艦艇聲納技術的發展動向與分析＊

石萬山

（海軍駐沈陽地區電子系統軍代表室 沈陽 110003）

1 引言

聲納是利用水中聲波進行探測、定位和通信的電子設備，是各國海軍進行水下監視使用的主要技術。可用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤；進行水下通信和導航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰術機動和水中武器的使用。本文就艦艇聲納技術、發展動向、發展分析等，作進一步的研究和探討［1］。

2 艦艇聲納技術

目前，各國海軍根據自己的戰術要求、海區特點、艦艇種類、技術水平和經濟實力的不同，水面艦艇反潛聲納主要有［2］：

1）主動聲吶。主動聲吶技術是指聲吶主動發射聲波“照射”目標，而后接收水中目標反射的回波以測定目標的參數。大多數采用脈沖體制，也有采用連續波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來，它主動地發射超聲波，然后收測回波進行計算，適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關閉了發動機的隱蔽的潛艇.目前，美國海軍為了加強反潛能力，準備在未來聲納上運用一種新技術，那就是連續主動聲納技術（CAS）。美國埃萊恩科公司正在開發的這種探測系統，可以不間斷地發射信號，聲納操作員也能同步聽到潛艇的聲音，從而使水面艦艇能夠更快地探測到敵艦艇。

2）被動聲吶。被動聲吶技術是指聲吶被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發射的信號，以測定目標的方位。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標發出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，特別適用于不能發聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。例如美國海軍的AN／SQR—19戰術拖曳陣聲納和AN／SQS—53系列聲納（A、B和C型）；英國海軍的2031型拖曳陣聲納和2050型（或2016型）艦殼聲納。

3）可變深度聲納。比較直接的因素有傳播衰減、多路徑效應、混響干擾、海洋噪聲、自噪聲、目標反射特征或輻射噪聲強度等，它們大多與海洋環境因素有關。例如，聲波在傳播途中受海水介質不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會產生折射、散射、反射和干涉，會產生聲線彎曲、信號起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現聲陰區，嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度。現代聲吶根據海區聲速—深度變化形成的傳播條件，可適當選擇基陣工作深度和俯仰角，利用聲波的不同傳播途徑（直達聲、海底反射聲、會聚區、深海聲道）來克服水聲傳播條件的不利影響，提高聲吶探測距離。又如，運載平臺的自噪聲主要與航速有關，航速越大自噪聲越大，聲吶作用距離就越近，反之則越遠；目標反射本領越大，被對方主動聲吶發現的距離就越遠；目標輻射噪聲強度越大，被對方被動聲吶發現的距離就越遠。例如：加拿大的SQS—509，法國的SS—12和SiodonTSM2630；德國的DSQS—21和美國的DEII60系列聲納、780系列聲納；法國的TSM2640SALMON變深聲納。目前，美國裝備海軍艦艇的 AN／SQR－19聲納，它是在 AN／SQR－15和 AN／SQR－18的基礎上開發而成的。該陣列聲納長800英尺，拖纜長5600英尺，拖曳深度可達1200英尺。

3 發展動向

1）雷聲公司向美國海軍交付第一部雙波段聲納。法國《航宇防務》2012年4月16日報道：雷聲公司最近向美國海軍交付了第一部水面艦艇用雙波段船體聲納—AN／SQQ－90戰術聲納套件，用于裝備美國海軍第一艘DDG－1000驅逐艦，以顯著增強其水下作戰能力并擴展其作戰范圍［3］。

雷聲公司交付的聲納電子設備全部組裝并集成到電子模塊外殼（EME）。EME是用于DDG－1000驅逐艦的創新性造船技術，不僅可方便船廠進行安裝前的集成和測試，而且最大限度地減少了在艦上安裝空間，同時還提高了效率。

AN／SQQ－90由 AN／SQS－60艦殼中頻聲納、AN／SQS－61艦殼高頻聲納、AN／SQR－20多功能拖曳陣列聲納和吊放系統組成。利用自動化技術和獨特的信息管理技術，AN／SQQ－90所需的操作人員僅為“宙斯盾”系統的1／3。通過集成DDG－1000驅逐艦開放架構戰斗系統和多傳感器能力，AN／SQQ－90將提供多目標打擊能力，包括在沿海和深海水域對抗地雷和柴油動力潛艇。

EME作為大型子系統附件，可以為內部集成的各種成熟電子設備提供沖擊防護、電磁干擾保護、熱力調節、安全和隔振等保護。聲納電子EME含有安裝集成到位并經過測試的電子設備（如向艦艇指揮中心分發信號和數據收發放大器及相關處理器），為艦殼聲納提供電力和控制。

2）阿特拉斯公司將為德國F125護衛艦提供“塞伯羅斯”便攜式潛水員檢測聲納。法國《航宇防務》2012年7月16日報道：阿特拉斯電子公司將向德國海軍交付用于部署最新型護衛艦F125的便攜式潛水員檢測聲納。阿特拉斯作為海軍電子系統的領銜供應商，獲得德國聯邦國防技術和采購局（BWB）的一項采辦合同，其中包含用于四艘F125護衛艦的的四部“塞伯羅斯”Mod2便攜式潛水員檢測聲納（DDS）和五套訓練系統［4］。

由阿特拉斯電子公司英國子公司開發的“塞伯羅斯”Mod2聲納將成為安裝在北約艦艇上的第一部潛水員檢測聲納。當潛水員、游泳者、自主水下航行器（AUV）或蛙人運載工具出現時，“塞伯羅斯”將向作戰人員發出告警信號，以保護軍用艦艇不受水下威脅侵害。系統非常適用于遠征平臺，如戰時將在潛在敵區進行前沿行動的F125護衛艦。

“塞伯羅斯”系統可在遠離艦橋和甲板下方處理和顯示單元的地方運行。若“塞伯羅斯”不采用艦艇標準電源供電，系統還可完全獨立于艦艇系統運行。將幾部聲納置于海港中的合適位置，就可監視很大的范圍，并保護大量艦艇。“塞伯羅斯”可以將其周圍區域的顯示在海圖上。系統所在艦船的位置和方位會不斷更新。一旦初始化，潛水員檢測聲納就會在有水下目標接近艦艇時產生視覺和聽覺的告警信號。因此，監視人員無需一直盯著顯示器。由于“塞伯羅斯”系統只有23kg且非常輕巧，無需吊車或吊架便可安裝，只需個人即可輕易地搬運和操作其部件。“塞伯羅斯”Mod2滿足所有相關的國內和國際軍用標準（BV和MIL）。

3）泰利斯公司聲納反潛戰能力表現優秀。泰利斯公司網站2012年12月4日報道：在近日舉行的一次軍演中，配備泰利斯（Thales）英國公司“2087聲納”（Sonar 2087）的皇家海軍艦艇（HMS）“諾森伯蘭郡”（Northumberland）號護衛艦和配備該公司FLASH吊放聲吶的“梅林”（Merlin）反潛直升機表現出優秀的反潛戰（ASW）能力［5］。

演習中，反潛水面艦艇試圖“下沉”獵殺潛艇，同時還要避免被隱身對手擊沉。

英國快速反應部隊部署在地中海的“諾森伯蘭郡”號護衛艦是配備“2087聲納”的八艘23型護衛艦之一。“2087聲納”是一種拖曳式低頻有源聲納陣列系統，由有源和無源聲納陣列組成。它用于探測在發起攻擊范圍之外的遠距離潛艇。

23型護衛艦還載有配備泰利斯公司FLASH吊放式聲納的“梅林”直升機。“2087聲納”和FLASH聲納相結合，使23型護衛艦構成了一個強大的反潛戰系統。

4）洛克希德·馬丁公司獲美國海軍聲納修改合同。美國國防部網站2012年12月10日報道：洛克希德·馬丁公司日前獲得美國海軍一項價值約1.21億美元的合同（修訂版），以履行2013財年的“聲學快速COTS插入”（ARCI）生產任務［6］。

合同旨在為美軍潛艇和外軍銷售開發和生產A－RCI系統和通用聲學技術插入12（TI12）項目。

A－RCI是一個聲納系統，它通過快速插入基于COTS的軟硬件集成技術提高了拖曳列陣、船體陣列、球陣列、和其他船舶傳感器處理系統性能。

該工作預計將于2013年12月分別在弗吉尼亞州馬納薩斯（60%）和佛羅里達州清水鎮（40%）完成。美國海軍海上系統司令部、華盛頓海軍造船廠是該項目的承包責任人。

5）Kraken聲納系統公司獲澳大利亞國防科學與技術組織聲納合同。Kraken聲納系統公司網站2013年1月15日報道：從事軍民兩用高性能合成孔徑聲納和聲速傳感器的設計開發商Kraken聲納系統公司1月14日宣布，獲得了澳大利亞國防科學與技術組織（DSTO）授予的AquaPix“干涉合成孔徑聲納”（InSAS）系統合同［7］。

DSTO是澳大利亞政府負責應用科學和技術，保護和捍衛澳大利亞及其國家利益的政府機構。DSTO提供專家、咨詢和創新的防御解決方案。

Kraken聲納系統公司的AquaPix干涉合成孔徑聲納系統可提供前所未有圖像分辨率的海底圖像。該系統具有先進的信號處理能力和Kraken公司革命性NSIGHT SAS圖像處理軟件的獨特成像技術。

精密聲納成像技術注重細節，增強水下物體的陰影。其出色的圖像質量提高了精度，有助于決策。

AquaPix能夠提供高分辨率詳細海底圖像資料，它可提供潛水器邊緣3cm處至300m范圍內的圖像，并可產生分辨率高于25cm×25cm的三維水深數據，其深水數據精度符合IHO S44海道測量標準。

由于該系統可提供具有成本效益和超高分辨率的圖像，因此是反水雷、Q－路線調查、沉船搜索、電纜／管道調查和執行各種其他海底成像和監視任務的理想選擇。

6）加拿大康斯貝格·米設公司發布新型多頻迷你聲納頭。美國《今日海軍》網站2013年2月27日報道：康斯貝格·米設公司（Kongsberg Mesotech）發布1171系列多頻迷你聲納頭。該聲納頭非常適用于觀察、檢查和輕量工作級遙控潛水器。該聲納頭探采用新型電子技術，提高了圖像質量［8］。

其特征如下：輕小型化；多頻運行，增加了探測距離，提高了圖像分辨率；采用線性調頻脈沖技術，提高了距離分辨率，可區分遠距范圍內十分靠近的目標：降低了系統功耗。

該聲納頭的運行頻率可以預置為625kHz、675kHz、750kHz或800kHz，或者設為調諧模式，使頻率按5kHz的增量變化。

公司還發布了MS 1000聲納處理軟件的新版本5.21。該軟件用于支持上述多頻迷你聲納頭的頻率選擇和調諧功能。該軟件可根據所選頻率自動設置時變增益（TVG），并根據所選距離自動設置工作頻率。這將使用戶通過最小的輸入量即可獲得最佳數據。

7）美反潛戰持續跟蹤無人艇裝備模塊化可擴展聲納，可增強跟蹤能力。簡氏防務周刊網2013年4月5日報道］雷聲公司開發的水下戰用模塊化可擴展聲納系統已被選定裝備科學應用國際公司（SAIC）的反潛持續跟蹤無人艇（ACTUV）［9］。

3月27日，雷聲公司綜合防御系統項目經理向簡氏周刊表示：“雷聲公司、科學應用國際公司和美國國防高級研究計劃局正在共同努力提升反潛持續跟蹤無人艇的能力，并有望過渡成一個海軍項目。”

8）Kraken公司與美國海軍水下作戰中心合作完成新型聲納測試。法國《航宇防務》2013年5月22日報道：Kraken聲納系統公司宣布與美國海軍水下作戰中心（NUWC）的聲納合作研發測試項目在羅德島紐波特取得圓滿成功［10］。

NUWC紐波特分部是美國海軍水下作戰中心的兩個分部之一，其任務是為潛艇、水下無人系統以及水下攻擊和防御武器系統提供研究、開發、測試、評估、工程實現和保障提供支持。

2012年10月，NUWC紐波特分部與Kraken公司達成合作研發協議，以評估Kraken公司研制、搭載在海軍水下作戰中心REMUS 600型無人水下航行器（AUV）上的AquaPix型干涉合成孔徑聲納（InSAS）的有效性。

通過26項AUV搭載執行的測試任務，NUWC和Kraken公司收集了在納拉甘西特灣和布洛克島試驗場對陣雙方的干涉合成孔徑聲納關鍵數據。

Kraken公司的AquaPix型干涉合成孔徑聲納的傳感器可在200m范圍內獲得高分辨率的探測影像。該型聲納獲取的海底地形數據與獨立的水深測量數據相比毫不遜色，測試結果表明用REMUS 600型AUV搭載的AquaPix型干涉合成孔徑聲納傳感器具有大范圍的高分辨率和水深適應性。

Kraken公司董事長兼CEO肯尼稱，與海軍水下作戰中心的合作研發測試項目是對AquaPix聲納的一次重要考驗。通過這次演示，該系統證明了其技術的成熟性。測試結果將提升該聲納系統客戶的信心。

Kraken公司的AquaPix型干涉合成孔徑聲納提供了遠高于常規側聲納的分辨率和探測范圍。合成孔徑聲納取代了傳統聲納復雜的信號處理軟件和硬件，其原理是將傳感器陣列進行“綜合”，利用小孔徑基陣的移動來獲得移動方向（方位方向）上大的合成孔徑，從而得到方位方向的高分辨力，其“有效長度”比實際的“物理長度”要長25倍。

Kraken公司的AquaPix聲納在200m范圍內的成像分辨率可達3cm。另外，干涉型合成孔徑聲納還能夠同時提供3D海底地形，以建立精確的數字地形模型。AquaPix型干涉合成孔徑聲納獲得精確探測數據的能力超過了IHO S44規定的特殊訂貨要求。

4 發展分析

艦艇聲納技術的發展方向，主要包括：1）先進信號處理技術；2）水聲通信和聲吶組網技術；3）被動聲吶技術；4）低頻主動聲吶技術；5）是爆炸聲回波定位技術［11］。

1）先進信號處理技術。隨著高性能微處理器和各種專用、通用高速數字信號處理器的出現，以及各種先進信號處理算法的開發，聲吶的效能發生了巨大的變化。聲吶系統的更新在很大程度上是隨著計算機系統和信號處理系統的升級而進行的，聲吶基陣的改動不大。美國海軍在聲吶技術的發展上，首先把大量資金用于改進信號處理能力，其次是購買新型聲基陣（如甚低頻主動聲吶基陣），同時重新設計了潛艇的作戰指揮系統。

2）水聲通信和聲吶組網技術。先進的信號處理技術顯著提高了聲吶系統的性能，使聲吶除了完成潛艇探測的任務外，還可以進行遠距離水聲通信。現在的水聲通信技術已經可以實現圖像傳輸，通過編碼技術可以進行大約100比特／秒的低速數據傳輸，今后可能提高到1000比特／秒。水聲通信技術使各種水下平臺的數據交換成為可能，如通過潛艇和無人潛航器的數據交換就可以構成水下戰場的聲圖像。目前規模最大的水聲網絡是由美國海軍研究局和空海戰系統中心主持的“海網”（Seaweb）。北約使用反潛武器網絡系統，如用“聲吶監聽系統”（SOSUS）的被動聲吶陣列來探測潛艇，由反潛巡邏機接收聲吶陣列的信號來擴大反潛的海域。使用組網技術的好處是能夠遠程探測，大大提高預警能力。

3）被動聲吶技術。被動聲納（包括拖曳陣和被動聲吶浮標）主要用于監聽水面艦艇產生的噪聲、核潛艇的核反應堆在運行時的噪聲，對窄帶信號的檢測成為聲吶信號處理的關鍵技術。目前幾乎所有的潛艇都裝備被動聲吶，但是在搜索柴電潛艇時主動聲吶仍必不可少。

4）低頻主動聲吶技術。安靜型柴電潛艇的廣泛裝備，使聲吶技術的研究熱點重新轉移到主動聲吶上。但主動聲吶有兩個缺點，一是聲吶發射的聲波會被反潛設備接收到，使潛艇暴露目標并遭到攻擊；二是主動聲吶在淺海的作用距離受海床的影響。聲吶脈沖會在海底和水面之間反射，沿不同路徑返回（即“多途效應”）。此時會有微小的時延，在接收機上形成混響干擾，掩蓋目標的回波。聲吶使用的脈沖序列越長、探測距離越遠，聲吶受混響的影響就越嚴重，選擇短脈沖固然會減小混響的影響，但同時也減小了聲吶的探測距離。

解決這個矛盾的方法之一是使用脈沖編碼技術。一個長脈沖序列可以被壓縮成一個短脈沖序列，但頻率和相位也會發生一些變化。二是艦殼主動聲吶還可以通過控制波束仰角、采用自適應技術來減小混響的影響。

5）爆炸聲回波定位技術。爆炸聲將在寂靜潛伏的潛艇上產生回波，SOSUS系統的被動聲吶陣接收回波并進行定位。隨著計算機的飛速發展，區分潛艇回波和海底反射波的課題得到了解決。

5 結語

隨著核潛艇的增多及發射遠程彈道導彈的能力增強，使得短距離主動聲納已不能滿足探測潛艇的要求，各國海軍轉而發展被動聲納以保證遠距離探測與識別水下目標。低頻和大孔徑成為這一時期研制遠距離探測聲納的發展方向。在未來海戰場信息戰中，聲納及綜合聲納系統將扮演越來越重要的角色［12］。

［1］李居偉，徐以成，孫明太.被動定向聲納浮標的目標運動分析［J］.電光與控制，2011，18（12）：31－34.

［2］尚建華，賀巖，陳衛標.激光聲納探測技術［J］.激光與光電子學進展，2008，45（2）：59－63

［3］雷聲公司向美國海軍交付第一部雙波段聲納［N］.每日防務快訊 ，2012－04－23.

［4］阿特拉斯公司將為德國F125護衛艦提供“塞伯羅斯”便攜式潛水員檢測聲納［N］.每日防務快訊，2012－07－24.

［5］泰利斯公司聲納反潛戰能力表現優秀［N］.每日防務快訊，2012－12－12.

［6］洛克希德·馬丁公司獲美國海軍聲納修改合同［N］.每日防務快訊，2012－12－20.

［7］Kraken聲納系統公司獲澳大利亞國防科學與技術組織聲納合同［N］.每日防務快訊，2013－01－21.

［8］加拿大康斯貝格·米設公司發布新型多頻迷你聲納頭［N］.每日防務快訊，2013－03－01.

［9］美反潛戰持續跟蹤無人艇裝備模塊化可擴展聲納，可增強跟蹤能力［N］.每日防務快訊，2013－04－09.

［10］Kraken公司與美國海軍水下作戰中心合作完成新型聲納測試［N］.每日防務快訊，2013－05－29.

［11］運朝青，胡正良，胡永明.細線拖曳聲納研究進展［J］.半導體光電，2012，33（5）：618－623.

［12］劉孟庵.拖曳線列陣聲納技術發展綜述［J］.聲學與電子工程，2006，83（3）：1－5.