艦船聲納系統(tǒng)一體化探討＊

陳德喜 王 青 向 前 顏 俐

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）（2.中國(guó)人民解放軍第四八零八工廠軍械修理廠 上海 266042）

（3.海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室 武漢 430064）

1 引言

高科技條件下的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬(wàn)變，以往那種彼此分立、功能單一的電子裝備已遠(yuǎn)不能適應(yīng)部隊(duì)作戰(zhàn)需求。一體化技術(shù)作為謀求電子裝備最佳匹配的一種系統(tǒng)工程技術(shù)[1]，已成為當(dāng)前電子裝備發(fā)展的重點(diǎn)和未來(lái)電子裝備總的發(fā)展方向，為滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)作戰(zhàn)需求提供了技術(shù)途徑和方法。艦船聲納系統(tǒng)是艦船水聲探測(cè)水面艦船、潛艇、魚(yú)雷等水中武器的主要手段，將在未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)信息戰(zhàn)中扮演重要的角色。因此，艦船聲納系統(tǒng)一體化是科技發(fā)展和裝備發(fā)展需求的必然結(jié)果，是以計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，集中水聲、電子、船體結(jié)構(gòu)、材料、總體性能、噪聲、電磁兼容等多個(gè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)，從功能（警戒、偵察、測(cè)距、識(shí)別等）、結(jié)構(gòu)（平臺(tái)、各傳感器以及軟硬件等）、信息（資源共享、數(shù)據(jù)融合）三個(gè)方面，達(dá)成系統(tǒng)的最佳整合，以實(shí)現(xiàn)艦船對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的全面感知、提高艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體效能，對(duì)實(shí)現(xiàn)武器裝備綜合一體化具有重要意義。

2 國(guó)外艦船聲納一體化發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外早在上世紀(jì)70年代根據(jù)艦船作戰(zhàn)需求就已經(jīng)開(kāi)展了聲納系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)研究工作，在采用新的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，使艦船聲納系統(tǒng)向全方位、多功能、寬頻帶、集中顯控、孔徑共享、數(shù)據(jù)融合等方向發(fā)展，并且一些研究成果已經(jīng)應(yīng)用到工程實(shí)際中。下面簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)典型的一體化應(yīng)用。

1）英國(guó)2076綜合聲納系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代后，英國(guó)開(kāi)始在特拉法爾加級(jí)和機(jī)敏級(jí)潛艇上逐步引入高度集成的2076全新綜合多陣列聲納系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單機(jī)聲納。該聲納系統(tǒng)具有高靈敏度、大孔徑舷側(cè)陣以及先進(jìn)的自動(dòng)探測(cè)和傳感器數(shù)據(jù)融合功能；艙內(nèi)處理功能采用了冗余的、基于COTS技術(shù)的、開(kāi)放式的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，可快速引入第三方程序和開(kāi)發(fā)，從而能夠削減部隊(duì)成本、減少報(bào)廢，實(shí)現(xiàn)全壽命成本控制；并且在同一個(gè)電子機(jī)柜設(shè)計(jì)中把聲納和作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的處理融合到一個(gè)共享的處理平臺(tái)中，與潛艇指揮系統(tǒng)高度集成；系統(tǒng)的應(yīng)用是通過(guò)聲納系統(tǒng)綜合體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)來(lái)自任一操控臺(tái)的操控命令通過(guò)聲納數(shù)據(jù)和傳感器的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸（通過(guò)諸如跟蹤、分類(lèi)和記錄的中央處理功能的支持）均能完成。2076綜合聲納系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 “特拉法爾加”級(jí)潛艇2076綜合聲納系統(tǒng)示意圖

2）美國(guó)BQQ－6型和BQQ－10型聲納系統(tǒng)

美國(guó)海狼級(jí)潛艇將BQQ－6型聲納系統(tǒng)和作戰(zhàn)指揮、武器控制分系統(tǒng)的信息進(jìn)行了融合，將探測(cè)、識(shí)別、跟蹤、分析、傳遞、決策、執(zhí)行等任務(wù)融為一體；在其設(shè)計(jì)和建造過(guò)程采用模塊化技術(shù)，允許每一個(gè)專(zhuān)業(yè)工程師參與全程設(shè)計(jì)。海狼級(jí)潛艇艇艏部安裝的球型被動(dòng)聲基陣、低頻被動(dòng)聲基陣以及最下面的半截主動(dòng)聲基陣，實(shí)現(xiàn)了多功能、不同頻率聲基陣在有限總體資源下的一體化設(shè)計(jì)。

根據(jù)美國(guó)海軍發(fā)布的公開(kāi)信息，美國(guó)海軍認(rèn)為“寬孔徑艏部聲納基陣”（即艏部共形陣）空間利用率高、使用壽命長(zhǎng)、零部件價(jià)格低廉[2]，并且可以獲得類(lèi)似甚至超過(guò)球形陣的空間增益，因此決定在弗吉尼亞級(jí)核潛艇的后續(xù)艇上采用共形陣代替BQQ－10型聲納系統(tǒng)球形陣，如圖2所示。

圖2 弗吉尼亞級(jí)核潛艇的后續(xù)艇上采用的共形陣

3）德國(guó)STN聲納系統(tǒng)

德國(guó)214潛艇ISUS90綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)配備的阿特拉斯公司STN聲納系統(tǒng)能全景偵察、分析、和分辨水面艦船、潛艇和魚(yú)雷，其多線(xiàn)路的數(shù)據(jù)融合技術(shù)更有效地利用了各種信息并減少了操作員工作量。ISUS 90作戰(zhàn)系統(tǒng)采用通用處理平臺(tái)上嵌入軟件功能模塊的方式實(shí)現(xiàn)了模塊化的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)；所有的顯控臺(tái)都可以通用，便于指揮員根據(jù)不同的作戰(zhàn)需要選擇顯示不同的信息。

3 艦船聲納系統(tǒng)一體化發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外艦船聲納系統(tǒng)經(jīng)歷了從單機(jī)單控到集中顯控、從信息獨(dú)立到數(shù)據(jù)融合、從獨(dú)立結(jié)構(gòu)到開(kāi)放式體系、從區(qū)域功能單一到平臺(tái)一體化多功能等多種理念的轉(zhuǎn)變和技術(shù)變革，如圖3所示。

其發(fā)展趨勢(shì)可概括為以下兩個(gè)層次：

1）聲納設(shè)備一體化

建立模塊化和基于COTS技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系，采用通用處理平臺(tái)，利用先進(jìn)數(shù)據(jù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器級(jí)數(shù)據(jù)融合，達(dá)到集中顯控、信息共享、配置靈活且可擴(kuò)展等設(shè)計(jì)目的。

2）艦船聲納系統(tǒng)一體化（動(dòng)態(tài)組合和切換）

面向不同任務(wù)需求，充分利用平臺(tái)有限空間達(dá)到區(qū)域功能集成，實(shí)現(xiàn)艦船平臺(tái)聲基陣的一陣多能、多陣共用，形成全方位、寬頻帶、多功能的態(tài)勢(shì)感知；采用全艇統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，提高信息傳輸效率；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)顯控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)顯控設(shè)備的共用和備份，節(jié)省總體資源。

聲納設(shè)備一體化是基礎(chǔ)，艦船聲納系統(tǒng)一體化是資源整合和效能體現(xiàn)，兩個(gè)層次的一體化互為依存、互相促進(jìn)。

圖3 艦船聲納系統(tǒng)一體化發(fā)展示意圖

4 艦船聲納系統(tǒng)一體化關(guān)鍵技術(shù)

艦船聲納系統(tǒng)一體化具有功能配置靈活、系統(tǒng)效能提升、總體資源節(jié)省等優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)對(duì)國(guó)外艦船聲納系統(tǒng)一體化發(fā)展分析可知，其中存在以下多個(gè)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1）多功能寬頻帶分布（或者一陣多能、多陣共用技術(shù)）

多功能寬頻帶分布技術(shù)，是指在艦船有限空間資源條件下，采用孔徑共享、區(qū)域基陣集成布置，達(dá)到聲基陣孔徑最大化、功能多樣化，實(shí)現(xiàn)全方位、寬頻帶范圍內(nèi)的目標(biāo)探測(cè)。

孔徑共享技術(shù)即共用孔徑技術(shù)，在雷達(dá)天線(xiàn)中應(yīng)用較廣，是一種相控陣天線(xiàn)技術(shù)，它利用寬帶多波束技術(shù)將多個(gè)天線(xiàn)的功能結(jié)合到一個(gè)孔徑中[3～4]，是把多種功能集成到一個(gè)硬件設(shè)備上的重要技術(shù)基礎(chǔ)。共用孔徑的方法主要有兩種。一種是一陣多用，即一個(gè)通用的孔徑實(shí)現(xiàn)多種功能；另一種是多陣共用，即多個(gè)子孔徑共同實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)特定功能。目前單個(gè)孔徑共享技術(shù)難度還很大，如功能間的協(xié)調(diào)、隔離和控制等問(wèn)題；多陣共用技術(shù)則需結(jié)合數(shù)據(jù)融合等其它技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

而區(qū)域基陣集成，則是較易達(dá)成的一項(xiàng)技術(shù)，即艦船所需區(qū)域不同功能基陣在空間上的合理分布，利用信號(hào)處理技術(shù)，在節(jié)省空間資源的條件下形成區(qū)域功能多樣。

艦船聲基陣多功能寬頻帶分布是當(dāng)前各國(guó)艦船為適應(yīng)各種海域包括復(fù)雜濱海作戰(zhàn)需求的新的發(fā)展模式，是對(duì)抗不同噪聲特性和不同環(huán)境聲場(chǎng)下敵對(duì)目標(biāo)的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，是真正實(shí)現(xiàn)艦船聲納一體化、節(jié)省平臺(tái)空間資源、提升態(tài)勢(shì)感知能力的核心技術(shù)。

2）基于COTS技術(shù)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系

開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系是由開(kāi)放系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)所定義的一個(gè)結(jié)構(gòu)框架[5]。在遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范下，具有可移植性、可變規(guī)模性、可交互操作性，在論證、研制、采購(gòu)、維修及更新時(shí)能降低成本。COTS[6]技術(shù)具有通用的、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)和良好的技術(shù)支持[7]，能加速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并可較好地解決系統(tǒng)的擴(kuò)展、修改、更新等。結(jié)構(gòu)體系如圖4所示。

圖4 基于COTS技術(shù)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系

傳統(tǒng)艦船聲納系統(tǒng)是軍用專(zhuān)用技術(shù)系統(tǒng)，是根據(jù)特定需求構(gòu)建的，研制周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，系統(tǒng)配置不靈活、難以升級(jí)和維護(hù)。采用COTS技術(shù)的開(kāi)放式艦船聲納結(jié)構(gòu)體系，不僅能降低全壽命費(fèi)用、縮短研制周期，還能提高系統(tǒng)的可靠性、維修性和擴(kuò)展性，是顯控共用、處理平臺(tái)通用、網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一等的基礎(chǔ)。

3）共形陣技術(shù)

共形陣，又稱(chēng)保角陣[8]，沿著載體外形分布，是數(shù)字相控陣的一種，應(yīng)用數(shù)字多波束技術(shù)能同時(shí)在多個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)，擴(kuò)寬了掃描范圍，在有限空間內(nèi)可增加基元數(shù)量、降低工作頻率、提高作用距離，是艏部聲基陣一體化的發(fā)展方向和前提條件。

在艦船有限空間條件下，要降低工作頻率和擴(kuò)大觀察范圍，當(dāng)前主流的圓柱陣和球形陣已很難達(dá)到要求；共形陣是沿艦船艏部線(xiàn)型布放，不但可提高基元布置數(shù)量以達(dá)到降低工作頻率的目的，還可節(jié)省出寶貴的內(nèi)部空間；同時(shí)，因共形陣基元貼殼安裝，受艇體結(jié)構(gòu)遮擋大大減少，擴(kuò)大了觀察范圍。共形陣與艦船總體息息相關(guān)，因此共形技術(shù)不僅是艦船聲納一體化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，更是艦船集成優(yōu)化的突破性和創(chuàng)新性技術(shù)。

4）數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，又稱(chēng)為多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)或多傳感器信息融合技術(shù)[9]，它可對(duì)多種類(lèi)、多信息源和多平臺(tái)傳感器所獲取的信息進(jìn)行檢測(cè)、相關(guān)、組合、分析和評(píng)估，以便形成準(zhǔn)確、完整的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知信息。艦船聲納系統(tǒng)一體化就是要將艇載各種水聲傳感器有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)探測(cè)到的信息進(jìn)行相關(guān)，完成多陣多目標(biāo)信息融合，達(dá)到信息相容和互補(bǔ)，評(píng)估出全方位、全頻段的態(tài)勢(shì)感知，為作戰(zhàn)提供直觀、有效、全面的信息，從而提高對(duì)未來(lái)安靜型潛艇的探測(cè)、偵察和作戰(zhàn)能力。因此，數(shù)據(jù)融合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)艦船聲納系統(tǒng)一體化的重要保障，是一體化中的“軟實(shí)力”。

5）模塊化技術(shù)

模塊化可分三個(gè)層次，第一層次是單個(gè)系統(tǒng)設(shè)備能在綜合到武器裝備平臺(tái)以前進(jìn)行組裝和測(cè)試，這樣能縮短制造時(shí)間和降低成本，可稱(chēng)為結(jié)構(gòu)模塊化；第二層次是單個(gè)系統(tǒng)設(shè)備在武器裝備平臺(tái)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)體系中的配置，這樣能簡(jiǎn)化武器裝備的維修和技術(shù)引進(jìn)，可稱(chēng)為平臺(tái)模塊化；第三個(gè)層次則是根據(jù)武器裝備不同任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)功能配置，可稱(chēng)為功能模塊化。模塊化技術(shù)應(yīng)用，提高了建造的效率，增強(qiáng)了技術(shù)引進(jìn)的選擇[10]，提高了成本和功能配置的靈活性，也即意味著設(shè)備系統(tǒng)的功能多樣性、武器裝備的用途多樣性，用戶(hù)可根據(jù)使命任務(wù)進(jìn)行武器平臺(tái)功能重組來(lái)應(yīng)付新的威脅和挑戰(zhàn)。

基于模塊化技術(shù)的艦船聲納系統(tǒng)，配置靈活，適裝性強(qiáng)，可以消減各種功能的冗余配置，減少設(shè)備的數(shù)量重量，從而減少聲納設(shè)備在艦船有限空間安裝的矛盾，同時(shí)還便于改裝和擴(kuò)充，方便維修，節(jié)省經(jīng)費(fèi)，減少占位。模塊化是艦船聲納系統(tǒng)一體化的物理基礎(chǔ)，包括換能器、基陣、機(jī)械系統(tǒng)、電子機(jī)柜等硬件模塊和測(cè)距測(cè)向、數(shù)據(jù)處理以及圖形顯示等軟件模塊，它是重構(gòu)、共享、故障定位及外場(chǎng)可更換的最小單位。

5 幾點(diǎn)建議

艦船聲納系統(tǒng)作為艦船組成部分，應(yīng)融入到總體中去，同時(shí)總體應(yīng)盡可能為聲納設(shè)備提供優(yōu)良的工作環(huán)境；因此，除上述關(guān)鍵技術(shù)外，在艦船總體論證和設(shè)計(jì)中還涉及到聲基陣平臺(tái)區(qū)噪聲控制技術(shù)、透聲窗技術(shù)以及聲障板技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)同樣是實(shí)現(xiàn)艦船聲納系統(tǒng)一體化的核心。

因此，一體化設(shè)計(jì)應(yīng)從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，根據(jù)任務(wù)需求和總體要求，明確聲納系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；同時(shí)，聲納設(shè)備根據(jù)艦船要求開(kāi)展相關(guān)研制并向總體提出相關(guān)建議，從而最終達(dá)成裝備性能最優(yōu)。

1）從艦船總體出發(fā)，開(kāi)展艦船聲納系統(tǒng)需求論證和一體化頂層設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)艦船任務(wù)需求，論證相匹配的艦船聲納系統(tǒng)功能和性能；

（2）根據(jù)平臺(tái)總體特性，開(kāi)展分布式布陣研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源共享，即一陣多用和多陣共用，實(shí)現(xiàn)最小資源下的聲納功能、性能最大化；

（3）根據(jù)平臺(tái)總體線(xiàn)型，開(kāi)展共形聲基陣布陣設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)現(xiàn)有限空間下的性能提升；

（4）根據(jù)艦船聲納系統(tǒng)工作頻率范圍，開(kāi)展透聲材料研制；

（5）對(duì)艦船聲納基陣平臺(tái)區(qū)聲學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析評(píng)估，平臺(tái)、系統(tǒng)、設(shè)備共同采取噪聲控制措施，提高裝艦（艇）聲納系統(tǒng)性能；

（6）開(kāi)展艦船聲納系統(tǒng)行為級(jí)建模仿真，結(jié)合干擾源及耦合途徑的分析，實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)干擾的量化分析和設(shè)計(jì)，采取有針對(duì)性的總體控制措施，降低電磁不兼容隱患，以最小的代價(jià)使系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容；

（7）根據(jù)艦船信息化要求，搭建統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)決策層信息共享、顯控共用、協(xié)調(diào)工作，統(tǒng)一管理、控制和指揮；

（8）開(kāi)展艦船聲納系統(tǒng)信號(hào)處理模塊的集成優(yōu)化可行性分析論證；

（9）艦船數(shù)據(jù)融合，提供綜合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息；

（10）在艦船全壽命周期內(nèi)，開(kāi)展艦船聲納系統(tǒng)可靠性等六性論證，提出總體要求。

2）從聲納設(shè)備出發(fā)，開(kāi)展不同平臺(tái)的適應(yīng)性研制

（1）根據(jù)艦船電磁環(huán)境，從設(shè)備原理和電路、結(jié)構(gòu)上開(kāi)展電磁兼容設(shè)計(jì)與控制，確保聲納設(shè)備及系統(tǒng)電磁兼容性；

（2）根據(jù)信息化需求，采用COTS技術(shù)，構(gòu)建開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)周期和成本，提高可靠性；

（3）根據(jù)集成優(yōu)化要求，信號(hào)處理設(shè)備模塊化，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一硬件平臺(tái)，減少總體空間占用率，增強(qiáng)配置靈活性和提升聲納探測(cè)能力；

（4）多傳感器的數(shù)據(jù)融合，提升聲納系統(tǒng)綜合態(tài)勢(shì)感知能力。

6 結(jié)語(yǔ)

在武器裝備發(fā)展中，根據(jù)武器平臺(tái)作戰(zhàn)使命和任務(wù)來(lái)配備相應(yīng)的聲納系統(tǒng)是裝備配置的最基本原則；艦船聲納系統(tǒng)配置取決于作戰(zhàn)區(qū)域（藍(lán)水／公海水域與淺／窄水域）、任務(wù)剖面以及艦船類(lèi)型，而一體化技術(shù)可以帶來(lái)合理使用平臺(tái)空間、高效利用設(shè)備資源、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、提高態(tài)勢(shì)信息可信度以及增強(qiáng)配置靈活性等多方面好處，一體化是未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)，也是艦船聲納系統(tǒng)適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。

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