國外拖曳線列陣聲納技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

邵云生 彭會斌 宋君才

(駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海 200136)

1 引言

傳統(tǒng)的聲納都要依托艦艇平臺,因而受到許多限制[1]:1)空間有限,特別是容納陣列聲納的空間有限,制約了聲納性能的提高;2)來自艦艇平臺的自噪聲(包括航行水噪聲)是聲納工作的重要干擾源;3)對水面艦艇來說,聲納不能根據(jù)水文條件(聲速分布情況)的變化而改變聲納深度,因此不能隨時接收最佳的水聲信號。拖曳變深聲納的出現(xiàn),部分地突破了上述局限。為擴展陣列聲納孔徑,變深聲納的拖體逐漸演變成數(shù)百米的長線陣列,形成了拖曳線陣列聲納。

2 拖曳陣聲納簡介

拖曳線列陣聲納也稱“拖曳陣聲納”[2],它是將水聽器鑲嵌在電纜上形成線列陣,由拖曳電纜拖在艦艇尾后水中探測目標的聲納。主要用于聽測潛艇輻射噪聲,進行遠程監(jiān)視、測向和識別,有的也可用于測距。由線列基陣、拖曳電纜、收放裝置和絞盤、電子機柜等組成。拖曳線列陣一般由前導(dǎo)段、儀器段、基陣段、后導(dǎo)段和尾段構(gòu)成,陣長數(shù)十米至數(shù)百米,工作深度可變。拖線陣中的傳感器有水聽器模塊和非聲模塊,后者用以監(jiān)控陣形和姿態(tài)。拖曳陣聲納具有基陣尺寸大、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。缺點是:基陣、拖纜和收放裝置占用運載平臺的空間大;拖體放入水中工作時,對拖帶艦艇的旋回和倒車等機動有不利影響。拖曳陣聲納按用途可分戰(zhàn)術(shù)型拖曳列陣聲納和監(jiān)視型拖曳列陣聲納兩種。戰(zhàn)術(shù)型拖曳線列陣聲納裝備于大、中型反潛水面艦艇和攻擊潛艇,拖曳電纜與線列陣總長達 1000m～2000m,被動探測距離50海里～100海里,最大拖曳航速可達30節(jié)。水面艦艇的戰(zhàn)術(shù)型拖曳線列陣聲納,與艦殼聲納或拖體聲納配合工作,被動接收主動聲納發(fā)射聲納信號在目標上產(chǎn)生的回波,其作用距離遠大于艦殼聲納或拖體聲納單獨工作時的主動探測距離,從而提高水面艦艇反潛搜索能力。監(jiān)視型拖曳線列陣聲納,主要裝備于海洋監(jiān)視船,其拖曳航速極低,拖曳電纜與線列陣總長5000m以上,在低聲頻和次聲頻段工作時,被動探測距離可達300余海里。

3 國外拖曳陣聲納技術(shù)現(xiàn)狀

近年來,由于潛艇隱身和降噪技術(shù)的發(fā)展,使?jié)撏ё兊酶影察o,越來越難以探測。同時,潛艇航速不斷提高,潛射魚雷、導(dǎo)彈的航速不斷加快,航程也越來越遠,這對反潛兵力來說構(gòu)成了不小的威脅。為了能夠從更遠的距離上盡早發(fā)現(xiàn)敵潛艇,自上世紀70年代以來,美、英、法等國相繼研制了一批性能良好的拖曳式線列陣聲納。1984年美國將水面拖線陣列系統(tǒng)引入聲監(jiān)控系統(tǒng)作為遠程被動聲警戒,對潛艇和水面艦艇的航行噪聲實施探測、定位和識別。目前,美國研制了一型專門用于海上水聲探測和預(yù)警的T-AGOS遠洋偵察船[3]。這種船不屬海軍建制,也不配海軍官兵,完全由民用部門管理和使用,以便在和平時期長期游弋于大西洋和太平洋,搜集、監(jiān)視敵潛艇動向,并積累重要的水聲信息資料。工作時,偵察船通常以3節(jié)航速航行,拖曳線列陣聲納基陣拖在船后約5公里處,水聽器在水中可以扭曲,具有較好的撓性。在發(fā)現(xiàn)目標潛艇之后,水聽器基陣將噪聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?借助于拖纜把電信號傳至偵察船情報中心進行分析和處理。之后,通過裝于偵察船主桅上的“維斯凱”6型數(shù)據(jù)鏈天線,將經(jīng)過處理的敵潛艇噪聲特性轉(zhuǎn)發(fā)給通信衛(wèi)星。通信衛(wèi)星將接收到的信號轉(zhuǎn)至美國本土地面站,并呈報海軍作戰(zhàn)部進行決策參考。

除了像水面拖線陣系統(tǒng)這種遠程警戒拖曳線列陣聲納外,發(fā)達國家更為普遍地發(fā)展了戰(zhàn)術(shù)拖曳線列陣聲納,如美國海軍當(dāng)前裝備水面艦艇的AN/SQR-19聲納,它是在 AN/SQR-15和 AN/SQR-18基礎(chǔ)上開發(fā)而成的新型標準戰(zhàn)術(shù)拖線陣聲納。聲陣長800英尺,拖纜長5600英尺,拖曳深度可達1200英尺。在大洋中探測距離可超過第二會聚區(qū)(達120km以上)。AN/SQR-19被動拖曳線列陣聲納是美國海軍的第二代戰(zhàn)術(shù)拖曳陣聲納,也是目前世界上最先進的戰(zhàn)術(shù)拖曳陣聲納。它在AN/SQQ-89(V)綜合反潛系統(tǒng)中承擔(dān)了大范圍遠距離初始探測任務(wù),初探之后,艦載反潛直升機SH-60B迅速飛往目標區(qū)域,使用機載探潛設(shè)備對潛實施精確定位,而后用機載反潛武器攻擊或經(jīng)數(shù)據(jù)鏈給母艦傳輸目標數(shù)據(jù)由艦載遠程武器對潛攻擊。此外,它還與AN/SQS-53C聲納相互配合,保證中近程對潛探測、跟蹤、識別、定位以及武器的使用。

被動拖線陣聲納是以檢測目標航行時水下噪聲為手段探測目標的,隨著潛艇降噪技術(shù)的進展,安靜型常規(guī)動力潛艇的出現(xiàn),特別是不依賴空氣推進技術(shù)投入應(yīng)用,使本艇輻射噪聲大大減小,隨后核動力潛艇降噪也獲得相應(yīng)地進展,使被動聲納探測目標困難。人們把目光又投向主動式探測聲納,開始了低頻主動拖線陣聲納研究。主動拖線陣聲納利用低頻長發(fā)射脈沖、大孔徑聲系統(tǒng)來增大探測距離。北約水下研究中心在上世紀80年代初就進行主動拖曳陣聲納的方案和技術(shù)可行性研究,1992年主動拖線陣聲納首次參加北約組織的“龍錘”92(DRAGONHAMMER92)演習(xí),這不是實驗式的海試,而是以整機規(guī)模參加北約組織的一次演習(xí)。隨后在英吉利海峽的西南水域多次組織海試,試驗動用了意大利的“托蒂”潛艇和德國的 U30型潛艇,試驗用主動拖線陣聲納的發(fā)射聲系統(tǒng)和拖體,取得了有價值的成果。1991年荷蘭皇家海軍TNO物理和電子試驗室與德國湯姆遜-辛特拉公司共同開始研制低頻主動拖線陣聲納[4]。1994～1997年期間,在不同季節(jié),不同水域進行海上研究實驗。為解決單列線陣的拖線陣聲納難以區(qū)分目標方位是在左舷還是右舷的問題,該低頻聲納采用雙線拖曳陣列。

4 國外拖曳陣聲納的發(fā)展趨勢

聲納作為探測潛艇的有效裝備,從其誕生之日起就伴隨著潛艇技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展,從當(dāng)前國外已裝備使用的拖曳陣聲納和正在進行研發(fā)的拖曳陣聲納技術(shù)看,拖曳陣聲納技術(shù)的發(fā)展趨勢可概述如下:

4.1 繼續(xù)向低頻、大功率、大基陣方向發(fā)展

4.1.1 被動拖曳線列陣聲納

鑒于聲波在海水中的傳播特性以及低頻大功率與基陣的關(guān)系,開發(fā)大孔徑低頻被動聲納技術(shù)是解決遠程探潛問題、進行有效反潛的必要前提。上世紀70年代末、80年代初出現(xiàn)的被動拖曳線列陣和舷側(cè)陣是這種低頻大孔徑技術(shù)的代表。目前裝艦使用的被動聲納工作頻率,一般為0.1～1.5kHz,大型主動聲納的工作頻率一般為1.5～3.5kHz。美國的AN/SQR-19戰(zhàn)術(shù)拖曳陣聲納是這種被動拖曳陣聲納的典型。而具有預(yù)警性質(zhì)的戰(zhàn)略拖曳陣聲納目前還只有美國擁有,這種聲納由于不執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)反潛任務(wù),線陣長度可達千米以上,如美國的監(jiān)視拖曳陣系統(tǒng)(SURTASS)警戒陣線陣長1828m。

4.1.2 主動拖曳陣聲納

潛艇降噪技術(shù)在近二十年的時間內(nèi)獲得了極大發(fā)展,出現(xiàn)了所謂“寂靜型”潛艇,使對潛被動探測聲納的作用距離大幅度降低,甚至出現(xiàn)了在千米的近距離上被動聲納不能發(fā)現(xiàn)潛艇的報道。此外冷戰(zhàn)的結(jié)束,也使各國反潛的主要戰(zhàn)略從全球范圍內(nèi)的深海水域轉(zhuǎn)向局部海戰(zhàn)和地區(qū)沖突。淺水水域的惡劣傳播條件使被動聲納難以正常發(fā)揮,于是人們開始了對主動式拖曳陣聲納的研究。英國是第一個開始主動式拖曳線列陣聲納研究的國家,它的ATAS試驗陣受到世界各主要海軍國的高度重視[5],這種聲納繼承了被動拖曳陣聲納的技術(shù)優(yōu)勢,使用大孔徑低頻線陣作為接收陣,配以低頻大功率發(fā)射陣,由水面艦艇拖曳使用。

4.2 向系列化、模塊化、標準化、高可靠性和可維修性方向發(fā)展

現(xiàn)代聲納設(shè)備無論是換能器基陣還是信號處理機柜及顯控臺,都趨向采用標準化的模塊式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有一系列優(yōu)點:擴展性好、互換性強、便于維修、可靠性強、研制周期短、研制經(jīng)費少等。美、英、法、德等國家都很重視聲納設(shè)備的系列化,如用于AN/SQS-53、AN/BQQ-5及拖曳線列陣聲納中的美國AN/UYS-1型標準化聲納信號處理器,其改進型AN/UYS-2是一部模塊結(jié)構(gòu)分布式并行處理機,它運用了單獨的動態(tài)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu),并采用獨特的應(yīng)用軟件。它將應(yīng)用在AN/SQQ-89、AN/BSY-2、SURTASS和機載低頻聲納(ALFS)中。設(shè)備的先進性、可靠性和維修性是相輔相成的,一般大型聲納的平均故障間隔時間達400～450小時,故障平均修復(fù)時間在1小時內(nèi),中小型聲納的可靠性和維修性更高,如法國的DIODON型聲納,其平均故障間隔時間達500小時,平均修復(fù)時間為15分鐘。

4.3 計算機的應(yīng)用使聲納向智能化方向發(fā)展

電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展為聲納的發(fā)展提供了技術(shù)保障。用計算機進行聲納波束形成、信號處理、目標跟蹤和識別、系統(tǒng)控制、性能監(jiān)測、故障檢測等,使聲納性能有了很大提高。目前裝備使用的幾個先進海軍國家的聲納,都是由數(shù)字計算機進行信號處理和系統(tǒng)控制與檢測的數(shù)字化聲納。微處理機的出現(xiàn)又使聲納信號處理可以更廣泛地采用多級、并行、分布式處理體系結(jié)構(gòu),從而使其處理能力大大增強,如美國的AN/BQQ-5潛用聲納系統(tǒng)即采用分布式處理方式。隨著聲納基陣的進一步擴大及潛艇降噪的進展以及目標強度的降低,要求聲納系統(tǒng)信號的處理能力進一步提高,目前大型聲納系統(tǒng)的運算速度高達10～100億次/秒,因此,必須使用更先進的處理結(jié)構(gòu)和方法。現(xiàn)在一些國家正在研制一些新型的單片機和陣列機,以構(gòu)成高速并行處理系統(tǒng)和陣列式并行處理系統(tǒng)。隨著人工智能計算機的問世,聲納也正在向智能化方向發(fā)展,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得了令人矚目的進展,它將計算機技術(shù)和信號處理相結(jié)合,使聲納智能化成為可能。

4.4 換能器材料的新發(fā)展

傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料目前仍為聲納換能器的主要材料,較新的材料是壓電聚合物和光纖。在壓電聚合物材料中目前已用于聲納基陣的是PVDF(聚氟偏乙烯材料),例如法國的TSM2253型舷側(cè)陣聲納的平板型水聽器就采用此材料。用光纖材料做水聽器的研究目前正在進行,它已開始用于水下固定式水聽器和拖曳式線列陣聲納的換能器上。

[1]田坦,等.聲納技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2004,3:145～149

[2]閻福旺,等.現(xiàn)代聲納技術(shù)[M].海洋出版社,1998,4:427～432

[3]王慶光,張文玉,宋汝剛.西方海軍遠程探測聲納發(fā)展現(xiàn)狀[J].艦船論證參考,2004(2):44～45

[4]宋新新,毛娜.德國聲納技術(shù)發(fā)展 100年[J].艦船電子工程,2004,24(2):19～21

[5]蘇皋聲.英國艦用和潛用聲納的最新發(fā)展[J].聲學(xué)與電子工程,1986(4):41～43