潜艇声纳的装备技术与发展*

柳志忠

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室　葫芦岛　125004)



潜艇声纳的装备技术与发展*

柳志忠

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室葫芦岛125004)

摘要装备在潜艇上的声纳是用于对水面舰艇、潜艇和其他水中目标进行搜索、识别、跟踪和水声通信等。最后论述了舰艇声纳技术的发展动向与分析。

关键词潜艇声纳； 发展趋势

Class NumberTN97

1引言

装备在潜艇上的声纳是用于对水面舰艇、潜艇和其他水中目标进行搜索、识别、跟踪和水声通信等。核动力攻击潜艇装备的声纳种类繁多，性能优良，有的装备各种声纳达15部左右。核动力战略导弹潜艇和常规动力攻击潜艇装备声纳5～10部。本文就潜艇声纳技术、发展动向、发展分析等，作进一步的研究和探讨[1]。

2潜艇声纳技术

潜艇声纳技术主要用于水中警戒，水中目标定位与跟踪，水中武器射击指挥，水中通讯，探测水雷，水下导航，水中目标识别，声纳侦察与对抗等方面[2]。

2.1潜艇声纳的系统设计

1) 多站系统设计。现代潜艇大多按多站系统设计和配置各型声纳和水声测量设备。典型的潜艇声纳系统由警戒声纳、攻击声纳、探雷声纳、通信声纳、识别声纳、被动测距声纳、环境噪声记录分析仪、声速测量仪、声线轨迹仪和有关计算机设备等组成。有的系统还包括一部拖曳线列阵声纳。系统内各声纳之间可进行数据传递，有的几部声纳共用一个换能器基阵或某些信号处理部件，或共同配合完成一项任务。有的多站系统还配置集中显示和操纵的显控台。多站声纳系统的优点是信息综合性强，便于集中控制，各站功能互相配合。

2) 采用贴镶式。现代潜艇声纳的换能器基阵多采用贴镶式，布设在艇壳表面，如在艇首外壳布设马蹄形阵，或沿整个舷侧或耐压壳体上部布设线列阵。贴镶式基阵不破坏艇体线型，不占据艇内空间位置，能争取到较大的基阵尺寸，提高基阵性能。

3) 考虑隐蔽性。为保潜持艇的隐蔽性，潜艇声纳系统在大多数情况下，以被动工作方式对水中目标进行警戒、探测、跟踪、识别和定位。只是在鱼雷射击前，以主动方式对水中目标定位，为鱼雷武器射击指挥系统提供目标精确坐标数据。

4) 工作方式。现代潜艇声纳一般都能选择利用直达声、海底反射声和深海声道三种水声传播途径进行工作。

2.2潜艇声纳特点

1) 采用低的工作频率，主动式工作频率的典型值为3kHz～3.5kHz，被动式0.5kHz～3kHz；加大发射功率，最高已达1MW；加大换能器基阵尺寸，装在潜艇首部的大型球形阵直径已接近5m，贴镶在潜艇舷侧的线列阵长达60m左右，潜艇拖曳线列阵长度在百米以上。

2) 使用可作垂直波束扫描的换能器基阵，能选择利用三种传播途径；采用先进的信号处理技术，其中最重要的有多波束形成，时间压缩相关接收，分波束相关定向，高分辨力谱估计和线谱检测等。

3) 采用集成电路和微型组件，实现全数字化。普遍采用数字计算机和微处理器，进行信号处理和全系统的控制和监视，使提取和综合信息的数量和质量大幅度提高，操纵控制和检修更为方便。

2.3潜艇作战声呐的装备

潜艇作战声呐的装备包括：艏部声纳、拖曳线列阵声纳、舷侧阵声纳。

1) 艏部声纳。艏部声呐是中高频：舷侧阵是中频或偏低一些，探测距离一般在十几到几十千米；拖曳阵是低频和甚低频，探测距离一般在一二百千米。只有艏部声呐是主动工作方式，另两种目前都是被动方式。

2) 舷侧阵声呐。舷侧阵声呐目前多为每舷侧三块阵。理论上，同样的潜艇舷侧长度，同样的换能器数量，分成越多小块探测精度越好，但这带来两大问题。一是声呐接收窗口的尺寸是按无线电的半波理论设计的，声呐窗口越大越能接收更低频的声信号，探测距离就越远。舷侧阵声呐如果分成4块、5块、6块，窗口越来越小，探测距离就减小了。二是舷侧阵块数越多，艇上计算机的负荷就越重。所有舰船上的声呐计算机，最复杂的就是潜艇的。

现在各国在研的共形声呐和艇体外表面形状一样，实际上就是把舷侧阵声呐分成众多的小阵，探测精度达到最大化，但它又是整体一块，相当于一个大声呐窗口，因此又能接收频率很低的声信号，效果很理想，但对计算机要求很高。

3) 拖曳线列阵声呐。拖曳声纳一般长1km～2km，它并不是水平漂浮的，而是斜向下深入500m左右拖曳声纳的水中，也就是潜艇所能达到的深度，以避开温跃层、盐跃层的限制更好地监听周边环境噪音；拖曳声纳的探测范围最大可以到100多海里，但其探测范围是几个宽几海里的圆环，而不是一整个圆面，所以潜艇在这个范围内仍然有足够的隐蔽空间。

3发展动向

1) 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[3]。

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。

2) 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)[4]。

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。”

3) 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[5]。

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) 英国计划对2093型声纳进行宽带升级。简氏防务2014年10月10日报道：据英国国防部称，英国海军“桑当”级扫雷舰将接收增强型2093声纳，该型声纳是一款可变深度猎雷声纳，同时具备宽带能力。2093型声纳由泰雷兹英国公司开发与制造，是一款多频可变深声纳系统，具备对水下200m的目标进行搜索、识别的能力。该系统将装备全部七艘现役的桑当级扫雷舰[6]。

9月7日，国防部装备与保障总署透露(DE&S)，将与泰雷兹英国公司签署一项合同，该合同关于2093型声纳能力保障计划(CSP)。在该计划框架内，泰雷兹英国公司将负责一项设备改造的设计、制造和装配工作，把宽带技术应用到2093型声纳。2193型舰壳猎雷声纳已经在“亨特”级扫雷舰上完成安装，宽带脉冲压缩技术能够远距离探测、识别低回波信号强度的水雷目标。

在CSP中，2093型声纳将用类似的技术进行升级。据DE&S颁布的消息称，这次改造将更换绝大部分拖曳阵上的换能器阵列为宽带换能器，支持处理流程卡片、相关软件和泰雷兹公司专用项目也会做相应地更改。

2093型声纳系统将装备七艘桑当级扫雷舰，同时，泰雷兹英国公司还将提供岸基培训和工业参考设备。此外，该公司将负责确保交付的系统能够被归入现有的2093型声纳全寿期保障合同后期验收。

泰雷兹公司预计将在2014年底以前接收2093型声纳CSP合同，2018年进行首次安装。该项目周期为60个月，合同金额3200万英镑(约合5140万美元)。

除英国外，2093型声纳还在下列国家服役或准服役，这些国家包括澳大利亚、爱沙尼亚、意大利、日本、沙特阿拉伯、韩国和土耳其。预计泰雷兹公司将为现有的2093型声纳用户提供宽带升级。

5) 欧度公司推出可靠接口，可在雷达、声纳及其他恶劣环境下使用。军事宇航网2015年1月19日报道：德国欧度(ODU)公司美国分部推出了插拔式圆形接口，该接口可在恶劣环境下应用，可用于军用无线电、雷达、潜艇声纳等[7]。

该插拔式接口的金属外壳能够承受数千次插拔，锁扣系统确保连接安全。

若要断开接口，须将外套筒向后拉，因此可防止接口意外断开。接口同时具备IP68防水能力，在难以接触的空间进行盲插的能力以及机器人连接能力。

6) 洛·马公司为美国海军生产TB-37水面舰声纳。军事与航空航天电子学网站2015年5月21日报道：美国海军反潜战专家订购水面舰拖曳声纳系统，届时水面舰将能够探测和攻击敌方位于不同深度的安静型潜艇[8]。

海上系统司令部的官员授予洛·马公司任务系统与训练分部一项价值2730万美元的合同，生产七套TB-37多功能拖曳线列阵声纳系统。

TB-37拖曳线列阵声纳是AN/SQQ-89(V)综合声纳系统的一部分，属于主/被动拖曳线列阵，阵列直径为3英寸。TB-37拖曳线列阵声纳搭载于阿利·伯克级驱逐舰、提康德罗加级巡洋舰，近海战斗舰和朱姆沃尔特级对陆攻击驱逐舰。

TB-37拖曳线列阵声纳帮助水面舰艇探测、定位和攻击敌方潜艇。洛·马公司正在与L3切萨皮克科学公司商讨TB-37的合作事宜。

TB-37拖曳线列阵声纳兼具主被动模式，在被动模式下工作，只是对敌方潜艇进行监听；主动模式可发射声波，探测敌方潜艇的回声。

合同要求洛·马公司提供TB-37声纳的产品组件、拖曳电缆、光电滑环、锥管、运输和工程服务。

TB-37拖曳线列阵声纳可变深工作，使水面舰艇探测和定位躲避在不同温盐层的敌方潜艇，不同的海洋层有时可以使声信号发生弯曲，使声纳探测不到潜艇目标。

TB-37拖曳线列阵声纳是下一代主/被动声纳，针对AN/SQR-19拖曳线列阵声纳进行了几点改进，扩大了探测范围、提高了声纳性能和可靠性。

TB-37拖曳线列阵声纳显著提高了水面舰艇探测、定位海底威胁的能力，是关键的声纳组件。

TB-37拖曳线列阵声纳将装备于美国海军，也将向日本政府出售。预计2017年2月洛·马公司将会完成生产合同。

7) 挪威康士伯公司推出第三代高精度声纳定位系统HiPAP 502。合众国际社和康士伯公司网站2015年12月2日报道：挪威康士伯公司的第三代高精度声纳定位和导航系统现已面世[9]。

该公司表示，新的高精度声纳定位和导航系统，也称HiPAP 502，比早期型号更小、更轻、更持久、更精准，确立了水下定位参考系统的新标准。

第三代HiPAP采用更小巧的收发器，封装在不锈钢中，在暖热环境下无需额外进行制冷。新型低功率收发器线路板，可提供更好的滤波和信号处理能力，使灵敏度提升5dB～6dB。随着灵敏度的增加，应答器的源电平变低，电池可以使用更久。康士伯公司还表示，HiPAP 502的精准度为100%，能够达到16404英尺(约合5000m)的作用距离。

该产品可以支持科考船只的海外作业。

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

4发展分析

潜艇声纳技术的发展趋势：主动拖曳列阵、拖曳变深声纳、被动测距声纳[10]。

1) 发展主动拖曳列阵。发展具有主动工作功能的拖曳列阵，实现主动探测远程目标和远程水声通信；运用线谱检测技术，检测潜艇低频线谱，进一步增大作用距离和提高对目标的被动识别能力；合理选择基阵尺度，以减少拖曳时的动水噪声；设计良好的控制装置，使长线列阵在被拖曳过程中保持直线，并稳定在设定的深度上；进一步发展光纤拖缆和光纤水听器拖曳线列阵。

2) 发展拖曳变深声纳。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。这种阵列声纳拖于航行中的舰艇后面，舰艇上安装的设备对来自水听器阵列的信号进行前置调节、处理和终端显示，进而将水下探测信息经卫星发往岸上设备，与其它数据一起进行综合分析。

3) 发展被动测距声纳。研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

5结语

随着核潜艇的增多及发射远程弹道导弹的能力增强，使得短距离主动声纳已不能满足探测潜艇的要求，继而研发低频和大孔径声纳，采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别。在未来海战和信息化战中，声纳及综合声纳系统将扮演越来越重要的角色[11]。

参 考 文 献

[1] 荣海洋.潜艇战术学[M].北京:军事科学出版社,2002:228-237.

[2] 朱成海,蔡云祥.潜艇规避被动非定向声呐浮标搜索方法研究[J].声学与电子工程,2009(1):31-33.

[3] 加拿大康斯贝格·米设公司发布新型多频迷你声纳头[N].每日防务快讯,2013-03-01.

[4] 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[N].每日防务快讯,2013-04-09.

[5] Kraken公司与美国海军水下作战中心合作完成新型声纳测试[N].每日防务快讯，2013-05-29.

[6] 英国计划对2093型声纳进行宽带升级[N].每日防务快讯，2014-10-21.

[7] 欧度公司推出可靠接口，可在雷达、声纳及其他恶劣环境下使用[N].每日防务快讯，2015-01-27.

[8] 洛·马公司为美国海军生产TB-37水面舰声纳[N].每日防务快讯，2015-06-02.

[9] 挪威康士伯公司推出第三代高精度声纳定位系统HiPAP 502[N].每日防务快讯，2015-12-09.

[10] 孙明太,刘海光,吴杰,等.潜艇对抗反潜巡逻机作战方法综述[J].电光与控制,2015,22(6):1-5.

[11] 赵伊娜.潜艇基于信息干扰技术对抗P-3C的可行性研究[D].青岛:海军潜艇学院,2013.

收稿日期：2016年1月6日,修回日期：2016年2月26日

作者简介：柳志忠，男，高级工程师，研究方向：潜艇监造。

中图分类号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