美國海軍航空吊放聲納技術與發展趨勢

金立峰 鄧歌明

【摘要】航空吊放聲納是反潛直升機上裝備的重要搜潛設備。介紹了美國海軍的航空吊放聲納發展情況，分析了其主要技術特點和未來發展方向，對發展我國航空吊放聲納有很好的借鑒作用。

【關鍵詞】航空反潛;吊放聲納;發展

Abstract：Dipping sonar is an important device equipped on antisubmarine helicopter. The development situation of US Navy dipping sonar is introduced，and the main technical features and development trend are analyzed，which can be used for reference by our country.

Key Words：Aviation antisubmarine;Dipping sonar;Development

1.引言

聲納出現的歷史已近百年，美國于上世紀40年代末首先使用吊放聲納，AN/AQS-1型航空吊放聲納是第一個投入使用的軍用裝備[1]。由于航空吊放聲納是裝備在反潛直升飛機上的，設備工作時受平臺的噪聲影響比較小，與水面艦艇或潛艇用聲納相比較，想獲得同樣的探測效果僅需要較小的聲納基陣就能實現，且潛艇缺少有效地與飛機對抗的手段，加之反潛機的速度要遠大于潛艇航速，所以，在航空反潛作戰中，飛機對潛艇一直處在絕對優勢的地位。

戰后，潛艇技/戰術水平不斷發展，特別是核動力潛艇的不斷裝備和發展，要求與之斗爭的反潛兵力必須具備更高的搜索速度和作戰效率，因此，航空反潛的地位更加突出，已成為各發達國家最重要、最有效的反潛手段之一。航空吊放聲納是反潛直升機對水下目標進行搜索、定位、識別、跟蹤的最重要手段。

2.美國海軍航空吊放聲納發展概況

吊放聲納是海軍反潛直升機對水下目標進行探測的重要裝備，主要用于對潛艇的搜索、定位、識別及跟蹤。經過幾十年的發展，經歷了巨大的技術變革，隨著新技術、新元件的不斷應用，以及計算機和信號處理技術的飛速發展，其性能得到不斷的完善和提高。美軍是西方國家軍隊中現代化程度最高的，擁有世界上最大規模的航空反潛兵力和現代化的航空聲納設備[2]，已裝備和研制的航空吊放聲納主要型號有AN/AQS-13系列、AN/AQS-22和HELRAS吊放聲納。

2.1 AN/AQS-13吊放聲納

美軍早期使用過的反潛直升機主要有海王、海妖等，海王直升機機身較大，同時裝備有吊放聲納和聲納浮標，后者因機型較小，只裝備浮標聲納 [3]。上世紀六十年代，美海軍主要裝備的是AN/AQS-13A/B吊放聲納，裝備對象為SH-3A/H反潛直升機，到了八十年代，將其升級為AN/AQS-13F，主要裝備對象為SH-60F海鷹直升機，它是一種輕型機載多用途（LAMPS）直升機系統，既裝有吊放聲納也裝聲納浮標和磁探儀，其主要作戰任務是為航母編隊提供對潛警戒和防護。

AN/AQS-13A吊放聲納是13型的第一次改進型。整機除裝有發射機、信號處理機、顯示器、羅盤跟蹤系統、聲納探頭、液壓絞車、吊放電纜外，還有活動目標指示和紙帶式多用途記錄儀（記錄溫深曲線和距離）。聲納探頭包括一個圓柱形全向發射換能器，還有一個由16個水聽器構成的圓形接收陣。在探頭內還裝有前置放大器、波束形成網絡、輸出放大器、時變增益控制電路、海水深度溫度傳感器、磁羅盤以及伺服控制系統、機內測試電路等。采用主/被動工作方式，最大作用距離18km，電纜長度150m，總重量282kg。

AN/AQS-13F型吊放聲納是AQS-13系列中技術最先進的一型。其研制計劃始于1982年，主要是為了裝備執行航母“內區”反潛任務的SH-60F反潛直升機[4]。AN/AQS-13F由AN/AQS-13B演變而來，主要采用了全數字自適應信息處理系統（聲納數據計算機SDC），使其重量和尺寸大為減小，是一部探測距離遠、搜索頻率低、可主被動聯合搜索的吊放聲納。其特點主要有：

（1）換能器采用收發分置方式，使部件設計最優化，在提高作用距離的同時，還提升了被動監聽的工作效能。

（2）改進了絞車系統，使收放更加迅速，提升了作戰效率。

（3）水下探頭采用流體動力外形設計，水下工作狀態更加穩定。

（4）數據為全數字形式，采用單芯電纜傳輸，實現電纜輕量化;增加了吊纜長度，能夠更好的利用良好水文條件，實現遠距離探測。

（5）采用長脈沖APS方式增加發射功率，結合窄帶分析，提升深水典型非混響條件下的品質系數。

2.2 AN/AQS-22吊放聲納

AN/AQS-22吊放聲納是由法國的FLASH聲納與美國的UYS/2處理機共同構成的。其接收陣由12臂24桿組成，液壓驅動擴展方式，可形成24個波束;系統總重217 kg，探頭重80kg，吊放電纜長773 m，直徑6.6 mm，重65 kg，絞車重72 kg，最大工作深度700 m，最大起吊速度達10 m/s，可顯著縮短大深度作業時的收放時間。該聲納有五個工作頻率，工作頻段為3.5～5.5kHz。發射波形包括CW、LFM、HFM及其組合方式，采用脈沖加窗和功率控制技術可以優化探測性能。當采用低頻大帶寬的FM方式工作時，能提升淺海強混響條件下對低速目標的檢測效果。由于海水和空氣的聲傳播特性不同，加之接收器的指向性設計，聲納對直升機旋翼噪聲具有較強的垂直抑制能力。此外，增強型的模塊化信號處理機除了吊放聲納信號外還具有對8～16枚聲納浮標的信號處理能力。可以完成對潛探測、定位、識別、跟蹤等功能。

2.3 HELRAS吊放聲納

HELRAS聲納是由美國L3公司開發的一種極具代表性的低頻吊放聲納。水下分機采用了分置式換能器基陣。接收陣包括8個液壓驅動擴展臂，當其完全展開時，直徑為2.6m，發射陣包括8個發射單元，可由中部下降形成5.2m長的垂直擴展陣。聲波發射時，水平方向為全向發射，垂直方向的聲波出射角在±15°之間。最大工作深度550m，水下分機的下降速度2.1m/s，上升速度4.6 m/s，工作頻率1.31～1.45kHz。經深水試驗表明，該聲納的最大探測距離超過了第一匯聚區，最大達到了60nmile[5]。換能器在垂直方向以小出射角發射聲波，可減小界面反射干擾。接收陣對遠距離回波也具有較高指向性，可提供高靈敏度的目標檢測。采用了多卜勒濾波、乒—乒分析、空—時脈沖長度分析等技術，發射聲波時選擇合適的波形抑制混響，來滿足淺海工作需求。采用高分辨率的多普勒脈沖成形處理技術，可對靜止目標進行探測。

雖然美軍沒有采購HELRAS聲納，但該型聲納己在歐洲的一些國家得到應用，1998年12月，意大利海軍購買了10套HELRAS聲納，用于裝備EH-101反潛直升機。其優點是對遠距離目標擁有較強的探測能力，缺點是重量和尺寸較大。其特點主要有：

（1）發射頻率低，功率大，具有深海匯聚區工作能力，可實現較遠的探測距離。

（2）垂直發射線陣長5.2m，由8個大功率彎曲圓盤串聯構成，可保證良好的發射指向性和較高聲源級。

（3）可擴展的大孔徑接收陣。

（4）絞車收放水下分機速度快，縮短了大深度收放時間，提升搜潛作戰效率。

3.技術發展分析

現代潛艇具有潛深大、噪聲低、速度快、隱身性好等特點，相應的，航空吊放聲納技術也得到了較快發展，其中采用低頻遠距離探測、擴展陣結構設計、多基地聯合探測、滿足多樣化任務需求[6]是主要的發展方向。

3.1 采用較低發射頻率，實現遠距離探測

無論是吊放聲納還是聲納浮標，采用低頻探測都是共同的發展趨勢。現代潛艇雖然采取了很多降噪措施，但降低的噪聲能量主要集中在中、高頻段，而在低頻段仍有相當大的噪聲殘留;同時，消聲瓦對中、高頻主動探測聲波的吸收作用比較好，對低頻聲信號的吸收效果較弱，目標反射強度仍然較大。所以發射頻率低頻化是未來吊放聲納發展的一個重要方向。

吊放聲納的低頻化要求換能器基陣的尺寸變大，而反潛直升機由于自身空間及載重限制，必須嚴格控制聲納系統的尺寸和重量，對換能器基陣的尺寸要求更高。目前，解決這一矛盾的有效方法是采用可收放的擴展陣設計。

3.2 采用擴展陣結構，提升換能器工作效能

“濕端”采用可擴展陣結構，收放時能夠安全進出載機喇叭口，工作時擴大聲孔徑，獲得更大的基陣增益。以HELRAS聲納為例：

3.2.1 擴展接收陣

HELRAS吊放聲納的擴展陣采用上下分置方式，上部為接收陣，下部為發射陣，擴展臂的長度決定了擴展后的接收陣直徑。其擴展陣直徑增至2.6m，從而使工作頻率降至1.3 kHz。

隨著技術的不斷提高，吊放聲納擴展陣的臂數也在逐漸增加。HELRAS吊放聲納擴展陣的臂數比AQS-22聲納多出了1/3，達到16個。擴展臂長度越長，數量越多，對驅動擴展陣的動力需求也越高。由電機提供擴展驅動的方式對多臂大陣來說已無法滿足要求，現多采用液壓驅動。

3.2.2 擴展發射陣

HELRAS吊放聲納的發射擴展陣由八個彎曲圓盤構成，陣長5.2m。每個發射換能器由雙層彎曲陶瓷圓盤組成，之間有壓力補償裝置，并用聚胺脂包覆，通過連接索收攏到探頭內的存放艙中。其換能器單元的聲源級為201dB，組陣后功率增加9dB，加上指向性增益的9dB，聲納工作的總聲源級可達219dB，由此可見，采用擴展陣對水下分機工作效果的提升是非常明顯的。

3.3 采用多基地聯合探測，實現大范圍搜索[7]

多基地探測時，發射機和接收機采用收發分置的工作方式，聲納在探測時具有很大的靈活性，主要表現在兩個方面：一是主動方式下受混響的影響比較小;二是可以實現大范圍搜索。混響是由聲納換能器主動發射聲波造成的，由于收發分置，多基地探測時接收機受混響的影響比較小;由于接收機遠離發射機，所以探測時不易被目標發現，使其難以進行有效地規避和對抗。在較大范圍內布置多個接收傳感器，可以達到擴大探測范圍，提高搜索效率的目的。

3.4 采用多傳感器技術，更好掌握水下分機工作狀況

使用多種傳感器對水下分機的工作狀態進行監控，主要包括溫深傳感器、傾斜傳感器、漏水傳感器、羅盤方位傳感器、碰撞傳感器等，以便更好的掌握和控制換能器的工作狀況，提升設備的整體探測效能。

4.結束語

本文通過對美國海軍裝備的幾型航空吊放聲納進行比對分析，總結了其技術特點及未來的發展方向，概要的講，就是要向輕量化、小型化、低頻率、遠距離、多功能、高可靠性等方向發展。由于潛艇的性能日益增強，對航空反潛的要求也越來越高，機載吊放聲納作為反潛直升機對水下目標進行探測的主要裝備，正受到越來越多的關注。研究分析美軍吊放聲納技術發展的特點，對提升我國聲納裝備水平有積極的促進作用。

參考文獻

[1]孫明太.航空反潛概論[M].國防工業出版社，1998.5.

[2]徐鈞.國外航空聲吶發展概述[J].聲學與電子工程，2010.1.

[3]劉鳳景.深入海洋的鼻子—歐美機載吊放聲納巡視[J].國際展望，2002.12.

[4]孫明太.航空反潛裝備[M].國防工業出版社，2012.9.

[5]Tyler Jr GD.The Emergence of Low-Frequency Active Acoustics as a Critical Antisubmarine Warfare Technology[J].Johns Hopkins APL Technical Digest，1992，13（1）.

[6]Rupert pengelly.Dipping Sonars Adapt to Multimission Requirements[J].Janes Navy International，2002，July/August：18-23.

[7]凌國民.多基地航空聲納系統[C].全國首屆航空反潛學術研討會論文集，2001：108.

作者簡介：

金立峰（1979—），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：航空反潛。

鄧歌明（1967—），男，大學本科，副教授，主要研究方向：航空反潛。