董　波，張鄭海

（1. 海軍信息局電子設(shè)備處，北京 100036 2. 渤海船舶重工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125004）

美國(guó)潛艇拖曳陣聲吶技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

董波1，張鄭海2

（1. 海軍信息局電子設(shè)備處，北京 100036 2. 渤海船舶重工有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125004）

根據(jù)現(xiàn)有公開(kāi)技術(shù)資料，對(duì)美國(guó)潛艇拖曳陣聲吶的發(fā)展情況、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行闡述，并預(yù)測(cè)了拖曳陣聲吶的發(fā)展趨勢(shì)。

潛艇；拖曳陣；聲吶

0　引　言

艇載拖曳陣聲吶拖曳在潛艇的尾部，系統(tǒng)分為兩大部分：濕端纜陣和收放分系統(tǒng)，其中濕端纜陣突破了平臺(tái)空間尺寸限制，基陣孔徑可以很大，并且遠(yuǎn)離本艇噪聲源，工作頻率較之艇載其他常規(guī)聲吶更低，可根據(jù)需要選擇有利的工作深度，背景干擾小，探測(cè)能力強(qiáng)。另外，隨著現(xiàn)代潛艇抑制大于 1 kHz 輻射噪聲能力的增強(qiáng)，更突顯了艇載拖曳陣聲吶在探測(cè)領(lǐng)域的重要性。

在艇載聲吶系統(tǒng)中，拖曳陣聲吶雖然起步較晚，但其迅速發(fā)展成為潛艇主要聲吶裝備之一，各海軍強(qiáng)國(guó)艇載拖曳陣聲吶大約經(jīng)歷了 50 多年的發(fā)展，最早為了驗(yàn)證拖曳陣聲吶的性能，拖曳陣聲吶是采取掛帶式的方式搭載于水面艦艇上的，隨著潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展，要求先于敵方探測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的作戰(zhàn)需求日益迫切，潛艇平臺(tái)逐漸開(kāi)始搭載拖曳陣聲吶，由采取掛帶式拖曳陣聲吶，發(fā)展到尾部集中式布置，目前美國(guó)海軍搭載于潛艇平臺(tái)的拖曳陣均是被動(dòng)拖曳陣聲吶，典型拖曳陣聲吶型號(hào)及裝備情況如表1所示。

1　美國(guó)濕端纜陣及分析

1.1美國(guó)現(xiàn)役濕端纜陣

美國(guó)拖曳陣聲吶的發(fā)展在各國(guó)海軍中最全面，其型譜如圖1所示?，F(xiàn)役美國(guó)核潛艇裝備有 BQR-15，TB-16，TB-23，TB-29A，TB-34 五型拖曳陣聲吶。

1）BQR-15 型拖曳陣聲吶

BQR-15 型拖曳陣屬于艇載被動(dòng)拖曳陣聲吶，系統(tǒng)采用 BQR-23 信號(hào)處理器分析接收到的數(shù)據(jù)，纜陣主要技術(shù)參數(shù)：拖纜長(zhǎng) 670 m；拖曳陣直徑 90 mm、長(zhǎng)47 m，含 42 只水聽(tīng)器。該型拖曳陣聲吶僅裝備美國(guó)“俄亥俄”級(jí)核潛艇，但由于美英兩國(guó)特殊軍事聯(lián)盟的存在，在其基礎(chǔ)上英國(guó)發(fā)展出了 2023 型拖曳聲吶。

美國(guó)海軍早在 20 世紀(jì) 70 年代就開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)BQR-15 型拖曳陣聲吶，1974 年 5 月第一批量產(chǎn)型拖曳陣聲吶研制完成，1978 財(cái)年，美國(guó)海軍授予西電公司（Western Electric）一份價(jià)值 1.063 億美元的合同，用于采購(gòu) BQR-15 型拖曳陣聲吶，1983 財(cái)年，西電公司針對(duì) BQR-15 組件和連接器進(jìn)行了升級(jí)改造，至今該型拖曳陣聲吶共生產(chǎn) 51 套，未來(lái)“俄亥俄”級(jí)核潛艇退役以后，美國(guó)海軍計(jì)劃采用 TB-12X 替代 BQR-15 拖曳陣聲吶。

表1　美國(guó)海軍潛艇典型拖曳陣聲吶型號(hào)及裝備情況Tab. 1　US Navy submarine towed array sonar typical case model and equipment

圖1　美國(guó)艇載拖曳陣聲吶年譜Fig. 1　US boat carrying towed array sonar chronicle

2）TB-16 型拖曳陣聲吶

TB-16 型拖曳聲吶屬于甚低頻粗線陣聲吶，與細(xì)線陣相比，雖然其探測(cè)距離較近，但是抗流噪干擾能力更強(qiáng)，收放時(shí)間更短，拖曳航速更高，更加適宜在近海等海況較為復(fù)雜的海域中使用。纜陣主要技術(shù)參數(shù)（D 型）：拖纜直徑 9.5 mm、長(zhǎng) 800 m、重 205 kg；拖曳陣直徑 82.5 mm（也有報(bào)道 89 mm）、長(zhǎng) 75 m、重 640 kg。

TB-16 型拖曳陣聲吶研發(fā)始于 20 世紀(jì) 70 年代，期間發(fā)展了 16B，16D和16F 三個(gè)版本，2006 年美國(guó)海軍對(duì) TB-16 型拖曳陣聲吶進(jìn)行了替代升級(jí)，授予洛克希德·馬丁公司價(jià)值 900 萬(wàn)美元的新型 TB-34 型甚低頻粗線拖曳聲吶的研制合同。目前，新型 TB-34 型粗線陣拖曳聲吶已裝備部分“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇。

3）TB-29A 型拖曳陣聲吶

TB-29A 是 TB-29 型拖曳陣的改進(jìn)型，屬于甚低頻細(xì)線陣聲吶，其優(yōu)化了聲學(xué)性能和傳感器定位系統(tǒng)，提高了甚低頻和較高航速下的探測(cè)性能，綜合探測(cè)能力優(yōu)于粗線陣，具有良好的分辨和定位特性，但由于基陣尺寸較細(xì)，易受海浪影響，不太適宜在海況復(fù)雜的近海環(huán)境中使用。纜陣主要技術(shù)參數(shù)：拖纜采用輕質(zhì)材料，長(zhǎng) 365 m；拖曳陣集成的聲學(xué)模塊為13 × 48.8 m，單模塊具備 32個(gè)聲通道，全部陣段內(nèi)徑 1.9 cm，外徑3.8 cm。

TB-29A 型細(xì)線陣研制始于 1991 年美國(guó)海軍水面艦拖曳監(jiān)視系統(tǒng)（SURTASS）。2001 年，美國(guó)海軍對(duì)裝備在 SURTASS 上的 TB-29A 細(xì)線陣拖曳聲吶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2005 年 11 月宣布 TB-29A 聲吶通過(guò)驗(yàn)收，正式裝備潛艇部隊(duì)。目前，美國(guó)正在研發(fā)新型的 TB-33 型細(xì)線拖曳聲吶，未來(lái) TB-33 型服役后將逐步替代 TB-29A。

圖2　“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇的 TB-29A 細(xì)線拖曳陣聲吶Fig. 2　Virginia class nuclear submarines TB-29A thin line towed array sonar

4）TB-23 型拖曳陣聲吶

現(xiàn)役美國(guó)部分“弗吉尼亞”、“洛杉磯”級(jí)核潛艇仍裝備上一代 TB-23 型細(xì)線拖曳陣聲吶，其纜陣主要技術(shù)參數(shù)：拖纜長(zhǎng)約 915 m；拖曳陣直徑 38 mm、長(zhǎng)約305 m（也有報(bào)道 488 m），拖曳陣由 2個(gè)高頻段、2個(gè)中頻段、4個(gè)低頻段模塊，1個(gè)環(huán)境模塊，2個(gè)隔振模塊組成，總集成 98 只水聽(tīng)器。

1.2濕端纜陣分析

1）拖曳陣聲吶工作分析

簡(jiǎn)單的聲源定向原理可借由人耳定向功能闡述，當(dāng)判斷聲源方向時(shí)，人會(huì)下意識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，使得雙耳連線的垂直平分線剛好指向聲源方向，造成聲音到達(dá)雙耳的時(shí)間相同，拖曳陣聲吶的探測(cè)原理與上述人耳相同，具體來(lái)講，拖曳陣聲吶利用了信號(hào)和噪聲不同的統(tǒng)計(jì)特性，將相同時(shí)刻，多枚水聽(tīng)器接受的不同信號(hào)，進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償處理及能量積累，得出能量最大方向，即目標(biāo)方向。

當(dāng)拖曳陣聲吶由 N 枚水聽(tīng)器構(gòu)成，設(shè) s（t）為入射信號(hào)，s（t + τi（θ0））為第 i個(gè)水聽(tīng)器的接收信號(hào)，其中信號(hào)入射角為θ0，如圖3所示，如使信號(hào)延遲 τi（θ0），那么全部 N 路信號(hào)將為s（t），相加積分得到 N2σs2，如果信號(hào)入射方向改變，那么第 i 枚水聽(tīng)器經(jīng)延時(shí) τi（θ）就為s［t + τi（θ）-τi（θ0）］，能量輸出最大，即

圖3　等間隔排列水聽(tīng)器時(shí)延差計(jì)算（H1，H2…HN為間距固定的 N個(gè)水聽(tīng)器）Fig. 3　Isometric array delay difference between hydrophone computing（H1， H2…HNpitch is fixed N hydrophone）

考慮到噪聲 ni（t）（i=1， 2…， N）的混入，設(shè)噪聲獨(dú)立且均值為0，則能量輸出最大。

當(dāng) θ=θ0時(shí)，可見(jiàn)，噪聲加大 N 倍，信號(hào)卻加大 N2倍，則信噪比增益為

由以上分析可得，N 枚水聽(tīng)器構(gòu)成的拖曳陣聲吶，當(dāng)滿(mǎn)足噪聲獨(dú)立條件時(shí)，增益為10logN，即增益隨 N 增大而增高。

為了滿(mǎn)足噪聲獨(dú)立條件，水聽(tīng)器按照波長(zhǎng)一半的間距布放，這樣，水聽(tīng)器數(shù)目增多就會(huì)導(dǎo)致探測(cè)能力增強(qiáng)，這也是世界各國(guó)海軍裝備的拖曳陣聲吶孔徑日益增大的原因。

2）美國(guó)濕端纜陣的配置模式

拖曳陣聲吶的濕端纜陣距離搭載平臺(tái)遠(yuǎn)，同時(shí)可通過(guò)航速/纜長(zhǎng)之間關(guān)系調(diào)節(jié)工作深度，具有良好的信道與背景噪聲條件。但是現(xiàn)代降噪技術(shù)發(fā)展迅速，為保障對(duì)目標(biāo)有效探測(cè)，必將進(jìn)一步增加孔徑尺寸及頻率下移，同時(shí)向細(xì)線陣拖曳聲吶方向發(fā)展，目前，美國(guó)潛艇拖曳陣聲吶配置呈現(xiàn)雙陣模式：即美國(guó)全部現(xiàn)役的“洛杉磯”、“俄亥俄”、“海狼”、“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇都配置有一粗一細(xì)的拖曳陣聲吶，粗線陣為T(mén)B-16，細(xì)線陣為T(mén)B-23/29A，長(zhǎng)期來(lái)看，美國(guó)會(huì)一直采用該種配置方式。

3）濕端纜陣限制因素

美國(guó)艇載拖曳陣聲吶線狀纜陣均采用臨界角拖曳方式，即拖曳陣通常采用與海水等比重設(shè)計(jì)，而拖纜比重與海水相當(dāng)或略大，可見(jiàn)，纜陣工作深度受到 2個(gè)因素的影響：潛艇航速、深度分別與纜陣長(zhǎng)度的關(guān)系。因此，其設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響到執(zhí)行任務(wù)的海區(qū)與任務(wù)遂行能力。

另一方面，相比于艇載聲吶，盡管拖曳陣聲吶可以大幅提高孔徑尺寸，但仍會(huì)受到安裝、存儲(chǔ)空間的限制，即拖纜長(zhǎng)度 × 截面積（直徑）與拖曳陣長(zhǎng)度（孔徑）× 截面積（直徑）的總和。因此，拖曳陣聲吶設(shè)計(jì)必須考慮拖纜長(zhǎng)度、直徑和拖曳陣直徑。

拖纜：拖纜長(zhǎng)度直接與平臺(tái)噪聲水平及對(duì)其的抑制水平有關(guān)，這主要由于數(shù)據(jù)傳輸方式、聲陣電子器件功率/種類(lèi)、拖曳陣規(guī)模等的限制。美國(guó) TB-23 型到TB-29 型再到 TB-29A 型，其纜長(zhǎng)從 915 m 到 580 m 再到 365 m，由此可以推斷，平臺(tái)噪聲水平一直在降低。

拖曳陣直徑：直徑與平臺(tái)噪聲及對(duì)其抑制水平、航速等因素有關(guān)，這主要由于航速增大導(dǎo)致流噪聲激增，嚴(yán)重影響探測(cè)性能。美國(guó)海軍采取粗（82.5 mm）、細(xì)（38 mm）兼?zhèn)涞呐渲梅绞健?/p>

4）濕端纜陣暴露的問(wèn)題

美國(guó)將潛在戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)設(shè)在它國(guó)近海周邊，致使作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)需求發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨即拖曳陣聲吶暴露的問(wèn)題逐漸突出，體現(xiàn)在：

聲吶參數(shù)優(yōu)化程度低，導(dǎo)致執(zhí)行任務(wù)海區(qū)受限，為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)對(duì)拖曳陣聲吶 TB-16 型進(jìn)行了多次改進(jìn)工作，并逐漸由新一代 TB-34 型取代。

聲吶的可靠性低，使用安全性差，甚至出現(xiàn)設(shè)備完全失效。

柔性基陣與殼體基陣的相干處理、聯(lián)合以及探測(cè)精度等問(wèn)題嚴(yán)重。

2　美國(guó)收放分系統(tǒng)及分析

2.1美國(guó)纜陣收放分系統(tǒng)

拖曳陣聲吶的最初性能驗(yàn)證是在掛帶條件下完成的，但隨著拖曳陣聲吶的廣泛使用，其使用及維護(hù)成本激增，相比之下，具有纜陣收放分系統(tǒng)，不僅成本、風(fēng)險(xiǎn)較低，而且可根據(jù)海域水文條件及特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，發(fā)揮最大作戰(zhàn)效能。

美國(guó)現(xiàn)役的“俄亥俄”、“洛杉磯”、“海狼”、“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇均裝備纜陣收放分系統(tǒng)，其分為2種類(lèi)型：

OK-276 拖曳陣收放分系統(tǒng)，適配 TB-16，TB-34等粗線陣，早期安裝布置在艇背的中部以前。

OA-9070 拖曳陣收放分系統(tǒng)，適配 TB-23，TB-29A 等細(xì)線陣，安裝布置在潛艇尾部主壓載水艙?！奥迳即墶奔?jí)核潛艇裝備的是液壓驅(qū)動(dòng)的 OA-9070A，“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇裝備的是全電驅(qū)動(dòng)的 OA-9070E。全電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可減少空間要求，有效降低重量、人員和成本，增加潛艇負(fù)載能力，提升作戰(zhàn)系統(tǒng)效率，此外，全電驅(qū)動(dòng)取消了液壓和氣壓子組件，使系統(tǒng)更加整潔和安靜，是未來(lái)潛艇拖曳陣收放分系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4　OA-9070E 系統(tǒng)組成示意Fig. 4　OA-9070E System Schematic Composition

2.2纜陣收放分系統(tǒng)分析

纜陣收放分系統(tǒng)必須滿(mǎn)足提供最大容纜量的同時(shí)保證可靠、無(wú)損地收放纜陣。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮纜陣收放分系統(tǒng)在艇上的布局。

美國(guó)采取尾部集中式布置，并與專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的拖曳陣尾部結(jié)構(gòu)適配，纜陣初始釋放時(shí)阻尼低，同時(shí)運(yùn)用注水推出、低張力牽引等技術(shù)，保證拖曳陣聲吶效能的同時(shí)增加了拖曳陣服役壽命。當(dāng)然，其對(duì)潛艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有巨大影響，甚至要求在艇體設(shè)計(jì)時(shí)，同步考慮拖曳陣收放分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

從世界范圍來(lái)看，美國(guó)一直以來(lái)所采取的尾部集中式布置是各國(guó)海軍普遍采取的收放方式，雖然相對(duì)設(shè)計(jì)難度大，但其是拖曳陣聲吶纜陣收放方式的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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Current status and development trend of submarine towed linear array sonar of US navy

DONG Bo1， ZHANG Zheng-hai2
（1. Navy Information Bureau Electronic Equipment Office， Beijing 100036， China；2. Bohai Sea Shipping Heavy Industries CO.， Ltd.， Hulidao 125004， China）

According to the prior art disclosed the information， on the development of the US submarine towed array sonar， technical characteristics described， and forecasts the development trend of towed array sonar.

submarine；towed array；sonar

TN929.3

A

1672-7619（2016）09-0150-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.031

2016-06-14；

2016-07-17

董波（1975-），男，工程師，研究方向?yàn)樗绿綔y(cè)。