國外聲吶技術研究現狀與發展趨勢

趙培聰

(海軍駐南京地區電子設備軍事代表室,　南京 210039)

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·總體工程·

國外聲吶技術研究現狀與發展趨勢

趙培聰

(海軍駐南京地區電子設備軍事代表室,南京 210039)

概述了聲吶從誕生至今的發展變化，總結了國外現役主戰聲吶裝備型號、體制、使用國家和平臺。從多功能一體、陣列構型、多基地協同、開放式體系架構四個層面分析了國外聲吶技術研究現狀。結合任務需求和基礎技術支撐，從全自適應智能化認知、MIMO聲吶、廣域異質多傳感器聯合感知三個維度展望了聲吶技術的發展趨勢。

聲吶；多功能；共形；多基地；開放式架構；認知；MIMO聲吶；協同探測

0　引　言

聲吶應水下目標預警探測而生，因目標演變、環境變化和任務多元而不斷發展。從潛艇探測到魚雷、水雷探測，從主動測量到主被動聯合探測，從中頻到高頻和低頻，從機械掃描到相控陣，從平面陣到線列陣和共形陣，從常規脈沖到脈沖壓縮、單脈沖、合成孔徑、逆合成孔徑，從艦載到艇載、機載，從單基地到雙、多基地，從單獨作戰到分布式組網，從預警監視到定位識別、跟蹤火控、測深規避、通信導航、水聲對抗，從聲感知到雷達、激光、磁異探測異質聯合，從軍用到民用，聲吶技術裝備不斷演進。隨著美國重返亞太、第三次抵消戰略、南海競爭形勢的發展和空海一體戰水下信息感知的作戰需求，聲吶技術和裝備將持續受到高度關注。同時，在人工智能、信號處理和工藝材料等基礎能力的推動和認知、MIMO等新型體系架構方式的牽引下，聲吶系統將在功能和性能領域不斷拓展。

1　國外現役主戰聲吶

第一代聲吶從第二次世界大戰到20世紀50年代末，是艇首陣中頻聲吶；第二代聲吶誕生于20世紀60年代，以低頻主被動拖曳陣聲吶為代表(圖1)；第三代聲吶出現在20世紀70年代，以數字技術和大孔徑舷側陣使用為標志；第四代聲吶從20世紀80年代末開始，以多陣列多頻段探測信息綜合處理和一體應用為主要特征。近年來，隨著對大區域水下目標探測需求的不斷增大和無人反潛技術的發展，開始出現第五代多功能無人操作聲吶，典型代表是美國雷聲公司為DARPA反潛持續跟蹤無人艇(ACTUV)項目開發的模塊化可縮放聲吶系統(MS3)，如圖2所示。其中，第三代和第四代是當前海軍強國主戰水下作戰信息保障裝備。表1列出了各國的主戰聲吶裝備。

圖1　美“無暇”級反潛監視船主被動聲吶系統

2　國外聲吶技術研究現狀

2.1集主/被動、多頻段、多功能于一體

現代數字信號處理算法和計算機技術的發展顯著提高了聲吶的信息處理能力，開放式、標準化、模塊化系統架構促進了聲吶新技術的快速嵌入，推動聲吶系統功能集成度不斷提高。新一代聲吶系統綜合集成舷側、艏端、拖曳、主/被動、多頻段聲吶于一體，兼具目標探測、跟蹤、識別，水文偵查，水下通信、導航，信息綜合處理和顯示，魚雷控制，水聲對抗等多種功能，大幅提高了潛艇和水面艦艇在深海和淺海中的探測性能和信息作戰能力[1]。

美國AN/BQQ-10型綜合聲吶系統包括艇首大型球形主/被動聲吶、高頻主動聲吶、WAA寬孔徑陣列聲吶，以及由TB-16粗線陣和TB-29A細長線陣組成的低頻拖曳線陣列聲吶，各傳感器數據經過光纖通道標準(FCS)技術分配給處理硬件，具有優異的處理、通信能力和操作性，極大地提高了潛艇在淺水和高噪聲背景中探測和定位目標的能力。德國214型潛艇中對各種水聲設備進行了高度集成，形成綜合探測、指控和武器接口系統(ISUS 90)，包括被動測距聲吶、寬帶主動聲吶、偵查探測和測距聲吶、艏端柱狀陣聲吶、頭部避雷聲吶、舷側聲吶、拖曳聲吶以及多功能處理控制系統。各聲吶采用了數字化基陣技術，能夠進行聲信號的自動檢測、可疑目標的自動跟蹤、噪聲信號和脈沖數據的交互分類識別以及潛艇自噪聲的連續監測分析，在多個基陣數據處理基礎上進行目標運動分析。英國“機敏”級攻擊核潛艇上裝備的2076型聲吶包括艇首共形陣、拖曳線列陣、偵查陣、避碰聲吶、舷側陣以及處理設備，具有主被動目標探測、跟蹤、識別、定位、通信、導航、偵查等多種功能。雷聲公司為澳大利亞海軍設計的“科林斯”級潛艇上使用的AN/BYG-1(V)系統也使用了綜合聲吶系統(見圖3)，包括舷側聲吶、艏端柱狀陣聲吶、被動探測聲吶、偵查聲吶、拖曳聲吶、獵雷和避碰聲吶、白噪聲監測儀等。

圖3　雷聲公司為澳大利亞研制的AN/BYG-1(V)潛艇一體化聲吶系統

2.2低頻、大功率、共形陣和自適應基陣處理

低頻、大功率、大孔徑聲吶是提高靜音潛艇探測靈敏度和作用距離的最直接方式，而環境自適應基陣信號高速處理則是降低雜波干擾的有效途徑，二者的結合對提高聲吶的平臺適裝性、戰場感知效能和水下對抗能力具有重要影響。

潛用共形陣陣列沿艇體安裝，外形與艇型一致，具有基陣孔徑大、三維空間增益高等優勢，能夠實現全向監視。俄羅斯的阿穆爾級(見圖4)、英國的“機敏”級和美國的“弗吉尼亞”級都致力于開發艏端大孔徑共形陣聲吶[2]。隨著大孔徑、共形陣的發展，各種寬孔徑高密度信號處理算法得到發展，已經具備多路徑、多模態聲傳播解算能力，并綜合應用于多線列拖曳陣、大型海底基陣網絡和垂直基陣簾。聲吶信號處理已從最初采用簡單波束形成技術到現在普遍采用復雜全相參、寬帶匹配場處理技術等實時環境自適應處理技術，有效克服海洋環境對聲吶裝備的影響。

圖4　俄羅斯阿穆爾級潛艇聲吶

2.3多基地協同探測

隨著潛艇主被動聲隱身技術的發展，潛艇自體輻射噪聲與二次反射聲的聲級越來越低，使單基地聲吶和被動聲吶在反潛方面的瓶頸越來越凸顯。主動聲吶由于收發一體，工作時較易被敵艇發現而實施規避，被動聲吶對安靜型潛艇的探測能力十分有限且虛警率高。多基地聲吶網絡使用一部或多部大功率聲源照射監測海域，多部接收聲吶工作于被動艦艇模式接收回波。發射基地與接收基地可選擇岸基聲吶、艦載聲吶、聲吶浮標、航空吊放聲吶等不同的聲吶載體，通過多站址的信息融合和聲場環境匹配技術實現對水下目標的精確跟蹤定位。與單基地聲吶相比，多基地聲吶具有更好的探測性能、配置靈活性和水下對抗生存能力。

多基地技術最早起源并應用于雷達領域，于20世紀60年代被引入水下探測。由于水中聲波傳播速度低、水介質起伏不均和水聲信道復雜多變等因素，多基地聲吶探測仍處于試驗研究階段。目前國外從事多基地聲吶研究的有美國德克薩斯大學應用研究實驗室、華盛頓大學應用物理實驗室、康涅狄格大學、美國水下戰中心、海軍聲學研究部，歐洲北約水下研究中心、荷蘭應用科學研究組織等。2005年，美國、荷蘭、德國、意大利、英國等國共同組建了多基地定位工作組，通過國際間的合作和資源共享，共同推動多基地技術的發展。當前，國外在多基地聲吶開展的重點研究方向包括多基地系統配置與定位性能研究、多址數據融合與目標跟蹤算法、直達波干擾抑制、收發分置下目標回波特性、多基地同步技術。

1995年，北約水下研究中心開始對分置式多基地聲吶系統(DUSS)進行論證研制，1998年至今共進行了九次海試。DUSS設計為工作于近岸淺?；祉懎h境，使用錨地或拖曳聲源和25元星形接收陣，通過衛星通信、水聲通信、GPS定位導航的技術實現模塊化組網，實現對海域的覆蓋(如圖5所示)。DUSS接收陣內部集成板載DSP信號處理機，由發射信號觸發，工作帶寬240 Hz，工作持續時間50 s。處理機對接收到的信號進行濾波，經過調制后信號經由無線電會電纜傳至控制中心。DUSS系統海上試驗共進行了四種不同的航行軌跡，接收到2 610個目標回波脈沖，系統探測范圍一般在10 km左右，最大探測距離22 km。DUSS系列海試得出的結論是[3]：多基地接收網絡的接收基地在滿足相同檢測/虛警概率時，系統性能達到最優；直達波穩定技術、信息身份確認技術至關重要；無論是集總式還是分布式多基地網絡，數據融解算中心的設計十分重要，若設計不當，多基地聲吶網絡的定位功能可能不如單基地聲吶；選用集總式信息融合處理時，宜選用較低的檢查門限；選用分布式信息融合處理時，宜選用較高的檢測門限。

圖5　分布式多基地聲吶系統DUSS系統25元水聽器陣列

2.4采用開放式體系架構和COTS技術，改善研制周期和成本

通過采用標準化、模塊化組件，聲吶開放式架構能夠顯著減少專用元器件、專用組件或模塊以及專用軟件的數量，提高聲吶的通用性、兼容性和維修性，便于重構、擴充和升級。COTS成熟技術能夠縮短聲吶研制周期，降低研制風險和設備成本[4]。

20世紀90年代初，美國提出“商用聲學技術快速嵌入”(ARCI)計劃，并逐步在美海軍聲吶系統上應用開放式體系架構和COTS技術，如“洛杉磯”級核潛艇上的BQQ-5和BSY-1型、“海狼”級核潛艇上的BSY-2型和“俄亥俄級”核潛艇上的BQQ-6型等聲吶系統。在ARCI計劃中，聲吶信號處理機已完成五代更新，信號處理能力共提高近200倍，經費開支降低到原來的1/10。英國也提出了“聲吶COTS技術快速摻入計劃”(DeRSCI)，在現有聲吶系統中集成COTS技術，降低成本。美歐聲吶通過采用“多功能處理機中間件”技術，將應用軟件與底層硬件隔開，保證了COTS硬件的“即插即用”和軟件的可移植性，且潛艇部隊可在不影響日常訓練和戰備行動的情況下定期更新軟硬件。美軍在聲吶軟件開發中建立了嚴格的APB流程，基于COTS技術和開放式體系架構，使眾多民用算法與技術開發公司、學術機構、科研院所均可參與到潛艇聲吶系統軟件的開發，使聲吶信號處理算法開發和更新周期降低了2/3，更新成本也顯著降低。

3　國外聲吶技術發展趨勢

3.1全自適應智能化認知

傳統主動聲吶系統在處理目標反射回波時，沒有考慮聲吶接收機感知的環境信息和目標特性的先驗知識對發射機的影響，發射信號參數固定。因此，在傳輸衰減、噪聲、混響、多徑、時變和大多普勒等復雜水下環境中很難獲得理想的探測效果?；谥R理論的智能化認知聲吶能夠根據環境變化和目標特性的先驗知識對發射機和接收機進行聯合自適應控制，提高對水下目標信號的探測和識別能力。

受近年認知無線電、認知雷達快速發展的啟發[5]，通過將先驗知識和連續學習引入傳統聲吶系統，建立對發射端的自適應反饋控制，提出了認知聲吶，其組成如圖6所示。發射機與接收機、環境以及目標之間構成一個動態的閉環系統，可對發射波束、功率、頻率、重頻、脈內調制和接收波束、檢測門限以及工作模式根據環境變化、性能要求和先驗知識動態調整。對于傳統聲吶，聲吶接收機感知的環境信息和處理結果對聲吶發射機沒有影響，聲吶系統也沒有能夠提供極大得益的學習環節。同時，傳統聲吶設計假設的是理想水下環境，如將隨機信號設定為遍歷過程，將不平穩背景設定為平穩背景，也不考慮信號多徑、干擾起伏、邊界極限等不確定因素，導致測量結果與實際情況明顯不一致。認知聲吶將發射機、接收機與環境自適應匹配，根據對工作環境和目標信息的學習，不斷更新接收機和自適應調整發射機；發射機根據目標距離、尺寸，調整發射波形參數，智能地進行照射；整個認知聲吶系統構成發射、接收和環境的閉合反饋環路；利用環境和目標先驗信息提高聲吶系統性能。文獻[6]利用仿真驗證了認知聲吶相對傳統聲吶的優勢。

圖6　認知聲吶示意圖

3.2共址和分布式MIMO聲吶

MIMO技術首先在通信和雷達領域得到應用，分為共址MIMO和分布式MIMO。共址MIMO利用發射信號的分集特性擴展收發陣列的虛擬孔徑，提高目標探測能力。分布式MIMO陣元分開排列，發射正交信號，從不同角度照射目標，減低起伏衰落，提高探測穩定性。水下特別是近海航船數量多、噪聲大、聲場復雜、多徑和多普勒效應嚴重，對水雷、蛙人、靜音潛艇等弱小目標探測難度大，傳統主被動雷達都難以達到理想效果，MIMO聲吶為解決這一問題提供了一條新途徑。

2006年I.Bekkerman等人提出了MIMO聲吶目標檢測與定位的處理架構，證明了通過發射正交波形引入虛擬陣元可以提高目標探測能力，推導了廣義似然比檢測器和側向的CRB性能極限。W.H.Li等人于2008年提出MIMO聲吶處理模型，并分別與單輸入單輸出、單輸入多輸出以及多輸入單輸出處理進行了性能比較。2009年，R.V.Vossen等人通過引入虛擬源信息提高了目標檢測能力。2010年，S.L.Zhou等人利用空-時編碼技術降低了MIMO處理對正交發射信號間互相關性要求。國內浙江大學、中科院聲學所和西北工業大學三家單位開展了MIMO測向方式、波形設計、算法設計方面的研究。

3.3廣域異質多傳感器聯合感知

單一傳感器探測效率低，難以滿足大范圍、長時間水下信息獲取需求，通過網絡技術將警戒監視海域內多個不同位置布放的聲吶、雷達、激光、紅外等傳感器進行互聯，實現數據的交換、分發和匯聚，進行集中或分布式數據處理，可以形成分布式網絡化水下警戒探測系統，實現對覆蓋范圍內目標的探測、定位、跟蹤和分類識別功能。分布式網絡化水下預警探測系統具有機動靈活、成本低、效費比高等優點，能夠有效增強水下戰場信息感知能力。

美國早在20世紀50年代，就開始在其東、西海岸以及原蘇聯潛艇進入各大洋的必經之路上布設岸基聲吶監視系統SOSUS，后來又陸續布設了FDS和ADS等固定分布式系統。為彌補固定式水生監視系統的不足，美國還建立了由專用拖船和戰略型長拖曳陣列構成的機動監視系統SURTASS，并具備主被動探測能力[7]。近年來，為對付潛在潛艇威脅和淺海、沿岸水域的水雷威脅，美國進一步發展以海網為代表的水下探測體系，結合分布式敏捷獵潛DASH、可部署自主分布式系統DADS以及直升機反潛系統，實現大區域水下感知，并向跨域對海監視引導體系CDMaST邁進，期望在高對抗環境中，利用水下、海上、空中等有人、無人系統的雷達、光電、聲吶探測裝備，構建跨域分布式探測、識別、定位、打擊、評估體系，提高作戰效能，見圖7。

圖7　美軍CDMaST平臺、傳感器、武器、通信 、導航協作戰體系架構

4　結束語

聲波在水中優異的傳播性能使聲吶成為水下目標預警探測和火力控制的核心裝備，從聲吶誕生發展至今，無論從體制、功能、平臺、應用，還是探測距離、精度、分辨率和覆蓋范圍，聲吶技術都得到了跨越式發展，發揮了重要的情報保障作用。但受環境噪聲、多徑效應、混響、邊界層等復雜水下環境的限制，聲吶一直沒有達到雷達類似的威力和戰場影響。MIMO技術、認知技術為聲吶開辟了新的系統架構和處理樣式，跨域異質傳感器聯合感知也為聲吶參與到更廣闊的協同探測體系提供了機會，隨著國際形勢的變換和新形勢下任務需求的牽引以及軟硬件基礎支撐技術的進步，聲吶將引來新一輪變革與發展。

[1]閔瑞紅, 肖杰雄. 世界潛艇綜合聲吶系統發展現狀與趨勢[J]. 艦船科學技術, 2013, 35(2): 134-141.

MINRuihong,XIAOJiexiong.Thestateanddevelopmentofsubmarineintegratedsonararoundtheworld[J].ShipScienceandTechnology, 2013, 35(2): 134-141.

[2]楊躍輪, 朱慶輝. 潛艇聲吶技術發展研究[J]. 潛艇聲吶技術發展研究, 2012(2): 40-44.

YANGYuelun,ZHUQinghui.Developmentofsubmarinesonartechnology[J].AcousticsandElectronicsEngineering, 2012(2): 40-44.

[3]CORALUPPIS,CARTHELC.Performancelimitsofreal-timecontact-basedtracking[C]//OCEANS2007-Europe.Aberdeen:IEEEPress, 2007: 1-6.

[4]MILLERRW.ArevolutionaryuseofCOTSinasubmarinesonarsystem[J].TheJournalofDefenseSoftwareEngineering, 2004(11): 8-11.

[5]HAYKINS.Cognitiveradar:awayofthefuture[J].IEEESignalProcessingMagazine, 2006, 23(1): 30-40.

[6]LIXH,LIYA,LINGC,etal.Researchoftheprincipleofcognitivesonarandbeamformingsimulationanalysis[C]// 2011IEEEInternationalConferenceonSignalProcessing,CommunicationsandComputing(ICSPCC).Xi′an,China:IEEEPress, 2011: 1-5.

[7]凌國民. 海戰場水下信息技術綜述[C]// 海戰場電子信息技術學術論文集. 桂林：中國造船工程學會電子技術學術委員會, 2011: 1-6.

LINGGuomin.Underwaterinformationtechnologyofnaualbattefield[C]//ProceedingsofElectronicInformationTechnologyinNavalBattlefield.Guilin,China:ElectroicTechnologyAcademicCommitteeofChinaShipbuildingEngineeringSociety, 2011: 1-6.

趙培聰男，1963年生，高級工程師。研究方向為雷達系統工程及技術管理。

Study Status and Development Trend of Foreign Sonar Technology

ZHAO Peicong

(Naval Representative Office for Military Facilities in Nanjing Area,Nanjing 210039, China)

In this paper, development and progress of sonar from its birth to nowadays is outlined. Type, regime, user nations and mounted platform of foreign mainstream sonars in commission are summarized. Study status of foreign sonar technology is analyzed from four aspects, which are multi-function integration, array formation, multi-static cooperation, and open system architecture. Together with operation task requirement and basic support technology, development trend of sonar technology is envisioned from three dimensions, that are fully adaptive intelligent cognitive technology, MIMO technology, and wide domain multi-sensor joint awareness technology.

sonar; multi-function sonar; conformal array; multi-static sonar; open system architecture; cognitive sonar; MIMO sonar; cooperative detection

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.005

趙培聰Email：zhaopcong@126.com

2016-04-19

2016-06-23

TN959.7

A

1004-7859(2016)08-0020-05