國外拖曳線列陣聲納技術現狀與發展趨勢*

邵云生 彭會斌 宋君才

(駐上海地區水聲導航系統軍事代表室 上海 200136)

1 引言

傳統的聲納都要依托艦艇平臺,因而受到許多限制[1]:1)空間有限,特別是容納陣列聲納的空間有限,制約了聲納性能的提高;2)來自艦艇平臺的自噪聲(包括航行水噪聲)是聲納工作的重要干擾源;3)對水面艦艇來說,聲納不能根據水文條件(聲速分布情況)的變化而改變聲納深度,因此不能隨時接收最佳的水聲信號。拖曳變深聲納的出現,部分地突破了上述局限。為擴展陣列聲納孔徑,變深聲納的拖體逐漸演變成數百米的長線陣列,形成了拖曳線陣列聲納。

2 拖曳陣聲納簡介

拖曳線列陣聲納也稱“拖曳陣聲納”[2],它是將水聽器鑲嵌在電纜上形成線列陣,由拖曳電纜拖在艦艇尾后水中探測目標的聲納。主要用于聽測潛艇輻射噪聲,進行遠程監視、測向和識別,有的也可用于測距。由線列基陣、拖曳電纜、收放裝置和絞盤、電子機柜等組成。拖曳線列陣一般由前導段、儀器段、基陣段、后導段和尾段構成,陣長數十米至數百米,工作深度可變。拖線陣中的傳感器有水聽器模塊和非聲模塊,后者用以監控陣形和姿態。拖曳陣聲納具有基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測,能遠距離隱蔽地發現目標;基陣入水較深,通過控制拖纜長度可調節基陣入水深度,以工作于有利水層;基陣遠離平臺,受平臺噪聲干擾小,作用距離遠;基陣可隨時收回,維修方便等優點。缺點是:基陣、拖纜和收放裝置占用運載平臺的空間大;拖體放入水中工作時,對拖帶艦艇的旋回和倒車等機動有不利影響。拖曳陣聲納按用途可分戰術型拖曳列陣聲納和監視型拖曳列陣聲納兩種。戰術型拖曳線列陣聲納裝備于大、中型反潛水面艦艇和攻擊潛艇,拖曳電纜與線列陣總長達 1000m～2000m,被動探測距離50海里～100海里,最大拖曳航速可達30節。水面艦艇的戰術型拖曳線列陣聲納,與艦殼聲納或拖體聲納配合工作,被動接收主動聲納發射聲納信號在目標上產生的回波,其作用距離遠大于艦殼聲納或拖體聲納單獨工作時的主動探測距離,從而提高水面艦艇反潛搜索能力。監視型拖曳線列陣聲納,主要裝備于海洋監視船,其拖曳航速極低,拖曳電纜與線列陣總長5000m以上,在低聲頻和次聲頻段工作時,被動探測距離可達300余海里。

3 國外拖曳陣聲納技術現狀

近年來,由于潛艇隱身和降噪技術的發展,使潛艇變得更加安靜,越來越難以探測。同時,潛艇航速不斷提高,潛射魚雷、導彈的航速不斷加快,航程也越來越遠,這對反潛兵力來說構成了不小的威脅。為了能夠從更遠的距離上盡早發現敵潛艇,自上世紀70年代以來,美、英、法等國相繼研制了一批性能良好的拖曳式線列陣聲納。1984年美國將水面拖線陣列系統引入聲監控系統作為遠程被動聲警戒,對潛艇和水面艦艇的航行噪聲實施探測、定位和識別。目前,美國研制了一型專門用于海上水聲探測和預警的T-AGOS遠洋偵察船[3]。這種船不屬海軍建制,也不配海軍官兵,完全由民用部門管理和使用,以便在和平時期長期游弋于大西洋和太平洋,搜集、監視敵潛艇動向,并積累重要的水聲信息資料。工作時,偵察船通常以3節航速航行,拖曳線列陣聲納基陣拖在船后約5公里處,水聽器在水中可以扭曲,具有較好的撓性。在發現目標潛艇之后,水聽器基陣將噪聲信號轉變為電信號,借助于拖纜把電信號傳至偵察船情報中心進行分析和處理。之后,通過裝于偵察船主桅上的“維斯凱”6型數據鏈天線,將經過處理的敵潛艇噪聲特性轉發給通信衛星。通信衛星將接收到的信號轉至美國本土地面站,并呈報海軍作戰部進行決策參考。

除了像水面拖線陣系統這種遠程警戒拖曳線列陣聲納外,發達國家更為普遍地發展了戰術拖曳線列陣聲納,如美國海軍當前裝備水面艦艇的AN/SQR-19聲納,它是在 AN/SQR-15和 AN/SQR-18基礎上開發而成的新型標準戰術拖線陣聲納。聲陣長800英尺,拖纜長5600英尺,拖曳深度可達1200英尺。在大洋中探測距離可超過第二會聚區(達120km以上)。AN/SQR-19被動拖曳線列陣聲納是美國海軍的第二代戰術拖曳陣聲納,也是目前世界上最先進的戰術拖曳陣聲納。它在AN/SQQ-89(V)綜合反潛系統中承擔了大范圍遠距離初始探測任務,初探之后,艦載反潛直升機SH-60B迅速飛往目標區域,使用機載探潛設備對潛實施精確定位,而后用機載反潛武器攻擊或經數據鏈給母艦傳輸目標數據由艦載遠程武器對潛攻擊。此外,它還與AN/SQS-53C聲納相互配合,保證中近程對潛探測、跟蹤、識別、定位以及武器的使用。

被動拖線陣聲納是以檢測目標航行時水下噪聲為手段探測目標的,隨著潛艇降噪技術的進展,安靜型常規動力潛艇的出現,特別是不依賴空氣推進技術投入應用,使本艇輻射噪聲大大減小,隨后核動力潛艇降噪也獲得相應地進展,使被動聲納探測目標困難。人們把目光又投向主動式探測聲納,開始了低頻主動拖線陣聲納研究。主動拖線陣聲納利用低頻長發射脈沖、大孔徑聲系統來增大探測距離。北約水下研究中心在上世紀80年代初就進行主動拖曳陣聲納的方案和技術可行性研究,1992年主動拖線陣聲納首次參加北約組織的“龍錘”92(DRAGONHAMMER92)演習,這不是實驗式的海試,而是以整機規模參加北約組織的一次演習。隨后在英吉利海峽的西南水域多次組織海試,試驗動用了意大利的“托蒂”潛艇和德國的 U30型潛艇,試驗用主動拖線陣聲納的發射聲系統和拖體,取得了有價值的成果。1991年荷蘭皇家海軍TNO物理和電子試驗室與德國湯姆遜-辛特拉公司共同開始研制低頻主動拖線陣聲納[4]。1994～1997年期間,在不同季節,不同水域進行海上研究實驗。為解決單列線陣的拖線陣聲納難以區分目標方位是在左舷還是右舷的問題,該低頻聲納采用雙線拖曳陣列。

4 國外拖曳陣聲納的發展趨勢

聲納作為探測潛艇的有效裝備,從其誕生之日起就伴隨著潛艇技術的發展而發展,從當前國外已裝備使用的拖曳陣聲納和正在進行研發的拖曳陣聲納技術看,拖曳陣聲納技術的發展趨勢可概述如下:

4.1 繼續向低頻、大功率、大基陣方向發展

4.1.1 被動拖曳線列陣聲納

鑒于聲波在海水中的傳播特性以及低頻大功率與基陣的關系,開發大孔徑低頻被動聲納技術是解決遠程探潛問題、進行有效反潛的必要前提。上世紀70年代末、80年代初出現的被動拖曳線列陣和舷側陣是這種低頻大孔徑技術的代表。目前裝艦使用的被動聲納工作頻率,一般為0.1～1.5kHz,大型主動聲納的工作頻率一般為1.5～3.5kHz。美國的AN/SQR-19戰術拖曳陣聲納是這種被動拖曳陣聲納的典型。而具有預警性質的戰略拖曳陣聲納目前還只有美國擁有,這種聲納由于不執行戰術反潛任務,線陣長度可達千米以上,如美國的監視拖曳陣系統(SURTASS)警戒陣線陣長1828m。

4.1.2 主動拖曳陣聲納

潛艇降噪技術在近二十年的時間內獲得了極大發展,出現了所謂“寂靜型”潛艇,使對潛被動探測聲納的作用距離大幅度降低,甚至出現了在千米的近距離上被動聲納不能發現潛艇的報道。此外冷戰的結束,也使各國反潛的主要戰略從全球范圍內的深海水域轉向局部海戰和地區沖突。淺水水域的惡劣傳播條件使被動聲納難以正常發揮,于是人們開始了對主動式拖曳陣聲納的研究。英國是第一個開始主動式拖曳線列陣聲納研究的國家,它的ATAS試驗陣受到世界各主要海軍國的高度重視[5],這種聲納繼承了被動拖曳陣聲納的技術優勢,使用大孔徑低頻線陣作為接收陣,配以低頻大功率發射陣,由水面艦艇拖曳使用。

4.2 向系列化、模塊化、標準化、高可靠性和可維修性方向發展

現代聲納設備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。這種結構具有一系列優點:擴展性好、互換性強、便于維修、可靠性強、研制周期短、研制經費少等。美、英、法、德等國家都很重視聲納設備的系列化,如用于AN/SQS-53、AN/BQQ-5及拖曳線列陣聲納中的美國AN/UYS-1型標準化聲納信號處理器,其改進型AN/UYS-2是一部模塊結構分布式并行處理機,它運用了單獨的動態數據流結構,并采用獨特的應用軟件。它將應用在AN/SQQ-89、AN/BSY-2、SURTASS和機載低頻聲納(ALFS)中。設備的先進性、可靠性和維修性是相輔相成的,一般大型聲納的平均故障間隔時間達400～450小時,故障平均修復時間在1小時內,中小型聲納的可靠性和維修性更高,如法國的DIODON型聲納,其平均故障間隔時間達500小時,平均修復時間為15分鐘。

4.3 計算機的應用使聲納向智能化方向發展

電子計算機技術的飛速發展為聲納的發展提供了技術保障。用計算機進行聲納波束形成、信號處理、目標跟蹤和識別、系統控制、性能監測、故障檢測等,使聲納性能有了很大提高。目前裝備使用的幾個先進海軍國家的聲納,都是由數字計算機進行信號處理和系統控制與檢測的數字化聲納。微處理機的出現又使聲納信號處理可以更廣泛地采用多級、并行、分布式處理體系結構,從而使其處理能力大大增強,如美國的AN/BQQ-5潛用聲納系統即采用分布式處理方式。隨著聲納基陣的進一步擴大及潛艇降噪的進展以及目標強度的降低,要求聲納系統信號的處理能力進一步提高,目前大型聲納系統的運算速度高達10～100億次/秒,因此,必須使用更先進的處理結構和方法。現在一些國家正在研制一些新型的單片機和陣列機,以構成高速并行處理系統和陣列式并行處理系統。隨著人工智能計算機的問世,聲納也正在向智能化方向發展,目前神經網絡的研究取得了令人矚目的進展,它將計算機技術和信號處理相結合,使聲納智能化成為可能。

4.4 換能器材料的新發展

傳統的壓電陶瓷材料目前仍為聲納換能器的主要材料,較新的材料是壓電聚合物和光纖。在壓電聚合物材料中目前已用于聲納基陣的是PVDF(聚氟偏乙烯材料),例如法國的TSM2253型舷側陣聲納的平板型水聽器就采用此材料。用光纖材料做水聽器的研究目前正在進行,它已開始用于水下固定式水聽器和拖曳式線列陣聲納的換能器上。

[1]田坦,等.聲納技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2004,3:145～149

[2]閻福旺,等.現代聲納技術[M].海洋出版社,1998,4:427～432

[3]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):44～45

[4]宋新新,毛娜.德國聲納技術發展 100年[J].艦船電子工程,2004,24(2):19～21

[5]蘇皋聲.英國艦用和潛用聲納的最新發展[J].聲學與電子工程,1986(4):41～43