國外低頻主動拖曳聲吶發展現狀和趨勢

王魯軍

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國外低頻主動拖曳聲吶發展現狀和趨勢

王魯軍

(中國船舶重工集團公司電子信息部, 北京, 100097)

低頻主動拖曳聲吶可以在惡劣的聲傳播條件下對潛艇進行遠程探測, 逐漸成為各國反潛探測的主要裝備。文章首先回顧了低頻主動拖曳聲吶的研制背景, 概述了其特點, 重點介紹了美國水面艦艇拖曳聲吶的發展歷程; 然后分別從法國、德國、俄國、美國研制的幾款主要低頻主動拖曳聲吶入手, 分析了其主要性能; 提出了低頻主動聲吶發展中所面臨的虛警率、暴露性及生態影響等挑戰, 指出: 低頻主動拖曳聲吶將向裝備發展系列化、作戰使用多基地化和系統功能一體化等方向發展。

低頻主動拖曳聲吶; 水面艦艇; 反潛探測

0 引言

拖曳聲吶是上世紀80年代水聲裝備領域中最重要的成就之一[1], 這種聲吶突破了船體對聲吶基陣尺寸的限制, 可大幅度降低工作頻率, 并能利用目標艦艇的低頻線譜獲得更遠的探測距離。此外, 拖曳陣遠離拖曳平臺, 背景干擾小, 且可選擇在最有利的深度上工作, 能更好地利用海洋傳播條件, 充分發揮聲吶的性能。經過不斷的發展, 拖曳陣聲吶已從早期的變深聲吶(variable depth sonar, VDS)逐步發展成為被動拖線陣聲吶和主動拖曳聲吶, 工作頻段也越來越低。

由于兼備了VDS和拖曳聲吶的優點, 在過去的十幾年里, 低頻主動拖曳聲吶逐漸成為反潛探測的重要手段。越來越多國家的海軍將其作為水面艦艇反潛探測的主戰裝備, 目前已有俄羅斯、英國、德國、加拿大、印度、法國等超過20個國家的水面艦艇上裝備了不同類型的低頻主動拖曳聲吶。美國也計劃在其瀕海戰斗艦和“伯克”級DDG 51 Flight III型驅逐艦上裝備CAPTAS-4聲吶, 與TB-37拖曳陣一起組成功能強大的低頻主動拖曳聲吶系統。

1 低頻主動拖曳聲吶發展背景

冷戰的結束對全球反潛作戰產生了重要影響。各國海軍為謀求自身利益, 積極發展、裝備柴電潛艇。隨著潛艇推進技術和隱身降噪技術的不斷發展, 潛艇的輻射噪聲不斷降低。在過去的50年里, 潛艇的輻射噪聲級降低了近45 dB。安靜型常規潛艇的出現更是對聲吶的探測能力提出了嚴峻的挑戰。

隨著反潛由遠洋轉向近岸, 水下戰場環境也由深海大洋轉向了近岸淺海區域。淺海具有非常復雜的水聲環境, 不利于聲波的傳播。加之近岸的環境噪聲更大, 環境條件對聲吶的檢測性能影響嚴重, 許多水聲裝備的原有性能都難以充分發揮。

潛艇輻射噪聲的不斷降低不僅使得水面艦艇對潛艇的被動探測能力大幅下降, 中高頻主動聲吶的探測性能也逐步降低, 原有聲吶裝備實戰能力下降與反潛需求快速增長的矛盾日益突出, 各國海軍迫切需要找到一種新的反潛裝備, 低頻主動拖曳聲吶應運而生。

1.1 低頻主動拖曳聲吶的特點

從裝備形態來看, 低頻主動拖曳聲吶一般使用1個可變深的主動聲源發射低頻大功率聲信號, 再利用大孔徑接收基陣(一般為拖曳陣)來接收目標回波信號, 從而實現目標遠程探測。從裝備組成來看, 除了艙內信號處理設備外, 一般包括發射陣和接收陣, 可以采用1個絞車一體式拖曳, 也可以采用2個絞車分別拖曳使用。此外, 有的主動拖曳聲吶僅有被動接收陣, 由本平臺或其他平臺主動聲吶發射主動信號, 構成多基地探測的方式。低頻主動拖曳聲吶具有以下顯著特點。

1) 頻率低

低頻一般指系統發射頻率不高于2 kHz[2]。一方面, 低頻聲波在水中的傳播衰減小, 可以傳播更遠的距離; 另一方面可以充分利用目前潛艇敷設的消聲瓦在該頻段吸聲效果不好的特點, 通過低頻聲源發出的大功率信號照射潛艇目標。

2) 功率大

對于主動聲吶來說, 低頻、大功率是解決遠程反潛的有效途徑。增加輻射聲源級最有效的方法是增加換能器單位面積的輻射功率。但是在水中由于受到空化效應的限制, 不能無限制的增加輻射功率。將聲源放到較大深度, 可以有效地防止聲波在水中過早產生空化效應。

3) 可變深

拖曳聲吶基陣遠離拖曳平臺, 不僅背景干擾小, 還可選擇有利的工作深度。把聲吶基陣放置在溫躍層以下, 可以顯著提高惡劣水文條件下對水下潛艇的探測距離。在深海還可利用聲道達成遠距離傳播。

1.2 美國水面艦艇拖曳聲吶的發展

美國是世界上最早研制和使用拖曳聲吶的國家, 其裝備發展類型和型號較為齊全[1], 如圖1所示。二戰后, 美國海軍的反潛作戰遇到2個問題。首先, 小型反潛平臺聲吶換能器會工作在有很多氣泡的水層, 有時甚至暴露在空氣中, 嚴重影響了聲吶的性能; 其次, 潛艇為了規避水面艦艇聲吶的搜索往往躲避在溫躍層以下, 艦殼聲吶很難探測到位于這一深度的潛艇。為了解決這2個問題, 美海軍考慮將聲吶設計成VDS的形式, 根據需要可以使換能器處于不同的工作深度。

1950年, 美國海軍在“馬洛伊”號驅逐艦的艉部安裝了拖體收放裝置, 專門用來研究VDS的性能。此后, 先后研制了AN/SQA-10、AN/SQS- 35、AN/SQA-13等多型VDS, 并大量裝備大中型水面艦艇, 圖2為“薩姆納”號(Sumner, DD-692)驅逐艦上安裝的SQA-10 VDS拖體。上世紀60年代中后期, VDS的研制和發展進入了一個停滯期。美國海軍希望找到一種既具備VDS的優點, 使用又較為方便的聲吶來代替VDS。受美國西方石油公司使用的一種通過接收地震回波來尋找海底石油的拖曳線列陣的啟發, 1968年, 高特公司研制了一部臨時拖曳陣列監視系統(towed array surveillance system, TASS), 即AN/SQR-14聲吶。試驗表明, 該聲吶對探測蘇聯的潛艇很有效。此后, 美國海軍研制了AN/SQR-18和AN/SQR-19拖曳陣聲吶, 并開始大量裝備水面艦艇。

隨著潛艇輻射噪聲不斷降低, SQR-19聲吶的對潛探測距離已不足設計之初的1/4, 無法滿足美國海軍反潛探測的使用需求, 更無法為反潛武器提供遠程信息引導。2008年, 洛克希德·馬丁公司開始為美國海軍研制新的多功能拖曳陣(multi-function towed array, MFTA)聲吶AN/SQR- 20, 其拖曳陣代號為TB-37。SQR-20聲吶有主動和被動2種工作方式, 可用于水面艦艇對敵方潛艇的搜索、跟蹤和識別, 目前已經成為美國SQQ-89A(V)15和SQQ-90反潛作戰系統中的主要探測傳感器。TB-37被動聲吶拖曳陣除了采用被動方式探測潛艇以外, 還可用于其他主動聲吶的接收陣。2014年9月, 在“自由號”瀕海戰斗艦上對CAPTAS-4與TB-37的集成進行了性能檢驗, 并進行了深海條件下對美國核潛艇的主被動探測性能測試。

此外, 為了彌補固定警戒系統的不足, 從上世紀70年代開始, 美國海軍開始發展一種機動的監視拖曳陣傳感器系統(surveillance towed array sensor system, SURTASS), 1984年, 該系統開始列入美國艦艇裝備, 并命名為AN/UQQ-2。此后, 為了增加接收增益, 又采用了雙線接收陣Twin Line的形式。為了應對新的反潛作戰形勢, 美國海軍在SURTASS的基礎上, 進一步增加了低頻主動發射聲源, 研制了SURTASS LFA聲吶, 其主動發射頻率在150 Hz左右, 主動發射源級可達235 dB, 可實現大范圍機動水下預警探測。

2 國外主要低頻主動拖曳聲吶

2.1 CAPTAS綜合主被動拖曳聲吶

目前, 在各國研制的低頻主動拖曳聲吶中, 法國泰勒斯(Thales)公司生產的綜合主被動拖曳聲吶(combined active and passive towed array sonar, CAPTAS)裝備的國家最廣, 艦艇數量最多。

為了提升水面艦反潛能力, 對抗性能不斷提升的安靜型潛艇, 泰勒斯公司從上世紀90年代中期開始陸續開發了CAPTAS系列聲吶, 并推向市場。泰勒斯公司的系列產品包括CAPTAS-4、CAPTAS-2和CAPTAS-1[2-3], 如圖3所示。CAPTAS-4主動發射基陣具有4個溢流環換能器,體積較大, 主要用于3500 t以上反潛艦艇的水下警戒; CAPTAS-2采用雙溢流環換能器陣, 安裝在噸位1800 t以下船只上, 其拖體如圖4所示; CAPTAS-1采用了小型化設計, 其發射陣與接收陣采用共纜的方式, 便于快速收放和安全拖曳, 適合小型水面艦艇的安裝。

CAPTAS的主動聲源具有較高的源級, 中心工作頻率約1.5 kHz, 通過雙耦合共振模式可實現1.5倍頻程的寬頻帶。接收陣采用三元陣進行探測, 具有左右舷分辨能力, 基陣陣元數可達128元, 基陣直徑為85 mm, 接收頻段為0.9~2.1 kHz。其收放系統和纜長根據深海和淺海使用環境的不同進行了專門設計, 接收拖曳陣可在200 m以內使用。為了保證拖曳時的穩定, 拖體采用了減阻優化設計。

近年來, 泰勒斯公司不斷完善CAPTAS系列聲吶的信號處理技術, 通過采用子頻帶處理、連續主動聲吶技術等方法, 降低了高雜波環境下的虛警率, 提高了聲吶在匯聚區內的探測、分類和定位性能。

目前, CAPTAS-4已裝備于法國、意大利、摩洛哥和埃及的護衛艦, 智利也為其3艘23型護衛艦采購了CAPTAS-4, 基于CAPTAS-4的特定型號2087聲吶也已裝備于英國皇家海軍23型護衛艦, 如圖5所示。除此之外, CAPTAS-4的單拖體也已提供給美國海軍, 用作瀕海戰斗艦反潛任務包的高級開發組件(advanced development module, ADM)。CAPTAS-2聲吶已裝備于挪威皇家海軍5艘Nansen級護衛艦和沙特阿拉伯皇家海軍3艘AL Riyadh級護衛艦。據報道, CAPTAS-1聲吶也已出口阿聯酋。

2.2 LFTAS主動拖曳陣聲吶

德國阿特拉斯(Atlas)公司從20世紀90年代開始研制低頻拖曳陣聲吶(low frequency towed active sonar, LFTAS)系統, 通過與科學機構合作, 開展了大量的研究和和海上驗證試驗。2001年, 德國防衛技術兼采購聯邦局授予阿特拉斯公司LFTAS樣機的建造合同, 樣機在多用途船上完成初始試驗后, 安裝到了“巴伐利亞”(Bayern)級F123護衛艦上。2013年在美國東部沿海開展的試驗中, 該系統的探潛能力進一步得到驗證, 其探潛距離大于50 km[2, 4]。

主動拖曳陣聲吶(active towed array sonar, ACTAS)是LFTAS的出口型產品, 其探測距離取決于傳播條件, 最大可超出100 km。拖體采用水動力流線型設計, 發射陣工作頻率1.4~2.4 kHz, 能夠發射不同脈沖波形的大功率聲信號。拖體內的多個發射環可形成覆蓋360°方位的垂直束控波束, 能有效降低海面和海底的反射影響, 圖6為ACTAS拖體。被動接收陣采用三元陣設計, 接收頻段為50 Hz~15 kHz, 布放深度可達280 m。陣內配置有測量水深和溫度的非聲傳感器。通過改進信號處理, ACTAS系統可對魚雷實施自動探測。德國海軍在試驗期間, 就利用該系統成功探測、跟蹤到了尾流自導魚雷。

為了適應不同平臺的安裝使用需求, 阿特拉斯公司將ACTAS設計成移動任務模塊。針對小型船只, 設計了輕便型的ACTAS-C, 整個系統(包括收放設備)可放置在2個標準的集裝箱內, 如圖7所示。此外, 針對小于300 t的船只, 還開發了更加緊湊的ACTAS-SC, 其基陣采用夾持的方式從岸上展開。

2013年12月, 韓國大宇造船與海洋工程公司(DSME)為泰國海軍新型護衛艦定購了ACTAS系統。2014年末, 印度國防部為印度海軍簽訂了6臺套的ACTAS系統, 總價款4330萬美元。這些ACTAS系統將安裝在3艘“塔爾瓦”(Talwar)級護衛艦和3艘“德里”(Delhi)級驅逐艦上。

2.3 “維尼耶特卡ЭМ”拖曳陣聲吶

“維尼耶特卡ЭМ”系列拖曳陣聲吶由俄羅斯海洋物理儀器中央研究所、水聲儀器研究所和船舶機械制造中央研究所共同研制。該系列聲吶包括多個型號, “維尼耶特卡ЭМ”為帶長柔性拖曳線列陣的大型艦用主動拖曳聲吶, “維尼耶特卡ЭМ-M”為帶短柔性拖曳線列陣的小型艦用主動拖曳聲吶, “維尼耶特卡ЭМ-02”為帶長柔性拖曳線列陣的被動拖線陣聲吶。其中, “維尼耶特卡ЭМ-M”型聲吶主動工作中心頻率為1 600 Hz, 發射源級207 dB, 被動接收頻段為50~2000 Hz, 已裝備于俄羅斯20380型護衛艦。

“維尼耶特卡ЭМ”系列聲吶的舷外拖曳部分由拖曳線列陣、輕型拖纜和鎧裝重纜構成, 圖8為該聲吶的拖體。拖曳線列陣內裝有測量基陣指向的多功能傳感器, 能提高定向、測距的精度, 此外還安裝了海水深度、溫度自動記錄儀。該系列聲吶采用了俄羅斯國產的高效率數字計算機技術, 并具備嵌入式故障診斷系統。“維尼耶特卡ЭМ”系列聲吶的對潛探測距離可達15~20 km, 并可對魚雷實現預警。

2.4 ALOFTS主動低頻拖曳聲吶

美國哈里斯(Harris)公司利用原EDO公司在VDS系統方面的長期設計和生產經驗, 在國際上推出了Model 980主動低頻拖曳聲吶(active low frequency towed sonar, ALOFTS)系統[2]。

Model 980 ALOFTS系統有2個電子機柜和一臺雙屏多功能顯控臺, 采用了開放式結構的COTS硬件和軟件。ALOFTS拖體內有18個彎張換能器, 可發射調頻(frequency modulation, FM)、連續波(continuous wave, CW)和FM/CW組合波形信號, 發射頻率小于2 kHz, 聲源級達到219 dB。

新加坡海軍于2000年選中ALOFTS系統安裝在其6艘“可畏”級(Formidable)多任務護衛艦上, 如圖9所示。以色列于2005年為升級3艘“薩爾-5”(Saar 5)巡洋艦也購買了ALOFTS系統。

2.5 LFATS VDS-100低頻主動拖曳聲吶

德國L-3海洋系統公司研制的輕型低頻主動拖曳聲吶(low frequency active towed sonar, LFATS) VDS-100系統由直升機遠程主動吊放聲吶(heli- copter long range active sonar, HELRAS) DS-100技術改進而來。該系統包括集成有獨立發射接收陣的拖體、包含小型絞車的收放系統, 以及艙內處理和顯示電子設備。VDS-100系統能在15~300 m的水深工作, 拖體內有16個小型發射陣元, 發射頻率1.38 kHz, 發射源級219~222 dB[5]。其接收陣采用雙線陣的形式, 可有效解決左右舷模糊的問題。信號處理采用了多維目標聚類和平均、淺海高背景噪聲環境下目標辨別、本艦噪聲消除等方法, 探測距離可達30 n mile。該系統還可與HELRAS DS-100配合使用, 進行多基地探測。圖10為L-3海洋系統公司研制的VDS-100系統組成。

LFATS VDS-100系統安裝尺寸較小, 非常適合各種艦船使用, 可安裝于各種水面艦艇, 甚至小巡邏艇上。2010年, 該系統出售給埃及海軍。

3 低頻主動拖曳聲吶的發展方向

3.1 面臨的挑戰

近年來, 低頻主動拖曳聲吶得到了快速發展, 發射機硬件、拖體本身的尺寸和質量不斷減小, 水聲目標的波束形成技術、左右舷方位分辨技術等取得了顯著的提升。但是, 反潛是一項復雜的系統工程, 未來低頻主動拖曳聲吶的發展還將面臨諸多挑戰。

1) 虛警率問題

瀕海水域的環境噪聲和混響級非常高, 對水聲探測產生嚴重的影響, 造成主動聲吶探測的虛警率往往很高[6]。特別是低頻主動聲吶在淺海工作時, 混響對其目標檢測的影響較大, 而從復雜的海底混響中分辨出潛艇目標將是一件非常困難的事情。通過開發復雜信號處理技術來降低虛警已成為提升低頻主動拖曳聲吶系統性能的一項重大關鍵技術。目前, 主要通過主動波形進行設計、背景歸一化處理和目標回波分離等方法來提高復雜海洋環境尤其是高混響條件下的目標檢測能力, 降低虛警率。Doisy 等[5,7]分析了CW、線性調頻(linear frequency modulation, LFM)、線性調頻脈沖串(pulsetrains of linear frequency modulation, PTFM)等信號的抗混響能力; Struzinski W A[8]研究比較了4種噪聲歸一化方法; Baggenstoss[9]提出了一種采用混響能量處理結合特征識別的方法提取目標信號; 游波等[10]研究了對混響有較好的抑制作用一種基于瞬態信號檢測的累積和序貫檢測器。但是, 這些方法在實際聲吶使用中的應用效果尚不顯著。

2) 暴露性問題

低頻主動聲吶探測距離較遠, 一般可達數十公里以上。但是, 由于潛艇接收到的主動信號是單程傳輸的, 傳輸距離往往可達上百公里。因此, 潛艇可以在更遠的距離上探測到水面艦艇主動聲吶信號, 及時采取規避或其他措施。如何實現低頻主被動聲吶的隱蔽使用也是未來水面艦艇反潛需要解決的一項難題。Wang等[11]首次提出了一種基于鯨魚仿生信號的主動聲吶隱蔽探測技術; 殷敬偉等[12]提出了一種基于海豚whistle信號的仿生主動聲吶信號設計方法, 但是這些方法應用于實際的低頻主動聲吶中尚需解決仿生信號與聲吶發射帶寬的匹配等問題。

3) 生態影響問題

鯨魚和海豚依靠發聲進行導航、捕食、通信和繁衍, 而低頻主動拖曳聲吶的典型工作頻率與這些海洋生物的發聲信號頻率非常接近, 且其發射聲源級較高, 會對水下生物產生一定影響[13]。西方國家已經開始普遍關注低頻主被動聲吶的使用對海洋生物環境的影響問題。美國自然資源保護委員會指出, 軍用聲吶特別是低頻大功率聲吶對海豚、鯨魚的生活影響不斷加劇。如何在利用低頻主動信號探測目標的同時避免或減小對海洋生物的影響, 仍有待進一步深入研究。

3.2 發展趨勢

從各國海軍裝備發展和作戰需求來看, 未來低頻主動拖曳聲吶將向以下幾個方向發展。

1) 裝備發展系列化

針對大型反潛艦艇、中小型護衛艦和巡邏艇等不同平臺的作戰需求, 發展適應不同平臺安裝使用需求的系列化主動拖曳陣聲吶。如泰勒斯公司研制的CAPTAS-4、CAPTAS-2和CAPTAS-1 3種型號, ATLAS公司也發展了ACTAS、ACTAS- C、ACTAS-SC 等3型裝備, 以此來滿足不同平臺的需求。

2) 作戰使用多基地化

為了提高區域反潛作戰效能, 低頻主動拖曳聲吶將更多地與其他反潛探測裝備構成多基地的模式進行探測使用。加拿大Ultra電子海洋系統公司專門提出了模塊化多基地變深聲吶系統(modular multistatic variable depth sonar system, MMVDSS)方案, 通過低頻主動拖曳聲吶與艦殼聲吶、浮標等多種探測裝備的綜合使用, 形成多基地的模式來提高反潛效能。

3) 系統功能一體化

通過拓展工作頻段、在基陣內增加專用傳感器等方式, 低頻主動拖曳聲吶除了傳統的目標探測和識別功能以外, 開始增加偵察、魚雷探測等功能。ACTAS系統即具備對魚雷自動探測的功能, 并在海上試驗中對尾流自導魚雷成功進行了探測和跟蹤。SQR-20聲吶也專門配置了1個拖曳聲學偵察基陣模塊, 用于對魚雷目標的偵察預警。

4 結束語

低頻主動拖曳聲吶同時具有VDS和拖曳陣聲吶的諸多優點, 受到各國海軍的廣泛關注。這種聲吶基陣打破了船體尺寸對聲吶基陣尺寸的限制, 聲吶基陣遠離拖曳平臺, 使得背景干擾小, 并可大幅度降低工作頻率, 還能選擇在最有利的深度上工作, 獲得更遠距離的探測能力, 發揮聲吶的潛在能力。目前, 國外已經發展了多型低頻主動拖曳聲吶, 大量裝備各國海軍水面艦艇, 并逐漸成為水面反潛探測的主要裝備。

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(責任編輯: 陳 曦)

Current Status and Developing Trend of Low Frequency Active Towed Sonar Abroad

WANG Lu-jun

(Department of Electronic Information, China Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100097, China)

The low frequency active towed sonar can detect submarine remotely under bad sound propagation conditions, and it has gradually become the main equipment of anti-submarine detection in many countries. This paper first reviews the development background of the low frequency active towed sonar, summarizes its characteristics, and emphatically introduces the development course of towed sonar of American surface ship. Then, the major performances of the main low-frequency active towed sonars developed by France, Germany, Russia and the United States are analyzed, and the challenges of false alarm rate, exposure and ecological impact facing the development of low frequency active sonar are presented. It is pointed out that the low frequency active towed sonar will develop towards equipment serialization, multi-base operation application and system multifunction.

low frequency active towed sonar; surface ship; anti-submarine detection

王魯軍. 國外低頻主動拖曳聲吶的發展現狀和趨勢[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(3): 193-199.

TJ67; U666.7

A

2096-3920(2018)03-0193-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.002

2018-03-10;

2018-03-20.

王魯軍(1976-), 男, 博士, 研究員, 研究方向為水聲系統總體技術和水聲物理.