美國(guó)海軍航空吊放聲納技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

金立峰 鄧歌明

【摘要】航空吊放聲納是反潛直升機(jī)上裝備的重要搜潛設(shè)備。介紹了美國(guó)海軍的航空吊放聲納發(fā)展情況，分析了其主要技術(shù)特點(diǎn)和未來發(fā)展方向，對(duì)發(fā)展我國(guó)航空吊放聲納有很好的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】航空反潛;吊放聲納;發(fā)展

Abstract：Dipping sonar is an important device equipped on antisubmarine helicopter. The development situation of US Navy dipping sonar is introduced，and the main technical features and development trend are analyzed，which can be used for reference by our country.

Key Words：Aviation antisubmarine;Dipping sonar;Development

1.引言

聲納出現(xiàn)的歷史已近百年，美國(guó)于上世紀(jì)40年代末首先使用吊放聲納，AN/AQS-1型航空吊放聲納是第一個(gè)投入使用的軍用裝備[1]。由于航空吊放聲納是裝備在反潛直升飛機(jī)上的，設(shè)備工作時(shí)受平臺(tái)的噪聲影響比較小，與水面艦艇或潛艇用聲納相比較，想獲得同樣的探測(cè)效果僅需要較小的聲納基陣就能實(shí)現(xiàn)，且潛艇缺少有效地與飛機(jī)對(duì)抗的手段，加之反潛機(jī)的速度要遠(yuǎn)大于潛艇航速，所以，在航空反潛作戰(zhàn)中，飛機(jī)對(duì)潛艇一直處在絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的地位。

戰(zhàn)后，潛艇技/戰(zhàn)術(shù)水平不斷發(fā)展，特別是核動(dòng)力潛艇的不斷裝備和發(fā)展，要求與之斗爭(zhēng)的反潛兵力必須具備更高的搜索速度和作戰(zhàn)效率，因此，航空反潛的地位更加突出，已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家最重要、最有效的反潛手段之一。航空吊放聲納是反潛直升機(jī)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行搜索、定位、識(shí)別、跟蹤的最重要手段。

2.美國(guó)海軍航空吊放聲納發(fā)展概況

吊放聲納是海軍反潛直升機(jī)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的重要裝備，主要用于對(duì)潛艇的搜索、定位、識(shí)別及跟蹤。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了巨大的技術(shù)變革，隨著新技術(shù)、新元件的不斷應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，其性能得到不斷的完善和提高。美軍是西方國(guó)家軍隊(duì)中現(xiàn)代化程度最高的，擁有世界上最大規(guī)模的航空反潛兵力和現(xiàn)代化的航空聲納設(shè)備[2]，已裝備和研制的航空吊放聲納主要型號(hào)有AN/AQS-13系列、AN/AQS-22和HELRAS吊放聲納。

2.1 AN/AQS-13吊放聲納

美軍早期使用過的反潛直升機(jī)主要有海王、海妖等，海王直升機(jī)機(jī)身較大，同時(shí)裝備有吊放聲納和聲納浮標(biāo)，后者因機(jī)型較小，只裝備浮標(biāo)聲納 [3]。上世紀(jì)六十年代，美海軍主要裝備的是AN/AQS-13A/B吊放聲納，裝備對(duì)象為SH-3A/H反潛直升機(jī)，到了八十年代，將其升級(jí)為AN/AQS-13F，主要裝備對(duì)象為SH-60F海鷹直升機(jī)，它是一種輕型機(jī)載多用途（LAMPS）直升機(jī)系統(tǒng)，既裝有吊放聲納也裝聲納浮標(biāo)和磁探儀，其主要作戰(zhàn)任務(wù)是為航母編隊(duì)提供對(duì)潛警戒和防護(hù)。

AN/AQS-13A吊放聲納是13型的第一次改進(jìn)型。整機(jī)除裝有發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、顯示器、羅盤跟蹤系統(tǒng)、聲納探頭、液壓絞車、吊放電纜外，還有活動(dòng)目標(biāo)指示和紙帶式多用途記錄儀（記錄溫深曲線和距離）。聲納探頭包括一個(gè)圓柱形全向發(fā)射換能器，還有一個(gè)由16個(gè)水聽器構(gòu)成的圓形接收陣。在探頭內(nèi)還裝有前置放大器、波束形成網(wǎng)絡(luò)、輸出放大器、時(shí)變?cè)鲆婵刂齐娐?、海水深度溫度傳感器、磁羅盤以及伺服控制系統(tǒng)、機(jī)內(nèi)測(cè)試電路等。采用主/被動(dòng)工作方式，最大作用距離18km，電纜長(zhǎng)度150m，總重量282kg。

AN/AQS-13F型吊放聲納是AQS-13系列中技術(shù)最先進(jìn)的一型。其研制計(jì)劃始于1982年，主要是為了裝備執(zhí)行航母“內(nèi)區(qū)”反潛任務(wù)的SH-60F反潛直升機(jī)[4]。AN/AQS-13F由AN/AQS-13B演變而來，主要采用了全數(shù)字自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)（聲納數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)SDC），使其重量和尺寸大為減小，是一部探測(cè)距離遠(yuǎn)、搜索頻率低、可主被動(dòng)聯(lián)合搜索的吊放聲納。其特點(diǎn)主要有：

（1）換能器采用收發(fā)分置方式，使部件設(shè)計(jì)最優(yōu)化，在提高作用距離的同時(shí)，還提升了被動(dòng)監(jiān)聽的工作效能。

（2）改進(jìn)了絞車系統(tǒng)，使收放更加迅速，提升了作戰(zhàn)效率。

（3）水下探頭采用流體動(dòng)力外形設(shè)計(jì)，水下工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。

（4）數(shù)據(jù)為全數(shù)字形式，采用單芯電纜傳輸，實(shí)現(xiàn)電纜輕量化;增加了吊纜長(zhǎng)度，能夠更好的利用良好水文條件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)。

（5）采用長(zhǎng)脈沖APS方式增加發(fā)射功率，結(jié)合窄帶分析，提升深水典型非混響條件下的品質(zhì)系數(shù)。

2.2 AN/AQS-22吊放聲納

AN/AQS-22吊放聲納是由法國(guó)的FLASH聲納與美國(guó)的UYS/2處理機(jī)共同構(gòu)成的。其接收陣由12臂24桿組成，液壓驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展方式，可形成24個(gè)波束;系統(tǒng)總重217 kg，探頭重80kg，吊放電纜長(zhǎng)773 m，直徑6.6 mm，重65 kg，絞車重72 kg，最大工作深度700 m，最大起吊速度達(dá)10 m/s，可顯著縮短大深度作業(yè)時(shí)的收放時(shí)間。該聲納有五個(gè)工作頻率，工作頻段為3.5～5.5kHz。發(fā)射波形包括CW、LFM、HFM及其組合方式，采用脈沖加窗和功率控制技術(shù)可以優(yōu)化探測(cè)性能。當(dāng)采用低頻大帶寬的FM方式工作時(shí)，能提升淺海強(qiáng)混響條件下對(duì)低速目標(biāo)的檢測(cè)效果。由于海水和空氣的聲傳播特性不同，加之接收器的指向性設(shè)計(jì)，聲納對(duì)直升機(jī)旋翼噪聲具有較強(qiáng)的垂直抑制能力。此外，增強(qiáng)型的模塊化信號(hào)處理機(jī)除了吊放聲納信號(hào)外還具有對(duì)8～16枚聲納浮標(biāo)的信號(hào)處理能力?？梢酝瓿蓪?duì)潛探測(cè)、定位、識(shí)別、跟蹤等功能。

2.3 HELRAS吊放聲納

HELRAS聲納是由美國(guó)L3公司開發(fā)的一種極具代表性的低頻吊放聲納。水下分機(jī)采用了分置式換能器基陣。接收陣包括8個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展臂，當(dāng)其完全展開時(shí)，直徑為2.6m，發(fā)射陣包括8個(gè)發(fā)射單元，可由中部下降形成5.2m長(zhǎng)的垂直擴(kuò)展陣。聲波發(fā)射時(shí)，水平方向?yàn)槿虬l(fā)射，垂直方向的聲波出射角在±15°之間。最大工作深度550m，水下分機(jī)的下降速度2.1m/s，上升速度4.6 m/s，工作頻率1.31～1.45kHz。經(jīng)深水試驗(yàn)表明，該聲納的最大探測(cè)距離超過了第一匯聚區(qū)，最大達(dá)到了60nmile[5]。換能器在垂直方向以小出射角發(fā)射聲波，可減小界面反射干擾。接收陣對(duì)遠(yuǎn)距離回波也具有較高指向性，可提供高靈敏度的目標(biāo)檢測(cè)。采用了多卜勒濾波、乒—乒分析、空—時(shí)脈沖長(zhǎng)度分析等技術(shù)，發(fā)射聲波時(shí)選擇合適的波形抑制混響，來滿足淺海工作需求。采用高分辨率的多普勒脈沖成形處理技術(shù)，可對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

雖然美軍沒有采購HELRAS聲納，但該型聲納己在歐洲的一些國(guó)家得到應(yīng)用，1998年12月，意大利海軍購買了10套HELRAS聲納，用于裝備EH-101反潛直升機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)擁有較強(qiáng)的探測(cè)能力，缺點(diǎn)是重量和尺寸較大。其特點(diǎn)主要有：

（1）發(fā)射頻率低，功率大，具有深海匯聚區(qū)工作能力，可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的探測(cè)距離。

（2）垂直發(fā)射線陣長(zhǎng)5.2m，由8個(gè)大功率彎曲圓盤串聯(lián)構(gòu)成，可保證良好的發(fā)射指向性和較高聲源級(jí)。

（3）可擴(kuò)展的大孔徑接收陣。

（4）絞車收放水下分機(jī)速度快，縮短了大深度收放時(shí)間，提升搜潛作戰(zhàn)效率。

3.技術(shù)發(fā)展分析

現(xiàn)代潛艇具有潛深大、噪聲低、速度快、隱身性好等特點(diǎn)，相應(yīng)的，航空吊放聲納技術(shù)也得到了較快發(fā)展，其中采用低頻遠(yuǎn)距離探測(cè)、擴(kuò)展陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多基地聯(lián)合探測(cè)、滿足多樣化任務(wù)需求[6]是主要的發(fā)展方向。

3.1 采用較低發(fā)射頻率，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)

無論是吊放聲納還是聲納浮標(biāo)，采用低頻探測(cè)都是共同的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)代潛艇雖然采取了很多降噪措施，但降低的噪聲能量主要集中在中、高頻段，而在低頻段仍有相當(dāng)大的噪聲殘留;同時(shí)，消聲瓦對(duì)中、高頻主動(dòng)探測(cè)聲波的吸收作用比較好，對(duì)低頻聲信號(hào)的吸收效果較弱，目標(biāo)反射強(qiáng)度仍然較大。所以發(fā)射頻率低頻化是未來吊放聲納發(fā)展的一個(gè)重要方向。

吊放聲納的低頻化要求換能器基陣的尺寸變大，而反潛直升機(jī)由于自身空間及載重限制，必須嚴(yán)格控制聲納系統(tǒng)的尺寸和重量，對(duì)換能器基陣的尺寸要求更高。目前，解決這一矛盾的有效方法是采用可收放的擴(kuò)展陣設(shè)計(jì)。

3.2 采用擴(kuò)展陣結(jié)構(gòu)，提升換能器工作效能

“濕端”采用可擴(kuò)展陣結(jié)構(gòu)，收放時(shí)能夠安全進(jìn)出載機(jī)喇叭口，工作時(shí)擴(kuò)大聲孔徑，獲得更大的基陣增益。以HELRAS聲納為例：

3.2.1 擴(kuò)展接收陣

HELRAS吊放聲納的擴(kuò)展陣采用上下分置方式，上部為接收陣，下部為發(fā)射陣，擴(kuò)展臂的長(zhǎng)度決定了擴(kuò)展后的接收陣直徑。其擴(kuò)展陣直徑增至2.6m，從而使工作頻率降至1.3 kHz。

隨著技術(shù)的不斷提高，吊放聲納擴(kuò)展陣的臂數(shù)也在逐漸增加。HELRAS吊放聲納擴(kuò)展陣的臂數(shù)比AQS-22聲納多出了1/3，達(dá)到16個(gè)。擴(kuò)展臂長(zhǎng)度越長(zhǎng)，數(shù)量越多，對(duì)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展陣的動(dòng)力需求也越高。由電機(jī)提供擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)多臂大陣來說已無法滿足要求，現(xiàn)多采用液壓驅(qū)動(dòng)。

3.2.2 擴(kuò)展發(fā)射陣

HELRAS吊放聲納的發(fā)射擴(kuò)展陣由八個(gè)彎曲圓盤構(gòu)成，陣長(zhǎng)5.2m。每個(gè)發(fā)射換能器由雙層彎曲陶瓷圓盤組成，之間有壓力補(bǔ)償裝置，并用聚胺脂包覆，通過連接索收攏到探頭內(nèi)的存放艙中。其換能器單元的聲源級(jí)為201dB，組陣后功率增加9dB，加上指向性增益的9dB，聲納工作的總聲源級(jí)可達(dá)219dB，由此可見，采用擴(kuò)展陣對(duì)水下分機(jī)工作效果的提升是非常明顯的。

3.3 采用多基地聯(lián)合探測(cè)，實(shí)現(xiàn)大范圍搜索[7]

多基地探測(cè)時(shí)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用收發(fā)分置的工作方式，聲納在探測(cè)時(shí)具有很大的靈活性，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是主動(dòng)方式下受混響的影響比較小;二是可以實(shí)現(xiàn)大范圍搜索?；祉懯怯陕暭{換能器主動(dòng)發(fā)射聲波造成的，由于收發(fā)分置，多基地探測(cè)時(shí)接收機(jī)受混響的影響比較小;由于接收機(jī)遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)，所以探測(cè)時(shí)不易被目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，使其難以進(jìn)行有效地規(guī)避和對(duì)抗。在較大范圍內(nèi)布置多個(gè)接收傳感器，可以達(dá)到擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高搜索效率的目的。

3.4 采用多傳感器技術(shù)，更好掌握水下分機(jī)工作狀況

使用多種傳感器對(duì)水下分機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，主要包括溫深傳感器、傾斜傳感器、漏水傳感器、羅盤方位傳感器、碰撞傳感器等，以便更好的掌握和控制換能器的工作狀況，提升設(shè)備的整體探測(cè)效能。

4.結(jié)束語

本文通過對(duì)美國(guó)海軍裝備的幾型航空吊放聲納進(jìn)行比對(duì)分析，總結(jié)了其技術(shù)特點(diǎn)及未來的發(fā)展方向，概要的講，就是要向輕量化、小型化、低頻率、遠(yuǎn)距離、多功能、高可靠性等方向發(fā)展。由于潛艇的性能日益增強(qiáng)，對(duì)航空反潛的要求也越來越高，機(jī)載吊放聲納作為反潛直升機(jī)對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的主要裝備，正受到越來越多的關(guān)注。研究分析美軍吊放聲納技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，對(duì)提升我國(guó)聲納裝備水平有積極的促進(jìn)作用。

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作者簡(jiǎn)介：

金立峰（1979—），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：航空反潛。

鄧歌明（1967—），男，大學(xué)本科，副教授，主要研究方向：航空反潛。