艦艇聲吶系統集成探討

潘 俊 李莉麗 胡 郢

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

艦艇聲吶系統集成探討

潘 俊 李莉麗 胡 郢

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

艦艇聲吶系統集成是當前艦船電子研究領域的新熱點，同時它也是一項復雜的系統工程。分析國內外艦艇聲吶的發展過程和趨勢，從艦艇平臺、作戰系統、聲吶設備幾方面對艦艇聲吶設備集成概念等進行研究、探討，提出了艦艇聲吶功能、結構、信息一體化集成建議。

艦艇聲吶；頂層設計；系統集成；一體化設計

1 引言

目前，潛艇的發展趨勢是航行越來越“安靜”、外形越來越“隱身”，水下攻擊武器是越來越“聰明”、越來越“隱蔽”，針對不同特征的水下目標，需要使用不同類型的聲吶進行探測。在艦艇上裝備多種聲吶設備，分別完成各種探測功能。但由于艦艇上許多聲吶功能單一，裝載聲吶眾多，給有限的艦艇平臺增加負擔，影響了艦艇的機動性和隱身性；聲吶設備內部耦合度高，系統資源共享困難，不利于充分發揮聲吶整體探測能力；艦艇聲吶頂層規劃設計不足，使各聲吶間相互干擾，無法兼容使用等，均限制了艦艇反潛作戰效能的發揮。

隨著微電子技術、信號處理技術的飛躍進步，艦艇聲吶技術有了長足的進步，聲吶設備除了采用低頻、大功率、大孔徑尺寸聲基陣技術外，逐步發展成為由多型不同體制、不同頻率、不同工作方式等聲吶組成的艦艇聲吶系統，大大提高了艦艇對水下目標的綜合探測能力。所謂艦艇聲吶系統（或稱艦艇綜合聲吶）即在艦艇（包括水面艦艇、潛艇）上將不同類型的聲吶集成為一個水下多功能探測系統，完成對水下目標探測、跟蹤、分類、識別、定位、通信、偵察、導航、魚雷報警等功能。

艦艇聲吶集成就是將聲吶從聲陣、聲吶收發，到信號處理、顯控終端等設備采用大量的共用和通用技術，實現聲吶設備多功能綜合集成，并與艦艇平臺、作戰系統形成一個有機的整體。

2 艦艇聲吶發展趨勢

近20多年來，艦艇聲吶得到了迅速的發展，主要有兩個原因：第一，由于“安靜型”潛艇特別是“隱身性”的潛艇（下潛深度大、能長期潛航和隱蔽攻擊）的隱蔽性大大提高，艦艇上用功能單一的聲吶或幾個獨立的聲吶設備很難探測到遠處的水下目標了，使人們對聲吶探測潛艇的能力不斷提出了新的要求，促進了艦艇聲吶系統的迅速發展；第二，由于電子技術、水聲技術、計算機技術和信號處理技術等取得了飛躍式進展，為艦艇聲吶系統集成的發展提供了技術保證。

國外艦艇聲吶的發展大體上經歷了4個階段。

（1）從第二次大戰后期到50年代末，出現的第一代聲吶為模擬聲吶。采用以電子管為主要器件的模擬電路，采用放大、選頻、濾波等簡單信號處理技術，用陰極射線管作顯示器。換能器基陣的旋轉是機械式手工操作的，搜索速度慢。

（2）在60年代到70年代初，發展為第二代聲吶，即數字聲吶，主要采用數字技術和電子計算機進行信號處理和管理控制。為了遠距離探測，技術上采用了低頻、大功率、大基陣的艦首聲吶和艦尾拖曳的變深聲吶綜合配置的新體制，利用海面反射、海底反射及會聚區效應3種聲傳播途徑來增加探測距離。

（3）在70年代中期到80年代后期，聲吶發展為以計算機控制的全數字化為其主要特征的多功能聲吶。技術上它在第二代聲吶基礎上著重改善了聲吶系統的綜合性、可靠性、可維修性和可擴充性，初步集成為綜合聲吶系統。典型代表是美國的AN／BQQ－5綜合聲吶系統和法國UX37型潛艇綜合聲吶系統［1］。

（4）從80年代末或90年代初，聲吶向綜合聲吶系統方向發展，這一代聲吶使用多種信號、多種處理方式、多種傳播途徑、多種傳感器探頭、多種終端以及多種輔助手段，使聲吶性能向多功能化、綜合化、自適應化和智能化方向發展。主要技術特點如下［2，3］：

1）聲吶功能集成化

艦艇上多部聲吶集成為綜合聲吶系統，并與艦艇作戰系統進行有機結合，一起構成具有探測、跟蹤、分類、識別、定位、通信、偵察、導航、魚雷報警、系統控制、作戰指揮、武器使用等多功能的綜合反潛作戰系統。

2）信息處理扁平化

隨著超大規模集成電路的發展，高速微芯片技術的巨大進展，聲吶信號處理更廣泛地采用多級、并行、分布式處理體系結構，信息處理模塊化，聲吶在實時處理運算能力方面得到很大的提高。

3）協同探潛綜合化

當前，各國海軍聲吶在改進和提高聲吶綜合探測技術的基礎上，正在積極探索各種可能的反隱身技術的新方法。艦艇聲吶具有與多基地（源）、多平臺聲吶協同探潛的能力，綜合融合處理，可有效地對付水下隱身目標，并提高探測范圍和定位精度。

4）聲吶探測智能化

面對多變的海洋環境實時做出反應，聲吶具有自適應能力，能自動地做出判斷并采取相應措施，使聲吶系統在最大程度上達到工作性能最佳化，提供最佳探測、跟蹤、分類、識別和攻擊等參數，并使全系統具有故障自動診斷和自動維修的能力，聲吶向智能化方向發展。

5）技術應用多樣化

隨著高新技術的發展，聲吶采用先進的技術，使聲吶技術持續地進步，能力不斷地拓展。專家系統在聲吶中的應用，為聲吶系統智能化提供新的手段；光纖信號傳輸纜和光纖水聽器在這一代聲吶中逐步獲得應用，將進一步提高聲吶的性能；高速神經計算機的應用，使聲吶信息處理跨越式發展等等。

3 聲吶系統集成概念

聲吶系統集成從概念和原理上與艦載射頻集成（即把艦上各孤立天線，采用共用孔徑等技術，分頻段與艦體平臺和作戰系統進行有機地綜合設計，提高艦船整體的作戰效能）［4］相類似，聲吶系統集成設計概念在國外剛剛興起，但聲吶集成工作實際上早已開展。

聲吶系統集成就是將艦艇多部聲吶前端 （聲陣）、收／發模塊、預處理模塊、信號處理模塊、顯示控制模塊等按照一定的準則分別進行橫向一體化集成，構成艦艇聲吶系統，完成對水下目標探測、跟蹤、分類、識別、定位、通信、偵察、導航、魚雷報警等功能，提高艦艇反潛綜合作戰效能。如果從廣義概念上說，聲吶可以是艦載的、艇載的、機載的、潛器搭載的設備，那么聲吶系統集成概念可擴大到艦艇編隊甚至陸基／海基固定水下探測系統等范圍。

下面從艦艇平臺、作戰系統以及聲吶設備3個層面來說明艦艇聲吶系統集成概念和內涵：

3.1 艦艇平臺層面

在艦艇平臺層面，聲吶設備的集成主要是聲吶設備的前端設備 （包括聲吶基陣、收／發射設備、冷卻設備以及相關設備等）和有關性能與艦艇平臺的一體化集成設計，目前集成形式主要有兩種：

（1）物理空間上集成

在艦艇上，通過在物理空間上合理布置聲吶設備，節省艦艇平臺資源，多裝設備來達到提高作戰性能的目的。比如：

1）在艦艇某一個聲吶平臺安裝多部功能不同、頻率不同、安裝形式不同的水聲換能器陣，在有限的總體資源條件下，實現功能、性能的最大化。如，美海軍“海狼”（SSN－21）級核潛艇艏部安裝的24 ft球型被動聲陣、低頻被動聲陣，最下面是半截主動聲陣，聲吶陣在艦艇物理空間上集成示意圖見圖1［5］。

2）為在有限資源條件下實現最大作戰效能，將拖曳聲吶濕端與其它水聲設備共拖在一根拖纜上。例如，美國TB－16MLTA被動雙拖曳線列陣聲吶，在一根拖纜上拖曳2根線列陣聲吶，完成遠程被動探測功能。

3）水聲對抗設備與其它系統發射架共架共管使用。

圖1 美海軍“海狼”級核潛艇艏部聲吶陣在艦艇物理空間上集成

（2）與艦艇共形集成

根據艦艇的使命任務、綜合效費比和聲吶設備集成技術發展的程度，通過系統優化、綜合權衡設計，在艦艇平臺上將部分聲吶設備的聲陣與艦艇外形實現共形集成。

比如，美海軍“洛杉磯”級核潛艇共形基陣、聽音陣列等聲吶與艦艇共形集成示意圖如圖2所示。

圖2 美海軍“洛杉磯”級核潛艇部分聲吶基陣共形集成示意圖

由于艦艇聲吶不同于艦載射頻雷達，聲吶工作頻率越低、功率越大，其聲吶基陣的口徑就越大，目前技術還不能做到所有工作頻段的基陣與艦艇全共形集成，但聲吶全共形集成是未來的一種發展趨勢。

目前，美海軍正實施先進共形潛艇水聲傳感器（ACSAS）計劃和共形聲速傳感器（CAVES）計劃，研究將下一代聲吶多基陣合并，并設計未來潛艇共形平臺，把重點開發全艇體共形聲吶陣作為5項關鍵技術之一，即整合艇上所有的聲基陣。計劃在“弗吉尼亞”級核潛艇上安裝的聲吶陣（球陣＋馬蹄形陣＋寬孔徑陣等）組合為可以適合任何艇形的順艇形聲基陣，從而獲取更好的探測和跟蹤性能。

3.2 作戰系統層面

從國內外艦艇聲吶集成發展來看，艦艇作戰系統對聲吶設備的集成大致可分為三個發展階段，即信號模擬化集成、信息數字化的集成階段，從發展趨勢上看，將向第三個階段信號數字化集成方向發展。

（1）信號模擬化集成階段

20世紀70年代初期作戰系統的設計是將大量現有的傳感器、武器和眾多顯示器、控制器、控制臺集成在一起，構成了集中式系統［6，7］。即由一臺或一組計算機統一接收或處理各種原始數據，集中實現作戰指揮和武器控制功能。

艦艇聲吶以模擬信號（脈沖、音頻等）為信息載體，以點對點連接方式，將各型聲吶與指揮或控制中心相連接，構成一種分散式系統結構，特點是各型聲吶各自獨立，單機單控，只與指揮或控制中心進行相互作用。

（2）信息數字化集成階段

20世紀80年代至90年初，隨著計算機網絡技術的發展，分布式系統成為了作戰系統發展的主流，分布式系統的顯著特點是分布式結構，分布式總線、網絡技術、標準化和通用化的設備，大量采用微機、軟件機接口等，分布式計算結構與集中式計算是不同的。它將一個大的計算任務分割成許多小的步驟或計算機程序［8，9］。

由艦艇聲吶構成一種局部分布式系統結構。作戰系統對艦艇聲吶系統的集成是以數字信息（目標航跡、目標參數、姿態信息等數字化參數）為主要信息載體，采用設備分布式的集成方式，即信息數字化的集成［10］。

（3）信號數字化的集成階段

隨著數字技術、網絡技術和軟件技術的發展，未來聲吶設備中越來越多的原來需要由硬件或模擬設備獨立實現的功能，逐漸由有軟件或數字化的通用模塊替代了，數字化的進程逐漸向聲吶設備的前端靠近，同時隨著網絡帶寬的逐漸增大和網絡可靠性穩定性的提高，使高速實時傳輸成為了可能。因此，可以說未來作戰系統對聲吶設備的集成將是以數字信號為主要信息載體的通用功能模塊的集成，同時也將是未來作戰系統集成的發展趨勢。

在這個階段，艦艇聲吶可構成一種全分布式、開放式系統結構。作戰系統對艦艇聲吶系統的集成是以數字信號為主要信息載體，全分布式的集成，即信號數字化的集成。其結構特點為：艦艇聲吶系統的集成是通過統一的網絡實現對聲吶基陣信號數字化的傳輸，并采用了大量多功能通用功能模塊，而且各種功能模塊均以軟件的形式實現，使數據與應用分離、顯示與處理分離，實現艦艇聲吶的功能集成、結構集成、信息集成。

以數字信號為載體的功能模塊分布式集成示意圖如圖3所示。說明：信號數字化集成向聲吶的濕端靠近，逐漸實現聲吶前端從模擬聲元信號向數字聲元信號的發展，信號數字化使聲吶功能模塊集成成為可能，分布式體系結構使艦艇作戰系統高度共享水下目標數據／信息，根據作戰任務動態分配使用聲吶系統資源。

圖3 以數字信號為載體的功能模塊分布式集成示意圖

3.3 聲吶設備層面

在聲吶設備層面，聲吶設備經歷了從單一功能的模擬聲吶到數字聲吶，再到多功能聲吶，最后到一體化綜合聲吶系統的3個發展階段，其發展過程如圖4所示。

圖4 艦艇聲吶設備集成發展示意圖

（1）第1階段聲吶為單一功能聲吶，經歷了模擬聲吶和數字聲吶2個階段。

模擬聲吶設備功能是各自獨立設計，探測功能單一，具有各自的傳感器、處理器、顯示器。數字聲吶采用數字技術和電子計算機進行信號處理和控制管理。應用計算機進行各分機控制、性能監視、故障檢測等技術。

（2）第2階段聲吶為多功能聲吶，以計算機控制的全數字化為其主要特征，通過局域網絡將部分聲吶設備進行集成，初步形成為綜合聲吶系統。該階段聲吶是目前艦艇聲吶的發展主流，得到了各國海軍的廣泛應用。

（3）第3階段聲吶發展為綜合聲吶系統，通過分布式、開放式網絡，將艦艇各聲吶從濕端、預處理端、信號處理端進行橫向一體化集成，實現多個聲吶設備的系統集成。主要發展方向如下：

1）向系統性、綜合性發展。艦艇聲吶系統將由單項功能的單部聲吶逐步發展為由多部聲吶組成的收－發分置、多基地、多傳感器的綜合聲吶系統，并進而構成先進反潛作戰系統。

2）向系列化、模塊化、標準化發展。無論是換能器基陣、還是信號處理機柜及顯控臺，都趨向采用標準化的模塊式結構。這種結構具有擴展性好、互換性強、便于維修等優點。

3）向智能化方向發展。用計算機進行聲吶波束形成、信號處理、目標跟蹤與識別、系統控制、性能監測、故障檢測等，可大大提高聲吶的性能。

4 幾點建議

（1）在艦艇平臺層面上，應加強艦艇聲吶系統集成頂層設計，提高綜合作戰效能。

聲吶設備的集成不僅給艦艇的外形帶來了變化，給艦艇平臺設計也會產生影響。針對探潛、反魚雷、水下通信、偵察、環境評估等需求，應加強在艦艇空間、外形結構、綜合保障、聲學環境等方面對艦艇聲吶系統集成進行頂層設計，提高艦艇綜合作戰效能。頂層設計應主要包括：

1）對聲吶系統集成的使用性能進行優化設計；

2）對聲吶系統的工作時域、工作頻域進行統一規劃；

3）對艦艇聲吶系統使用的聲學環境進行仿真研究；

4）對艦艇聲吶集成的可行性、有效性進行分析計算；

5）對聲吶設備安裝部位、安裝形式、艦艇線型、艦艇結構等進行綜合設計；

6）對艦艇聲吶集成所需水電氣進行保障性研究；

7）研究艦艇共形、聲吶透聲材料、艦艇振動噪聲、艦艇流噪聲等聲吶集成相關技術。

（2）在作戰系統層面上，應優化艦艇聲吶系統集成體系結構設計，提高資源的共享和動態重組能力。

根據作戰使命任務和綜合效能、對全艦聲吶設備的應用接口、功能界面、作戰使用流程、信息流程等進行頂層設計，統一規劃；實現綜合控制和管理全艦聲吶設備以及水聲信息資源，實現作戰資源最大程度地共享和優化配置。因此，建議如下：

1）以開放式體系結構為基礎，以聲吶設備信息為主要載體，頂層牽引聲吶設備結構向開放方向發展；

2）將聲吶設備劃分成若干個小粒度的功能性標準模塊，在模塊間進行了統一的應用接口設計，減少信息或設備資源不能共享造成的資源浪費，實現較大程度地資源共享；

3）采用通用功能模塊，根據作戰任務和要求在作戰過程中進行重新配置，實現艦艇聲吶設備一陣多用、多陣共用；

4）顯示控制采用統一的硬件平臺和技術體制，實現指揮功能的靈活配置和動態組合；

5）系統結構采用扁平化、層次化、軟件構件化、硬件模塊化，便于系統部件的快速獨立升級改造、系統功能的動態重組，提高系統的可靠性、可測性和可維修性等保障能力。

（3）在聲吶設備層面上，應合理分配資源，模塊化設計，實現聲吶功能的橫向一體化。

為更好實現系統資源共享、設備共控、戰位復用、靈活重組，提高系統作戰效能，按照“軟硬件分離、數據與應用分離、顯示與處理分離、實時處理與非實時處理分離”的原則劃分設備的軟硬件模塊，采用層次化、模塊化、通用化的設計思路，將處在同一層次的聲吶前端（即濕端）、收／發射模塊、預處理模塊、信號處理模塊、顯示控制模塊等功能模塊分別橫向一體化，構建綜合聲吶系統。因此，建議如下：

1）在聲吶前端，不同功能的聲吶進行集成。如：通信聲吶、偵察聲吶、目標識別與艦殼聲吶和拖曳線列陣聲吶集成等。

2）后端處理采用統一的硬件平臺和通用功能模塊，各種功能模塊均以軟件形式實現，通過資源的合理分配和調度，實現不同的聲吶功能，可以根據不同情況承擔不同反潛作戰統任務的能力。

3）同一層次功能相同的模塊采用標準化的硬件平臺構成通用的計算環境，各功能模塊以軟件形式實現，且軟件采用統一的構件化的層次軟件結構和傳輸協議，動態部署在通用硬件上，實現聲吶功能的橫向一體化。

5 結束語

艦艇聲吶多用途、通用化、系列化是現代艦艇水下探測系統發展的一個重要趨勢，艦艇聲吶集成是一項復雜的系統工程，涉及相關專業眾多，需要從艦艇平臺、作戰系統、聲吶設備幾個方面綜合設計完成，在艦艇“平臺”上統籌規劃、頂層設計，“系統”上綜合集成、優化設計，“設備”上一體化集成、模塊化設計，將聲吶設計與艦艇集成有機結合起來，充分發揮系統水下探測能力，使艦艇綜合作戰效能上一個新臺階。

［1］王緒志.淺談潛艇綜合聲納系統［J］.現代軍事，2002（2）：33－35.

［2］王慶光，張文玉，宋汝剛.西方海軍遠程探測聲納發展現狀［J］.艦船論證參考，2004（2）：44－48.

［3］蔡志明，王希敏.軟件聲納的概念與趨勢［J］.聲學技術，2007，26（5）：968－971.

［4］周鳴昕，湯俊，彭應寧，等.一種適用于軟件雷達系統的數據流驅動機制 ［J］.系統工程與電子技術，2002，24（10）：112－115.

［5］佟盛.國外水聲系統技術發展動向［J］.聲學與電子工程.2006（B07）：101－104.

［6］戴自立，謝榮銘，石靜，等.現代艦載作戰系統［M］.北京：國防工業出版社，1999.

［7］鄧蘇，張維明，黃宏斌.信息系統集成技術［M］.北京：電子工業出版社，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.海底網絡中心戰傳感器網絡［J］.艦船科學技術，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，高級工程師。研究方向：艦載作戰系統。E鄄mail：ppanjun@msn.com