曹穎

水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116013

美國海軍固定式聲學(xué)測(cè)量設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

曹穎

水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116013

本文介紹了美國兩個(gè)典型固定水聲試驗(yàn)場(chǎng)，討論了主要測(cè)量設(shè)施的組成、安裝及使用情況，得出可供我國水聲固定試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)的參考性結(jié)論。

水聲試驗(yàn)場(chǎng)；測(cè)量設(shè)施

引 言

二次世界大戰(zhàn)以來，為了適應(yīng)反潛戰(zhàn)的新發(fā)展，滿足水聲技術(shù)和聲納設(shè)備的發(fā)展需要，各軍事大國投入巨資建設(shè)水聲試驗(yàn)場(chǎng)，并不斷更新改造。水聲試驗(yàn)場(chǎng)包括機(jī)動(dòng)式測(cè)量和固定式測(cè)量?jī)煞N方式，由于固定式試驗(yàn)場(chǎng)可以進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)，可積累大量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行比較、分析，因此愈來愈受到重視。美國海軍建設(shè)了很多固定式水聲試驗(yàn)場(chǎng)，并且配置了相關(guān)的水聲設(shè)施。筆者分別介紹了美國海軍兩個(gè)典型的水聲試驗(yàn)場(chǎng)—大西洋水下測(cè)試與評(píng)估中心以及東阿拉斯加水聲試驗(yàn)場(chǎng)的固定測(cè)量設(shè)施，包括測(cè)量設(shè)施的組成、安裝過程及使用等，通過分析引申一些思考，從而為我海軍固定試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)提供借鑒。

1 大西洋水下測(cè)試與評(píng)估中心固定測(cè)量設(shè)施

1.1 地理位置及建設(shè)背景

美國大西洋水下測(cè)試與評(píng)估中心（AUTEC，見圖1）位于巴哈馬群島的安德羅斯島東側(cè)，該區(qū)域素稱“海洋之舌”，海舌地區(qū)長(zhǎng)110海里、寬20海里，水深約1280～2012m，獨(dú)特的海舌地形加上該地區(qū)全年氣候溫暖，環(huán)境安靜，海床平坦、柔軟，是理想的潛艇聲學(xué)測(cè)試場(chǎng)。

該中心隸屬于海上系統(tǒng)司令部水下戰(zhàn)中心紐波特分部，是美國東岸地區(qū)最大的綜合性試驗(yàn)場(chǎng)。其主要職能是為美國和北約海軍提供綜合反潛作戰(zhàn)訓(xùn)練、測(cè)試武器、訓(xùn)練反潛戰(zhàn)術(shù)和潛艇艇員及指揮官。美國“鱘魚”級(jí)、“洛杉磯”級(jí)核潛艇都曾在此進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

巴哈馬海舌潛艇聲學(xué)測(cè)量設(shè)施是該中心的主要組成部分，能夠同時(shí)從空中和水下跟蹤目標(biāo)，為中心提供精確的潛艇輻射噪聲數(shù)據(jù)和目標(biāo)位置。

圖1 AUTEC的位置

2005年，由于大西洋水下測(cè)試與評(píng)估中心的潛艇輻射噪聲測(cè)量系統(tǒng)接近壽命期限，美國海軍啟動(dòng)了為期四年的巴哈馬海舌南部聲學(xué)測(cè)量設(shè)施（STAFAC）項(xiàng)目。該項(xiàng)目的主要任務(wù)是采用安裝在海底的固定式聲測(cè)量系統(tǒng)代替水面艦便攜式聲測(cè)量陣來測(cè)量潛艇輻射噪聲。

1.2 STAFAC測(cè)量系統(tǒng)組成

STAFAC水下測(cè)量系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，主要包括：中繼電纜和接地電纜、接線箱、基陣電纜和跟蹤/水下通信系統(tǒng)、基陣系泊裝置、高增益基陣組合、臍帶系統(tǒng)。組成連接見圖2。

圖 2STAFAC水下系統(tǒng)組成連接圖

1.3 STAFAC測(cè)量系統(tǒng)安裝及使用

1.3.1 中繼電纜和接地電纜

中繼電纜、接地電纜、接線箱、基陣系泊裝置、海底基陣電纜、跟蹤/水下通信基陣電纜均采用TYCO SL17電纜，TYCO SL17電纜利用海底電纜敷設(shè)船進(jìn)行安裝。

中繼電纜是海底光電長(zhǎng)途通信電纜，聯(lián)系著海舌南部接線箱（位于海舌“舌尖”區(qū)域的西北部）和大西洋水下測(cè)試和評(píng)估中心的指揮控制中心。中繼電纜包含兩段TYCO SL17電纜，第一段是從大西洋水下測(cè)試和評(píng)估中心的指揮控制中心連接到深水區(qū)域點(diǎn)，長(zhǎng)約140km；第二段是從接線箱連接到深水區(qū)域點(diǎn)，長(zhǎng)約20km，整個(gè)中繼電纜長(zhǎng)160km。

為了保證使用壽命，在不同位置采用不同類型的電纜。在淺灘和接線箱區(qū)域，水下0～250m時(shí)，采用雙層防護(hù)層型電纜，水下250～500m時(shí)，采用單層防護(hù)層型電纜。對(duì)于中繼電纜，位于岸上或者淺水區(qū)域、陡峭斜坡時(shí)，采用雙層防護(hù)層型電纜；位于較平緩斜坡時(shí)，采用單層防護(hù)層型電纜；貫穿AUTEC武器試驗(yàn)場(chǎng)和海舌的電纜，使用SPA型（鋼鐵包裹核心型）電纜；海舌南部“舌尖”區(qū)域，使用輕質(zhì)型電纜。接地電纜也是采用TYCO SL17電纜，從站點(diǎn)1指揮控制中心連接到淺水區(qū)域，長(zhǎng)約2000m。

1.3.2 基陣電纜和跟蹤/水下通信系統(tǒng)

STAFAC水下系統(tǒng)包含兩條基陣電纜，均為光電通信電纜，且都是從接線箱連接到基陣點(diǎn)（一個(gè)連接北部基陣，另一個(gè)連接南部基陣）。北部基陣電纜長(zhǎng)約14km，南部基陣電纜長(zhǎng)約16km?；囯娎|位于淺水區(qū)域、接線箱附近區(qū)域和陡斜面上部區(qū)域，采用雙層防護(hù)層保護(hù)；位于陡峭斜面下部區(qū)域，采用單層防護(hù)層保護(hù)；其他區(qū)域采用SPA型電纜。

跟蹤/水下通信系統(tǒng)包括一些雙向聲學(xué)節(jié)點(diǎn)，可提供跟蹤位置數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)連接的基陣陣列長(zhǎng)約33km，接線箱和節(jié)點(diǎn)之間仍然使用TYCO SL17電纜連接。

1.3.3 基陣系泊裝置

STAFAC系統(tǒng)的測(cè)量基陣由一個(gè)四點(diǎn)系泊裝置和兩個(gè)主系泊浮標(biāo)固定在海床上，如圖3所示。四個(gè)錨不僅固定了線列陣在海洋中的位置，并且使它們之間的橫向距離保持在256m～274.3m，水聽器縱向距離間隔小于3m。四個(gè)錨固定著兩個(gè)主系泊浮標(biāo)。主系泊浮標(biāo)用復(fù)合泡沫塑料制作，可產(chǎn)生12000磅（5443kg）凈浮力。重錘纜上系有制動(dòng)器，可機(jī)械調(diào)整基陣深度，這樣可以很容易打撈基陣，便于維修。系泊纜和重錘纜為直徑15.9mm的NILSPIN鋼索，兩個(gè)主系泊浮標(biāo)之間的橫向纜索直徑為19mmNILSPIN鋼索。系泊裝置采用的是布魯斯嵌埋錨和叢錨，布魯斯嵌埋錨直接嵌入海床固定，叢錨則用于給布魯斯錨施加垂直壓力。

圖3 系泊裝置設(shè)計(jì)示意圖

1.3.4 高增益基陣組合

高增益基陣長(zhǎng)約900英尺（274.32m），安裝有近800個(gè)聲學(xué)傳感器?；嚱M合由水下浮標(biāo)提供浮力。這些圓柱形的水下浮標(biāo)采用復(fù)合泡沫塑料制作，直徑83英寸（2.1m）、高88英寸(2.2m）、凈浮力1萬磅（4536kg），布放在水下41m處。水下浮標(biāo)上方還系有直徑為36英寸（91cm）的球形浮標(biāo)，并在水下浮標(biāo)和球形浮標(biāo)之間布放聲學(xué)傳感器，以保障淺水區(qū)域船舶航行安全。

1.3.5 臍帶系統(tǒng)

臍帶系統(tǒng)包括臍帶電纜、臍帶錨、臍帶浮標(biāo)、臍帶彎曲限制器。其中，臍帶電纜用于基陣電纜和基陣組件之間傳輸信號(hào)/動(dòng)力，位置在水下約380英尺（115.8m）；兩個(gè)臍帶浮標(biāo)均為復(fù)合泡沫塑料筒，直徑96英尺（29.3m），高64英尺（19.5m），凈浮力8000磅（3629kg）。臍帶浮標(biāo)和臍帶錨可保護(hù)臍帶電纜從水下幾十米處安全延伸至海底，通過定制的接口與海底的SL17基陣電纜連接；臍帶錨由成捆的鐵軌鋼和支架組成；臍帶彎曲限制器安裝在浮標(biāo)的下方，用于限制臍帶電纜在使用過程中的最小彎曲半徑。

2 東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場(chǎng)固定測(cè)量設(shè)施

2.1 地理位置及主要測(cè)量系統(tǒng)

東南阿拉斯加水聲試驗(yàn)場(chǎng)（SEAFAC）位于美國阿拉斯加州凱契根市西北約24km處的伯姆灣。伯姆灣南北長(zhǎng)約96km，東西寬約5km，平均水深約100～120m，周圍被海島遮蔽，平均海洋背景噪聲在90dB左右，屬海洋性氣候，冬暖夏涼，海流平緩，潮差較小，且人為干擾小，具有得天獨(dú)厚的水聲測(cè)量環(huán)境。

東南阿拉斯加水聲測(cè)試場(chǎng)是美國海軍主要的潛艇信號(hào)測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)。1995年該試驗(yàn)場(chǎng)安裝了輻射能量信號(hào)采集系統(tǒng)（R ESAS），經(jīng)過十幾年的使用，采集系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)壽命期限，同時(shí)，為滿足潛艇裝備的更新?lián)Q代，水聲測(cè)試場(chǎng)從2003年開始進(jìn)行升級(jí)，2008年6月完成航測(cè)站的升級(jí)，由新的高增益測(cè)量系統(tǒng)代替了原有的輻射能量信號(hào)采集系統(tǒng)如圖4所示。SEAFAC高增益測(cè)量系統(tǒng)采用單點(diǎn)系泊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與大西洋水下測(cè)試與評(píng)估中心的基本相同。

圖4 SEAFAC高增益測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.2 SEAFAC高增益測(cè)量系統(tǒng)組成

SEAFAC高增益測(cè)量系統(tǒng)主要包括水下電纜系統(tǒng)和聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)兩部分。其中，水下電纜系統(tǒng)由臍帶電纜、接岸電纜錨和接岸電纜組成；聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)總長(zhǎng)度341.4m，錨泊在水下約381m處，東、西兩個(gè)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)之間相距約256m，從頂端到末端，分別由：浮標(biāo)、上立管、高頻基陣、高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣、下立管、基陣錨六個(gè)部分組成。西側(cè)的聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)還包括兩個(gè)矢量傳感器陣（VSA），一個(gè)位于上立管，一個(gè)位于下立管。

2.3 SEAFAC高增益測(cè)量安裝

首先，用遙控潛器把原先的輻射能量信號(hào)采集系統(tǒng)基陣回收，移除與其相連接的部分接岸電纜。接岸電纜與新的跟蹤節(jié)點(diǎn)連接，重新部署，遠(yuǎn)離航道。清除干凈后，系泊船采用三點(diǎn)系泊裝置，確保基陣精確安裝到指定位置，同時(shí)確保臍帶的安裝與安全。安裝過程分為四個(gè)階段：首先安裝西側(cè)水下電纜，將其與岸基系統(tǒng)相連；之后安裝西側(cè)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，將其與水下電纜相連接；然后安裝東側(cè)水下電纜和東側(cè)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

2.3.1 水下電纜鋪設(shè)

電纜從比姆水道（Behm Canal）設(shè)計(jì)好的地點(diǎn)一直鋪設(shè)到岸上。這個(gè)過程分為兩個(gè)階段，首先安裝西側(cè)電纜，再安裝東側(cè)電纜。利用電纜鋪設(shè)船和拖船安裝。

具體鋪設(shè)過程如下：首先將臍帶電纜一端連接的基陣由電纜鋪設(shè)船移動(dòng)到系泊船，并安全放置在一邊。然后電纜鋪設(shè)船開始緩慢向水中放出臍帶電纜，在此之前將浮標(biāo)和壓載物手工安裝到臍帶上，以構(gòu)造出正弦曲線的結(jié)構(gòu)。臍帶電纜安裝完成以后，用船上的起重機(jī)將接岸電纜錨移動(dòng)到船外，緩慢將接岸電纜錨放下，使其重力載荷施加到與之相連的SL12-SA電纜上。密切監(jiān)視SL12-SA電纜承受的張力，用絞盤向水中放出SL12-SA電纜直到接岸電纜錨精確放置在水下381米。

隨后利用實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合預(yù)設(shè)的安裝路線鋪設(shè)SL12-SA電纜，導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)兩艘拖船微調(diào)電纜鋪設(shè)船的航程，并監(jiān)視電纜絞盤放出電纜的速度。電纜鋪設(shè)的速度約為1節(jié)。

在電纜安裝過程中，潛水人員將引導(dǎo)接岸電纜的導(dǎo)索穿過一條管道（20世紀(jì)90年代建造試驗(yàn)場(chǎng)時(shí)已經(jīng)鋪設(shè)），當(dāng)導(dǎo)索抵達(dá)岸基陸上站點(diǎn)時(shí)，開始向水中放出接岸電纜，將其與導(dǎo)索相連。隨后，岸上的人員將接岸電纜從管道的另一端拉出，連接到岸基設(shè)施，然后檢驗(yàn)電纜的連通性。

2.3.2 聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)安裝

聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)安裝的基本過程是：安放下立管（包括基陣錨和下立管上的無指向性水聽器）-將臍帶電纜與高增益測(cè)量基陣，下立管、高頻基陣、矢量傳感器陣、上立管各組件連接，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)情況—布放高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣—施放上立管—安裝浮標(biāo)。

在下立管安裝過程中，需要注意：由于安裝立管的過程中還要安裝無指向性水聽器，因此操作過程緩慢，當(dāng)岸基設(shè)施工作人員確定水聽器信號(hào)后，才能向下施放立管。此外，西側(cè)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)還要安裝兩個(gè)矢量傳感器陣。矢量傳感器陣長(zhǎng)約7.6m，與立管端點(diǎn)相距約1.2m。安裝矢量傳感器陣時(shí)，起重機(jī)將立管倒懸在空中，然后將其正放入水中。

高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣的布放是整個(gè)系統(tǒng)安裝的關(guān)鍵，主要分為三個(gè)步驟。第一步：靠近高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣下方的下立管吊耳和臍帶連接到船艏，上立管與起重機(jī)連接（連接點(diǎn)位于高頻基陣上方），兩連接位置點(diǎn)相距約24.4m；第二步：起重機(jī)上舉高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣，按照定時(shí)程序，將高頻基陣和上立管舉起，同時(shí)液壓臺(tái)上升使高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣垂直立起來；第三步：當(dāng)高增益測(cè)量系統(tǒng)基陣垂直豎立后，液壓臺(tái)回位。起重機(jī)將整個(gè)系統(tǒng)基陣舉起（包括基陣下部的繩索），起重機(jī)承受約9526kg重量的靜載荷，然后將整個(gè)系統(tǒng)放入水中。

高增益測(cè)量系統(tǒng)安裝后兩個(gè)月內(nèi)，海軍水面站中心卡迪洛克分部完成了系統(tǒng)驗(yàn)證，并對(duì)海狼級(jí)的“吉米·卡特”號(hào)潛艇（SSN-23）成功進(jìn)行了聲學(xué)測(cè)試。升級(jí)后的SEAFAC可以快速、便捷地探測(cè)到最安靜的潛艇。

3 對(duì)我國固定試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)施設(shè)計(jì)安裝的啟示

3.1 固定式測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，美國潛艇聲學(xué)測(cè)量設(shè)施逐漸采用安裝在海底的固定式聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)代替水面船便攜式聲學(xué)測(cè)量陣對(duì)潛艇噪聲進(jìn)行測(cè)量，包括大西洋水下測(cè)試與評(píng)估中心、東南阿拉斯加試驗(yàn)場(chǎng)，都采用固定式的水下聲測(cè)量系統(tǒng)。

相對(duì)于便攜式測(cè)量系統(tǒng)，固定式測(cè)量系統(tǒng)的精度高，范圍廣，環(huán)境噪聲影響小，有利于潛艇聲學(xué)測(cè)試。但是固定式聲測(cè)量系統(tǒng)安裝、維護(hù)復(fù)雜，需要在特定的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，因此，美國海軍也在開發(fā)精度更高的便攜式聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

3.2 固定試驗(yàn)場(chǎng)升級(jí)和安裝的特點(diǎn)

3.2.1 結(jié)合新潛艇聲信號(hào)測(cè)試需要進(jìn)行升級(jí)

雖然原有設(shè)施的老化是試驗(yàn)設(shè)施升級(jí)的重要原因之一，但是為滿足新一代潛艇信號(hào)測(cè)試的需求才是美國固定式聲學(xué)測(cè)試場(chǎng)設(shè)施升級(jí)的迫切需要和主要原因。例如，升級(jí)以前，東南阿拉斯加聲學(xué)測(cè)試場(chǎng)只能夠測(cè)量“洛杉磯”和“俄亥俄”級(jí)潛艇，升級(jí)完成之后，可以利用新系統(tǒng)測(cè)試“海狼”和“弗吉尼亞”級(jí)潛艇。之前，由于天氣問題，測(cè)試一艘潛艇要持續(xù)3～4周時(shí)間，風(fēng)雨所產(chǎn)生的水面噪聲會(huì)干擾測(cè)量，而現(xiàn)在傳感器主要針對(duì)潛艇，測(cè)試只需一天，可以大大縮短潛艇測(cè)試周期。

3.2.2 先期策劃，為后續(xù)升級(jí)留有余量

東南阿拉斯加聲學(xué)測(cè)試場(chǎng)在20世紀(jì)90年代建造時(shí)就考慮了以后升級(jí)改造的問題，在沿岸地區(qū)額外鋪設(shè)了各種直徑大小的管道，便于接岸電纜與岸基設(shè)施的連接，這些管道在升級(jí)安裝過程中發(fā)揮了作用，節(jié)省了大量時(shí)間和成本。

此外，在安裝臍帶電纜時(shí)考慮了技術(shù)更新的需要，使臍帶電纜呈正弦曲線形狀，保證在技術(shù)更新時(shí)，可將高增益測(cè)量基陣?yán)鏊娑恍枰苿?dòng)其他設(shè)施，方便了日后的維修、更新工作。

[1]張竹彥，杜春貴，宋潔.國外聲納[M].714所、海司雷達(dá)聲納部，1983，671～713

[2]劉興章.美國潛艇水聲試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)狀及啟示[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（2）：140～143.

[3] RS Chwaszczewski, Michael A Slater.Reinventing submarine signature measurements:installation of the high gain measurement system at SEAFAC.0-933957-38-1 2009MTS

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.011

曹穎，工程師，主要從事科研管理工作。