技術(shù)和系統(tǒng)更新方面產(chǎn)生高度的靈活性。對第三方應用程序的結(jié)合提供支持。此外，CSU 90 的模塊化設(shè)計能夠定制任何所需的設(shè)備配置以便適合客戶的特定需求［3］。

阿特拉斯電子公司的綜合傳感器水下系統(tǒng)能確保對操作人員和指揮團隊提供最佳支持，其中包括傳感器管理、火力和武器控制、導航和支持功能。公司還為水面艦艇研發(fā)了低頻主動拖曳陣列聲吶。它是充分綜合的反潛戰(zhàn)聲吶，可以滿足遠程搜索探測任務，并對最安靜的潛艇威脅進行探測和分類［19］。

通過對美、俄、英、法、德等國現(xiàn)役最先進的聲吶系統(tǒng)對比，可以看出，各國的綜合聲吶系統(tǒng)各有特點，但是究竟哪一個國家的聲吶性能更勝一籌，這需要在以后的實踐中去進行檢驗。

2 潛艇聲吶技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢

現(xiàn)代潛艇的艇首聲吶系統(tǒng)一般以圓柱狀聲吶基陣和球形聲吶基陣為主，但艇首空間畢竟有限，首基陣尺寸難以有大幅擴大。美、俄等國的潛艇已使基陣的孔徑幾乎接近艇殼直徑，基陣增益達到最大。目前，全艇共形陣就成為潛艇艇首聲吶提升性能、降低成本的突破口，是潛艇聲吶陣未來的發(fā)展方向。

但是，全艇共形陣技術(shù)遠未成熟，短期內(nèi)很難實現(xiàn)。美國海軍在發(fā)展“弗吉尼亞”級潛艇聲吶時更多采用“螺旋式”的發(fā)展，由于潛艇舷側(cè)較艇首形狀更規(guī)則，聲吶陣的部署相對容易。因此，首先實現(xiàn)了舷側(cè)共形陣，目前舷側(cè)共形陣技術(shù)發(fā)展得越來越完善和成熟，普遍裝備于各種潛艇，是目前最成熟的潛艇共形陣［29］。

此外，鑒于潛艇平臺的空間有限，制約了聲吶性能的提高，同時，潛艇平臺的自噪聲也是聲吶工作的重要干擾源。而拖曳聲吶能夠部分地突破上述局限，擴大聲吶陣列的孔徑，提高聲吶的探測距離。因此，拖曳聲吶也是聲吶系統(tǒng)未來發(fā)展的一個重要方向［30］。

隨著安靜型潛艇的出現(xiàn)，對聲吶探測性能的要求越來越高，要求能夠保證遠距離探測和識別水下目標，聲吶技術(shù)的發(fā)展趨勢包括以下幾個方面:

1)向低頻、大功率、大基陣方向發(fā)展;

2)向系統(tǒng)性、綜合性發(fā)展;

3)向系列化、模塊化、標準化、高可靠性和可維修性發(fā)展;

4)向信息化、智能化方向發(fā)展［31］;

5)新型材料的應用與加工工藝的應用［30］;

6)共形水聽器減隔振降噪技術(shù)的應用［29］。

3 國外潛艇聲吶技術(shù)發(fā)展對我國的啟示

1)重視試驗在聲吶發(fā)展過程中發(fā)揮的巨大作用。

海上試驗是聲吶基本原理研究和裝備性能測試驗證最直接和最真實的試驗方式，水聲新理論和新方法的提出，都離不開海上試驗中現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的積累及驗證，包括大型球形陣聲吶在內(nèi)的所有聲吶系統(tǒng)的發(fā)展，都是一個不斷試驗完善的過程。從當前發(fā)展趨勢來看，隨著新型聲吶技術(shù)和裝備的發(fā)展，聲吶裝備的研制和使用、聲吶技術(shù)的進步將更加離不開海洋環(huán)境和海洋聲信道的知識，海上試驗將發(fā)揮更大的作用。

2)從總體上考慮聲吶系統(tǒng)的設(shè)計。

大型球形陣聲吶陣自誕生起，就對艇首設(shè)計產(chǎn)生了重要影響。美國在潛艇設(shè)計的開始，肯定了聲吶的地位，從總體上就考慮了大型球形陣聲吶帶來的影響。從球形陣誕生對艇首魚雷發(fā)射管的影響到第三批“弗吉尼亞”級核潛艇艇首聲吶的變化，都導致了整個艇首設(shè)計產(chǎn)生重大變化。作為水下活動的主要探測工具，聲吶在艇內(nèi)享有占用最佳位置的優(yōu)先權(quán)，而且對工作環(huán)境噪聲，甚至艇體形狀都有要求，但同時也要考慮水動力等其他方面的影響。所以，聲吶系統(tǒng)必須上升到總體高度進行統(tǒng)籌設(shè)計。

3)注重先進數(shù)字技術(shù)和信息融合技術(shù)的應用，推動聲吶系統(tǒng)向一體化發(fā)展。

目前，聲吶系統(tǒng)較最初的聲吶已發(fā)生了很大變化，但其基本物理性能改變很小，聲吶性能的提高主要依靠更可靠的電子設(shè)備與更強大的信號處理能力，并進一步向綜合化、自動化和一體化方向發(fā)展，新型的大孔徑聲吶及最新信號處理算法更是對信息處理能力和信息融合提出了更高的要求［6］。

聲吶的主要作用是搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤以及對目標進行識別。目前在目標運動分析研究時，多通過聲吶測得的目標方位從而對純方位進行求解，最小二乘估計以及卡爾曼濾波等是最常采用的方法。但是通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，單純的利用純方位算法對目標運動要素加以求解，收斂時間往往較長，并且不能被實際運用。實際上，通過艦艇被動聲吶所獲取得到的大量目標噪聲信息中，包含有如距離以及速度等目標運動的特征信息。如果對噪聲的頻譜分析以及特征提取等方法加以利用，便可以將目標的概略距離以及速度提取出來，然后將其進行信息融合，這樣便可以減少解算時間，提高計算精度［32］。

4)加強全艇共形陣聲吶和拖曳陣聲吶的研發(fā)。

從艇首球形陣的發(fā)展來看，球形陣的性能已經(jīng)難以滿足未來海軍的作戰(zhàn)要求，艇首共形陣乃至全艇共形陣才是未來潛艇聲吶的發(fā)展方向。需要注意的是，在開發(fā)全艇共形陣聲吶構(gòu)型時要考慮計算系統(tǒng)和新型陣元材料的發(fā)展水平［6］。

拖曳陣聲吶具有基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測，能遠距離隱蔽地發(fā)現(xiàn)目標;基陣入水較深，通過控制拖纜長度可調(diào)節(jié)基陣入水深度，以工作于有利水層;基陣遠離平臺，受平臺噪聲干擾小，作用距離遠;基陣可隨時收回，維修方便等優(yōu)點。拖曳聲吶能夠在更遠的距離上盡早發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，能夠在一定程度上緩減由于潛艇噪聲越來越低以及潛射魚雷、導彈航速不斷加快、航程越來越遠所帶來的威脅［30］。

4 結(jié) 語

隨著安靜型潛艇的出現(xiàn)以及核潛艇發(fā)射遠程彈道導彈的能力增強，短距離主動聲吶和傳統(tǒng)被動聲吶已不能滿足探測潛艇的要求，各國海軍轉(zhuǎn)而發(fā)展更先進的被動聲吶以保證遠距離探測與識別水下目標。低頻和大孔徑成為遠距離探測聲吶的發(fā)展方向。在未來海上戰(zhàn)場信息戰(zhàn)中，聲吶及綜合聲吶系統(tǒng)將扮演越來越重要的角色。

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