潛艇聲納的裝備技術(shù)與發(fā)展*

柳志忠

(海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室　葫蘆島　125004)

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潛艇聲納的裝備技術(shù)與發(fā)展*

柳志忠

(海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室葫蘆島125004)

摘要裝備在潛艇上的聲納是用于對水面艦艇、潛艇和其他水中目標(biāo)進(jìn)行搜索、識別、跟蹤和水聲通信等。最后論述了艦艇聲納技術(shù)的發(fā)展動向與分析。

關(guān)鍵詞潛艇聲納； 發(fā)展趨勢

Class NumberTN97

1引言

裝備在潛艇上的聲納是用于對水面艦艇、潛艇和其他水中目標(biāo)進(jìn)行搜索、識別、跟蹤和水聲通信等。核動力攻擊潛艇裝備的聲納種類繁多，性能優(yōu)良，有的裝備各種聲納達(dá)15部左右。核動力戰(zhàn)略導(dǎo)彈潛艇和常規(guī)動力攻擊潛艇裝備聲納5～10部。本文就潛艇聲納技術(shù)、發(fā)展動向、發(fā)展分析等，作進(jìn)一步的研究和探討[1]。

2潛艇聲納技術(shù)

潛艇聲納技術(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，探測水雷，水下導(dǎo)航，水中目標(biāo)識別，聲納偵察與對抗等方面[2]。

2.1潛艇聲納的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 多站系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代潛艇大多按多站系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置各型聲納和水聲測量設(shè)備。典型的潛艇聲納系統(tǒng)由警戒聲納、攻擊聲納、探雷聲納、通信聲納、識別聲納、被動測距聲納、環(huán)境噪聲記錄分析儀、聲速測量儀、聲線軌跡儀和有關(guān)計(jì)算機(jī)設(shè)備等組成。有的系統(tǒng)還包括一部拖曳線列陣聲納。系統(tǒng)內(nèi)各聲納之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，有的幾部聲納共用一個換能器基陣或某些信號處理部件，或共同配合完成一項(xiàng)任務(wù)。有的多站系統(tǒng)還配置集中顯示和操縱的顯控臺。多站聲納系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是信息綜合性強(qiáng)，便于集中控制，各站功能互相配合。

2) 采用貼鑲式。現(xiàn)代潛艇聲納的換能器基陣多采用貼鑲式，布設(shè)在艇殼表面，如在艇首外殼布設(shè)馬蹄形陣，或沿整個舷側(cè)或耐壓殼體上部布設(shè)線列陣。貼鑲式基陣不破壞艇體線型，不占據(jù)艇內(nèi)空間位置，能爭取到較大的基陣尺寸，提高基陣性能。

3) 考慮隱蔽性。為保潛持艇的隱蔽性，潛艇聲納系統(tǒng)在大多數(shù)情況下，以被動工作方式對水中目標(biāo)進(jìn)行警戒、探測、跟蹤、識別和定位。只是在魚雷射擊前，以主動方式對水中目標(biāo)定位，為魚雷武器射擊指揮系統(tǒng)提供目標(biāo)精確坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4) 工作方式?，F(xiàn)代潛艇聲納一般都能選擇利用直達(dá)聲、海底反射聲和深海聲道三種水聲傳播途徑進(jìn)行工作。

2.2潛艇聲納特點(diǎn)

1) 采用低的工作頻率，主動式工作頻率的典型值為3kHz～3.5kHz，被動式0.5kHz～3kHz；加大發(fā)射功率，最高已達(dá)1MW；加大換能器基陣尺寸，裝在潛艇首部的大型球形陣直徑已接近5m，貼鑲在潛艇舷側(cè)的線列陣長達(dá)60m左右，潛艇拖曳線列陣長度在百米以上。

2) 使用可作垂直波束掃描的換能器基陣，能選擇利用三種傳播途徑；采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)，其中最重要的有多波束形成，時間壓縮相關(guān)接收，分波束相關(guān)定向，高分辨力譜估計(jì)和線譜檢測等。

3) 采用集成電路和微型組件，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。普遍采用數(shù)字計(jì)算機(jī)和微處理器，進(jìn)行信號處理和全系統(tǒng)的控制和監(jiān)視，使提取和綜合信息的數(shù)量和質(zhì)量大幅度提高，操縱控制和檢修更為方便。

2.3潛艇作戰(zhàn)聲吶的裝備

潛艇作戰(zhàn)聲吶的裝備包括：艏部聲納、拖曳線列陣聲納、舷側(cè)陣聲納。

1) 艏部聲納。艏部聲吶是中高頻：舷側(cè)陣是中頻或偏低一些，探測距離一般在十幾到幾十千米；拖曳陣是低頻和甚低頻，探測距離一般在一二百千米。只有艏部聲吶是主動工作方式，另兩種目前都是被動方式。

2) 舷側(cè)陣聲吶。舷側(cè)陣聲吶目前多為每舷側(cè)三塊陣。理論上，同樣的潛艇舷側(cè)長度，同樣的換能器數(shù)量，分成越多小塊探測精度越好，但這帶來兩大問題。一是聲吶接收窗口的尺寸是按無線電的半波理論設(shè)計(jì)的，聲吶窗口越大越能接收更低頻的聲信號，探測距離就越遠(yuǎn)。舷側(cè)陣聲吶如果分成4塊、5塊、6塊，窗口越來越小，探測距離就減小了。二是舷側(cè)陣塊數(shù)越多，艇上計(jì)算機(jī)的負(fù)荷就越重。所有艦船上的聲吶計(jì)算機(jī)，最復(fù)雜的就是潛艇的。

現(xiàn)在各國在研的共形聲吶和艇體外表面形狀一樣，實(shí)際上就是把舷側(cè)陣聲吶分成眾多的小陣，探測精度達(dá)到最大化，但它又是整體一塊，相當(dāng)于一個大聲吶窗口，因此又能接收頻率很低的聲信號，效果很理想，但對計(jì)算機(jī)要求很高。

3) 拖曳線列陣聲吶。拖曳聲納一般長1km～2km，它并不是水平漂浮的，而是斜向下深入500m左右拖曳聲納的水中，也就是潛艇所能達(dá)到的深度，以避開溫躍層、鹽躍層的限制更好地監(jiān)聽周邊環(huán)境噪音；拖曳聲納的探測范圍最大可以到100多海里，但其探測范圍是幾個寬幾海里的圓環(huán)，而不是一整個圓面，所以潛艇在這個范圍內(nèi)仍然有足夠的隱蔽空間。

3發(fā)展動向

1) 加拿大康斯貝格·米設(shè)公司發(fā)布新型多頻迷你聲納頭。美國《今日海軍》網(wǎng)站2013年2月27日報道：康斯貝格·米設(shè)公司(Kongsberg Mesotech)發(fā)布1171系列多頻迷你聲納頭。該聲納頭非常適用于觀察、檢查和輕量工作級遙控潛水器。該聲納頭探采用新型電子技術(shù)，提高了圖像質(zhì)量[3]。

其特征如下：輕小型化；多頻運(yùn)行，增加了探測距離，提高了圖像分辨率；采用線性調(diào)頻脈沖技術(shù)，提高了距離分辨率，可區(qū)分遠(yuǎn)距范圍內(nèi)十分靠近的目標(biāo)： 降低了系統(tǒng)功耗。

該聲納頭的運(yùn)行頻率可以預(yù)置為625kHz、675kHz、750kHz或800kHz，或者設(shè)為調(diào)諧模式，使頻率按5kHz的增量變化。

公司還發(fā)布了MS 1000聲納處理軟件的新版本5.21。該軟件用于支持上述多頻迷你聲納頭的頻率選擇和調(diào)諧功能。該軟件可根據(jù)所選頻率自動設(shè)置時變增益(TVG)，并根據(jù)所選距離自動設(shè)置工作頻率。這將使用戶通過最小的輸入量即可獲得最佳數(shù)據(jù)。

2) 美反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人艇裝備模塊化可擴(kuò)展聲納，可增強(qiáng)跟蹤能力。簡氏防務(wù)周刊網(wǎng)2013年4月5日報道：雷聲公司開發(fā)的水下戰(zhàn)用模塊化可擴(kuò)展聲納系統(tǒng)已被選定裝備科學(xué)應(yīng)用國際公司(SAIC)的反潛持續(xù)跟蹤無人艇(ACTUV)[4]。

3月27日，雷聲公司綜合防御系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理向簡氏周刊表示：“雷聲公司、科學(xué)應(yīng)用國際公司和美國國防高級研究計(jì)劃局正在共同努力提升反潛持續(xù)跟蹤無人艇的能力，并有望過渡成一個海軍項(xiàng)目?！?/p>

3) Kraken公司與美國海軍水下作戰(zhàn)中心合作完成新型聲納測試。法國《航宇防務(wù)》2013年5月22日報道：Kraken聲納系統(tǒng)公司宣布與美國海軍水下作戰(zhàn)中心(NUWC)的聲納合作研發(fā)測試項(xiàng)目在羅德島紐波特取得圓滿成功[5]。

NUWC紐波特分部是美國海軍水下作戰(zhàn)中心的兩個分部之一，其任務(wù)是為潛艇、水下無人系統(tǒng)以及水下攻擊和防御武器系統(tǒng)提供研究、開發(fā)、測試、評估、工程實(shí)現(xiàn)和保障提供支持。

2012年10月，NUWC紐波特分部與Kraken公司達(dá)成合作研發(fā)協(xié)議，以評估Kraken公司研制、搭載在海軍水下作戰(zhàn)中心REMUS 600型無人水下航行器(AUV)上的AquaPix型干涉合成孔徑聲納(InSAS)的有效性。

通過26項(xiàng)AUV搭載執(zhí)行的測試任務(wù)，NUWC和 Kraken公司收集了在納拉甘西特灣和布洛克島試驗(yàn)場對陣雙方的干涉合成孔徑聲納關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

Kraken公司的AquaPix型干涉合成孔徑聲納的傳感器可在200m范圍內(nèi)獲得高分辨率的探測影像。該型聲納獲取的海底地形數(shù)據(jù)與獨(dú)立的水深測量數(shù)據(jù)相比毫不遜色，測試結(jié)果表明用REMUS 600型AUV搭載的AquaPix型干涉合成孔徑聲納傳感器具有大范圍的高分辨率和水深適應(yīng)性。

Kraken公司董事長兼CEO肯尼稱，與海軍水下作戰(zhàn)中心的合作研發(fā)測試項(xiàng)目是對AquaPix聲納的一次重要考驗(yàn)。通過這次演示，該系統(tǒng)證明了其技術(shù)的成熟性。測試結(jié)果將提升該聲納系統(tǒng)客戶的信心。

Kraken公司的AquaPix型干涉合成孔徑聲納提供了遠(yuǎn)高于常規(guī)側(cè)聲納的分辨率和探測范圍。合成孔徑聲納取代了傳統(tǒng)聲納復(fù)雜的信號處理軟件和硬件，其原理是將傳感器陣列進(jìn)行“綜合”，利用小孔徑基陣的移動來獲得移動方向(方位方向)上大的合成孔徑，從而得到方位方向的高分辨力，其“有效長度”比實(shí)際的“物理長度”要長25倍。

Kraken公司的AquaPix聲納在200m范圍內(nèi)的成像分辨率可達(dá)3cm。另外，干涉型合成孔徑聲納還能夠同時提供3D海底地形，以建立精確的數(shù)字地形模型。AquaPix型干涉合成孔徑聲納獲得精確探測數(shù)據(jù)的能力超過了IHO S44規(guī)定的特殊訂貨要求。

4) 英國計(jì)劃對2093型聲納進(jìn)行寬帶升級。簡氏防務(wù)2014年10月10日報道：據(jù)英國國防部稱，英國海軍“桑當(dāng)”級掃雷艦將接收增強(qiáng)型2093聲納，該型聲納是一款可變深度獵雷聲納，同時具備寬帶能力。2093型聲納由泰雷茲英國公司開發(fā)與制造，是一款多頻可變深聲納系統(tǒng)，具備對水下200m的目標(biāo)進(jìn)行搜索、識別的能力。該系統(tǒng)將裝備全部七艘現(xiàn)役的桑當(dāng)級掃雷艦[6]。

9月7日，國防部裝備與保障總署透露(DE&S)，將與泰雷茲英國公司簽署一項(xiàng)合同，該合同關(guān)于2093型聲納能力保障計(jì)劃(CSP)。在該計(jì)劃框架內(nèi)，泰雷茲英國公司將負(fù)責(zé)一項(xiàng)設(shè)備改造的設(shè)計(jì)、制造和裝配工作，把寬帶技術(shù)應(yīng)用到2093型聲納。2193型艦殼獵雷聲納已經(jīng)在“亨特”級掃雷艦上完成安裝，寬帶脈沖壓縮技術(shù)能夠遠(yuǎn)距離探測、識別低回波信號強(qiáng)度的水雷目標(biāo)。

在CSP中，2093型聲納將用類似的技術(shù)進(jìn)行升級。據(jù)DE&S頒布的消息稱，這次改造將更換絕大部分拖曳陣上的換能器陣列為寬帶換能器，支持處理流程卡片、相關(guān)軟件和泰雷茲公司專用項(xiàng)目也會做相應(yīng)地更改。

2093型聲納系統(tǒng)將裝備七艘桑當(dāng)級掃雷艦，同時，泰雷茲英國公司還將提供岸基培訓(xùn)和工業(yè)參考設(shè)備。此外，該公司將負(fù)責(zé)確保交付的系統(tǒng)能夠被歸入現(xiàn)有的2093型聲納全壽期保障合同后期驗(yàn)收。

泰雷茲公司預(yù)計(jì)將在2014年底以前接收2093型聲納CSP合同，2018年進(jìn)行首次安裝。該項(xiàng)目周期為60個月，合同金額3200萬英鎊(約合5140萬美元)。

除英國外，2093型聲納還在下列國家服役或準(zhǔn)服役，這些國家包括澳大利亞、愛沙尼亞、意大利、日本、沙特阿拉伯、韓國和土耳其。預(yù)計(jì)泰雷茲公司將為現(xiàn)有的2093型聲納用戶提供寬帶升級。

5) 歐度公司推出可靠接口，可在雷達(dá)、聲納及其他惡劣環(huán)境下使用。軍事宇航網(wǎng)2015年1月19日報道：德國歐度(ODU)公司美國分部推出了插拔式圓形接口，該接口可在惡劣環(huán)境下應(yīng)用，可用于軍用無線電、雷達(dá)、潛艇聲納等[7]。

該插拔式接口的金屬外殼能夠承受數(shù)千次插拔，鎖扣系統(tǒng)確保連接安全。

若要斷開接口，須將外套筒向后拉，因此可防止接口意外斷開。接口同時具備IP68防水能力，在難以接觸的空間進(jìn)行盲插的能力以及機(jī)器人連接能力。

6) 洛·馬公司為美國海軍生產(chǎn)TB-37水面艦聲納。軍事與航空航天電子學(xué)網(wǎng)站2015年5月21日報道：美國海軍反潛戰(zhàn)專家訂購水面艦拖曳聲納系統(tǒng)，屆時水面艦將能夠探測和攻擊敵方位于不同深度的安靜型潛艇[8]。

海上系統(tǒng)司令部的官員授予洛·馬公司任務(wù)系統(tǒng)與訓(xùn)練分部一項(xiàng)價值2730萬美元的合同，生產(chǎn)七套TB-37多功能拖曳線列陣聲納系統(tǒng)。

TB-37拖曳線列陣聲納是AN/SQQ-89(V)綜合聲納系統(tǒng)的一部分，屬于主/被動拖曳線列陣，陣列直徑為3英寸。TB-37拖曳線列陣聲納搭載于阿利·伯克級驅(qū)逐艦、提康德羅加級巡洋艦，近海戰(zhàn)斗艦和朱姆沃爾特級對陸攻擊驅(qū)逐艦。

TB-37拖曳線列陣聲納幫助水面艦艇探測、定位和攻擊敵方潛艇。洛·馬公司正在與L3切薩皮克科學(xué)公司商討TB-37的合作事宜。

TB-37拖曳線列陣聲納兼具主被動模式，在被動模式下工作，只是對敵方潛艇進(jìn)行監(jiān)聽；主動模式可發(fā)射聲波，探測敵方潛艇的回聲。

合同要求洛·馬公司提供TB-37聲納的產(chǎn)品組件、拖曳電纜、光電滑環(huán)、錐管、運(yùn)輸和工程服務(wù)。

TB-37拖曳線列陣聲納可變深工作，使水面艦艇探測和定位躲避在不同溫鹽層的敵方潛艇，不同的海洋層有時可以使聲信號發(fā)生彎曲，使聲納探測不到潛艇目標(biāo)。

TB-37拖曳線列陣聲納是下一代主/被動聲納，針對AN/SQR-19拖曳線列陣聲納進(jìn)行了幾點(diǎn)改進(jìn)，擴(kuò)大了探測范圍、提高了聲納性能和可靠性。

TB-37拖曳線列陣聲納顯著提高了水面艦艇探測、定位海底威脅的能力，是關(guān)鍵的聲納組件。

TB-37拖曳線列陣聲納將裝備于美國海軍，也將向日本政府出售。預(yù)計(jì)2017年2月洛·馬公司將會完成生產(chǎn)合同。

7) 挪威康士伯公司推出第三代高精度聲納定位系統(tǒng)HiPAP 502。合眾國際社和康士伯公司網(wǎng)站2015年12月2日報道：挪威康士伯公司的第三代高精度聲納定位和導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已面世[9]。

該公司表示，新的高精度聲納定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，也稱HiPAP 502，比早期型號更小、更輕、更持久、更精準(zhǔn)，確立了水下定位參考系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)。

第三代HiPAP采用更小巧的收發(fā)器，封裝在不銹鋼中，在暖熱環(huán)境下無需額外進(jìn)行制冷。新型低功率收發(fā)器線路板，可提供更好的濾波和信號處理能力，使靈敏度提升5dB～6dB。隨著靈敏度的增加，應(yīng)答器的源電平變低，電池可以使用更久。康士伯公司還表示，HiPAP 502的精準(zhǔn)度為100%，能夠達(dá)到16404英尺(約合5000m)的作用距離。

該產(chǎn)品可以支持科考船只的海外作業(yè)。

康士伯公司于1996年推出第一代HiPAP 500，隨后在2007年推出了HiPAP 501。

4發(fā)展分析

潛艇聲納技術(shù)的發(fā)展趨勢：主動拖曳列陣、拖曳變深聲納、被動測距聲納[10]。

1) 發(fā)展主動拖曳列陣。發(fā)展具有主動工作功能的拖曳列陣，實(shí)現(xiàn)主動探測遠(yuǎn)程目標(biāo)和遠(yuǎn)程水聲通信；運(yùn)用線譜檢測技術(shù)，檢測潛艇低頻線譜，進(jìn)一步增大作用距離和提高對目標(biāo)的被動識別能力；合理選擇基陣尺度，以減少拖曳時的動水噪聲；設(shè)計(jì)良好的控制裝置，使長線列陣在被拖曳過程中保持直線，并穩(wěn)定在設(shè)定的深度上；進(jìn)一步發(fā)展光纖拖纜和光纖水聽器拖曳線列陣。

2) 發(fā)展拖曳變深聲納。為擴(kuò)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。這種陣列聲納拖于航行中的艦艇后面，艦艇上安裝的設(shè)備對來自水聽器陣列的信號進(jìn)行前置調(diào)節(jié)、處理和終端顯示，進(jìn)而將水下探測信息經(jīng)衛(wèi)星發(fā)往岸上設(shè)備，與其它數(shù)據(jù)一起進(jìn)行綜合分析。

3) 發(fā)展被動測距聲納。研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。

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)，使得短距離主動聲納已不能滿足探測潛艇的要求，繼而研發(fā)低頻和大孔徑聲納，采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動探測和識別。在未來海戰(zhàn)和信息化戰(zhàn)中，聲納及綜合聲納系統(tǒng)將扮演越來越重要的角色[11]。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 榮海洋.潛艇戰(zhàn)術(shù)學(xué)[M].北京:軍事科學(xué)出版社,2002:228-237.

[2] 朱成海,蔡云祥.潛艇規(guī)避被動非定向聲吶浮標(biāo)搜索方法研究[J].聲學(xué)與電子工程,2009(1):31-33.

[3] 加拿大康斯貝格·米設(shè)公司發(fā)布新型多頻迷你聲納頭[N].每日防務(wù)快訊,2013-03-01.

[4] 美反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人艇裝備模塊化可擴(kuò)展聲納，可增強(qiáng)跟蹤能力[N].每日防務(wù)快訊,2013-04-09.

[5] Kraken公司與美國海軍水下作戰(zhàn)中心合作完成新型聲納測試[N].每日防務(wù)快訊，2013-05-29.

[6] 英國計(jì)劃對2093型聲納進(jìn)行寬帶升級[N].每日防務(wù)快訊，2014-10-21.

[7] 歐度公司推出可靠接口，可在雷達(dá)、聲納及其他惡劣環(huán)境下使用[N].每日防務(wù)快訊，2015-01-27.

[8] 洛·馬公司為美國海軍生產(chǎn)TB-37水面艦聲納[N].每日防務(wù)快訊，2015-06-02.

[9] 挪威康士伯公司推出第三代高精度聲納定位系統(tǒng)HiPAP 502[N].每日防務(wù)快訊，2015-12-09.

[10] 孫明太,劉海光,吳杰,等.潛艇對抗反潛巡邏機(jī)作戰(zhàn)方法綜述[J].電光與控制,2015,22(6):1-5.

[11] 趙伊娜.潛艇基于信息干擾技術(shù)對抗P-3C的可行性研究[D].青島:海軍潛艇學(xué)院,2013.

收稿日期：2016年1月6日,修回日期：2016年2月26日

作者簡介：柳志忠，男，高級工程師，研究方向：潛艇監(jiān)造。

中圖分類號TN97

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.006

Equipment Technology and Development of Submarine Sonar

LIU Zhizhong

(Navy Representative Office in Huludao 431 Factory，Huludao125004)

AbstractSonar equiped on submarine is used to search, identify, track surface ships, submarines and other water target and underwater acoustic communication, etc. Finally this paper discusses development trend and analysis of shipboard sonar technology.

Key Wordssubmarine sonar, development trend