国外拖曳线列阵声纳技术现状与发展趋势*

邵云生 彭会斌 宋君才

(驻上海地区水声导航系统军事代表室 上海 200136)

1 引言

传统的声纳都要依托舰艇平台,因而受到许多限制[1]:1)空间有限,特别是容纳阵列声纳的空间有限,制约了声纳性能的提高;2)来自舰艇平台的自噪声(包括航行水噪声)是声纳工作的重要干扰源;3)对水面舰艇来说,声纳不能根据水文条件(声速分布情况)的变化而改变声纳深度,因此不能随时接收最佳的水声信号。拖曳变深声纳的出现,部分地突破了上述局限。为扩展阵列声纳孔径,变深声纳的拖体逐渐演变成数百米的长线阵列,形成了拖曳线阵列声纳。

2 拖曳阵声纳简介

拖曳线列阵声纳也称“拖曳阵声纳”[2],它是将水听器镶嵌在电缆上形成线列阵,由拖曳电缆拖在舰艇尾后水中探测目标的声纳。主要用于听测潜艇辐射噪声,进行远程监视、测向和识别,有的也可用于测距。由线列基阵、拖曳电缆、收放装置和绞盘、电子机柜等组成。拖曳线列阵一般由前导段、仪器段、基阵段、后导段和尾段构成,阵长数十米至数百米,工作深度可变。拖线阵中的传感器有水听器模块和非声模块,后者用以监控阵形和姿态。拖曳阵声纳具有基阵尺寸大、工作频率低、利于线谱检测,能远距离隐蔽地发现目标;基阵入水较深,通过控制拖缆长度可调节基阵入水深度,以工作于有利水层;基阵远离平台,受平台噪声干扰小,作用距离远;基阵可随时收回,维修方便等优点。缺点是:基阵、拖缆和收放装置占用运载平台的空间大;拖体放入水中工作时,对拖带舰艇的旋回和倒车等机动有不利影响。拖曳阵声纳按用途可分战术型拖曳列阵声纳和监视型拖曳列阵声纳两种。战术型拖曳线列阵声纳装备于大、中型反潜水面舰艇和攻击潜艇,拖曳电缆与线列阵总长达 1000m～2000m,被动探测距离50海里～100海里,最大拖曳航速可达30节。水面舰艇的战术型拖曳线列阵声纳,与舰壳声纳或拖体声纳配合工作,被动接收主动声纳发射声纳信号在目标上产生的回波,其作用距离远大于舰壳声纳或拖体声纳单独工作时的主动探测距离,从而提高水面舰艇反潜搜索能力。监视型拖曳线列阵声纳,主要装备于海洋监视船,其拖曳航速极低,拖曳电缆与线列阵总长5000m以上,在低声频和次声频段工作时,被动探测距离可达300余海里。

3 国外拖曳阵声纳技术现状

近年来,由于潜艇隐身和降噪技术的发展,使潜艇变得更加安静,越来越难以探测。同时,潜艇航速不断提高,潜射鱼雷、导弹的航速不断加快,航程也越来越远,这对反潜兵力来说构成了不小的威胁。为了能够从更远的距离上尽早发现敌潜艇,自上世纪70年代以来,美、英、法等国相继研制了一批性能良好的拖曳式线列阵声纳。1984年美国将水面拖线阵列系统引入声监控系统作为远程被动声警戒,对潜艇和水面舰艇的航行噪声实施探测、定位和识别。目前,美国研制了一型专门用于海上水声探测和预警的T-AGOS远洋侦察船[3]。这种船不属海军建制,也不配海军官兵,完全由民用部门管理和使用,以便在和平时期长期游弋于大西洋和太平洋,搜集、监视敌潜艇动向,并积累重要的水声信息资料。工作时,侦察船通常以3节航速航行,拖曳线列阵声纳基阵拖在船后约5公里处,水听器在水中可以扭曲,具有较好的挠性。在发现目标潜艇之后,水听器基阵将噪声信号转变为电信号,借助于拖缆把电信号传至侦察船情报中心进行分析和处理。之后,通过装于侦察船主桅上的“维斯凯”6型数据链天线,将经过处理的敌潜艇噪声特性转发给通信卫星。通信卫星将接收到的信号转至美国本土地面站,并呈报海军作战部进行决策参考。

除了像水面拖线阵系统这种远程警戒拖曳线列阵声纳外,发达国家更为普遍地发展了战术拖曳线列阵声纳,如美国海军当前装备水面舰艇的AN/SQR-19声纳,它是在 AN/SQR-15和 AN/SQR-18基础上开发而成的新型标准战术拖线阵声纳。声阵长800英尺,拖缆长5600英尺,拖曳深度可达1200英尺。在大洋中探测距离可超过第二会聚区(达120km以上)。AN/SQR-19被动拖曳线列阵声纳是美国海军的第二代战术拖曳阵声纳,也是目前世界上最先进的战术拖曳阵声纳。它在AN/SQQ-89(V)综合反潜系统中承担了大范围远距离初始探测任务,初探之后,舰载反潜直升机SH-60B迅速飞往目标区域,使用机载探潜设备对潜实施精确定位,而后用机载反潜武器攻击或经数据链给母舰传输目标数据由舰载远程武器对潜攻击。此外,它还与AN/SQS-53C声纳相互配合,保证中近程对潜探测、跟踪、识别、定位以及武器的使用。

被动拖线阵声纳是以检测目标航行时水下噪声为手段探测目标的,随着潜艇降噪技术的进展,安静型常规动力潜艇的出现,特别是不依赖空气推进技术投入应用,使本艇辐射噪声大大减小,随后核动力潜艇降噪也获得相应地进展,使被动声纳探测目标困难。人们把目光又投向主动式探测声纳,开始了低频主动拖线阵声纳研究。主动拖线阵声纳利用低频长发射脉冲、大孔径声系统来增大探测距离。北约水下研究中心在上世纪80年代初就进行主动拖曳阵声纳的方案和技术可行性研究,1992年主动拖线阵声纳首次参加北约组织的“龙锤”92(DRAGONHAMMER92)演习,这不是实验式的海试,而是以整机规模参加北约组织的一次演习。随后在英吉利海峡的西南水域多次组织海试,试验动用了意大利的“托蒂”潜艇和德国的 U30型潜艇,试验用主动拖线阵声纳的发射声系统和拖体,取得了有价值的成果。1991年荷兰皇家海军TNO物理和电子试验室与德国汤姆逊-辛特拉公司共同开始研制低频主动拖线阵声纳[4]。1994～1997年期间,在不同季节,不同水域进行海上研究实验。为解决单列线阵的拖线阵声纳难以区分目标方位是在左舷还是右舷的问题,该低频声纳采用双线拖曳阵列。

4 国外拖曳阵声纳的发展趋势

声纳作为探测潜艇的有效装备,从其诞生之日起就伴随着潜艇技术的发展而发展,从当前国外已装备使用的拖曳阵声纳和正在进行研发的拖曳阵声纳技术看,拖曳阵声纳技术的发展趋势可概述如下:

4.1 继续向低频、大功率、大基阵方向发展

4.1.1 被动拖曳线列阵声纳

鉴于声波在海水中的传播特性以及低频大功率与基阵的关系,开发大孔径低频被动声纳技术是解决远程探潜问题、进行有效反潜的必要前提。上世纪70年代末、80年代初出现的被动拖曳线列阵和舷侧阵是这种低频大孔径技术的代表。目前装舰使用的被动声纳工作频率,一般为0.1～1.5kHz,大型主动声纳的工作频率一般为1.5～3.5kHz。美国的AN/SQR-19战术拖曳阵声纳是这种被动拖曳阵声纳的典型。而具有预警性质的战略拖曳阵声纳目前还只有美国拥有,这种声纳由于不执行战术反潜任务,线阵长度可达千米以上,如美国的监视拖曳阵系统(SURTASS)警戒阵线阵长1828m。

4.1.2 主动拖曳阵声纳

潜艇降噪技术在近二十年的时间内获得了极大发展,出现了所谓“寂静型”潜艇,使对潜被动探测声纳的作用距离大幅度降低,甚至出现了在千米的近距离上被动声纳不能发现潜艇的报道。此外冷战的结束,也使各国反潜的主要战略从全球范围内的深海水域转向局部海战和地区冲突。浅水水域的恶劣传播条件使被动声纳难以正常发挥,于是人们开始了对主动式拖曳阵声纳的研究。英国是第一个开始主动式拖曳线列阵声纳研究的国家,它的ATAS试验阵受到世界各主要海军国的高度重视[5],这种声纳继承了被动拖曳阵声纳的技术优势,使用大孔径低频线阵作为接收阵,配以低频大功率发射阵,由水面舰艇拖曳使用。

4.2 向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性方向发展

现代声纳设备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。这种结构具有一系列优点:扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少等。美、英、法、德等国家都很重视声纳设备的系列化,如用于AN/SQS-53、AN/BQQ-5及拖曳线列阵声纳中的美国AN/UYS-1型标准化声纳信号处理器,其改进型AN/UYS-2是一部模块结构分布式并行处理机,它运用了单独的动态数据流结构,并采用独特的应用软件。它将应用在AN/SQQ-89、AN/BSY-2、SURTASS和机载低频声纳(ALFS)中。设备的先进性、可靠性和维修性是相辅相成的,一般大型声纳的平均故障间隔时间达400～450小时,故障平均修复时间在1小时内,中小型声纳的可靠性和维修性更高,如法国的DIODON型声纳,其平均故障间隔时间达500小时,平均修复时间为15分钟。

4.3 计算机的应用使声纳向智能化方向发展

电子计算机技术的飞速发展为声纳的发展提供了技术保障。用计算机进行声纳波束形成、信号处理、目标跟踪和识别、系统控制、性能监测、故障检测等,使声纳性能有了很大提高。目前装备使用的几个先进海军国家的声纳,都是由数字计算机进行信号处理和系统控制与检测的数字化声纳。微处理机的出现又使声纳信号处理可以更广泛地采用多级、并行、分布式处理体系结构,从而使其处理能力大大增强,如美国的AN/BQQ-5潜用声纳系统即采用分布式处理方式。随着声纳基阵的进一步扩大及潜艇降噪的进展以及目标强度的降低,要求声纳系统信号的处理能力进一步提高,目前大型声纳系统的运算速度高达10～100亿次/秒,因此,必须使用更先进的处理结构和方法。现在一些国家正在研制一些新型的单片机和阵列机,以构成高速并行处理系统和阵列式并行处理系统。随着人工智能计算机的问世,声纳也正在向智能化方向发展,目前神经网络的研究取得了令人瞩目的进展,它将计算机技术和信号处理相结合,使声纳智能化成为可能。

4.4 换能器材料的新发展

传统的压电陶瓷材料目前仍为声纳换能器的主要材料,较新的材料是压电聚合物和光纤。在压电聚合物材料中目前已用于声纳基阵的是PVDF(聚氟偏乙烯材料),例如法国的TSM2253型舷侧阵声纳的平板型水听器就采用此材料。用光纤材料做水听器的研究目前正在进行,它已开始用于水下固定式水听器和拖曳式线列阵声纳的换能器上。

[1]田坦,等.声纳技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2004,3:145～149

[2]阎福旺,等.现代声纳技术[M].海洋出版社,1998,4:427～432

[3]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):44～45

[4]宋新新,毛娜.德国声纳技术发展 100年[J].舰船电子工程,2004,24(2):19～21

[5]苏皋声.英国舰用和潜用声纳的最新发展[J].声学与电子工程,1986(4):41～43