艦艇聲納技術(shù)的發(fā)展*

柳志忠 姜朝宇

(海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室 葫蘆島 125004)

1 引言

聲納技術(shù)主要用于水中警戒、水中目標(biāo)定位與跟蹤、水中武器射擊指揮、水中通訊、探測(cè)水雷、水下導(dǎo)航、水中目標(biāo)識(shí)別、聲納偵察與對(duì)抗等方面。目前,國(guó)外海軍的艦載聲納,主動(dòng)式的探測(cè)距離可達(dá)5～10海里,最高者可達(dá)30海里,定位精度中其方位精度最高者可達(dá)0.25～0.5,其距離精度可達(dá)0.5%～1%;被動(dòng)式的探測(cè)距離可達(dá)20～100海里,可滿足對(duì)潛警戒,協(xié)同作戰(zhàn),盡早規(guī)避等要求。本文就艦艇聲納技術(shù)、發(fā)展動(dòng)向、發(fā)展分析等,作進(jìn)一步的研究和探討[1]。

2 聲納技術(shù)

聲納技術(shù)是利用在海洋中傳播的聲波來探測(cè)目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤的。聲納技術(shù)在工作方式上分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種,水面艦艇以主動(dòng)式工作為主,潛艇以被動(dòng)式工作為主[2]。

2.1 潛艇用聲納

美國(guó)海軍戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇裝備使用的最新型聲納是 AN/BQQ-6型綜合聲納系統(tǒng),它由 AN/BQQ-5型聲納系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)而成的多站聲納系統(tǒng)。此型聲納的主要功用是探測(cè)遠(yuǎn)程的低頻噪聲潛艇目標(biāo),使用5Hz左右頻率能檢測(cè)到100多海里遠(yuǎn)的潛艇噪聲信號(hào),使用被動(dòng)式工作能在更遠(yuǎn)的距離上盡早發(fā)現(xiàn)敵潛艇盡可能避免與它接觸。

AN/BQQ-5型聲納系統(tǒng)是本世紀(jì)內(nèi)攻擊核潛艇上性能最先進(jìn)的聲納,到本世紀(jì)末將作些改進(jìn),預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初將繼續(xù)使用。AN/BQQ-6型聲納系統(tǒng)和SIASS聲納系統(tǒng),到21世紀(jì)初仍將繼續(xù)使用而不會(huì)換裝。潛艇用拖曳式線列陣被動(dòng)式聲納主要供遠(yuǎn)洋深?；顒?dòng)的潛艇裝備使用,到本世紀(jì)末將會(huì)普遍裝備,發(fā)展趨向是研制更高強(qiáng)度、更細(xì)拖纜和直徑更小的水聽器陣,以求使用更長(zhǎng)的拖纜和拖曳陣。

拖曳線列陣聲納也稱“拖曳陣聲納”。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(cè)目標(biāo)的聲納。主要用于聽測(cè)潛艇輻射噪聲,進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、測(cè)向和識(shí)別,有的也可用于測(cè)距。由線列基陣、拖曳電纜、收放裝置和絞盤、電子機(jī)柜等組成。拖曳線列陣又由前導(dǎo)段、儀器段、基陣段、后導(dǎo)段和尾段構(gòu)成,陣長(zhǎng)數(shù)十米至數(shù)百米,工作深度可變。具有基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測(cè),能遠(yuǎn)距離隱蔽地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn);但對(duì)拖帶艦艇的旋回和倒車等機(jī)動(dòng)有不利影響。分戰(zhàn)術(shù)型拖曳線列陣聲納和監(jiān)視型拖曳線列陣聲納兩種。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(zhǎng)達(dá)1000m～2000m被動(dòng)探測(cè)距離50海里～100海里,最大拖曳航速可達(dá)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(dòng)接收主動(dòng)聲納發(fā)射聲納信號(hào)在目標(biāo)上產(chǎn)生的回波,其作用距離遠(yuǎn)大于艦殼聲納或拖體聲納單獨(dú)工作時(shí)的主動(dòng)探測(cè)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(zhǎng)5000m以上在低聲頻和次聲頻段工作時(shí),被動(dòng)探測(cè)距離可達(dá)300余海里。

2.2 水面艦艇用聲納

目前,各國(guó)海軍根據(jù)自己的戰(zhàn)術(shù)要求、海區(qū)特點(diǎn)、艦艇種類、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不同,水面艦艇反潛聲納有三種方式:

1)側(cè)重于被動(dòng)式拖曳陣聲納和球鼻首基陣艦殼聲納的發(fā)展和使用,這種配系形式在美國(guó)和西歐一些國(guó)家海軍已經(jīng)采用。例如美國(guó)海軍的AN/SQR-19戰(zhàn)術(shù)拖曳陣聲納和AN/SQS-53系列聲納(A、B和C型);英國(guó)海軍的2031型拖曳陣聲納和2050型(或2016型)艦殼聲納。

2)采用中頻、中程艦殼聲納和變深聲納,并且在同一艘軍艦上使用艦殼聲納和變深聲納兩個(gè)基陣共用一套信號(hào)處理電子設(shè)備,構(gòu)成艦殼聲納/變深聲納的聯(lián)合系統(tǒng)。例如:加拿大的SQS-509,法國(guó)的 SS-12和 SiodonTSM2630;德國(guó)的DSQS-21和美國(guó)的DEII60系列聲納等。

3)采用高頻艦殼聲納或變深聲納。例如以色列和瑞典海軍采用這種形式,有美國(guó)提供的780系列聲納,法國(guó)的TSM2640SALMON變深聲納。美國(guó)當(dāng)前裝備海軍艦艇的AN/SQR-19聲納,它是在AN/SQR-15和AN/SQR-18的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的。該陣列聲納長(zhǎng)800英尺,拖纜長(zhǎng)5600英尺,拖曳深度可達(dá)1200英尺。

3 發(fā)展動(dòng)向

1)意大利獵雷艦安裝英國(guó)聲納系統(tǒng)。防務(wù)新聞網(wǎng)站2009年11月24日?qǐng)?bào)道:意大利海軍將升級(jí)獵雷艦隊(duì),以安裝英國(guó)Thales公司研發(fā)的聲納系統(tǒng)。該協(xié)議是加埃塔級(jí)艦艇中期升級(jí)的一部分,將在當(dāng)?shù)卦齑瑥SIntermarine進(jìn)行[3]。

英國(guó)Thales公司稱11月18日與Intermarine造船廠簽署了一項(xiàng)的合同,向8艘意大利獵雷艦提供其Sonar 2093系統(tǒng)。該合同總價(jià)值約1億英鎊(1.657億美元)。

Sonar 2093系統(tǒng)是一個(gè)可變深度探測(cè)系統(tǒng),用于檢測(cè)和識(shí)別水底和系留水雷。該系統(tǒng)在英國(guó)皇家海軍的桑當(dāng)級(jí)反水雷艦隊(duì)服役。

Thales公司過去兩年為許多客戶提供反水雷系統(tǒng),包括印度、挪威、立陶宛和新加坡。這些交易包括安裝指揮控制設(shè)備、供應(yīng)聲納以及其它產(chǎn)品等。

2)美國(guó)古德里奇公司將為西班牙海軍S-80潛艇聲納系統(tǒng)提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。法國(guó)《航宇防務(wù)》2009年12月9日?qǐng)?bào)道:美國(guó)古德里奇公司獲得洛克希德?馬丁公司水下系統(tǒng)部的合同,為西班牙海軍新型S-80柴電潛艇聲納系統(tǒng)提供輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品將在古德里奇公司位于杰克遜維爾(美國(guó)佛羅里達(dá)州東北部港市)的工程聚合物產(chǎn)品生產(chǎn)線生產(chǎn)和組裝,計(jì)劃于2010年第二季度完成交付[4]。

根據(jù)合同,古德里奇公司將提供3套圓形聲納陣支撐結(jié)構(gòu)和4套被動(dòng)舷側(cè)聲納陣減阻裝置。支撐結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料減阻裝置用于安置并保護(hù)潛艇聲納,潛艇通過聲納系統(tǒng)探測(cè)和鑒別水下威脅。美國(guó)古德里奇公司的輕質(zhì)、無金屬減阻裝置的水動(dòng)力學(xué)外形能夠減少潛艇噪聲和航行阻力。

3)泰利斯公司對(duì)英國(guó)海軍護(hù)衛(wèi)艦聲納升級(jí)表示歡迎。法國(guó)《航宇防務(wù)》2009年12月21日?qǐng)?bào)道:英國(guó)皇家海軍最先進(jìn)的23型護(hù)衛(wèi)艦在安裝了泰利斯公司的2087聲納系統(tǒng)后重返海軍,此后將進(jìn)行一系列的海試[5]。

2087聲納是一種低頻主動(dòng)聲納,包括主被動(dòng)聲納陣。該系統(tǒng)的拖曳陣可以使23型護(hù)衛(wèi)艦在很遠(yuǎn)的距離上探測(cè)和定位最新型潛艇,而在此距離上潛艇尚不能發(fā)動(dòng)攻擊。

英國(guó)國(guó)防部防御裝備和支持能力部門聲納系統(tǒng)組領(lǐng)導(dǎo)馬克?沃頓說:“近期2087聲納對(duì)抗真實(shí)威脅的平臺(tái)時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的反潛戰(zhàn)能力,使該護(hù)衛(wèi)艦的反潛能力有了很大提高。該護(hù)衛(wèi)艦重返海軍后將連同其他五艘裝備了2087聲納的護(hù)衛(wèi)艦接受國(guó)防部全方位的測(cè)試和評(píng)估?！?/p>

4)兩艘新型潛艇救援潛器裝備攝像機(jī)和高分辨率聲納。美國(guó)海軍技術(shù)網(wǎng)2010年1月8日?qǐng)?bào)道:詹姆士費(fèi)希爾防務(wù)公司為韓國(guó)海軍和新加坡海軍建造的2艘新型潛艇救援潛器(SRV)于2009年服役,該潛器裝備了康斯伯格海事公司的攝像機(jī)和聲納工具包。

這兩艘SRV設(shè)計(jì)用于深海搜尋和救援(DSAR)。詹姆士費(fèi)希爾防務(wù)公司在為英國(guó)潛艇救援部門的LR5 SRV提供數(shù)十年的支持中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。與現(xiàn)有SRV相比,這兩艘潛器在很多技術(shù)方面有所提高,它可以在500m的水深進(jìn)行工作,在此深度能見度很差,所以高分辨率的成像設(shè)備是安全救援操作所必需的。

2008年9月,DSAR-5被官方命名為 ROKS DSRV Ⅱ,裝備OE15-103低光線CCD、OE14-367彩色可變焦距攝像機(jī)以及OE10-101萬向云臺(tái)操作裝置。此外,該裝置還裝備一套功能強(qiáng)大的康斯伯格Mesotech聲納系統(tǒng),該系統(tǒng)包括MS1000聲納處理器c/w遙控鍵、高精度(330kHz)聲納和1007系列高度計(jì)。

姆士費(fèi)希爾防務(wù)公司和ST海事公司合資成立的第一反應(yīng)海事公司將為新加坡海軍管理DSAR-6。DSAR-6與DSAR-5裝備的聲納系統(tǒng)一樣,但裝備了OE15-102低光CCD和OE14-366彩色可變焦距攝像機(jī)。

5)近海戰(zhàn)斗艦拖曳聲納陣和導(dǎo)彈問題依然懸而未決。美國(guó)《海軍時(shí)報(bào)》2010年3月6日?qǐng)?bào)道:美國(guó)海軍“自由”號(hào)近海戰(zhàn)斗艦3月初在加勒比海執(zhí)行巡邏任務(wù),打擊毒品走私。而此時(shí),美國(guó)軍方還在就近海戰(zhàn)斗艦的作戰(zhàn)方式問題爭(zhēng)辯。

首先,美國(guó)海軍已經(jīng)開始探討為近海戰(zhàn)斗艦裝備什么樣的拖曳聲納陣,這將是該艦的第一型艦載水下傳感器,并將為艦隊(duì)帶來一系列新的反潛戰(zhàn)術(shù)。

其次,美國(guó)國(guó)防部新文件質(zhì)疑陸軍的超視距導(dǎo)彈在近海戰(zhàn)斗艦上的使用前景,對(duì)艦艇的水面戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)是否也需要改變提出疑問?，F(xiàn)在的戰(zhàn)術(shù)要求使用近程反艦導(dǎo)彈。

總之,美國(guó)海軍要求就近海戰(zhàn)斗艦的聲納提出建議,陸軍內(nèi)部對(duì)于視距外導(dǎo)彈存在爭(zhēng)議,這些都表明即使海軍準(zhǔn)備今年夏天選定某一種近海戰(zhàn)斗艦設(shè)計(jì)投入全面生產(chǎn),該艦的基本概念仍然存在變數(shù)。

6)美國(guó)海軍尋求更好的潛艇聲納陣數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)?！逗＼妰?nèi)情》2010年4月 29日?qǐng)?bào)道:美國(guó)海軍水下戰(zhàn)中心尋求潛艇聲納陣柔性數(shù)據(jù)連接的設(shè)計(jì)概念,該設(shè)計(jì)必須能夠按照本月早期在聯(lián)邦商業(yè)機(jī)會(huì)網(wǎng)公告,要求能夠處理陣與艇內(nèi)處理器之間的大量通道。

根據(jù)公告,海軍正在尋求創(chuàng)新性的遙測(cè)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)需要采用開發(fā)式結(jié)構(gòu),進(jìn)行稍微的改動(dòng)后即可兼容多種艦殼聲納陣。該系統(tǒng)必須能夠用于遠(yuǎn)距離探測(cè)的中頻陣和舷側(cè)陣,以及像避碰聲納這樣的高頻陣。該系統(tǒng)還要能夠處理少量到數(shù)萬通道的情況。

7)英國(guó)皇家海軍護(hù)衛(wèi)艦試驗(yàn)泰勒斯公司的聲納系統(tǒng)。美國(guó)《海軍技術(shù)》網(wǎng)2010年7月15日?qǐng)?bào)道:英國(guó)皇家海軍“薩瑟蘭郡”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦(英國(guó)23型護(hù)衛(wèi)艦)剛完成了作戰(zhàn)試驗(yàn),測(cè)試了最近改裝中安裝的泰勒斯公司的2087型聲納系統(tǒng)。

此次試驗(yàn)是英國(guó)皇家海軍“御夫座”演習(xí)的一部分。試驗(yàn)期間,2087型聲納系統(tǒng)與裝備泰勒斯“閃光”(FLASH)吊放聲納的“灰背隼”直升機(jī)一起完成了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。“薩瑟蘭郡”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦裝備了2087型聲納系統(tǒng),該艦?zāi)芩阉髯钚滦偷臐撏Р⒃跐撏Ч舴秶鈱⑵滏i定。

該型聲納由位于英國(guó)和法國(guó)的泰勒斯公司制造,是低頻主動(dòng)聲納,但包括有主動(dòng)和被動(dòng)聲納陣。試驗(yàn)證明,在2087型聲納和“閃光”型吊放聲納的協(xié)助下,該護(hù)衛(wèi)艦是非常先進(jìn)的反潛戰(zhàn)平臺(tái)。

“御夫座”演習(xí)在北美的東海岸舉行,來自英國(guó)、法國(guó)、加拿大和美國(guó)海軍的2000多名官兵及其潛艇、水面艦艇和飛機(jī)參與了此次演習(xí)。

8)芬蘭“勞馬”級(jí)快速攻擊艇將裝備康斯堡公司聲納系統(tǒng)。印度前沿網(wǎng)2010年7月21報(bào)道:康斯堡海事公司在2010年7月2日獲得帕提亞航空公司的聲納系統(tǒng)訂單。該聲納將用于芬蘭海軍“勞馬”級(jí)快速攻擊艇。于上世紀(jì)90年代初服役的“勞馬”級(jí)快速攻擊艇將進(jìn)行升級(jí)改造。

作為總承包商,帕提亞公司將負(fù)責(zé)4艘快艇的升級(jí)改造,升級(jí)工作將在2010～2013年完成。這些快艇預(yù)計(jì)將在 2014年形成戰(zhàn)斗力,可服役至2020年。

4 發(fā)展分析

艦艇聲納技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),主要包括:一是向低頻、大功率、大基陣方向發(fā)展;二是向系統(tǒng)性、綜合性發(fā)展;三是向系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性和可維修性發(fā)展;四是向智能化方向發(fā)展[6]。

1)繼續(xù)向低頻、大功率、大基陣方向發(fā)展。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)大孔徑低頻聲納技術(shù)是解決遠(yuǎn)程探潛、進(jìn)行有效反潛的前提。

2)向系統(tǒng)性、綜合性發(fā)展。艦艇聲納系統(tǒng)將由單項(xiàng)功能的單部聲納逐步發(fā)展為由多部聲納組成的收-發(fā)分置、多基地、多傳感器的綜合聲納系統(tǒng),并進(jìn)而構(gòu)成潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)聲知識(shí)基作戰(zhàn)系統(tǒng)。如美國(guó)水面艦艇裝備的AN/SQQ-89反潛綜合作戰(zhàn)系統(tǒng),它是由艦殼主動(dòng)聲納、戰(zhàn)術(shù)拖曳線陣列聲納、艦載直升機(jī)搜潛系統(tǒng)和聲納信號(hào)處理機(jī)、反潛火控系統(tǒng)和聲納狀態(tài)方式評(píng)估系統(tǒng)等組成[7]。

3)向系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性和可維修性發(fā)展。現(xiàn)代聲納設(shè)備,無論是換能器基陣、還是信號(hào)處理機(jī)柜及顯控臺(tái),都趨向采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有擴(kuò)展性好、互換性強(qiáng)、便于維修、可靠性強(qiáng)、研制周期短、研制經(jīng)費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn)。

4)向智能化方向發(fā)展。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行聲納波束形成、信號(hào)處理、目標(biāo)跟蹤與識(shí)別、系統(tǒng)控制、性能監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)等?？纱蟠筇岣呗暭{的性能。隨著第五代計(jì)算機(jī)(即人工智能計(jì)算機(jī))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(jìn)展,它與計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合,使聲納智能化成為可能。

5 結(jié)語

隨著核潛艇的增多及發(fā)射遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的能力增強(qiáng),使得短距離主動(dòng)聲納已不能滿足探測(cè)潛艇的要求,各國(guó)海軍轉(zhuǎn)而發(fā)展被動(dòng)聲納以保證遠(yuǎn)距離探測(cè)與識(shí)別水下目標(biāo)。低頻和大孔徑成為這一時(shí)期研制遠(yuǎn)距離探測(cè)聲納的發(fā)展方向。在未來海戰(zhàn)場(chǎng)信息戰(zhàn)中,聲納及綜合聲納系統(tǒng)將扮演越來越重要的角色[8]。

[1]王炳和,李宏昌.聲納技術(shù)的應(yīng)用及其最新發(fā)展[J].物理,2001(8)

[2]崔峰.現(xiàn)代聲納技術(shù)[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ),2005(2)

[3]意大利獵雷艦安裝英國(guó)聲納系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2009-11-27

[4]美國(guó)古德里奇公司將為西班牙海軍S-80潛艇聲納系統(tǒng)提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[N].每日防務(wù)快訊,2009-12-18

[5]泰利斯公司對(duì)英國(guó)海軍護(hù)衛(wèi)艦聲納升級(jí)表示歡迎[N].每日防務(wù)快訊,2009-12-24

[6]綦輝,金鴻章.艦艇主被動(dòng)聲納方位航跡信息融合研究[J].船舶工程,2006(1)

[7]劉雄,康鳳舉,張林芳.艦艇編隊(duì)多聲納數(shù)據(jù)融合[J].火力與指揮控制,2007(8)

[8]曹之新,周業(yè)明,陳建華.艦艇聲納作用距離預(yù)報(bào)仿真研究[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2007(3)