舰艇声呐系统集成探讨

潘 俊 李莉丽 胡 郢

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

舰艇声呐系统集成探讨

潘 俊 李莉丽 胡 郢

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

舰艇声呐系统集成是当前舰船电子研究领域的新热点，同时它也是一项复杂的系统工程。分析国内外舰艇声呐的发展过程和趋势，从舰艇平台、作战系统、声呐设备几方面对舰艇声呐设备集成概念等进行研究、探讨，提出了舰艇声呐功能、结构、信息一体化集成建议。

舰艇声呐；顶层设计；系统集成；一体化设计

1 引言

目前，潜艇的发展趋势是航行越来越“安静”、外形越来越“隐身”，水下攻击武器是越来越“聪明”、越来越“隐蔽”，针对不同特征的水下目标，需要使用不同类型的声呐进行探测。在舰艇上装备多种声呐设备，分别完成各种探测功能。但由于舰艇上许多声呐功能单一，装载声呐众多，给有限的舰艇平台增加负担，影响了舰艇的机动性和隐身性；声呐设备内部耦合度高，系统资源共享困难，不利于充分发挥声呐整体探测能力；舰艇声呐顶层规划设计不足，使各声呐间相互干扰，无法兼容使用等，均限制了舰艇反潜作战效能的发挥。

随着微电子技术、信号处理技术的飞跃进步，舰艇声呐技术有了长足的进步，声呐设备除了采用低频、大功率、大孔径尺寸声基阵技术外，逐步发展成为由多型不同体制、不同频率、不同工作方式等声呐组成的舰艇声呐系统，大大提高了舰艇对水下目标的综合探测能力。所谓舰艇声呐系统（或称舰艇综合声呐）即在舰艇（包括水面舰艇、潜艇）上将不同类型的声呐集成为一个水下多功能探测系统，完成对水下目标探测、跟踪、分类、识别、定位、通信、侦察、导航、鱼雷报警等功能。

舰艇声呐集成就是将声呐从声阵、声呐收发，到信号处理、显控终端等设备采用大量的共用和通用技术，实现声呐设备多功能综合集成，并与舰艇平台、作战系统形成一个有机的整体。

2 舰艇声呐发展趋势

近20多年来，舰艇声呐得到了迅速的发展，主要有两个原因：第一，由于“安静型”潜艇特别是“隐身性”的潜艇（下潜深度大、能长期潜航和隐蔽攻击）的隐蔽性大大提高，舰艇上用功能单一的声呐或几个独立的声呐设备很难探测到远处的水下目标了，使人们对声呐探测潜艇的能力不断提出了新的要求，促进了舰艇声呐系统的迅速发展；第二，由于电子技术、水声技术、计算机技术和信号处理技术等取得了飞跃式进展，为舰艇声呐系统集成的发展提供了技术保证。

国外舰艇声呐的发展大体上经历了4个阶段。

（1）从第二次大战后期到50年代末，出现的第一代声呐为模拟声呐。采用以电子管为主要器件的模拟电路，采用放大、选频、滤波等简单信号处理技术，用阴极射线管作显示器。换能器基阵的旋转是机械式手工操作的，搜索速度慢。

（2）在60年代到70年代初，发展为第二代声呐，即数字声呐，主要采用数字技术和电子计算机进行信号处理和管理控制。为了远距离探测，技术上采用了低频、大功率、大基阵的舰首声呐和舰尾拖曳的变深声呐综合配置的新体制，利用海面反射、海底反射及会聚区效应3种声传播途径来增加探测距离。

（3）在70年代中期到80年代后期，声呐发展为以计算机控制的全数字化为其主要特征的多功能声呐。技术上它在第二代声呐基础上着重改善了声呐系统的综合性、可靠性、可维修性和可扩充性，初步集成为综合声呐系统。典型代表是美国的AN／BQQ－5综合声呐系统和法国UX37型潜艇综合声呐系统［1］。

（4）从80年代末或90年代初，声呐向综合声呐系统方向发展，这一代声呐使用多种信号、多种处理方式、多种传播途径、多种传感器探头、多种终端以及多种辅助手段，使声呐性能向多功能化、综合化、自适应化和智能化方向发展。主要技术特点如下［2，3］：

1）声呐功能集成化

舰艇上多部声呐集成为综合声呐系统，并与舰艇作战系统进行有机结合，一起构成具有探测、跟踪、分类、识别、定位、通信、侦察、导航、鱼雷报警、系统控制、作战指挥、武器使用等多功能的综合反潜作战系统。

2）信息处理扁平化

随着超大规模集成电路的发展，高速微芯片技术的巨大进展，声呐信号处理更广泛地采用多级、并行、分布式处理体系结构，信息处理模块化，声呐在实时处理运算能力方面得到很大的提高。

3）协同探潜综合化

当前，各国海军声呐在改进和提高声呐综合探测技术的基础上，正在积极探索各种可能的反隐身技术的新方法。舰艇声呐具有与多基地（源）、多平台声呐协同探潜的能力，综合融合处理，可有效地对付水下隐身目标，并提高探测范围和定位精度。

4）声呐探测智能化

面对多变的海洋环境实时做出反应，声呐具有自适应能力，能自动地做出判断并采取相应措施，使声呐系统在最大程度上达到工作性能最佳化，提供最佳探测、跟踪、分类、识别和攻击等参数，并使全系统具有故障自动诊断和自动维修的能力，声呐向智能化方向发展。

5）技术应用多样化

随着高新技术的发展，声呐采用先进的技术，使声呐技术持续地进步，能力不断地拓展。专家系统在声呐中的应用，为声呐系统智能化提供新的手段；光纤信号传输缆和光纤水听器在这一代声呐中逐步获得应用，将进一步提高声呐的性能；高速神经计算机的应用，使声呐信息处理跨越式发展等等。

3 声呐系统集成概念

声呐系统集成从概念和原理上与舰载射频集成（即把舰上各孤立天线，采用共用孔径等技术，分频段与舰体平台和作战系统进行有机地综合设计，提高舰船整体的作战效能）［4］相类似，声呐系统集成设计概念在国外刚刚兴起，但声呐集成工作实际上早已开展。

声呐系统集成就是将舰艇多部声呐前端 （声阵）、收／发模块、预处理模块、信号处理模块、显示控制模块等按照一定的准则分别进行横向一体化集成，构成舰艇声呐系统，完成对水下目标探测、跟踪、分类、识别、定位、通信、侦察、导航、鱼雷报警等功能，提高舰艇反潜综合作战效能。如果从广义概念上说，声呐可以是舰载的、艇载的、机载的、潜器搭载的设备，那么声呐系统集成概念可扩大到舰艇编队甚至陆基／海基固定水下探测系统等范围。

下面从舰艇平台、作战系统以及声呐设备3个层面来说明舰艇声呐系统集成概念和内涵：

3.1 舰艇平台层面

在舰艇平台层面，声呐设备的集成主要是声呐设备的前端设备 （包括声呐基阵、收／发射设备、冷却设备以及相关设备等）和有关性能与舰艇平台的一体化集成设计，目前集成形式主要有两种：

（1）物理空间上集成

在舰艇上，通过在物理空间上合理布置声呐设备，节省舰艇平台资源，多装设备来达到提高作战性能的目的。比如：

1）在舰艇某一个声呐平台安装多部功能不同、频率不同、安装形式不同的水声换能器阵，在有限的总体资源条件下，实现功能、性能的最大化。如，美海军“海狼”（SSN－21）级核潜艇艏部安装的24 ft球型被动声阵、低频被动声阵，最下面是半截主动声阵，声呐阵在舰艇物理空间上集成示意图见图1［5］。

2）为在有限资源条件下实现最大作战效能，将拖曳声呐湿端与其它水声设备共拖在一根拖缆上。例如，美国TB－16MLTA被动双拖曳线列阵声呐，在一根拖缆上拖曳2根线列阵声呐，完成远程被动探测功能。

3）水声对抗设备与其它系统发射架共架共管使用。

图1 美海军“海狼”级核潜艇艏部声呐阵在舰艇物理空间上集成

（2）与舰艇共形集成

根据舰艇的使命任务、综合效费比和声呐设备集成技术发展的程度，通过系统优化、综合权衡设计，在舰艇平台上将部分声呐设备的声阵与舰艇外形实现共形集成。

比如，美海军“洛杉矶”级核潜艇共形基阵、听音阵列等声呐与舰艇共形集成示意图如图2所示。

图2 美海军“洛杉矶”级核潜艇部分声呐基阵共形集成示意图

由于舰艇声呐不同于舰载射频雷达，声呐工作频率越低、功率越大，其声呐基阵的口径就越大，目前技术还不能做到所有工作频段的基阵与舰艇全共形集成，但声呐全共形集成是未来的一种发展趋势。

目前，美海军正实施先进共形潜艇水声传感器（ACSAS）计划和共形声速传感器（CAVES）计划，研究将下一代声呐多基阵合并，并设计未来潜艇共形平台，把重点开发全艇体共形声呐阵作为5项关键技术之一，即整合艇上所有的声基阵。计划在“弗吉尼亚”级核潜艇上安装的声呐阵（球阵＋马蹄形阵＋宽孔径阵等）组合为可以适合任何艇形的顺艇形声基阵，从而获取更好的探测和跟踪性能。

3.2 作战系统层面

从国内外舰艇声呐集成发展来看，舰艇作战系统对声呐设备的集成大致可分为三个发展阶段，即信号模拟化集成、信息数字化的集成阶段，从发展趋势上看，将向第三个阶段信号数字化集成方向发展。

（1）信号模拟化集成阶段

20世纪70年代初期作战系统的设计是将大量现有的传感器、武器和众多显示器、控制器、控制台集成在一起，构成了集中式系统［6，7］。即由一台或一组计算机统一接收或处理各种原始数据，集中实现作战指挥和武器控制功能。

舰艇声呐以模拟信号（脉冲、音频等）为信息载体，以点对点连接方式，将各型声呐与指挥或控制中心相连接，构成一种分散式系统结构，特点是各型声呐各自独立，单机单控，只与指挥或控制中心进行相互作用。

（2）信息数字化集成阶段

20世纪80年代至90年初，随着计算机网络技术的发展，分布式系统成为了作战系统发展的主流，分布式系统的显著特点是分布式结构，分布式总线、网络技术、标准化和通用化的设备，大量采用微机、软件机接口等，分布式计算结构与集中式计算是不同的。它将一个大的计算任务分割成许多小的步骤或计算机程序［8，9］。

由舰艇声呐构成一种局部分布式系统结构。作战系统对舰艇声呐系统的集成是以数字信息（目标航迹、目标参数、姿态信息等数字化参数）为主要信息载体，采用设备分布式的集成方式，即信息数字化的集成［10］。

（3）信号数字化的集成阶段

随着数字技术、网络技术和软件技术的发展，未来声呐设备中越来越多的原来需要由硬件或模拟设备独立实现的功能，逐渐由有软件或数字化的通用模块替代了，数字化的进程逐渐向声呐设备的前端靠近，同时随着网络带宽的逐渐增大和网络可靠性稳定性的提高，使高速实时传输成为了可能。因此，可以说未来作战系统对声呐设备的集成将是以数字信号为主要信息载体的通用功能模块的集成，同时也将是未来作战系统集成的发展趋势。

在这个阶段，舰艇声呐可构成一种全分布式、开放式系统结构。作战系统对舰艇声呐系统的集成是以数字信号为主要信息载体，全分布式的集成，即信号数字化的集成。其结构特点为：舰艇声呐系统的集成是通过统一的网络实现对声呐基阵信号数字化的传输，并采用了大量多功能通用功能模块，而且各种功能模块均以软件的形式实现，使数据与应用分离、显示与处理分离，实现舰艇声呐的功能集成、结构集成、信息集成。

以数字信号为载体的功能模块分布式集成示意图如图3所示。说明：信号数字化集成向声呐的湿端靠近，逐渐实现声呐前端从模拟声元信号向数字声元信号的发展，信号数字化使声呐功能模块集成成为可能，分布式体系结构使舰艇作战系统高度共享水下目标数据／信息，根据作战任务动态分配使用声呐系统资源。

图3 以数字信号为载体的功能模块分布式集成示意图

3.3 声呐设备层面

在声呐设备层面，声呐设备经历了从单一功能的模拟声呐到数字声呐，再到多功能声呐，最后到一体化综合声呐系统的3个发展阶段，其发展过程如图4所示。

图4 舰艇声呐设备集成发展示意图

（1）第1阶段声呐为单一功能声呐，经历了模拟声呐和数字声呐2个阶段。

模拟声呐设备功能是各自独立设计，探测功能单一，具有各自的传感器、处理器、显示器。数字声呐采用数字技术和电子计算机进行信号处理和控制管理。应用计算机进行各分机控制、性能监视、故障检测等技术。

（2）第2阶段声呐为多功能声呐，以计算机控制的全数字化为其主要特征，通过局域网络将部分声呐设备进行集成，初步形成为综合声呐系统。该阶段声呐是目前舰艇声呐的发展主流，得到了各国海军的广泛应用。

（3）第3阶段声呐发展为综合声呐系统，通过分布式、开放式网络，将舰艇各声呐从湿端、预处理端、信号处理端进行横向一体化集成，实现多个声呐设备的系统集成。主要发展方向如下：

1）向系统性、综合性发展。舰艇声呐系统将由单项功能的单部声呐逐步发展为由多部声呐组成的收－发分置、多基地、多传感器的综合声呐系统，并进而构成先进反潜作战系统。

2）向系列化、模块化、标准化发展。无论是换能器基阵、还是信号处理机柜及显控台，都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修等优点。

3）向智能化方向发展。用计算机进行声呐波束形成、信号处理、目标跟踪与识别、系统控制、性能监测、故障检测等，可大大提高声呐的性能。

4 几点建议

（1）在舰艇平台层面上，应加强舰艇声呐系统集成顶层设计，提高综合作战效能。

声呐设备的集成不仅给舰艇的外形带来了变化，给舰艇平台设计也会产生影响。针对探潜、反鱼雷、水下通信、侦察、环境评估等需求，应加强在舰艇空间、外形结构、综合保障、声学环境等方面对舰艇声呐系统集成进行顶层设计，提高舰艇综合作战效能。顶层设计应主要包括：

1）对声呐系统集成的使用性能进行优化设计；

2）对声呐系统的工作时域、工作频域进行统一规划；

3）对舰艇声呐系统使用的声学环境进行仿真研究；

4）对舰艇声呐集成的可行性、有效性进行分析计算；

5）对声呐设备安装部位、安装形式、舰艇线型、舰艇结构等进行综合设计；

6）对舰艇声呐集成所需水电气进行保障性研究；

7）研究舰艇共形、声呐透声材料、舰艇振动噪声、舰艇流噪声等声呐集成相关技术。

（2）在作战系统层面上，应优化舰艇声呐系统集成体系结构设计，提高资源的共享和动态重组能力。

根据作战使命任务和综合效能、对全舰声呐设备的应用接口、功能界面、作战使用流程、信息流程等进行顶层设计，统一规划；实现综合控制和管理全舰声呐设备以及水声信息资源，实现作战资源最大程度地共享和优化配置。因此，建议如下：

1）以开放式体系结构为基础，以声呐设备信息为主要载体，顶层牵引声呐设备结构向开放方向发展；

2）将声呐设备划分成若干个小粒度的功能性标准模块，在模块间进行了统一的应用接口设计，减少信息或设备资源不能共享造成的资源浪费，实现较大程度地资源共享；

3）采用通用功能模块，根据作战任务和要求在作战过程中进行重新配置，实现舰艇声呐设备一阵多用、多阵共用；

4）显示控制采用统一的硬件平台和技术体制，实现指挥功能的灵活配置和动态组合；

5）系统结构采用扁平化、层次化、软件构件化、硬件模块化，便于系统部件的快速独立升级改造、系统功能的动态重组，提高系统的可靠性、可测性和可维修性等保障能力。

（3）在声呐设备层面上，应合理分配资源，模块化设计，实现声呐功能的横向一体化。

为更好实现系统资源共享、设备共控、战位复用、灵活重组，提高系统作战效能，按照“软硬件分离、数据与应用分离、显示与处理分离、实时处理与非实时处理分离”的原则划分设备的软硬件模块，采用层次化、模块化、通用化的设计思路，将处在同一层次的声呐前端（即湿端）、收／发射模块、预处理模块、信号处理模块、显示控制模块等功能模块分别横向一体化，构建综合声呐系统。因此，建议如下：

1）在声呐前端，不同功能的声呐进行集成。如：通信声呐、侦察声呐、目标识别与舰壳声呐和拖曳线列阵声呐集成等。

2）后端处理采用统一的硬件平台和通用功能模块，各种功能模块均以软件形式实现，通过资源的合理分配和调度，实现不同的声呐功能，可以根据不同情况承担不同反潜作战统任务的能力。

3）同一层次功能相同的模块采用标准化的硬件平台构成通用的计算环境，各功能模块以软件形式实现，且软件采用统一的构件化的层次软件结构和传输协议，动态部署在通用硬件上，实现声呐功能的横向一体化。

5 结束语

舰艇声呐多用途、通用化、系列化是现代舰艇水下探测系统发展的一个重要趋势，舰艇声呐集成是一项复杂的系统工程，涉及相关专业众多，需要从舰艇平台、作战系统、声呐设备几个方面综合设计完成，在舰艇“平台”上统筹规划、顶层设计，“系统”上综合集成、优化设计，“设备”上一体化集成、模块化设计，将声呐设计与舰艇集成有机结合起来，充分发挥系统水下探测能力，使舰艇综合作战效能上一个新台阶。

［1］王绪志.浅谈潜艇综合声纳系统［J］.现代军事，2002（2）：33－35.

［2］王庆光，张文玉，宋汝刚.西方海军远程探测声纳发展现状［J］.舰船论证参考，2004（2）：44－48.

［3］蔡志明，王希敏.软件声纳的概念与趋势［J］.声学技术，2007，26（5）：968－971.

［4］周鸣昕，汤俊，彭应宁，等.一种适用于软件雷达系统的数据流驱动机制 ［J］.系统工程与电子技术，2002，24（10）：112－115.

［5］佟盛.国外水声系统技术发展动向［J］.声学与电子工程.2006（B07）：101－104.

［6］戴自立，谢荣铭，石静，等.现代舰载作战系统［M］.北京：国防工业出版社，1999.

［7］邓苏，张维明，黄宏斌.信息系统集成技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［8］WATTS A J.Jane’sunderwater warfare systems 2004－2005［M］.Jane’s Information Group Limited，2004.

［9］WATTS A J.Jane’s C4I Systems 2004－2005［M］.Jane’s Information Group Limited，2004.

［10］粱炎.海底网络中心战传感器网络［J］.舰船科学技术，2006，28（1）：109－112.

Discussion on Systematic Integration of Shipboard Sonar

Pan Jun Li Li-li Hu Ying
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Systematic integration of shipboard sonar nowadays is hot in the field of ship electronic research，however，it is also a complex project.After analyzing the developing process and tendency of domestic and foreign shipboard sonar，this paper discussed the integration of shipboard sonar equipment from the perspectives of ship platforms，combat systems and sonar equipment.Finally，some suggestions on the integration of the shipboard sonar's functions，structures and information were put forward in this paper.

shipboard sonar；top-level design；system integration；integration design

U666.7

A

1673－3185（2009）06－48－05

2008-12-10

潘 俊（1962-），男，高级工程师。研究方向：舰载作战系统。E鄄mail：ppanjun@msn.com