閔瑞紅，肖杰雄

( 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

現(xiàn)代潛艇綜合聲吶系統(tǒng)是由多部聲吶和水聲測(cè)量設(shè)備組成的、具有綜合化功能的水聲探測(cè)系統(tǒng)，通常由被動(dòng)測(cè)距基陣、艇首陣、偵察水聽(tīng)器陣、探雷陣、通信陣、舷側(cè)線列陣、拖曳線列陣、本艇噪聲監(jiān)測(cè)水聽(tīng)器、通用信號(hào)處理機(jī)、通用多功能顯控臺(tái)等組成。潛艇綜合聲吶系統(tǒng)內(nèi)各聲吶之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，共享某些聲吶基陣或信號(hào)處理部件，共同完成任務(wù)。

潛艇綜合聲吶系統(tǒng)具有以下功能:

1)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤、測(cè)向、測(cè)距和識(shí)別;

2)對(duì)聲吶脈沖源實(shí)施偵察、定位和波形參數(shù)測(cè)定;

3)主動(dòng)發(fā)射脈沖對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位;

4)完成潛艇之間以及潛艇與水面艦艇之間的通信、測(cè)距與敵我識(shí)別;

5)探測(cè)水雷;

6)監(jiān)測(cè)聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)、螺旋槳附近和其他典型部位的本艇噪聲，并對(duì)其異常情況進(jìn)行報(bào)警;

7)測(cè)量聲速隨深度的變化，提供現(xiàn)場(chǎng)海洋條件下聲能傳播的直觀圖像，為指揮員和聲吶操作員選擇最佳戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和聲吶使用方式提供依據(jù);

8)綜合處理和顯示各種聲吶的信息，將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入指揮與控制系統(tǒng)。

潛艇的綜合聲吶系統(tǒng)可以在復(fù)雜的多目標(biāo)環(huán)境下，或者突然出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況下，快速準(zhǔn)確地獲得戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)以及敵方的有關(guān)數(shù)據(jù)，以最大限度地減小本艇風(fēng)險(xiǎn)，提高潛艇作戰(zhàn)任務(wù)的成功率。因此，先進(jìn)的綜合聲吶系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征:

1)系統(tǒng)功能盡可能由軟件控制，除少量的人工干預(yù)和決策外，系統(tǒng)應(yīng)該具有計(jì)算機(jī)輔助決策功能。

2)將所有潛艇聲吶的功能進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)信息的分布式處理與信息融合以及信息管理的自動(dòng)化。

3)軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)易于進(jìn)行現(xiàn)代化改進(jìn)和升級(jí)。采用通用的多功能顯控臺(tái)和信號(hào)處理機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

4)系統(tǒng)采用高速冗余數(shù)據(jù)傳輸，滿足大容量的數(shù)據(jù)交換和高速、高可靠性傳輸?shù)囊?，?duì)于重要的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分布式冗余存儲(chǔ)［1］。

1 國(guó)外潛艇綜合聲吶系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

從第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始到現(xiàn)在，潛艇聲吶系統(tǒng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。導(dǎo)致潛艇聲吶系統(tǒng)高速發(fā)展的因素主要有2 點(diǎn):第一，由于潛艇特別是核潛艇的性能、攻擊力和隱蔽性大大提高，致使各國(guó)海軍對(duì)聲吶探測(cè)潛艇的能力不斷提出新的要求，促進(jìn)了聲吶的快速發(fā)展;第二，由于電子技術(shù)、水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，為聲吶的發(fā)展提供了技術(shù)保證。從第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始，潛艇聲吶的發(fā)展經(jīng)歷了三代，現(xiàn)在正向第四代發(fā)展。

第一代潛艇聲吶發(fā)展時(shí)間從第二次世界大戰(zhàn)后期到20世紀(jì)50年代末。從20世紀(jì)60年代到70年代初期潛艇裝備的聲吶為第二代。第三代潛艇聲吶出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代中期到80年代后期。第四代潛艇聲吶是從20世紀(jì)80年代末90年代初開(kāi)始出現(xiàn)的，這一代聲吶具有更高的綜合控制、綜合管理、集中處理、集中顯示的特點(diǎn)［2］。

1.1 美國(guó)

美國(guó)的AN/BQQ-5 綜合聲吶系統(tǒng)是美國(guó)海軍第一部潛艇用數(shù)字化綜合聲吶系統(tǒng)，于20世紀(jì)60年代后期開(kāi)發(fā)，在1972年和1973年期間經(jīng)過(guò)了全面的測(cè)試，1973年8月批準(zhǔn)生產(chǎn)，并于1974年裝備在美國(guó)海軍“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇上。AN/BQQ-5 型聲吶系統(tǒng)的主要用途是為“魚叉”導(dǎo)彈、“沙布洛克”潛射反潛導(dǎo)彈和MK 48 魚雷的發(fā)射提供水下目標(biāo)定位數(shù)據(jù)，承擔(dān)水下目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、分類、識(shí)別、噪聲測(cè)向、被動(dòng)測(cè)距、偵察和水下通信等使命。

AN/BQQ-5 綜合聲吶系統(tǒng)由AN/BQS-13 艇殼式主動(dòng)/被動(dòng)球形聲吶、AN/BQR-20 首部共形聲吶和AN/BQR-25 拖曳聲學(xué)水聽(tīng)器陣列組成。AN/BQR-25 拖曳聲學(xué)水聽(tīng)器陣列最初使用TB-16 粗線型拖曳陣，聚乙烯覆蓋著的拖曳線纜最大長(zhǎng)度約800 m，直徑9.5 mm，基陣在線纜的末端，布置有水聽(tīng)器和電子設(shè)備，基陣直徑8.25 mm?；囉墒紫蛭仓饾u變細(xì)，以便將流噪聲降到最低。AN/BQQ-5 型聲吶系統(tǒng)從1974年至今已經(jīng)發(fā)展了5 個(gè)型號(hào)，后續(xù)型號(hào)分別是AN/BQQ-5B、AN/BQQ-5C (V)、AN/BQQ-5D 和AN/BQQ-5E。AN/BQQ-5D 使用1 個(gè)TB-23 型細(xì)線拖曳基陣，于1988年裝艇運(yùn)行。它是一種重量較輕的系統(tǒng)，安裝在耐壓艇體外部從首部通向尾部的壓力管中，帶有電纜絞車，能盤卷進(jìn)入潛艇的首部主壓載水艙之內(nèi)。AN/BQQ-5E 低頻首部球形基陣采用了一種被動(dòng)測(cè)距的新型細(xì)線拖曳基陣TB-29，于1993年左右投入海上運(yùn)行。AN/BQQ-5E 可提供先進(jìn)的低頻數(shù)據(jù)探測(cè)、跟蹤和分類。該系統(tǒng)能夠提供低頻主動(dòng)抗干擾能力、雙重拖曳基陣處理和全光譜處理能力。AN/BQQ-5 采用了數(shù)字多波束控制 (digital multibeam steering，DIMUS)技術(shù)，僅1 名聲吶操作員即可同時(shí)觀察360°方位，通過(guò)改進(jìn)的顯示裝置提供被動(dòng)分類。

圖1 AN/BQQ-5 的艇首陣Fig.1 AN/BQQ-5 bow array

到目前為止，已經(jīng)交付了100 套AN/BQQ-5系列聲吶系統(tǒng)，其中91 套用于潛艇，4 套用于維護(hù)訓(xùn)練器，5 套用于工程模型［2-3］。

目前所有“洛杉磯”級(jí)和“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇都裝備AN/BQQ-5 系統(tǒng)?！奥迳即墶奔?jí)核潛艇安裝的是AN/BQQ-5D 和AN/BQQ-5E 型。 “海狼”級(jí)核潛艇裝備了AN/BQQ-5D 型［2-4］。

美國(guó)AN/BQQ-5 綜合聲吶系統(tǒng)既可進(jìn)行主動(dòng)定位，又可進(jìn)行被動(dòng)定位。主動(dòng)目標(biāo)定位通過(guò)AN/BQS-13DNA 主動(dòng)聲吶實(shí)現(xiàn)。除利用主動(dòng)聲吶外，快速被動(dòng)測(cè)距聲吶也能起到對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距和定位的作用。該聲吶系統(tǒng)在潛艇每舷側(cè)設(shè)首、中、尾3個(gè)基陣，以艇中基陣為參考點(diǎn)，結(jié)合首、尾基陣收到目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間差，便能計(jì)算出目標(biāo)的距離和方位［2］。

AN/BQQ-5 系列聲吶經(jīng)過(guò)進(jìn)一步升級(jí)，發(fā)展為聲學(xué)快速COTS 嵌入(acoustic rapid COTS insertion，ARCI)AN/BQQ-10 聲吶系統(tǒng)。

AN/BQQ-10 計(jì)劃分多個(gè)階段進(jìn)行，目的是為潛艇提供性能更強(qiáng)、更加靈活的通用型聲吶系統(tǒng)。

計(jì)劃的第1 階段是為2 艘“洛杉磯”級(jí)核潛艇上的拖曳基陣聲吶提供增強(qiáng)的窄帶和空間游標(biāo)處理器;第2 階段是對(duì)這2 艘核潛艇上的拖曳基陣處理器實(shí)現(xiàn)全面的重大升級(jí);第3 階段將改進(jìn)球形和艇殼基陣處理器;第4 階段將解決高頻聲吶處理能力。

目前，第1 和第2 階段的設(shè)備已經(jīng)安裝到2 艘“洛杉磯”級(jí)核潛艇上。第3 和第4 階段的工作將隨后展開(kāi)［2-3］。

2008年9月，洛克希德·馬丁公司被授予一份價(jià)值890 萬(wàn)美元的合同，為美國(guó)海軍潛艇生產(chǎn)低成本共形基陣(low cost conformal array，LCCA)并支持其在艇上的使用。LCCA 是一種安裝在潛艇指揮室圍殼后部的被動(dòng)平面陣列，與ARCI AN/BQQ-10聲吶系統(tǒng)集成在一起。它可在高密度航運(yùn)環(huán)境中為改進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)控制提供環(huán)境探測(cè)和避碰能力。LCCA能夠提高在擁擠的近海環(huán)境中的環(huán)境探測(cè)能力。該基陣與AN/BQQ-10 聲吶系統(tǒng)集成，安裝到改進(jìn)的“洛杉磯”級(jí)核潛艇上［5］。

此外，由美國(guó)海軍和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局共同發(fā)起的Tango-Bravo 計(jì)劃，致力于5 個(gè)關(guān)鍵的潛艇技術(shù)領(lǐng)域。其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域是研究適應(yīng)艇殼的聲吶陣，使其能全艇布置。這樣的陣列可使聲吶進(jìn)行全方位監(jiān)控?，F(xiàn)已實(shí)施一些共形基陣發(fā)展計(jì)劃，如先進(jìn)共形潛艇水聲傳感器計(jì)劃和共形聲速傳感器計(jì)劃［6］。

1.2 俄羅斯

俄羅斯基本上繼承了蘇聯(lián)的潛艇聲吶技術(shù)，是世界上少數(shù)能自行研制拖曳陣聲吶的國(guó)家之一?，F(xiàn)在俄羅斯?jié)撏掀毡檠b備了艇殼式基陣聲吶和拖曳變深聲吶。MGK-540 綜合聲吶系統(tǒng)裝備在俄羅斯海軍現(xiàn)役的所有主戰(zhàn)潛艇上，其中包括“阿庫(kù)拉”Ⅰ、Ⅱ型，“塞拉”Ⅰ、Ⅱ型核潛艇等。該系統(tǒng)主要用于連續(xù)監(jiān)視潛艇所在水域的水面和水下?tīng)顩r，以被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定向和跟蹤。其監(jiān)聽(tīng)方式分為寬帶和窄帶，工作頻率為聲頻、低聲頻和次聲頻。以主動(dòng)方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，可測(cè)定目標(biāo)距離和相對(duì)方位的變化。對(duì)主動(dòng)聲吶發(fā)射的窄帶和寬帶信號(hào)進(jìn)行分析，能測(cè)定其方位參數(shù)。該系統(tǒng)還可對(duì)所探測(cè)的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)分類識(shí)別，其綜合性能較為先進(jìn)。MGK-540 綜合聲吶系統(tǒng)主要由艇殼基陣聲吶、低/中頻、主/被動(dòng)搜索跟蹤聲吶和被動(dòng)拖曳陣變深聲吶組成。其中低頻艇殼聲吶以被動(dòng)方式進(jìn)行搜索警戒，換能器基陣裝貼于艇首殼體上，基陣布置在首部魚雷管下方，對(duì)水面艦艇被動(dòng)作用距離為60 km，對(duì)潛艇作用距離為20 km;拖曳陣聲吶用于遠(yuǎn)程被動(dòng)警戒，作用距離大于90 km［2］。

俄羅斯的671RTM V-Ⅲ級(jí)攻擊型核潛艇上加裝的綜合聲吶系統(tǒng)包括低頻被動(dòng)搜索聲吶、主動(dòng)高頻攻擊聲吶和被動(dòng)低頻聲吶舷側(cè)基陣。該級(jí)核潛艇還裝備了被動(dòng)甚低頻拖曳陣列聲吶，探測(cè)范圍超過(guò)100 km，在垂直尾翼上安裝了1 個(gè)紡錘形回收裝置，非常引人注目。

“阿庫(kù)拉”-Ⅱ型核潛艇使用新型綜合聲吶系統(tǒng)，包括用于搜索和攻擊的被動(dòng)低頻聲吶球形基陣，舷側(cè)噪聲測(cè)距聲吶和被動(dòng)甚低頻拖曳基陣聲吶以及其他線列陣［7］。

俄羅斯的Irtysh/Amfora 綜合聲吶系統(tǒng)由大型MGK-500 “鯊魚腮”低頻被動(dòng)/主動(dòng)搜索和攻擊球形首部基陣、Mouse Roar 超低頻舷側(cè)噪聲測(cè)距聲吶和Skat 3 拖曳基陣等組成。該系統(tǒng)裝備在新型“亞森”級(jí)攻擊型核潛艇和“北風(fēng)之神”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇上［3，8-9］。

雖然俄羅斯在聲吶技術(shù)的整體發(fā)展水平上與美國(guó)相差不多，但其電子設(shè)備多采用中、小規(guī)模的集成電路，所以體積通常較為龐大，整個(gè)聲吶的元器件很多，可靠性差，可維護(hù)性能通常較差。

為解決上述問(wèn)題，俄羅斯不惜花大力氣提高聲吶的使用性能，形成了以下特點(diǎn):

1)重視聲吶設(shè)計(jì)工藝、制造工藝、材料等方面的研究，因此俄羅斯聲吶的水聲換能器、聲吶基陣和導(dǎo)流罩的綜合性能都相當(dāng)好，其系統(tǒng)不突出某一性能而是重視整體搭配后的綜合性能;

2)重視潛艇自身的減振降噪，使聲吶的性能盡可能得到發(fā)揮;

3)十分重視對(duì)海洋環(huán)境條件和海洋波導(dǎo)聲傳輸特性等基礎(chǔ)科學(xué)方面的研究，經(jīng)過(guò)幾十年的積累，俄羅斯已經(jīng)建立起世界各大洋的水聲傳播參數(shù)和海底特征軟件，這些軟件已成為指導(dǎo)聲吶操作人員正確選擇使用參數(shù)，有效發(fā)揮聲吶性能不可缺少的一部分;創(chuàng)建了新的水下聲道傳播理論，為新的信號(hào)處理開(kāi)辟了方向。

4)此外，俄羅斯還在聲吶系統(tǒng)配置上與英、美等國(guó)有著不同之處。其中最大的特點(diǎn)是俄羅斯?jié)撏Ш苌傺b備被動(dòng)測(cè)距聲吶，這并不是因?yàn)槎砹_斯沒(méi)有研究被動(dòng)測(cè)距技術(shù)，而是用起來(lái)達(dá)不到實(shí)用要求，進(jìn)而轉(zhuǎn)向其他途徑來(lái)解決潛艇隱蔽攻擊的問(wèn)題。另外，俄羅斯的拖線陣聲吶只裝備核潛艇，而不裝備常規(guī)動(dòng)力潛艇［2］。

1.3 英國(guó)

1983年，英國(guó)著手開(kāi)發(fā)2054 型被動(dòng)/主動(dòng)偵察和拖曳基陣聲吶設(shè)備。2054 型聲吶是英國(guó)皇家海軍“前衛(wèi)”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇上的聲吶系統(tǒng)，由2043主動(dòng)/被動(dòng)聲吶、2046 拖曳聲吶、2082 偵察聲吶和183 水下電話聲吶基陣組成。

2054 聲吶系統(tǒng)采用數(shù)字式處理器，整個(gè)系統(tǒng)包含18 個(gè)機(jī)柜和7 個(gè)控制臺(tái)(2 個(gè)寬頻控制臺(tái)、2 個(gè)窄頻控制臺(tái)、1 個(gè)被動(dòng)基陣控制臺(tái)、1 個(gè)偵察聲吶控制臺(tái)和1 個(gè)聲吶控制器控制臺(tái)，而主動(dòng)基陣既可使用寬頻控制臺(tái)又可使用窄頻控制臺(tái))。各機(jī)柜由1個(gè)1553 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通路相互連接，該數(shù)據(jù)通路也提供向外的接口。

英國(guó)皇家海軍總共訂購(gòu)了6 套2054 聲吶系統(tǒng)，其中4 套用于“前衛(wèi)”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇，2 套作為岸基系統(tǒng)，目前已經(jīng)全部交付使用［3，10］。

2076 聲吶是泰利斯公司為英國(guó)皇家海軍設(shè)計(jì)的一種潛艇聲吶探測(cè)系統(tǒng)，是世界上最先進(jìn)的全綜合被動(dòng)/主動(dòng)搜索和攻擊聲吶系統(tǒng)［11-12］。

2076 聲吶的開(kāi)發(fā)工作始于1990年。2002年在英國(guó)皇家海軍“托貝”號(hào)核潛艇上進(jìn)行了2076 聲吶系統(tǒng)寬孔徑舷側(cè)噪聲測(cè)距聲吶部件的海試。 “托貝”號(hào)和“鋒利”號(hào)分別于2003年和2004年完成2076 聲吶改換裝工作?！皺C(jī)敏”級(jí)核潛艇從建造開(kāi)始就把2076 聲吶裝備在艇上［3，13-14］。

2076 綜合聲吶設(shè)備采用了重要的商用成熟技術(shù)，被稱為第5 階段的一個(gè)提高計(jì)劃將用COTS 產(chǎn)品部分替代過(guò)去的結(jié)構(gòu)。這種“開(kāi)放”結(jié)構(gòu)能夠迅速嵌入新的軟件功能。一旦所有的工作完成，2076第5 階段的系統(tǒng)將完全部署在整個(gè)英國(guó)皇家海軍的攻擊型核潛艇艦隊(duì)中［3，15-16］。

圖2 2076 聲吶在“特拉法爾加”級(jí)核潛艇上的布置示意圖Fig.2 The arrangement of 2076 sonar on Trafalgar

2076 聲吶系統(tǒng)由主動(dòng)和被動(dòng)聲吶系統(tǒng)綜合設(shè)備組成，包括首部、圍殼、舷側(cè)和拖曳基陣，其組成部分包括:2077 型Parian 避障聲吶、2081 型環(huán)境監(jiān)示器、2094 型海洋學(xué)聲吶、2079 型主動(dòng)/被動(dòng)首部聲吶、2078 型火控首部元件、2065 型拖曳基陣和舷側(cè)噪聲測(cè)距聲吶。其支持系統(tǒng)包括指控臺(tái)、升級(jí)了的無(wú)線電通信、升級(jí)了的信號(hào)降低和減少自噪聲的新型彈性聯(lián)接器［11］。

“天才”號(hào)核潛艇是2076 型聲吶第5 階段工作的首個(gè)測(cè)試平臺(tái)，2009年9月開(kāi)始進(jìn)行碼頭試驗(yàn)，2010年第2 季度進(jìn)行海試［13］。

2076 聲吶還被集成到“快速”級(jí)和“特拉法爾加”級(jí)核潛艇最后階段升級(jí)計(jì)劃之中。它為“特拉法爾加”級(jí)核潛艇提供了一種無(wú)可匹敵的能力，并使“機(jī)敏”級(jí)核潛艇在服役時(shí)成為英國(guó)皇家海軍技術(shù)最先進(jìn)的潛艇［18-21］。

1.4 法國(guó)

TSM 2233 是眾所周知的“埃萊當(dāng)”系列聲吶的最新一代產(chǎn)品，是模塊化的綜合聲吶系統(tǒng)，適合任何排水量的潛艇，滿足任何操作需求。

基于一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)的COTS 結(jié)構(gòu)，TSM 2233包括下列聲學(xué)傳感器:線性拖曳基陣、舷側(cè)噪聲測(cè)距聲吶、首部基陣(圓柱形或共形的)、偵察基陣、分布式基陣、主動(dòng)基陣和避障基陣。

TSM 2233 聲吶系統(tǒng)的關(guān)鍵特性是:模塊化的信號(hào)處理器使其有可能適合于各種外形形式，從而適合新的潛艇設(shè)計(jì)和現(xiàn)代化改裝;由于探測(cè)、跟蹤和定位功能的高度自動(dòng)化減少了操作人員的工作量;同時(shí)具有靈活性和易于適合潛艇尺寸和任務(wù)要求的特性。

圖6 TMS2233 型聲吶系統(tǒng)Fig.6 TMS2233 sonar system

該系統(tǒng)使用TMS 320，C30 和68040 微處理機(jī)在MiMD 型主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，與內(nèi)部交叉高速環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和外部標(biāo)準(zhǔn)VME 型數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信［3，22］。

法國(guó)的TSM 2233 型聲吶系統(tǒng)采用先進(jìn)的算法，其首部、舷側(cè)和拖曳基陣具有如下優(yōu)點(diǎn):旁瓣抑制;束寬減小;方位測(cè)量準(zhǔn)確性大幅度提高;降低安靜目標(biāo)附近的噪聲干擾效應(yīng)以及排除潛艇自噪聲;提高并保持聲吶系統(tǒng)在高航速時(shí)的探測(cè)能力［18］。

圖7 艇內(nèi)潛艇戰(zhàn)術(shù)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)布局中的TMS2233型聲吶系統(tǒng)Fig.7 TMS2233 sonar system in submarine tactical integrated combat system

TSM 2233 聲吶系統(tǒng)提供以下功能:

1)被動(dòng)探測(cè);

2)自動(dòng)反干擾;

3)被動(dòng)自適應(yīng)處理;

4)自動(dòng)探測(cè)和跟蹤;

5)探測(cè);

6)主動(dòng)能力

7)目標(biāo)分類;

8)敵方武器警報(bào)器;

9)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析。

TSM 2233 潛艇被動(dòng)和主動(dòng)聲吶系統(tǒng)安裝在巴基斯坦海軍“阿戈斯塔”90B 型潛艇上，也被選擇用來(lái)裝備馬來(lái)西亞海軍2 艘新型“鲉魚”級(jí)潛艇。在印度購(gòu)買的“鲉魚”級(jí)常規(guī)潛艇上，選定安裝的也是TSM 2233 型聲吶系統(tǒng)。其衍生產(chǎn)品裝備在澳大利亞皇家海軍的“柯林斯”級(jí)和法國(guó)海軍“紅寶石”級(jí)核潛艇上［3，18，22］。

1.5 德國(guó)

CSU 90 是一種技術(shù)非常尖端且成本效力高的潛艇綜合聲吶系統(tǒng)，由阿特拉斯電子股份有限公司開(kāi)發(fā)，可用于各種尺寸和各種任務(wù)能力的潛艇。它將傳感器的主要功能集成到一個(gè)以同一技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，無(wú)論什么情況下都恰當(dāng)適用。CSU 90 聲吶技術(shù)也是ISUS 90 潛艇作戰(zhàn)管理系統(tǒng)一個(gè)重要的組成部分。

CSU 90 可配備頻帶大約從10 kHz ～100 kHz 的傳感器系統(tǒng)，在這個(gè)范圍內(nèi)能夠探測(cè)到輻射噪聲和重要的脈沖信號(hào)。不同的聲吶傳感器能夠在任何用戶定義的配置下進(jìn)行組合。

CSU 90 包括圓柱形或共形基陣聲吶(cylindrical or conformal array sonar，CAS)、偵察測(cè)距 聲 吶 (intercept detection and ranging sonar，IDRS)、主動(dòng)式寬頻操作聲吶 (broadband active operating sonar，BAOS)、被動(dòng)測(cè)距聲吶 (passive ranging sonar，PRS)、側(cè) 翼 聲 吶 陣 (flank array sonar，F(xiàn)AS)、帶有絞盤系統(tǒng)的拖曳聲吶 (towed array sonar，TAS)、避 雷 聲 吶 (mine avoidance sonar，MAS)和支持潛艇地形導(dǎo)航的海底導(dǎo)航聲吶(bottom navigation sonar，BNS)等。

已經(jīng)過(guò)海上測(cè)試的CSU 90/ISUS 90 系統(tǒng)及其前身正在全球20 多個(gè)國(guó)家海軍不同級(jí)別的潛艇上使用，如土耳其和南非海軍的209 級(jí)潛艇以及希臘和韓國(guó)海軍的214 型潛艇。另外，瑞典“哥特蘭”級(jí)(A19 型) “哥特蘭”號(hào)、 “哈蘭德”號(hào)和“烏普蘭”號(hào)潛艇均裝備了阿特拉斯電子公司生產(chǎn)的CSU 90-2 綜合聲吶傳感器設(shè)備［3，23-24］。

最近CSU 90 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的DBQS-40 系統(tǒng)包括有:被動(dòng)中頻探測(cè)圓柱基陣;TAS-3 低頻拖曳陣聲吶;FAS-3 舷側(cè)噪聲測(cè)距低頻/中頻探測(cè)聲吶;被動(dòng)測(cè)距聲吶和敵方聲吶偵察系統(tǒng)。其主動(dòng)高頻探雷聲吶是阿特拉斯電子公司的MOA 3070 型［3，25］。

德國(guó)和意大利海軍的212A 級(jí)潛艇和印度海軍升級(jí)的209 級(jí)潛艇，以及德國(guó)的新型214 型潛艇均裝備了DBQS 綜合聲吶系統(tǒng)。除此以外，德國(guó)阿特拉斯電子公司為德國(guó)海軍提供了DBQS-40 聲吶系統(tǒng)，安裝在德國(guó)4 艘212A 型AIP 潛艇上。德國(guó)及其向以色列、印度出售的具有“二次打擊”能力的U212 型潛艇也采用了最新型的DBQS-40 綜合聲吶系統(tǒng)［26-28］。

德國(guó)的CSU 90 綜合聲吶系統(tǒng)的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合，考慮到未來(lái)的增長(zhǎng)潛力，并且在經(jīng)濟(jì)條件下合并新技術(shù)和系統(tǒng)更新方面產(chǎn)生高度的靈活性。對(duì)第三方應(yīng)用程序的結(jié)合提供支持。此外，CSU 90 的模塊化設(shè)計(jì)能夠定制任何所需的設(shè)備配置以便適合客戶的特定需求［3］。

阿特拉斯電子公司的綜合傳感器水下系統(tǒng)能確保對(duì)操作人員和指揮團(tuán)隊(duì)提供最佳支持，其中包括傳感器管理、火力和武器控制、導(dǎo)航和支持功能。公司還為水面艦艇研發(fā)了低頻主動(dòng)拖曳陣列聲吶。它是充分綜合的反潛戰(zhàn)聲吶，可以滿足遠(yuǎn)程搜索探測(cè)任務(wù)，并對(duì)最安靜的潛艇威脅進(jìn)行探測(cè)和分類［19］。

通過(guò)對(duì)美、俄、英、法、德等國(guó)現(xiàn)役最先進(jìn)的聲吶系統(tǒng)對(duì)比，可以看出，各國(guó)的綜合聲吶系統(tǒng)各有特點(diǎn)，但是究竟哪一個(gè)國(guó)家的聲吶性能更勝一籌，這需要在以后的實(shí)踐中去進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 潛艇聲吶技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)

現(xiàn)代潛艇的艇首聲吶系統(tǒng)一般以圓柱狀聲吶基陣和球形聲吶基陣為主，但艇首空間畢竟有限，首基陣尺寸難以有大幅擴(kuò)大。美、俄等國(guó)的潛艇已使基陣的孔徑幾乎接近艇殼直徑，基陣增益達(dá)到最大。目前，全艇共形陣就成為潛艇艇首聲吶提升性能、降低成本的突破口，是潛艇聲吶陣未來(lái)的發(fā)展方向。

但是，全艇共形陣技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。美國(guó)海軍在發(fā)展“弗吉尼亞”級(jí)潛艇聲吶時(shí)更多采用“螺旋式”的發(fā)展，由于潛艇舷側(cè)較艇首形狀更規(guī)則，聲吶陣的部署相對(duì)容易。因此，首先實(shí)現(xiàn)了舷側(cè)共形陣，目前舷側(cè)共形陣技術(shù)發(fā)展得越來(lái)越完善和成熟，普遍裝備于各種潛艇，是目前最成熟的潛艇共形陣［29］。

此外，鑒于潛艇平臺(tái)的空間有限，制約了聲吶性能的提高，同時(shí)，潛艇平臺(tái)的自噪聲也是聲吶工作的重要干擾源。而拖曳聲吶能夠部分地突破上述局限，擴(kuò)大聲吶陣列的孔徑，提高聲吶的探測(cè)距離。因此，拖曳聲吶也是聲吶系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向［30］。

隨著安靜型潛艇的出現(xiàn)，對(duì)聲吶探測(cè)性能的要求越來(lái)越高，要求能夠保證遠(yuǎn)距離探測(cè)和識(shí)別水下目標(biāo)，聲吶技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面:

1)向低頻、大功率、大基陣方向發(fā)展;

2)向系統(tǒng)性、綜合性發(fā)展;

3)向系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性和可維修性發(fā)展;

4)向信息化、智能化方向發(fā)展［31］;

5)新型材料的應(yīng)用與加工工藝的應(yīng)用［30］;

6)共形水聽(tīng)器減隔振降噪技術(shù)的應(yīng)用［29］。

3 國(guó)外潛艇聲吶技術(shù)發(fā)展對(duì)我國(guó)的啟示

1)重視試驗(yàn)在聲吶發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮的巨大作用。

海上試驗(yàn)是聲吶基本原理研究和裝備性能測(cè)試驗(yàn)證最直接和最真實(shí)的試驗(yàn)方式，水聲新理論和新方法的提出，都離不開(kāi)海上試驗(yàn)中現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的積累及驗(yàn)證，包括大型球形陣聲吶在內(nèi)的所有聲吶系統(tǒng)的發(fā)展，都是一個(gè)不斷試驗(yàn)完善的過(guò)程。從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，隨著新型聲吶技術(shù)和裝備的發(fā)展，聲吶裝備的研制和使用、聲吶技術(shù)的進(jìn)步將更加離不開(kāi)海洋環(huán)境和海洋聲信道的知識(shí)，海上試驗(yàn)將發(fā)揮更大的作用。

2)從總體上考慮聲吶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

大型球形陣聲吶陣自誕生起，就對(duì)艇首設(shè)計(jì)產(chǎn)生了重要影響。美國(guó)在潛艇設(shè)計(jì)的開(kāi)始，肯定了聲吶的地位，從總體上就考慮了大型球形陣聲吶帶來(lái)的影響。從球形陣誕生對(duì)艇首魚雷發(fā)射管的影響到第三批“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇艇首聲吶的變化，都導(dǎo)致了整個(gè)艇首設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大變化。作為水下活動(dòng)的主要探測(cè)工具，聲吶在艇內(nèi)享有占用最佳位置的優(yōu)先權(quán)，而且對(duì)工作環(huán)境噪聲，甚至艇體形狀都有要求，但同時(shí)也要考慮水動(dòng)力等其他方面的影響。所以，聲吶系統(tǒng)必須上升到總體高度進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

3)注重先進(jìn)數(shù)字技術(shù)和信息融合技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)聲吶系統(tǒng)向一體化發(fā)展。

目前，聲吶系統(tǒng)較最初的聲吶已發(fā)生了很大變化，但其基本物理性能改變很小，聲吶性能的提高主要依靠更可靠的電子設(shè)備與更強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，并進(jìn)一步向綜合化、自動(dòng)化和一體化方向發(fā)展，新型的大孔徑聲吶及最新信號(hào)處理算法更是對(duì)信息處理能力和信息融合提出了更高的要求［6］。

聲吶的主要作用是搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤以及對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。目前在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析研究時(shí)，多通過(guò)聲吶測(cè)得的目標(biāo)方位從而對(duì)純方位進(jìn)行求解，最小二乘估計(jì)以及卡爾曼濾波等是最常采用的方法。但是通過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，單純的利用純方位算法對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素加以求解，收斂時(shí)間往往較長(zhǎng)，并且不能被實(shí)際運(yùn)用。實(shí)際上，通過(guò)艦艇被動(dòng)聲吶所獲取得到的大量目標(biāo)噪聲信息中，包含有如距離以及速度等目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的特征信息。如果對(duì)噪聲的頻譜分析以及特征提取等方法加以利用，便可以將目標(biāo)的概略距離以及速度提取出來(lái)，然后將其進(jìn)行信息融合，這樣便可以減少解算時(shí)間，提高計(jì)算精度［32］。

4)加強(qiáng)全艇共形陣聲吶和拖曳陣聲吶的研發(fā)。

從艇首球形陣的發(fā)展來(lái)看，球形陣的性能已經(jīng)難以滿足未來(lái)海軍的作戰(zhàn)要求，艇首共形陣乃至全艇共形陣才是未來(lái)潛艇聲吶的發(fā)展方向。需要注意的是，在開(kāi)發(fā)全艇共形陣聲吶構(gòu)型時(shí)要考慮計(jì)算系統(tǒng)和新型陣元材料的發(fā)展水平［6］。

拖曳陣聲吶具有基陣尺寸大、工作頻率低、利于線譜檢測(cè)，能遠(yuǎn)距離隱蔽地發(fā)現(xiàn)目標(biāo);基陣入水較深，通過(guò)控制拖纜長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)基陣入水深度，以工作于有利水層;基陣遠(yuǎn)離平臺(tái)，受平臺(tái)噪聲干擾小，作用距離遠(yuǎn);基陣可隨時(shí)收回，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。拖曳聲吶能夠在更遠(yuǎn)的距離上盡早發(fā)現(xiàn)敵方潛艇，能夠在一定程度上緩減由于潛艇噪聲越來(lái)越低以及潛射魚雷、導(dǎo)彈航速不斷加快、航程越來(lái)越遠(yuǎn)所帶來(lái)的威脅［30］。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著安靜型潛艇的出現(xiàn)以及核潛艇發(fā)射遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈的能力增強(qiáng)，短距離主動(dòng)聲吶和傳統(tǒng)被動(dòng)聲吶已不能滿足探測(cè)潛艇的要求，各國(guó)海軍轉(zhuǎn)而發(fā)展更先進(jìn)的被動(dòng)聲吶以保證遠(yuǎn)距離探測(cè)與識(shí)別水下目標(biāo)。低頻和大孔徑成為遠(yuǎn)距離探測(cè)聲吶的發(fā)展方向。在未來(lái)海上戰(zhàn)場(chǎng)信息戰(zhàn)中，聲吶及綜合聲吶系統(tǒng)將扮演越來(lái)越重要的角色。

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