美國海軍固定式聲學(xué)測量設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

曹穎

水下測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116013

美國海軍固定式聲學(xué)測量設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

曹穎

水下測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116013

本文介紹了美國兩個(gè)典型固定水聲試驗(yàn)場，討論了主要測量設(shè)施的組成、安裝及使用情況，得出可供我國水聲固定試驗(yàn)場建設(shè)的參考性結(jié)論。

水聲試驗(yàn)場；測量設(shè)施

引 言

二次世界大戰(zhàn)以來，為了適應(yīng)反潛戰(zhàn)的新發(fā)展，滿足水聲技術(shù)和聲納設(shè)備的發(fā)展需要，各軍事大國投入巨資建設(shè)水聲試驗(yàn)場，并不斷更新改造。水聲試驗(yàn)場包括機(jī)動(dòng)式測量和固定式測量兩種方式，由于固定式試驗(yàn)場可以進(jìn)行長期的觀測，可積累大量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行比較、分析，因此愈來愈受到重視。美國海軍建設(shè)了很多固定式水聲試驗(yàn)場，并且配置了相關(guān)的水聲設(shè)施。筆者分別介紹了美國海軍兩個(gè)典型的水聲試驗(yàn)場—大西洋水下測試與評估中心以及東阿拉斯加水聲試驗(yàn)場的固定測量設(shè)施，包括測量設(shè)施的組成、安裝過程及使用等，通過分析引申一些思考，從而為我海軍固定試驗(yàn)場建設(shè)提供借鑒。

1 大西洋水下測試與評估中心固定測量設(shè)施

1.1 地理位置及建設(shè)背景

美國大西洋水下測試與評估中心（AUTEC，見圖1）位于巴哈馬群島的安德羅斯島東側(cè)，該區(qū)域素稱“海洋之舌”，海舌地區(qū)長110海里、寬20海里，水深約1280～2012m，獨(dú)特的海舌地形加上該地區(qū)全年氣候溫暖，環(huán)境安靜，海床平坦、柔軟，是理想的潛艇聲學(xué)測試場。

該中心隸屬于海上系統(tǒng)司令部水下戰(zhàn)中心紐波特分部，是美國東岸地區(qū)最大的綜合性試驗(yàn)場。其主要職能是為美國和北約海軍提供綜合反潛作戰(zhàn)訓(xùn)練、測試武器、訓(xùn)練反潛戰(zhàn)術(shù)和潛艇艇員及指揮官。美國“鱘魚”級、“洛杉磯”級核潛艇都曾在此進(jìn)行訓(xùn)練和測試。

巴哈馬海舌潛艇聲學(xué)測量設(shè)施是該中心的主要組成部分，能夠同時(shí)從空中和水下跟蹤目標(biāo)，為中心提供精確的潛艇輻射噪聲數(shù)據(jù)和目標(biāo)位置。

圖1 AUTEC的位置

2005年，由于大西洋水下測試與評估中心的潛艇輻射噪聲測量系統(tǒng)接近壽命期限，美國海軍啟動(dòng)了為期四年的巴哈馬海舌南部聲學(xué)測量設(shè)施（STAFAC）項(xiàng)目。該項(xiàng)目的主要任務(wù)是采用安裝在海底的固定式聲測量系統(tǒng)代替水面艦便攜式聲測量陣來測量潛艇輻射噪聲。

1.2 STAFAC測量系統(tǒng)組成

STAFAC水下測量系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，主要包括：中繼電纜和接地電纜、接線箱、基陣電纜和跟蹤/水下通信系統(tǒng)、基陣系泊裝置、高增益基陣組合、臍帶系統(tǒng)。組成連接見圖2。

圖 2STAFAC水下系統(tǒng)組成連接圖

1.3 STAFAC測量系統(tǒng)安裝及使用

1.3.1 中繼電纜和接地電纜

中繼電纜、接地電纜、接線箱、基陣系泊裝置、海底基陣電纜、跟蹤/水下通信基陣電纜均采用TYCO SL17電纜，TYCO SL17電纜利用海底電纜敷設(shè)船進(jìn)行安裝。

中繼電纜是海底光電長途通信電纜，聯(lián)系著海舌南部接線箱（位于海舌“舌尖”區(qū)域的西北部）和大西洋水下測試和評估中心的指揮控制中心。中繼電纜包含兩段TYCO SL17電纜，第一段是從大西洋水下測試和評估中心的指揮控制中心連接到深水區(qū)域點(diǎn)，長約140km；第二段是從接線箱連接到深水區(qū)域點(diǎn)，長約20km，整個(gè)中繼電纜長160km。

為了保證使用壽命，在不同位置采用不同類型的電纜。在淺灘和接線箱區(qū)域，水下0～250m時(shí)，采用雙層防護(hù)層型電纜，水下250～500m時(shí)，采用單層防護(hù)層型電纜。對于中繼電纜，位于岸上或者淺水區(qū)域、陡峭斜坡時(shí)，采用雙層防護(hù)層型電纜；位于較平緩斜坡時(shí)，采用單層防護(hù)層型電纜；貫穿AUTEC武器試驗(yàn)場和海舌的電纜，使用SPA型（鋼鐵包裹核心型）電纜；海舌南部“舌尖”區(qū)域，使用輕質(zhì)型電纜。接地電纜也是采用TYCO SL17電纜，從站點(diǎn)1指揮控制中心連接到淺水區(qū)域，長約2000m。

1.3.2 基陣電纜和跟蹤/水下通信系統(tǒng)

STAFAC水下系統(tǒng)包含兩條基陣電纜，均為光電通信電纜，且都是從接線箱連接到基陣點(diǎn)（一個(gè)連接北部基陣，另一個(gè)連接南部基陣）。北部基陣電纜長約14km，南部基陣電纜長約16km?；囯娎|位于淺水區(qū)域、接線箱附近區(qū)域和陡斜面上部區(qū)域，采用雙層防護(hù)層保護(hù)；位于陡峭斜面下部區(qū)域，采用單層防護(hù)層保護(hù)；其他區(qū)域采用SPA型電纜。

跟蹤/水下通信系統(tǒng)包括一些雙向聲學(xué)節(jié)點(diǎn)，可提供跟蹤位置數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)連接的基陣陣列長約33km，接線箱和節(jié)點(diǎn)之間仍然使用TYCO SL17電纜連接。

1.3.3 基陣系泊裝置

STAFAC系統(tǒng)的測量基陣由一個(gè)四點(diǎn)系泊裝置和兩個(gè)主系泊浮標(biāo)固定在海床上，如圖3所示。四個(gè)錨不僅固定了線列陣在海洋中的位置，并且使它們之間的橫向距離保持在256m～274.3m，水聽器縱向距離間隔小于3m。四個(gè)錨固定著兩個(gè)主系泊浮標(biāo)。主系泊浮標(biāo)用復(fù)合泡沫塑料制作，可產(chǎn)生12000磅（5443kg）凈浮力。重錘纜上系有制動(dòng)器，可機(jī)械調(diào)整基陣深度，這樣可以很容易打撈基陣，便于維修。系泊纜和重錘纜為直徑15.9mm的NILSPIN鋼索，兩個(gè)主系泊浮標(biāo)之間的橫向纜索直徑為19mmNILSPIN鋼索。系泊裝置采用的是布魯斯嵌埋錨和叢錨，布魯斯嵌埋錨直接嵌入海床固定，叢錨則用于給布魯斯錨施加垂直壓力。

圖3 系泊裝置設(shè)計(jì)示意圖

1.3.4 高增益基陣組合

高增益基陣長約900英尺（274.32m），安裝有近800個(gè)聲學(xué)傳感器?；嚱M合由水下浮標(biāo)提供浮力。這些圓柱形的水下浮標(biāo)采用復(fù)合泡沫塑料制作，直徑83英寸（2.1m）、高88英寸(2.2m）、凈浮力1萬磅（4536kg），布放在水下41m處。水下浮標(biāo)上方還系有直徑為36英寸（91cm）的球形浮標(biāo)，并在水下浮標(biāo)和球形浮標(biāo)之間布放聲學(xué)傳感器，以保障淺水區(qū)域船舶航行安全。

1.3.5 臍帶系統(tǒng)

臍帶系統(tǒng)包括臍帶電纜、臍帶錨、臍帶浮標(biāo)、臍帶彎曲限制器。其中，臍帶電纜用于基陣電纜和基陣組件之間傳輸信號/動(dòng)力，位置在水下約380英尺（115.8m）；兩個(gè)臍帶浮標(biāo)均為復(fù)合泡沫塑料筒，直徑96英尺（29.3m），高64英尺（19.5m），凈浮力8000磅（3629kg）。臍帶浮標(biāo)和臍帶錨可保護(hù)臍帶電纜從水下幾十米處安全延伸至海底，通過定制的接口與海底的SL17基陣電纜連接；臍帶錨由成捆的鐵軌鋼和支架組成；臍帶彎曲限制器安裝在浮標(biāo)的下方，用于限制臍帶電纜在使用過程中的最小彎曲半徑。

2 東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場固定測量設(shè)施

2.1 地理位置及主要測量系統(tǒng)

東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場（SEAFAC）位于美國阿拉斯加州凱契根市西北約24km處的伯姆灣。伯姆灣南北長約96km，東西寬約5km，平均水深約100～120m，周圍被海島遮蔽，平均海洋背景噪聲在90dB左右，屬海洋性氣候，冬暖夏涼，海流平緩，潮差較小，且人為干擾小，具有得天獨(dú)厚的水聲測量環(huán)境。

東南阿拉斯加水聲測試場是美國海軍主要的潛艇信號測量試驗(yàn)場。1995年該試驗(yàn)場安裝了輻射能量信號采集系統(tǒng)（R ESAS），經(jīng)過十幾年的使用，采集系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)壽命期限，同時(shí)，為滿足潛艇裝備的更新?lián)Q代，水聲測試場從2003年開始進(jìn)行升級，2008年6月完成航測站的升級，由新的高增益測量系統(tǒng)代替了原有的輻射能量信號采集系統(tǒng)如圖4所示。SEAFAC高增益測量系統(tǒng)采用單點(diǎn)系泊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與大西洋水下測試與評估中心的基本相同。

圖4 SEAFAC高增益測量系統(tǒng)示意圖

2.2 SEAFAC高增益測量系統(tǒng)組成

SEAFAC高增益測量系統(tǒng)主要包括水下電纜系統(tǒng)和聲學(xué)測量系統(tǒng)兩部分。其中，水下電纜系統(tǒng)由臍帶電纜、接岸電纜錨和接岸電纜組成；聲學(xué)測量系統(tǒng)總長度341.4m，錨泊在水下約381m處，東、西兩個(gè)聲學(xué)測量系統(tǒng)之間相距約256m，從頂端到末端，分別由：浮標(biāo)、上立管、高頻基陣、高增益測量系統(tǒng)基陣、下立管、基陣錨六個(gè)部分組成。西側(cè)的聲學(xué)測量系統(tǒng)還包括兩個(gè)矢量傳感器陣（VSA），一個(gè)位于上立管，一個(gè)位于下立管。

2.3 SEAFAC高增益測量安裝

首先，用遙控潛器把原先的輻射能量信號采集系統(tǒng)基陣回收，移除與其相連接的部分接岸電纜。接岸電纜與新的跟蹤節(jié)點(diǎn)連接，重新部署，遠(yuǎn)離航道。清除干凈后，系泊船采用三點(diǎn)系泊裝置，確保基陣精確安裝到指定位置，同時(shí)確保臍帶的安裝與安全。安裝過程分為四個(gè)階段：首先安裝西側(cè)水下電纜，將其與岸基系統(tǒng)相連；之后安裝西側(cè)聲學(xué)測量系統(tǒng)，將其與水下電纜相連接；然后安裝東側(cè)水下電纜和東側(cè)聲學(xué)測量系統(tǒng)。

2.3.1 水下電纜鋪設(shè)

電纜從比姆水道（Behm Canal）設(shè)計(jì)好的地點(diǎn)一直鋪設(shè)到岸上。這個(gè)過程分為兩個(gè)階段，首先安裝西側(cè)電纜，再安裝東側(cè)電纜。利用電纜鋪設(shè)船和拖船安裝。

具體鋪設(shè)過程如下：首先將臍帶電纜一端連接的基陣由電纜鋪設(shè)船移動(dòng)到系泊船，并安全放置在一邊。然后電纜鋪設(shè)船開始緩慢向水中放出臍帶電纜，在此之前將浮標(biāo)和壓載物手工安裝到臍帶上，以構(gòu)造出正弦曲線的結(jié)構(gòu)。臍帶電纜安裝完成以后，用船上的起重機(jī)將接岸電纜錨移動(dòng)到船外，緩慢將接岸電纜錨放下，使其重力載荷施加到與之相連的SL12-SA電纜上。密切監(jiān)視SL12-SA電纜承受的張力，用絞盤向水中放出SL12-SA電纜直到接岸電纜錨精確放置在水下381米。

隨后利用實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合預(yù)設(shè)的安裝路線鋪設(shè)SL12-SA電纜，導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)兩艘拖船微調(diào)電纜鋪設(shè)船的航程，并監(jiān)視電纜絞盤放出電纜的速度。電纜鋪設(shè)的速度約為1節(jié)。

在電纜安裝過程中，潛水人員將引導(dǎo)接岸電纜的導(dǎo)索穿過一條管道（20世紀(jì)90年代建造試驗(yàn)場時(shí)已經(jīng)鋪設(shè)），當(dāng)導(dǎo)索抵達(dá)岸基陸上站點(diǎn)時(shí)，開始向水中放出接岸電纜，將其與導(dǎo)索相連。隨后，岸上的人員將接岸電纜從管道的另一端拉出，連接到岸基設(shè)施，然后檢驗(yàn)電纜的連通性。

2.3.2 聲學(xué)測量系統(tǒng)安裝

聲學(xué)測量系統(tǒng)安裝的基本過程是：安放下立管（包括基陣錨和下立管上的無指向性水聽器）-將臍帶電纜與高增益測量基陣，下立管、高頻基陣、矢量傳感器陣、上立管各組件連接，現(xiàn)場測試運(yùn)轉(zhuǎn)情況—布放高增益測量系統(tǒng)基陣—施放上立管—安裝浮標(biāo)。

在下立管安裝過程中，需要注意：由于安裝立管的過程中還要安裝無指向性水聽器，因此操作過程緩慢，當(dāng)岸基設(shè)施工作人員確定水聽器信號后，才能向下施放立管。此外，西側(cè)聲學(xué)測量系統(tǒng)還要安裝兩個(gè)矢量傳感器陣。矢量傳感器陣長約7.6m，與立管端點(diǎn)相距約1.2m。安裝矢量傳感器陣時(shí)，起重機(jī)將立管倒懸在空中，然后將其正放入水中。

高增益測量系統(tǒng)基陣的布放是整個(gè)系統(tǒng)安裝的關(guān)鍵，主要分為三個(gè)步驟。第一步：靠近高增益測量系統(tǒng)基陣下方的下立管吊耳和臍帶連接到船艏，上立管與起重機(jī)連接（連接點(diǎn)位于高頻基陣上方），兩連接位置點(diǎn)相距約24.4m；第二步：起重機(jī)上舉高增益測量系統(tǒng)基陣，按照定時(shí)程序，將高頻基陣和上立管舉起，同時(shí)液壓臺(tái)上升使高增益測量系統(tǒng)基陣垂直立起來；第三步：當(dāng)高增益測量系統(tǒng)基陣垂直豎立后，液壓臺(tái)回位。起重機(jī)將整個(gè)系統(tǒng)基陣舉起（包括基陣下部的繩索），起重機(jī)承受約9526kg重量的靜載荷，然后將整個(gè)系統(tǒng)放入水中。

高增益測量系統(tǒng)安裝后兩個(gè)月內(nèi)，海軍水面站中心卡迪洛克分部完成了系統(tǒng)驗(yàn)證，并對海狼級的“吉米·卡特”號潛艇（SSN-23）成功進(jìn)行了聲學(xué)測試。升級后的SEAFAC可以快速、便捷地探測到最安靜的潛艇。

3 對我國固定試驗(yàn)場測量設(shè)施設(shè)計(jì)安裝的啟示

3.1 固定式測量系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，美國潛艇聲學(xué)測量設(shè)施逐漸采用安裝在海底的固定式聲學(xué)測量系統(tǒng)代替水面船便攜式聲學(xué)測量陣對潛艇噪聲進(jìn)行測量，包括大西洋水下測試與評估中心、東南阿拉斯加試驗(yàn)場，都采用固定式的水下聲測量系統(tǒng)。

相對于便攜式測量系統(tǒng)，固定式測量系統(tǒng)的精度高，范圍廣，環(huán)境噪聲影響小，有利于潛艇聲學(xué)測試。但是固定式聲測量系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，需要在特定的試驗(yàn)場進(jìn)行測試，因此，美國海軍也在開發(fā)精度更高的便攜式聲學(xué)測量系統(tǒng)。

3.2 固定試驗(yàn)場升級和安裝的特點(diǎn)

3.2.1 結(jié)合新潛艇聲信號測試需要進(jìn)行升級

雖然原有設(shè)施的老化是試驗(yàn)設(shè)施升級的重要原因之一，但是為滿足新一代潛艇信號測試的需求才是美國固定式聲學(xué)測試場設(shè)施升級的迫切需要和主要原因。例如，升級以前，東南阿拉斯加聲學(xué)測試場只能夠測量“洛杉磯”和“俄亥俄”級潛艇，升級完成之后，可以利用新系統(tǒng)測試“海狼”和“弗吉尼亞”級潛艇。之前，由于天氣問題，測試一艘潛艇要持續(xù)3～4周時(shí)間，風(fēng)雨所產(chǎn)生的水面噪聲會(huì)干擾測量，而現(xiàn)在傳感器主要針對潛艇，測試只需一天，可以大大縮短潛艇測試周期。

3.2.2 先期策劃，為后續(xù)升級留有余量

東南阿拉斯加聲學(xué)測試場在20世紀(jì)90年代建造時(shí)就考慮了以后升級改造的問題，在沿岸地區(qū)額外鋪設(shè)了各種直徑大小的管道，便于接岸電纜與岸基設(shè)施的連接，這些管道在升級安裝過程中發(fā)揮了作用，節(jié)省了大量時(shí)間和成本。

此外，在安裝臍帶電纜時(shí)考慮了技術(shù)更新的需要，使臍帶電纜呈正弦曲線形狀，保證在技術(shù)更新時(shí)，可將高增益測量基陣?yán)鏊娑恍枰苿?dòng)其他設(shè)施，方便了日后的維修、更新工作。

[1]張竹彥，杜春貴，宋潔.國外聲納[M].714所、海司雷達(dá)聲納部，1983，671～713

[2]劉興章.美國潛艇水聲試驗(yàn)場現(xiàn)狀及啟示[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（2）：140～143.

[3] RS Chwaszczewski, Michael A Slater.Reinventing submarine signature measurements:installation of the high gain measurement system at SEAFAC.0-933957-38-1 2009MTS

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.011

曹穎，工程師，主要從事科研管理工作。