王魯軍

?

國(guó)外低頻主動(dòng)拖曳聲吶發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

王魯軍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司電子信息部, 北京, 100097)

低頻主動(dòng)拖曳聲吶可以在惡劣的聲傳播條件下對(duì)潛艇進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè), 逐漸成為各國(guó)反潛探測(cè)的主要裝備。文章首先回顧了低頻主動(dòng)拖曳聲吶的研制背景, 概述了其特點(diǎn), 重點(diǎn)介紹了美國(guó)水面艦艇拖曳聲吶的發(fā)展歷程; 然后分別從法國(guó)、德國(guó)、俄國(guó)、美國(guó)研制的幾款主要低頻主動(dòng)拖曳聲吶入手, 分析了其主要性能; 提出了低頻主動(dòng)聲吶發(fā)展中所面臨的虛警率、暴露性及生態(tài)影響等挑戰(zhàn), 指出: 低頻主動(dòng)拖曳聲吶將向裝備發(fā)展系列化、作戰(zhàn)使用多基地化和系統(tǒng)功能一體化等方向發(fā)展。

低頻主動(dòng)拖曳聲吶; 水面艦艇; 反潛探測(cè)

0 引言

拖曳聲吶是上世紀(jì)80年代水聲裝備領(lǐng)域中最重要的成就之一[1], 這種聲吶突破了船體對(duì)聲吶基陣尺寸的限制, 可大幅度降低工作頻率, 并能利用目標(biāo)艦艇的低頻線譜獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。此外, 拖曳陣遠(yuǎn)離拖曳平臺(tái), 背景干擾小, 且可選擇在最有利的深度上工作, 能更好地利用海洋傳播條件, 充分發(fā)揮聲吶的性能。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展, 拖曳陣聲吶已從早期的變深聲吶(variable depth sonar, VDS)逐步發(fā)展成為被動(dòng)拖線陣聲吶和主動(dòng)拖曳聲吶, 工作頻段也越來(lái)越低。

由于兼?zhèn)淞薞DS和拖曳聲吶的優(yōu)點(diǎn), 在過(guò)去的十幾年里, 低頻主動(dòng)拖曳聲吶逐漸成為反潛探測(cè)的重要手段。越來(lái)越多國(guó)家的海軍將其作為水面艦艇反潛探測(cè)的主戰(zhàn)裝備, 目前已有俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)、加拿大、印度、法國(guó)等超過(guò)20個(gè)國(guó)家的水面艦艇上裝備了不同類(lèi)型的低頻主動(dòng)拖曳聲吶。美國(guó)也計(jì)劃在其瀕海戰(zhàn)斗艦和“伯克”級(jí)DDG 51 Flight III型驅(qū)逐艦上裝備CAPTAS-4聲吶, 與TB-37拖曳陣一起組成功能強(qiáng)大的低頻主動(dòng)拖曳聲吶系統(tǒng)。

1 低頻主動(dòng)拖曳聲吶發(fā)展背景

冷戰(zhàn)的結(jié)束對(duì)全球反潛作戰(zhàn)產(chǎn)生了重要影響。各國(guó)海軍為謀求自身利益, 積極發(fā)展、裝備柴電潛艇。隨著潛艇推進(jìn)技術(shù)和隱身降噪技術(shù)的不斷發(fā)展, 潛艇的輻射噪聲不斷降低。在過(guò)去的50年里, 潛艇的輻射噪聲級(jí)降低了近45 dB。安靜型常規(guī)潛艇的出現(xiàn)更是對(duì)聲吶的探測(cè)能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

隨著反潛由遠(yuǎn)洋轉(zhuǎn)向近岸, 水下戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境也由深海大洋轉(zhuǎn)向了近岸淺海區(qū)域。淺海具有非常復(fù)雜的水聲環(huán)境, 不利于聲波的傳播。加之近岸的環(huán)境噪聲更大, 環(huán)境條件對(duì)聲吶的檢測(cè)性能影響嚴(yán)重, 許多水聲裝備的原有性能都難以充分發(fā)揮。

潛艇輻射噪聲的不斷降低不僅使得水面艦艇對(duì)潛艇的被動(dòng)探測(cè)能力大幅下降, 中高頻主動(dòng)聲吶的探測(cè)性能也逐步降低, 原有聲吶裝備實(shí)戰(zhàn)能力下降與反潛需求快速增長(zhǎng)的矛盾日益突出, 各國(guó)海軍迫切需要找到一種新的反潛裝備, 低頻主動(dòng)拖曳聲吶應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 低頻主動(dòng)拖曳聲吶的特點(diǎn)

從裝備形態(tài)來(lái)看, 低頻主動(dòng)拖曳聲吶一般使用1個(gè)可變深的主動(dòng)聲源發(fā)射低頻大功率聲信號(hào), 再利用大孔徑接收基陣(一般為拖曳陣)來(lái)接收目標(biāo)回波信號(hào), 從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)遠(yuǎn)程探測(cè)。從裝備組成來(lái)看, 除了艙內(nèi)信號(hào)處理設(shè)備外, 一般包括發(fā)射陣和接收陣, 可以采用1個(gè)絞車(chē)一體式拖曳, 也可以采用2個(gè)絞車(chē)分別拖曳使用。此外, 有的主動(dòng)拖曳聲吶僅有被動(dòng)接收陣, 由本平臺(tái)或其他平臺(tái)主動(dòng)聲吶發(fā)射主動(dòng)信號(hào), 構(gòu)成多基地探測(cè)的方式。低頻主動(dòng)拖曳聲吶具有以下顯著特點(diǎn)。

1) 頻率低

低頻一般指系統(tǒng)發(fā)射頻率不高于2 kHz[2]。一方面, 低頻聲波在水中的傳播衰減小, 可以傳播更遠(yuǎn)的距離; 另一方面可以充分利用目前潛艇敷設(shè)的消聲瓦在該頻段吸聲效果不好的特點(diǎn), 通過(guò)低頻聲源發(fā)出的大功率信號(hào)照射潛艇目標(biāo)。

2) 功率大

對(duì)于主動(dòng)聲吶來(lái)說(shuō), 低頻、大功率是解決遠(yuǎn)程反潛的有效途徑。增加輻射聲源級(jí)最有效的方法是增加換能器單位面積的輻射功率。但是在水中由于受到空化效應(yīng)的限制, 不能無(wú)限制的增加輻射功率。將聲源放到較大深度, 可以有效地防止聲波在水中過(guò)早產(chǎn)生空化效應(yīng)。

3) 可變深

拖曳聲吶基陣遠(yuǎn)離拖曳平臺(tái), 不僅背景干擾小, 還可選擇有利的工作深度。把聲吶基陣放置在溫躍層以下, 可以顯著提高惡劣水文條件下對(duì)水下潛艇的探測(cè)距離。在深海還可利用聲道達(dá)成遠(yuǎn)距離傳播。

1.2 美國(guó)水面艦艇拖曳聲吶的發(fā)展

美國(guó)是世界上最早研制和使用拖曳聲吶的國(guó)家, 其裝備發(fā)展類(lèi)型和型號(hào)較為齊全[1], 如圖1所示。二戰(zhàn)后, 美國(guó)海軍的反潛作戰(zhàn)遇到2個(gè)問(wèn)題。首先, 小型反潛平臺(tái)聲吶換能器會(huì)工作在有很多氣泡的水層, 有時(shí)甚至暴露在空氣中, 嚴(yán)重影響了聲吶的性能; 其次, 潛艇為了規(guī)避水面艦艇聲吶的搜索往往躲避在溫躍層以下, 艦殼聲吶很難探測(cè)到位于這一深度的潛艇。為了解決這2個(gè)問(wèn)題, 美海軍考慮將聲吶設(shè)計(jì)成VDS的形式, 根據(jù)需要可以使換能器處于不同的工作深度。

1950年, 美國(guó)海軍在“馬洛伊”號(hào)驅(qū)逐艦的艉部安裝了拖體收放裝置, 專(zhuān)門(mén)用來(lái)研究VDS的性能。此后, 先后研制了AN/SQA-10、AN/SQS- 35、AN/SQA-13等多型VDS, 并大量裝備大中型水面艦艇, 圖2為“薩姆納”號(hào)(Sumner, DD-692)驅(qū)逐艦上安裝的SQA-10 VDS拖體。上世紀(jì)60年代中后期, VDS的研制和發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)停滯期。美國(guó)海軍希望找到一種既具備VDS的優(yōu)點(diǎn), 使用又較為方便的聲吶來(lái)代替VDS。受美國(guó)西方石油公司使用的一種通過(guò)接收地震回波來(lái)尋找海底石油的拖曳線列陣的啟發(fā), 1968年, 高特公司研制了一部臨時(shí)拖曳陣列監(jiān)視系統(tǒng)(towed array surveillance system, TASS), 即AN/SQR-14聲吶。試驗(yàn)表明, 該聲吶對(duì)探測(cè)蘇聯(lián)的潛艇很有效。此后, 美國(guó)海軍研制了AN/SQR-18和AN/SQR-19拖曳陣聲吶, 并開(kāi)始大量裝備水面艦艇。

隨著潛艇輻射噪聲不斷降低, SQR-19聲吶的對(duì)潛探測(cè)距離已不足設(shè)計(jì)之初的1/4, 無(wú)法滿足美國(guó)海軍反潛探測(cè)的使用需求, 更無(wú)法為反潛武器提供遠(yuǎn)程信息引導(dǎo)。2008年, 洛克希德·馬丁公司開(kāi)始為美國(guó)海軍研制新的多功能拖曳陣(multi-function towed array, MFTA)聲吶AN/SQR- 20, 其拖曳陣代號(hào)為T(mén)B-37。SQR-20聲吶有主動(dòng)和被動(dòng)2種工作方式, 可用于水面艦艇對(duì)敵方潛艇的搜索、跟蹤和識(shí)別, 目前已經(jīng)成為美國(guó)SQQ-89A(V)15和SQQ-90反潛作戰(zhàn)系統(tǒng)中的主要探測(cè)傳感器。TB-37被動(dòng)聲吶拖曳陣除了采用被動(dòng)方式探測(cè)潛艇以外, 還可用于其他主動(dòng)聲吶的接收陣。2014年9月, 在“自由號(hào)”瀕海戰(zhàn)斗艦上對(duì)CAPTAS-4與TB-37的集成進(jìn)行了性能檢驗(yàn), 并進(jìn)行了深海條件下對(duì)美國(guó)核潛艇的主被動(dòng)探測(cè)性能測(cè)試。

此外, 為了彌補(bǔ)固定警戒系統(tǒng)的不足, 從上世紀(jì)70年代開(kāi)始, 美國(guó)海軍開(kāi)始發(fā)展一種機(jī)動(dòng)的監(jiān)視拖曳陣傳感器系統(tǒng)(surveillance towed array sensor system, SURTASS), 1984年, 該系統(tǒng)開(kāi)始列入美國(guó)艦艇裝備, 并命名為AN/UQQ-2。此后, 為了增加接收增益, 又采用了雙線接收陣Twin Line的形式。為了應(yīng)對(duì)新的反潛作戰(zhàn)形勢(shì), 美國(guó)海軍在SURTASS的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步增加了低頻主動(dòng)發(fā)射聲源, 研制了SURTASS LFA聲吶, 其主動(dòng)發(fā)射頻率在150 Hz左右, 主動(dòng)發(fā)射源級(jí)可達(dá)235 dB, 可實(shí)現(xiàn)大范圍機(jī)動(dòng)水下預(yù)警探測(cè)。

2 國(guó)外主要低頻主動(dòng)拖曳聲吶

2.1 CAPTAS綜合主被動(dòng)拖曳聲吶

目前, 在各國(guó)研制的低頻主動(dòng)拖曳聲吶中, 法國(guó)泰勒斯(Thales)公司生產(chǎn)的綜合主被動(dòng)拖曳聲吶(combined active and passive towed array sonar, CAPTAS)裝備的國(guó)家最廣, 艦艇數(shù)量最多。

為了提升水面艦反潛能力, 對(duì)抗性能不斷提升的安靜型潛艇, 泰勒斯公司從上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)發(fā)了CAPTAS系列聲吶, 并推向市場(chǎng)。泰勒斯公司的系列產(chǎn)品包括CAPTAS-4、CAPTAS-2和CAPTAS-1[2-3], 如圖3所示。CAPTAS-4主動(dòng)發(fā)射基陣具有4個(gè)溢流環(huán)換能器,體積較大, 主要用于3500 t以上反潛艦艇的水下警戒; CAPTAS-2采用雙溢流環(huán)換能器陣, 安裝在噸位1800 t以下船只上, 其拖體如圖4所示; CAPTAS-1采用了小型化設(shè)計(jì), 其發(fā)射陣與接收陣采用共纜的方式, 便于快速收放和安全拖曳, 適合小型水面艦艇的安裝。

CAPTAS的主動(dòng)聲源具有較高的源級(jí), 中心工作頻率約1.5 kHz, 通過(guò)雙耦合共振模式可實(shí)現(xiàn)1.5倍頻程的寬頻帶。接收陣采用三元陣進(jìn)行探測(cè), 具有左右舷分辨能力, 基陣陣元數(shù)可達(dá)128元, 基陣直徑為85 mm, 接收頻段為0.9~2.1 kHz。其收放系統(tǒng)和纜長(zhǎng)根據(jù)深海和淺海使用環(huán)境的不同進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì), 接收拖曳陣可在200 m以內(nèi)使用。為了保證拖曳時(shí)的穩(wěn)定, 拖體采用了減阻優(yōu)化設(shè)計(jì)。

近年來(lái), 泰勒斯公司不斷完善CAPTAS系列聲吶的信號(hào)處理技術(shù), 通過(guò)采用子頻帶處理、連續(xù)主動(dòng)聲吶技術(shù)等方法, 降低了高雜波環(huán)境下的虛警率, 提高了聲吶在匯聚區(qū)內(nèi)的探測(cè)、分類(lèi)和定位性能。

目前, CAPTAS-4已裝備于法國(guó)、意大利、摩洛哥和埃及的護(hù)衛(wèi)艦, 智利也為其3艘23型護(hù)衛(wèi)艦采購(gòu)了CAPTAS-4, 基于CAPTAS-4的特定型號(hào)2087聲吶也已裝備于英國(guó)皇家海軍23型護(hù)衛(wèi)艦, 如圖5所示。除此之外, CAPTAS-4的單拖體也已提供給美國(guó)海軍, 用作瀕海戰(zhàn)斗艦反潛任務(wù)包的高級(jí)開(kāi)發(fā)組件(advanced development module, ADM)。CAPTAS-2聲吶已裝備于挪威皇家海軍5艘Nansen級(jí)護(hù)衛(wèi)艦和沙特阿拉伯皇家海軍3艘AL Riyadh級(jí)護(hù)衛(wèi)艦。據(jù)報(bào)道, CAPTAS-1聲吶也已出口阿聯(lián)酋。

2.2 LFTAS主動(dòng)拖曳陣聲吶

德國(guó)阿特拉斯(Atlas)公司從20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制低頻拖曳陣聲吶(low frequency towed active sonar, LFTAS)系統(tǒng), 通過(guò)與科學(xué)機(jī)構(gòu)合作, 開(kāi)展了大量的研究和和海上驗(yàn)證試驗(yàn)。2001年, 德國(guó)防衛(wèi)技術(shù)兼采購(gòu)聯(lián)邦局授予阿特拉斯公司LFTAS樣機(jī)的建造合同, 樣機(jī)在多用途船上完成初始試驗(yàn)后, 安裝到了“巴伐利亞”(Bayern)級(jí)F123護(hù)衛(wèi)艦上。2013年在美國(guó)東部沿海開(kāi)展的試驗(yàn)中, 該系統(tǒng)的探潛能力進(jìn)一步得到驗(yàn)證, 其探潛距離大于50 km[2, 4]。

主動(dòng)拖曳陣聲吶(active towed array sonar, ACTAS)是LFTAS的出口型產(chǎn)品, 其探測(cè)距離取決于傳播條件, 最大可超出100 km。拖體采用水動(dòng)力流線型設(shè)計(jì), 發(fā)射陣工作頻率1.4~2.4 kHz, 能夠發(fā)射不同脈沖波形的大功率聲信號(hào)。拖體內(nèi)的多個(gè)發(fā)射環(huán)可形成覆蓋360°方位的垂直束控波束, 能有效降低海面和海底的反射影響, 圖6為ACTAS拖體。被動(dòng)接收陣采用三元陣設(shè)計(jì), 接收頻段為50 Hz~15 kHz, 布放深度可達(dá)280 m。陣內(nèi)配置有測(cè)量水深和溫度的非聲傳感器。通過(guò)改進(jìn)信號(hào)處理, ACTAS系統(tǒng)可對(duì)魚(yú)雷實(shí)施自動(dòng)探測(cè)。德國(guó)海軍在試驗(yàn)期間, 就利用該系統(tǒng)成功探測(cè)、跟蹤到了尾流自導(dǎo)魚(yú)雷。

為了適應(yīng)不同平臺(tái)的安裝使用需求, 阿特拉斯公司將ACTAS設(shè)計(jì)成移動(dòng)任務(wù)模塊。針對(duì)小型船只, 設(shè)計(jì)了輕便型的ACTAS-C, 整個(gè)系統(tǒng)(包括收放設(shè)備)可放置在2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi), 如圖7所示。此外, 針對(duì)小于300 t的船只, 還開(kāi)發(fā)了更加緊湊的ACTAS-SC, 其基陣采用夾持的方式從岸上展開(kāi)。

2013年12月, 韓國(guó)大宇造船與海洋工程公司(DSME)為泰國(guó)海軍新型護(hù)衛(wèi)艦定購(gòu)了ACTAS系統(tǒng)。2014年末, 印度國(guó)防部為印度海軍簽訂了6臺(tái)套的ACTAS系統(tǒng), 總價(jià)款4330萬(wàn)美元。這些ACTAS系統(tǒng)將安裝在3艘“塔爾瓦”(Talwar)級(jí)護(hù)衛(wèi)艦和3艘“德里”(Delhi)級(jí)驅(qū)逐艦上。

2.3 “維尼耶特卡ЭМ”拖曳陣聲吶

“維尼耶特卡ЭМ”系列拖曳陣聲吶由俄羅斯海洋物理儀器中央研究所、水聲儀器研究所和船舶機(jī)械制造中央研究所共同研制。該系列聲吶包括多個(gè)型號(hào), “維尼耶特卡ЭМ”為帶長(zhǎng)柔性拖曳線列陣的大型艦用主動(dòng)拖曳聲吶, “維尼耶特卡ЭМ-M”為帶短柔性拖曳線列陣的小型艦用主動(dòng)拖曳聲吶, “維尼耶特卡ЭМ-02”為帶長(zhǎng)柔性拖曳線列陣的被動(dòng)拖線陣聲吶。其中, “維尼耶特卡ЭМ-M”型聲吶主動(dòng)工作中心頻率為1 600 Hz, 發(fā)射源級(jí)207 dB, 被動(dòng)接收頻段為50~2000 Hz, 已裝備于俄羅斯20380型護(hù)衛(wèi)艦。

“維尼耶特卡ЭМ”系列聲吶的舷外拖曳部分由拖曳線列陣、輕型拖纜和鎧裝重纜構(gòu)成, 圖8為該聲吶的拖體。拖曳線列陣內(nèi)裝有測(cè)量基陣指向的多功能傳感器, 能提高定向、測(cè)距的精度, 此外還安裝了海水深度、溫度自動(dòng)記錄儀。該系列聲吶采用了俄羅斯國(guó)產(chǎn)的高效率數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù), 并具備嵌入式故障診斷系統(tǒng)?！熬S尼耶特卡ЭМ”系列聲吶的對(duì)潛探測(cè)距離可達(dá)15~20 km, 并可對(duì)魚(yú)雷實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

2.4 ALOFTS主動(dòng)低頻拖曳聲吶

美國(guó)哈里斯(Harris)公司利用原EDO公司在VDS系統(tǒng)方面的長(zhǎng)期設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn), 在國(guó)際上推出了Model 980主動(dòng)低頻拖曳聲吶(active low frequency towed sonar, ALOFTS)系統(tǒng)[2]。

Model 980 ALOFTS系統(tǒng)有2個(gè)電子機(jī)柜和一臺(tái)雙屏多功能顯控臺(tái), 采用了開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的COTS硬件和軟件。ALOFTS拖體內(nèi)有18個(gè)彎張換能器, 可發(fā)射調(diào)頻(frequency modulation, FM)、連續(xù)波(continuous wave, CW)和FM/CW組合波形信號(hào), 發(fā)射頻率小于2 kHz, 聲源級(jí)達(dá)到219 dB。

新加坡海軍于2000年選中ALOFTS系統(tǒng)安裝在其6艘“可畏”級(jí)(Formidable)多任務(wù)護(hù)衛(wèi)艦上, 如圖9所示。以色列于2005年為升級(jí)3艘“薩爾-5”(Saar 5)巡洋艦也購(gòu)買(mǎi)了ALOFTS系統(tǒng)。

2.5 LFATS VDS-100低頻主動(dòng)拖曳聲吶

德國(guó)L-3海洋系統(tǒng)公司研制的輕型低頻主動(dòng)拖曳聲吶(low frequency active towed sonar, LFATS) VDS-100系統(tǒng)由直升機(jī)遠(yuǎn)程主動(dòng)吊放聲吶(heli- copter long range active sonar, HELRAS) DS-100技術(shù)改進(jìn)而來(lái)。該系統(tǒng)包括集成有獨(dú)立發(fā)射接收陣的拖體、包含小型絞車(chē)的收放系統(tǒng), 以及艙內(nèi)處理和顯示電子設(shè)備。VDS-100系統(tǒng)能在15~300 m的水深工作, 拖體內(nèi)有16個(gè)小型發(fā)射陣元, 發(fā)射頻率1.38 kHz, 發(fā)射源級(jí)219~222 dB[5]。其接收陣采用雙線陣的形式, 可有效解決左右舷模糊的問(wèn)題。信號(hào)處理采用了多維目標(biāo)聚類(lèi)和平均、淺海高背景噪聲環(huán)境下目標(biāo)辨別、本艦噪聲消除等方法, 探測(cè)距離可達(dá)30 n mile。該系統(tǒng)還可與HELRAS DS-100配合使用, 進(jìn)行多基地探測(cè)。圖10為L(zhǎng)-3海洋系統(tǒng)公司研制的VDS-100系統(tǒng)組成。

LFATS VDS-100系統(tǒng)安裝尺寸較小, 非常適合各種艦船使用, 可安裝于各種水面艦艇, 甚至小巡邏艇上。2010年, 該系統(tǒng)出售給埃及海軍。

3 低頻主動(dòng)拖曳聲吶的發(fā)展方向

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

近年來(lái), 低頻主動(dòng)拖曳聲吶得到了快速發(fā)展, 發(fā)射機(jī)硬件、拖體本身的尺寸和質(zhì)量不斷減小, 水聲目標(biāo)的波束形成技術(shù)、左右舷方位分辨技術(shù)等取得了顯著的提升。但是, 反潛是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 未來(lái)低頻主動(dòng)拖曳聲吶的發(fā)展還將面臨諸多挑戰(zhàn)。

1) 虛警率問(wèn)題

瀕海水域的環(huán)境噪聲和混響級(jí)非常高, 對(duì)水聲探測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響, 造成主動(dòng)聲吶探測(cè)的虛警率往往很高[6]。特別是低頻主動(dòng)聲吶在淺海工作時(shí), 混響對(duì)其目標(biāo)檢測(cè)的影響較大, 而從復(fù)雜的海底混響中分辨出潛艇目標(biāo)將是一件非常困難的事情。通過(guò)開(kāi)發(fā)復(fù)雜信號(hào)處理技術(shù)來(lái)降低虛警已成為提升低頻主動(dòng)拖曳聲吶系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)。目前, 主要通過(guò)主動(dòng)波形進(jìn)行設(shè)計(jì)、背景歸一化處理和目標(biāo)回波分離等方法來(lái)提高復(fù)雜海洋環(huán)境尤其是高混響條件下的目標(biāo)檢測(cè)能力, 降低虛警率。Doisy 等[5,7]分析了CW、線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)、線性調(diào)頻脈沖串(pulsetrains of linear frequency modulation, PTFM)等信號(hào)的抗混響能力; Struzinski W A[8]研究比較了4種噪聲歸一化方法; Baggenstoss[9]提出了一種采用混響能量處理結(jié)合特征識(shí)別的方法提取目標(biāo)信號(hào); 游波等[10]研究了對(duì)混響有較好的抑制作用一種基于瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)的累積和序貫檢測(cè)器。但是, 這些方法在實(shí)際聲吶使用中的應(yīng)用效果尚不顯著。

2) 暴露性問(wèn)題

低頻主動(dòng)聲吶探測(cè)距離較遠(yuǎn), 一般可達(dá)數(shù)十公里以上。但是, 由于潛艇接收到的主動(dòng)信號(hào)是單程傳輸?shù)? 傳輸距離往往可達(dá)上百公里。因此, 潛艇可以在更遠(yuǎn)的距離上探測(cè)到水面艦艇主動(dòng)聲吶信號(hào), 及時(shí)采取規(guī)避或其他措施。如何實(shí)現(xiàn)低頻主被動(dòng)聲吶的隱蔽使用也是未來(lái)水面艦艇反潛需要解決的一項(xiàng)難題。Wang等[11]首次提出了一種基于鯨魚(yú)仿生信號(hào)的主動(dòng)聲吶隱蔽探測(cè)技術(shù); 殷敬偉等[12]提出了一種基于海豚whistle信號(hào)的仿生主動(dòng)聲吶信號(hào)設(shè)計(jì)方法, 但是這些方法應(yīng)用于實(shí)際的低頻主動(dòng)聲吶中尚需解決仿生信號(hào)與聲吶發(fā)射帶寬的匹配等問(wèn)題。

3) 生態(tài)影響問(wèn)題

鯨魚(yú)和海豚依靠發(fā)聲進(jìn)行導(dǎo)航、捕食、通信和繁衍, 而低頻主動(dòng)拖曳聲吶的典型工作頻率與這些海洋生物的發(fā)聲信號(hào)頻率非常接近, 且其發(fā)射聲源級(jí)較高, 會(huì)對(duì)水下生物產(chǎn)生一定影響[13]。西方國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始普遍關(guān)注低頻主被動(dòng)聲吶的使用對(duì)海洋生物環(huán)境的影響問(wèn)題。美國(guó)自然資源保護(hù)委員會(huì)指出, 軍用聲吶特別是低頻大功率聲吶對(duì)海豚、鯨魚(yú)的生活影響不斷加劇。如何在利用低頻主動(dòng)信號(hào)探測(cè)目標(biāo)的同時(shí)避免或減小對(duì)海洋生物的影響, 仍有待進(jìn)一步深入研究。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

從各國(guó)海軍裝備發(fā)展和作戰(zhàn)需求來(lái)看, 未來(lái)低頻主動(dòng)拖曳聲吶將向以下幾個(gè)方向發(fā)展。

1) 裝備發(fā)展系列化

針對(duì)大型反潛艦艇、中小型護(hù)衛(wèi)艦和巡邏艇等不同平臺(tái)的作戰(zhàn)需求, 發(fā)展適應(yīng)不同平臺(tái)安裝使用需求的系列化主動(dòng)拖曳陣聲吶。如泰勒斯公司研制的CAPTAS-4、CAPTAS-2和CAPTAS-1 3種型號(hào), ATLAS公司也發(fā)展了ACTAS、ACTAS- C、ACTAS-SC 等3型裝備, 以此來(lái)滿足不同平臺(tái)的需求。

2) 作戰(zhàn)使用多基地化

為了提高區(qū)域反潛作戰(zhàn)效能, 低頻主動(dòng)拖曳聲吶將更多地與其他反潛探測(cè)裝備構(gòu)成多基地的模式進(jìn)行探測(cè)使用。加拿大Ultra電子海洋系統(tǒng)公司專(zhuān)門(mén)提出了模塊化多基地變深聲吶系統(tǒng)(modular multistatic variable depth sonar system, MMVDSS)方案, 通過(guò)低頻主動(dòng)拖曳聲吶與艦殼聲吶、浮標(biāo)等多種探測(cè)裝備的綜合使用, 形成多基地的模式來(lái)提高反潛效能。

3) 系統(tǒng)功能一體化

通過(guò)拓展工作頻段、在基陣內(nèi)增加專(zhuān)用傳感器等方式, 低頻主動(dòng)拖曳聲吶除了傳統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別功能以外, 開(kāi)始增加偵察、魚(yú)雷探測(cè)等功能。ACTAS系統(tǒng)即具備對(duì)魚(yú)雷自動(dòng)探測(cè)的功能, 并在海上試驗(yàn)中對(duì)尾流自導(dǎo)魚(yú)雷成功進(jìn)行了探測(cè)和跟蹤。SQR-20聲吶也專(zhuān)門(mén)配置了1個(gè)拖曳聲學(xué)偵察基陣模塊, 用于對(duì)魚(yú)雷目標(biāo)的偵察預(yù)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

低頻主動(dòng)拖曳聲吶同時(shí)具有VDS和拖曳陣聲吶的諸多優(yōu)點(diǎn), 受到各國(guó)海軍的廣泛關(guān)注。這種聲吶基陣打破了船體尺寸對(duì)聲吶基陣尺寸的限制, 聲吶基陣遠(yuǎn)離拖曳平臺(tái), 使得背景干擾小, 并可大幅度降低工作頻率, 還能選擇在最有利的深度上工作, 獲得更遠(yuǎn)距離的探測(cè)能力, 發(fā)揮聲吶的潛在能力。目前, 國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了多型低頻主動(dòng)拖曳聲吶, 大量裝備各國(guó)海軍水面艦艇, 并逐漸成為水面反潛探測(cè)的主要裝備。

[1] 王魯軍. 美國(guó)聲納裝備及技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2011.

[2] Scott R. Sound Effects: Low Frequency Active Sonar Comes Of Age[J]. HIS Jane’s Navy International, 2015(120): 26-31.

[3] Scott R.Thales Takes Small Step with CAPTAS Sonar[J]. Jane’s International Defense Review, 2006.

[4] Benen S, Maiwald D, Schmidt-Schierhorn H. Low Fre- quency Towed Active Sonar(LFTAS) in Multistatic Applications[R]. Bonn: Gesellschaft für Informatik, 2009: 2400-2408.

[5] Doisy Y, Deruaz L, Beerens P. Sonar Waveforms for Reverberation Rejection, Part I: Theory[C]//2000 UDT Pacific. Australia: UDT, 2000.

[6] R J Urick, Principles of Underwater Sound 3rd[M]. New York: McGrwa-Hill, 1983.

[7] Sender, Robert B, Peter B. Sonar Waveforms for Reverberation Rejection, Part II: Experimental results[C]//2000 UDT Pacific. Australia: UDT, 2000.

[8] Struzinski W A, Lowe E D. A Performance Comparison of Four Noise Background Normalization Schemes Proposed for Signal Detection Systems[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1984, 76(6): 1738-1742.

[9] Baggenstoss P M. Active Sonar Processing for Shallow Water[C]//OCEANS’93. Engineering in Harmony with Ocean Proceedings. Canada: IEEE, 1993(1): I225-I230.

[10] 游波, 蔡志明. 累積和檢驗(yàn)算法應(yīng)用于主動(dòng)聲納檢測(cè)時(shí)的性能[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 21(6): 80-83. You Bo, Cai Zhi-ming. Analysis of Performance of Page’s Test Used to Detect Active Sonar Signals[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2009, 21(6): 80-83.

[11] Wang Qing-cui, Wang Lu-jun, Zou Li-na. Whale-inspired Sonar in Covert Detection[C]//2016 IEEE/OES China Ocean Acoustics Symposium. Harbin: IEEE, 2016.

[12] 殷敬偉, 劉強(qiáng). 基于海豚whistle信號(hào)的仿生主動(dòng)聲吶隱蔽探測(cè)技術(shù)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2016, 37(5): 769-777. Yin Jing-wei, Liu Qiang. Research on Bionic Active Sonar Covert Detection Technology Based on Dolphin Whistle Signal[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(5): 769-777.

[13] Committee on Potential Impacts of Ambient Noise in the Ocean on Marine Mammals, National Research Council . Ocean Noise and Marine Mammals[M]. USA: National Academies Press, 2003.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Current Status and Developing Trend of Low Frequency Active Towed Sonar Abroad

WANG Lu-jun

(Department of Electronic Information, China Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100097, China)

The low frequency active towed sonar can detect submarine remotely under bad sound propagation conditions, and it has gradually become the main equipment of anti-submarine detection in many countries. This paper first reviews the development background of the low frequency active towed sonar, summarizes its characteristics, and emphatically introduces the development course of towed sonar of American surface ship. Then, the major performances of the main low-frequency active towed sonars developed by France, Germany, Russia and the United States are analyzed, and the challenges of false alarm rate, exposure and ecological impact facing the development of low frequency active sonar are presented. It is pointed out that the low frequency active towed sonar will develop towards equipment serialization, multi-base operation application and system multifunction.

low frequency active towed sonar; surface ship; anti-submarine detection

王魯軍. 國(guó)外低頻主動(dòng)拖曳聲吶的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 193-199.

TJ67; U666.7

A

2096-3920(2018)03-0193-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.002

2018-03-10;

2018-03-20.

王魯軍(1976-), 男, 博士, 研究員, 研究方向?yàn)樗曄到y(tǒng)總體技術(shù)和水聲物理.