美國潛艇拖曳陣聲吶技術(shù)特點及發(fā)展趨勢

董　波，張鄭海

（1. 海軍信息局電子設(shè)備處，北京 100036 2. 渤海船舶重工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125004）

美國潛艇拖曳陣聲吶技術(shù)特點及發(fā)展趨勢

董波1，張鄭海2

（1. 海軍信息局電子設(shè)備處，北京 100036 2. 渤海船舶重工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125004）

根據(jù)現(xiàn)有公開技術(shù)資料，對美國潛艇拖曳陣聲吶的發(fā)展情況、技術(shù)特點進(jìn)行闡述，并預(yù)測了拖曳陣聲吶的發(fā)展趨勢。

潛艇；拖曳陣；聲吶

0　引　言

艇載拖曳陣聲吶拖曳在潛艇的尾部，系統(tǒng)分為兩大部分：濕端纜陣和收放分系統(tǒng)，其中濕端纜陣突破了平臺空間尺寸限制，基陣孔徑可以很大，并且遠(yuǎn)離本艇噪聲源，工作頻率較之艇載其他常規(guī)聲吶更低，可根據(jù)需要選擇有利的工作深度，背景干擾小，探測能力強。另外，隨著現(xiàn)代潛艇抑制大于 1 kHz 輻射噪聲能力的增強，更突顯了艇載拖曳陣聲吶在探測領(lǐng)域的重要性。

在艇載聲吶系統(tǒng)中，拖曳陣聲吶雖然起步較晚，但其迅速發(fā)展成為潛艇主要聲吶裝備之一，各海軍強國艇載拖曳陣聲吶大約經(jīng)歷了 50 多年的發(fā)展，最早為了驗證拖曳陣聲吶的性能，拖曳陣聲吶是采取掛帶式的方式搭載于水面艦艇上的，隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展，要求先于敵方探測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的作戰(zhàn)需求日益迫切，潛艇平臺逐漸開始搭載拖曳陣聲吶，由采取掛帶式拖曳陣聲吶，發(fā)展到尾部集中式布置，目前美國海軍搭載于潛艇平臺的拖曳陣均是被動拖曳陣聲吶，典型拖曳陣聲吶型號及裝備情況如表1所示。

1　美國濕端纜陣及分析

1.1美國現(xiàn)役濕端纜陣

美國拖曳陣聲吶的發(fā)展在各國海軍中最全面，其型譜如圖1所示?，F(xiàn)役美國核潛艇裝備有 BQR-15，TB-16，TB-23，TB-29A，TB-34 五型拖曳陣聲吶。

1）BQR-15 型拖曳陣聲吶

BQR-15 型拖曳陣屬于艇載被動拖曳陣聲吶，系統(tǒng)采用 BQR-23 信號處理器分析接收到的數(shù)據(jù)，纜陣主要技術(shù)參數(shù)：拖纜長 670 m；拖曳陣直徑 90 mm、長47 m，含 42 只水聽器。該型拖曳陣聲吶僅裝備美國“俄亥俄”級核潛艇，但由于美英兩國特殊軍事聯(lián)盟的存在，在其基礎(chǔ)上英國發(fā)展出了 2023 型拖曳聲吶。

美國海軍早在 20 世紀(jì) 70 年代就開始研制開發(fā)BQR-15 型拖曳陣聲吶，1974 年 5 月第一批量產(chǎn)型拖曳陣聲吶研制完成，1978 財年，美國海軍授予西電公司（Western Electric）一份價值 1.063 億美元的合同，用于采購 BQR-15 型拖曳陣聲吶，1983 財年，西電公司針對 BQR-15 組件和連接器進(jìn)行了升級改造，至今該型拖曳陣聲吶共生產(chǎn) 51 套，未來“俄亥俄”級核潛艇退役以后，美國海軍計劃采用 TB-12X 替代 BQR-15 拖曳陣聲吶。

表1　美國海軍潛艇典型拖曳陣聲吶型號及裝備情況Tab. 1　US Navy submarine towed array sonar typical case model and equipment

圖1　美國艇載拖曳陣聲吶年譜Fig. 1　US boat carrying towed array sonar chronicle

2）TB-16 型拖曳陣聲吶

TB-16 型拖曳聲吶屬于甚低頻粗線陣聲吶，與細(xì)線陣相比，雖然其探測距離較近，但是抗流噪干擾能力更強，收放時間更短，拖曳航速更高，更加適宜在近海等海況較為復(fù)雜的海域中使用。纜陣主要技術(shù)參數(shù)（D 型）：拖纜直徑 9.5 mm、長 800 m、重 205 kg；拖曳陣直徑 82.5 mm（也有報道 89 mm）、長 75 m、重 640 kg。

TB-16 型拖曳陣聲吶研發(fā)始于 20 世紀(jì) 70 年代，期間發(fā)展了 16B，16D和16F 三個版本，2006 年美國海軍對 TB-16 型拖曳陣聲吶進(jìn)行了替代升級，授予洛克希德·馬丁公司價值 900 萬美元的新型 TB-34 型甚低頻粗線拖曳聲吶的研制合同。目前，新型 TB-34 型粗線陣拖曳聲吶已裝備部分“洛杉磯”級攻擊型核潛艇。

3）TB-29A 型拖曳陣聲吶

TB-29A 是 TB-29 型拖曳陣的改進(jìn)型，屬于甚低頻細(xì)線陣聲吶，其優(yōu)化了聲學(xué)性能和傳感器定位系統(tǒng)，提高了甚低頻和較高航速下的探測性能，綜合探測能力優(yōu)于粗線陣，具有良好的分辨和定位特性，但由于基陣尺寸較細(xì)，易受海浪影響，不太適宜在海況復(fù)雜的近海環(huán)境中使用。纜陣主要技術(shù)參數(shù)：拖纜采用輕質(zhì)材料，長 365 m；拖曳陣集成的聲學(xué)模塊為13 × 48.8 m，單模塊具備 32個聲通道，全部陣段內(nèi)徑 1.9 cm，外徑3.8 cm。

TB-29A 型細(xì)線陣研制始于 1991 年美國海軍水面艦拖曳監(jiān)視系統(tǒng)（SURTASS）。2001 年，美國海軍對裝備在 SURTASS 上的 TB-29A 細(xì)線陣拖曳聲吶進(jìn)行實驗。2005 年 11 月宣布 TB-29A 聲吶通過驗收，正式裝備潛艇部隊。目前，美國正在研發(fā)新型的 TB-33 型細(xì)線拖曳聲吶，未來 TB-33 型服役后將逐步替代 TB-29A。

圖2　“弗吉尼亞”級核潛艇的 TB-29A 細(xì)線拖曳陣聲吶Fig. 2　Virginia class nuclear submarines TB-29A thin line towed array sonar

4）TB-23 型拖曳陣聲吶

現(xiàn)役美國部分“弗吉尼亞”、“洛杉磯”級核潛艇仍裝備上一代 TB-23 型細(xì)線拖曳陣聲吶，其纜陣主要技術(shù)參數(shù)：拖纜長約 915 m；拖曳陣直徑 38 mm、長約305 m（也有報道 488 m），拖曳陣由 2個高頻段、2個中頻段、4個低頻段模塊，1個環(huán)境模塊，2個隔振模塊組成，總集成 98 只水聽器。

1.2濕端纜陣分析

1）拖曳陣聲吶工作分析

簡單的聲源定向原理可借由人耳定向功能闡述，當(dāng)判斷聲源方向時，人會下意識轉(zhuǎn)動頭部，使得雙耳連線的垂直平分線剛好指向聲源方向，造成聲音到達(dá)雙耳的時間相同，拖曳陣聲吶的探測原理與上述人耳相同，具體來講，拖曳陣聲吶利用了信號和噪聲不同的統(tǒng)計特性，將相同時刻，多枚水聽器接受的不同信號，進(jìn)行時間補償處理及能量積累，得出能量最大方向，即目標(biāo)方向。

當(dāng)拖曳陣聲吶由 N 枚水聽器構(gòu)成，設(shè) s（t）為入射信號，s（t + τi（θ0））為第 i個水聽器的接收信號，其中信號入射角為θ0，如圖3所示，如使信號延遲 τi（θ0），那么全部 N 路信號將為s（t），相加積分得到 N2σs2，如果信號入射方向改變，那么第 i 枚水聽器經(jīng)延時 τi（θ）就為s［t + τi（θ）-τi（θ0）］，能量輸出最大，即

圖3　等間隔排列水聽器時延差計算（H1，H2…HN為間距固定的 N個水聽器）Fig. 3　Isometric array delay difference between hydrophone computing（H1， H2…HNpitch is fixed N hydrophone）

考慮到噪聲 ni（t）（i=1， 2…， N）的混入，設(shè)噪聲獨立且均值為0，則能量輸出最大。

當(dāng) θ=θ0時，可見，噪聲加大 N 倍，信號卻加大 N2倍，則信噪比增益為

由以上分析可得，N 枚水聽器構(gòu)成的拖曳陣聲吶，當(dāng)滿足噪聲獨立條件時，增益為10logN，即增益隨 N 增大而增高。

為了滿足噪聲獨立條件，水聽器按照波長一半的間距布放，這樣，水聽器數(shù)目增多就會導(dǎo)致探測能力增強，這也是世界各國海軍裝備的拖曳陣聲吶孔徑日益增大的原因。

2）美國濕端纜陣的配置模式

拖曳陣聲吶的濕端纜陣距離搭載平臺遠(yuǎn)，同時可通過航速/纜長之間關(guān)系調(diào)節(jié)工作深度，具有良好的信道與背景噪聲條件。但是現(xiàn)代降噪技術(shù)發(fā)展迅速，為保障對目標(biāo)有效探測，必將進(jìn)一步增加孔徑尺寸及頻率下移，同時向細(xì)線陣拖曳聲吶方向發(fā)展，目前，美國潛艇拖曳陣聲吶配置呈現(xiàn)雙陣模式：即美國全部現(xiàn)役的“洛杉磯”、“俄亥俄”、“海狼”、“弗吉尼亞”級核潛艇都配置有一粗一細(xì)的拖曳陣聲吶，粗線陣為TB-16，細(xì)線陣為TB-23/29A，長期來看，美國會一直采用該種配置方式。

3）濕端纜陣限制因素

美國艇載拖曳陣聲吶線狀纜陣均采用臨界角拖曳方式，即拖曳陣通常采用與海水等比重設(shè)計，而拖纜比重與海水相當(dāng)或略大，可見，纜陣工作深度受到 2個因素的影響：潛艇航速、深度分別與纜陣長度的關(guān)系。因此，其設(shè)計參數(shù)直接影響到執(zhí)行任務(wù)的海區(qū)與任務(wù)遂行能力。

另一方面，相比于艇載聲吶，盡管拖曳陣聲吶可以大幅提高孔徑尺寸，但仍會受到安裝、存儲空間的限制，即拖纜長度 × 截面積（直徑）與拖曳陣長度（孔徑）× 截面積（直徑）的總和。因此，拖曳陣聲吶設(shè)計必須考慮拖纜長度、直徑和拖曳陣直徑。

拖纜：拖纜長度直接與平臺噪聲水平及對其的抑制水平有關(guān)，這主要由于數(shù)據(jù)傳輸方式、聲陣電子器件功率/種類、拖曳陣規(guī)模等的限制。美國 TB-23 型到TB-29 型再到 TB-29A 型，其纜長從 915 m 到 580 m 再到 365 m，由此可以推斷，平臺噪聲水平一直在降低。

拖曳陣直徑：直徑與平臺噪聲及對其抑制水平、航速等因素有關(guān)，這主要由于航速增大導(dǎo)致流噪聲激增，嚴(yán)重影響探測性能。美國海軍采取粗（82.5 mm）、細(xì)（38 mm）兼?zhèn)涞呐渲梅绞健?/p>

4）濕端纜陣暴露的問題

美國將潛在戰(zhàn)場預(yù)設(shè)在它國近海周邊，致使作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)需求發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨即拖曳陣聲吶暴露的問題逐漸突出，體現(xiàn)在：

聲吶參數(shù)優(yōu)化程度低，導(dǎo)致執(zhí)行任務(wù)海區(qū)受限，為了解決這一問題，美國對拖曳陣聲吶 TB-16 型進(jìn)行了多次改進(jìn)工作，并逐漸由新一代 TB-34 型取代。

聲吶的可靠性低，使用安全性差，甚至出現(xiàn)設(shè)備完全失效。

柔性基陣與殼體基陣的相干處理、聯(lián)合以及探測精度等問題嚴(yán)重。

2　美國收放分系統(tǒng)及分析

2.1美國纜陣收放分系統(tǒng)

拖曳陣聲吶的最初性能驗證是在掛帶條件下完成的，但隨著拖曳陣聲吶的廣泛使用，其使用及維護(hù)成本激增，相比之下，具有纜陣收放分系統(tǒng)，不僅成本、風(fēng)險較低，而且可根據(jù)海域水文條件及特點進(jìn)行調(diào)整，發(fā)揮最大作戰(zhàn)效能。

美國現(xiàn)役的“俄亥俄”、“洛杉磯”、“海狼”、“弗吉尼亞”級核潛艇均裝備纜陣收放分系統(tǒng)，其分為2種類型：

OK-276 拖曳陣收放分系統(tǒng)，適配 TB-16，TB-34等粗線陣，早期安裝布置在艇背的中部以前。

OA-9070 拖曳陣收放分系統(tǒng)，適配 TB-23，TB-29A 等細(xì)線陣，安裝布置在潛艇尾部主壓載水艙?！奥迳即墶奔壓藵撏аb備的是液壓驅(qū)動的 OA-9070A，“弗吉尼亞”級核潛艇裝備的是全電驅(qū)動的 OA-9070E。全電驅(qū)動設(shè)計可減少空間要求，有效降低重量、人員和成本，增加潛艇負(fù)載能力，提升作戰(zhàn)系統(tǒng)效率，此外，全電驅(qū)動取消了液壓和氣壓子組件，使系統(tǒng)更加整潔和安靜，是未來潛艇拖曳陣收放分系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，如圖4所示。

圖4　OA-9070E 系統(tǒng)組成示意Fig. 4　OA-9070E System Schematic Composition

2.2纜陣收放分系統(tǒng)分析

纜陣收放分系統(tǒng)必須滿足提供最大容纜量的同時保證可靠、無損地收放纜陣。因此，設(shè)計時需要考慮纜陣收放分系統(tǒng)在艇上的布局。

美國采取尾部集中式布置，并與專門設(shè)計的拖曳陣尾部結(jié)構(gòu)適配，纜陣初始釋放時阻尼低，同時運用注水推出、低張力牽引等技術(shù)，保證拖曳陣聲吶效能的同時增加了拖曳陣服役壽命。當(dāng)然，其對潛艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有巨大影響，甚至要求在艇體設(shè)計時，同步考慮拖曳陣收放分系統(tǒng)的設(shè)計。

從世界范圍來看，美國一直以來所采取的尾部集中式布置是各國海軍普遍采取的收放方式，雖然相對設(shè)計難度大，但其是拖曳陣聲吶纜陣收放方式的未來發(fā)展趨勢。

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Current status and development trend of submarine towed linear array sonar of US navy

DONG Bo1， ZHANG Zheng-hai2
（1. Navy Information Bureau Electronic Equipment Office， Beijing 100036， China；2. Bohai Sea Shipping Heavy Industries CO.， Ltd.， Hulidao 125004， China）

According to the prior art disclosed the information， on the development of the US submarine towed array sonar， technical characteristics described， and forecasts the development trend of towed array sonar.

submarine；towed array；sonar

TN929.3

A

1672-7619（2016）09-0150-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.031

2016-06-14；

2016-07-17

董波（1975-），男，工程師，研究方向為水下探測。