舰艇声纳技术的发展动向与分析＊

2013-01-12石万山

舰船电子工程 2013年12期

石万山

（海军驻沈阳地区电子系统军代表室沈阳 110003）

1 引言

声纳是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备，是各国海军进行水下监视使用的主要技术。可用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。本文就舰艇声纳技术、发展动向、发展分析等，作进一步的研究和探讨［1］。

2 舰艇声纳技术

目前，各国海军根据自己的战术要求、海区特点、舰艇种类、技术水平和经济实力的不同，水面舰艇反潜声纳主要有［2］：

1）主动声呐。主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇.目前，美国海军为了加强反潜能力，准备在未来声纳上运用一种新技术，那就是连续主动声纳技术（CAS）。美国埃莱恩科公司正在开发的这种探测系统，可以不间断地发射信号，声纳操作员也能同步听到潜艇的声音，从而使水面舰艇能够更快地探测到敌舰艇。

2）被动声呐。被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。它由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。例如美国海军的AN／SQR—19战术拖曳阵声纳和AN／SQS—53系列声纳（A、B和C型）；英国海军的2031型拖曳阵声纳和2050型（或2016型）舰壳声纳。

3）可变深度声纳。比较直接的因素有传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等，它们大多与海洋环境因素有关。例如，声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，会产生声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，以及出现声阴区，严重影响声呐的作用距离和测量精度。现代声呐根据海区声速—深度变化形成的传播条件，可适当选择基阵工作深度和俯仰角，利用声波的不同传播途径（直达声、海底反射声、会聚区、深海声道）来克服水声传播条件的不利影响，提高声呐探测距离。又如，运载平台的自噪声主要与航速有关，航速越大自噪声越大，声呐作用距离就越近，反之则越远；目标反射本领越大，被对方主动声呐发现的距离就越远；目标辐射噪声强度越大，被对方被动声呐发现的距离就越远。例如：加拿大的SQS—509，法国的SS—12和SiodonTSM2630；德国的DSQS—21和美国的DEII60系列声纳、780系列声纳；法国的TSM2640SALMON变深声纳。目前，美国装备海军舰艇的 AN／SQR－19声纳，它是在 AN／SQR－15和 AN／SQR－18的基础上开发而成的。该阵列声纳长800英尺，拖缆长5600英尺，拖曳深度可达1200英尺。

3 发展动向

1）雷声公司向美国海军交付第一部双波段声纳。法国《航宇防务》2012年4月16日报道：雷声公司最近向美国海军交付了第一部水面舰艇用双波段船体声纳—AN／SQQ－90战术声纳套件，用于装备美国海军第一艘DDG－1000驱逐舰，以显著增强其水下作战能力并扩展其作战范围［3］。

雷声公司交付的声纳电子设备全部组装并集成到电子模块外壳（EME）。EME是用于DDG－1000驱逐舰的创新性造船技术，不仅可方便船厂进行安装前的集成和测试，而且最大限度地减少了在舰上安装空间，同时还提高了效率。

AN／SQQ－90由 AN／SQS－60舰壳中频声纳、AN／SQS－61舰壳高频声纳、AN／SQR－20多功能拖曳阵列声纳和吊放系统组成。利用自动化技术和独特的信息管理技术，AN／SQQ－90所需的操作人员仅为“宙斯盾”系统的1／3。通过集成DDG－1000驱逐舰开放架构战斗系统和多传感器能力，AN／SQQ－90将提供多目标打击能力，包括在沿海和深海水域对抗地雷和柴油动力潜艇。

EME作为大型子系统附件，可以为内部集成的各种成熟电子设备提供冲击防护、电磁干扰保护、热力调节、安全和隔振等保护。声纳电子EME含有安装集成到位并经过测试的电子设备（如向舰艇指挥中心分发信号和数据收发放大器及相关处理器），为舰壳声纳提供电力和控制。

2）阿特拉斯公司将为德国F125护卫舰提供“塞伯罗斯”便携式潜水员检测声纳。法国《航宇防务》2012年7月16日报道：阿特拉斯电子公司将向德国海军交付用于部署最新型护卫舰F125的便携式潜水员检测声纳。阿特拉斯作为海军电子系统的领衔供应商，获得德国联邦国防技术和采购局（BWB）的一项采办合同，其中包含用于四艘F125护卫舰的的四部“塞伯罗斯”Mod2便携式潜水员检测声纳（DDS）和五套训练系统［4］。

由阿特拉斯电子公司英国子公司开发的“塞伯罗斯”Mod2声纳将成为安装在北约舰艇上的第一部潜水员检测声纳。当潜水员、游泳者、自主水下航行器（AUV）或蛙人运载工具出现时，“塞伯罗斯”将向作战人员发出告警信号，以保护军用舰艇不受水下威胁侵害。系统非常适用于远征平台，如战时将在潜在敌区进行前沿行动的F125护卫舰。

“塞伯罗斯”系统可在远离舰桥和甲板下方处理和显示单元的地方运行。若“塞伯罗斯”不采用舰艇标准电源供电，系统还可完全独立于舰艇系统运行。将几部声纳置于海港中的合适位置，就可监视很大的范围，并保护大量舰艇。“塞伯罗斯”可以将其周围区域的显示在海图上。系统所在舰船的位置和方位会不断更新。一旦初始化，潜水员检测声纳就会在有水下目标接近舰艇时产生视觉和听觉的告警信号。因此，监视人员无需一直盯着显示器。由于“塞伯罗斯”系统只有23kg且非常轻巧，无需吊车或吊架便可安装，只需个人即可轻易地搬运和操作其部件。“塞伯罗斯”Mod2满足所有相关的国内和国际军用标准（BV和MIL）。

3）泰利斯公司声纳反潜战能力表现优秀。泰利斯公司网站2012年12月4日报道：在近日举行的一次军演中，配备泰利斯（Thales）英国公司“2087声纳”（Sonar 2087）的皇家海军舰艇（HMS）“诺森伯兰郡”（Northumberland）号护卫舰和配备该公司FLASH吊放声呐的“梅林”（Merlin）反潜直升机表现出优秀的反潜战（ASW）能力［5］。

演习中，反潜水面舰艇试图“下沉”猎杀潜艇，同时还要避免被隐身对手击沉。

英国快速反应部队部署在地中海的“诺森伯兰郡”号护卫舰是配备“2087声纳”的八艘23型护卫舰之一。“2087声纳”是一种拖曳式低频有源声纳阵列系统，由有源和无源声纳阵列组成。它用于探测在发起攻击范围之外的远距离潜艇。

23型护卫舰还载有配备泰利斯公司FLASH吊放式声纳的“梅林”直升机。“2087声纳”和FLASH声纳相结合，使23型护卫舰构成了一个强大的反潜战系统。

4）洛克希德·马丁公司获美国海军声纳修改合同。美国国防部网站2012年12月10日报道：洛克希德·马丁公司日前获得美国海军一项价值约1.21亿美元的合同（修订版），以履行2013财年的“声学快速COTS插入”（ARCI）生产任务［6］。

合同旨在为美军潜艇和外军销售开发和生产A－RCI系统和通用声学技术插入12（TI12）项目。

A－RCI是一个声纳系统，它通过快速插入基于COTS的软硬件集成技术提高了拖曳列阵、船体阵列、球阵列、和其他船舶传感器处理系统性能。

该工作预计将于2013年12月分别在弗吉尼亚州马纳萨斯（60%）和佛罗里达州清水镇（40%）完成。美国海军海上系统司令部、华盛顿海军造船厂是该项目的承包责任人。

5）Kraken声纳系统公司获澳大利亚国防科学与技术组织声纳合同。Kraken声纳系统公司网站2013年1月15日报道：从事军民两用高性能合成孔径声纳和声速传感器的设计开发商Kraken声纳系统公司1月14日宣布，获得了澳大利亚国防科学与技术组织（DSTO）授予的AquaPix“干涉合成孔径声纳”（InSAS）系统合同［7］。

DSTO是澳大利亚政府负责应用科学和技术，保护和捍卫澳大利亚及其国家利益的政府机构。DSTO提供专家、咨询和创新的防御解决方案。

Kraken声纳系统公司的AquaPix干涉合成孔径声纳系统可提供前所未有图像分辨率的海底图像。该系统具有先进的信号处理能力和Kraken公司革命性NSIGHT SAS图像处理软件的独特成像技术。

精密声纳成像技术注重细节，增强水下物体的阴影。其出色的图像质量提高了精度，有助于决策。

AquaPix能够提供高分辨率详细海底图像资料，它可提供潜水器边缘3cm处至300m范围内的图像，并可产生分辨率高于25cm×25cm的三维水深数据，其深水数据精度符合IHO S44海道测量标准。

由于该系统可提供具有成本效益和超高分辨率的图像，因此是反水雷、Q－路线调查、沉船搜索、电缆／管道调查和执行各种其他海底成像和监视任务的理想选择。

6）加拿大康斯贝格·米设公司发布新型多频迷你声纳头。美国《今日海军》网站2013年2月27日报道：康斯贝格·米设公司（Kongsberg Mesotech）发布1171系列多频迷你声纳头。该声纳头非常适用于观察、检查和轻量工作级遥控潜水器。该声纳头探采用新型电子技术，提高了图像质量［8］。

其特征如下：轻小型化；多频运行，增加了探测距离，提高了图像分辨率；采用线性调频脉冲技术，提高了距离分辨率，可区分远距范围内十分靠近的目标：降低了系统功耗。

该声纳头的运行频率可以预置为625kHz、675kHz、750kHz或800kHz，或者设为调谐模式，使频率按5kHz的增量变化。

公司还发布了MS 1000声纳处理软件的新版本5.21。该软件用于支持上述多频迷你声纳头的频率选择和调谐功能。该软件可根据所选频率自动设置时变增益（TVG），并根据所选距离自动设置工作频率。这将使用户通过最小的输入量即可获得最佳数据。

7）美反潜战持续跟踪无人艇装备模块化可扩展声纳，可增强跟踪能力。简氏防务周刊网2013年4月5日报道］雷声公司开发的水下战用模块化可扩展声纳系统已被选定装备科学应用国际公司（SAIC）的反潜持续跟踪无人艇（ACTUV）［9］。

3月27日，雷声公司综合防御系统项目经理向简氏周刊表示：“雷声公司、科学应用国际公司和美国国防高级研究计划局正在共同努力提升反潜持续跟踪无人艇的能力，并有望过渡成一个海军项目。”

8）Kraken公司与美国海军水下作战中心合作完成新型声纳测试。法国《航宇防务》2013年5月22日报道：Kraken声纳系统公司宣布与美国海军水下作战中心（NUWC）的声纳合作研发测试项目在罗德岛纽波特取得圆满成功［10］。

NUWC纽波特分部是美国海军水下作战中心的两个分部之一，其任务是为潜艇、水下无人系统以及水下攻击和防御武器系统提供研究、开发、测试、评估、工程实现和保障提供支持。

2012年10月，NUWC纽波特分部与Kraken公司达成合作研发协议，以评估Kraken公司研制、搭载在海军水下作战中心REMUS 600型无人水下航行器（AUV）上的AquaPix型干涉合成孔径声纳（InSAS）的有效性。

通过26项AUV搭载执行的测试任务，NUWC和Kraken公司收集了在纳拉甘西特湾和布洛克岛试验场对阵双方的干涉合成孔径声纳关键数据。

Kraken公司的AquaPix型干涉合成孔径声纳的传感器可在200m范围内获得高分辨率的探测影像。该型声纳获取的海底地形数据与独立的水深测量数据相比毫不逊色，测试结果表明用REMUS 600型AUV搭载的AquaPix型干涉合成孔径声纳传感器具有大范围的高分辨率和水深适应性。

Kraken公司董事长兼CEO肯尼称，与海军水下作战中心的合作研发测试项目是对AquaPix声纳的一次重要考验。通过这次演示，该系统证明了其技术的成熟性。测试结果将提升该声纳系统客户的信心。

Kraken公司的AquaPix型干涉合成孔径声纳提供了远高于常规侧声纳的分辨率和探测范围。合成孔径声纳取代了传统声纳复杂的信号处理软件和硬件，其原理是将传感器阵列进行“综合”，利用小孔径基阵的移动来获得移动方向（方位方向）上大的合成孔径，从而得到方位方向的高分辨力，其“有效长度”比实际的“物理长度”要长25倍。

Kraken公司的AquaPix声纳在200m范围内的成像分辨率可达3cm。另外，干涉型合成孔径声纳还能够同时提供3D海底地形，以建立精确的数字地形模型。AquaPix型干涉合成孔径声纳获得精确探测数据的能力超过了IHO S44规定的特殊订货要求。

4 发展分析

舰艇声纳技术的发展方向，主要包括：1）先进信号处理技术；2）水声通信和声呐组网技术；3）被动声呐技术；4）低频主动声呐技术；5）是爆炸声回波定位技术［11］。

1）先进信号处理技术。随着高性能微处理器和各种专用、通用高速数字信号处理器的出现，以及各种先进信号处理算法的开发，声呐的效能发生了巨大的变化。声呐系统的更新在很大程度上是随着计算机系统和信号处理系统的升级而进行的，声呐基阵的改动不大。美国海军在声呐技术的发展上，首先把大量资金用于改进信号处理能力，其次是购买新型声基阵（如甚低频主动声呐基阵），同时重新设计了潜艇的作战指挥系统。

2）水声通信和声呐组网技术。先进的信号处理技术显著提高了声呐系统的性能，使声呐除了完成潜艇探测的任务外，还可以进行远距离水声通信。现在的水声通信技术已经可以实现图像传输，通过编码技术可以进行大约100比特／秒的低速数据传输，今后可能提高到1000比特／秒。水声通信技术使各种水下平台的数据交换成为可能，如通过潜艇和无人潜航器的数据交换就可以构成水下战场的声图像。目前规模最大的水声网络是由美国海军研究局和空海战系统中心主持的“海网”（Seaweb）。北约使用反潜武器网络系统，如用“声呐监听系统”（SOSUS）的被动声呐阵列来探测潜艇，由反潜巡逻机接收声呐阵列的信号来扩大反潜的海域。使用组网技术的好处是能够远程探测，大大提高预警能力。

3）被动声呐技术。被动声纳（包括拖曳阵和被动声呐浮标）主要用于监听水面舰艇产生的噪声、核潜艇的核反应堆在运行时的噪声，对窄带信号的检测成为声呐信号处理的关键技术。目前几乎所有的潜艇都装备被动声呐，但是在搜索柴电潜艇时主动声呐仍必不可少。

4）低频主动声呐技术。安静型柴电潜艇的广泛装备，使声呐技术的研究热点重新转移到主动声呐上。但主动声呐有两个缺点，一是声呐发射的声波会被反潜设备接收到，使潜艇暴露目标并遭到攻击；二是主动声呐在浅海的作用距离受海床的影响。声呐脉冲会在海底和水面之间反射，沿不同路径返回（即“多途效应”）。此时会有微小的时延，在接收机上形成混响干扰，掩盖目标的回波。声呐使用的脉冲序列越长、探测距离越远，声呐受混响的影响就越严重，选择短脉冲固然会减小混响的影响，但同时也减小了声呐的探测距离。

解决这个矛盾的方法之一是使用脉冲编码技术。一个长脉冲序列可以被压缩成一个短脉冲序列，但频率和相位也会发生一些变化。二是舰壳主动声呐还可以通过控制波束仰角、采用自适应技术来减小混响的影响。

5）爆炸声回波定位技术。爆炸声将在寂静潜伏的潜艇上产生回波，SOSUS系统的被动声呐阵接收回波并进行定位。随着计算机的飞速发展，区分潜艇回波和海底反射波的课题得到了解决。