美國海軍固定式聲學測量設施發展現狀

曹穎

水下測控技術重點實驗室，大連 116013

美國海軍固定式聲學測量設施發展現狀

曹穎

水下測控技術重點實驗室，大連 116013

本文介紹了美國兩個典型固定水聲試驗場，討論了主要測量設施的組成、安裝及使用情況，得出可供我國水聲固定試驗場建設的參考性結論。

水聲試驗場；測量設施

引 言

二次世界大戰以來，為了適應反潛戰的新發展，滿足水聲技術和聲納設備的發展需要，各軍事大國投入巨資建設水聲試驗場，并不斷更新改造。水聲試驗場包括機動式測量和固定式測量兩種方式，由于固定式試驗場可以進行長期的觀測，可積累大量的數據，以便進行比較、分析，因此愈來愈受到重視。美國海軍建設了很多固定式水聲試驗場，并且配置了相關的水聲設施。筆者分別介紹了美國海軍兩個典型的水聲試驗場—大西洋水下測試與評估中心以及東阿拉斯加水聲試驗場的固定測量設施，包括測量設施的組成、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場建設提供借鑒。

1 大西洋水下測試與評估中心固定測量設施

1.1 地理位置及建設背景

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

該中心隸屬于海上系統司令部水下戰中心紐波特分部，是美國東岸地區最大的綜合性試驗場。其主要職能是為美國和北約海軍提供綜合反潛作戰訓練、測試武器、訓練反潛戰術和潛艇艇員及指揮官。美國“鱘魚”級、“洛杉磯”級核潛艇都曾在此進行訓練和測試。

巴哈馬海舌潛艇聲學測量設施是該中心的主要組成部分，能夠同時從空中和水下跟蹤目標，為中心提供精確的潛艇輻射噪聲數據和目標位置。

圖1 AUTEC的位置

2005年，由于大西洋水下測試與評估中心的潛艇輻射噪聲測量系統接近壽命期限，美國海軍啟動了為期四年的巴哈馬海舌南部聲學測量設施（STAFAC）項目。該項目的主要任務是采用安裝在海底的固定式聲測量系統代替水面艦便攜式聲測量陣來測量潛艇輻射噪聲。

1.2 STAFAC測量系統組成

STAFAC水下測量系統包含多個子系統，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、基陣系泊裝置、高增益基陣組合、臍帶系統。組成連接見圖2。

圖 2STAFAC水下系統組成連接圖

1.3 STAFAC測量系統安裝及使用

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船進行安裝。

中繼電纜是海底光電長途通信電纜，聯系著海舌南部接線箱（位于海舌“舌尖”區域的西北部）和大西洋水下測試和評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試和評估中心的指揮控制中心連接到深水區域點，長約140km；第二段是從接線箱連接到深水區域點，長約20km，整個中繼電纜長160km。

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

1.3.2 基陣電纜和跟蹤/水下通信系統

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

跟蹤/水下通信系統包括一些雙向聲學節點，可提供跟蹤位置數據。整個系統連接的基陣陣列長約33km，接線箱和節點之間仍然使用TYCO SL17電纜連接。

1.3.3 基陣系泊裝置

STAFAC系統的測量基陣由一個四點系泊裝置和兩個主系泊浮標固定在海床上，如圖3所示。四個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。四個錨固定著兩個主系泊浮標。主系泊浮標用復合泡沫塑料制作，可產生12000磅（5443kg）凈浮力。重錘纜上系有制動器，可機械調整基陣深度，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，兩個主系泊浮標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 系泊裝置設計示意圖

1.3.4 高增益基陣組合

高增益基陣長約900英尺（274.32m），安裝有近800個聲學傳感器。基陣組合由水下浮標提供浮力。這些圓柱形的水下浮標采用復合泡沫塑料制作，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。水下浮標上方還系有直徑為36英寸（91cm）的球形浮標，并在水下浮標和球形浮標之間布放聲學傳感器，以保障淺水區域船舶航行安全。

1.3.5 臍帶系統

臍帶系統包括臍帶電纜、臍帶錨、臍帶浮標、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/動力，位置在水下約380英尺（115.8m）；兩個臍帶浮標均為復合泡沫塑料筒，直徑96英尺（29.3m），高64英尺（19.5m），凈浮力8000磅（3629kg）。臍帶浮標和臍帶錨可保護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場固定測量設施

2.1 地理位置及主要測量系統

東南阿拉斯加水聲試驗場（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，具有得天獨厚的水聲測量環境。

東南阿拉斯加水聲測試場是美國海軍主要的潛艇信號測量試驗場。1995年該試驗場安裝了輻射能量信號采集系統（R ESAS），經過十幾年的使用，采集系統已經到達壽命期限，同時，為滿足潛艇裝備的更新換代，水聲測試場從2003年開始進行升級，2008年6月完成航測站的升級，由新的高增益測量系統代替了原有的輻射能量信號采集系統如圖4所示。SEAFAC高增益測量系統采用單點系泊，其系統結構與大西洋水下測試與評估中心的基本相同。

圖4 SEAFAC高增益測量系統示意圖

2.2 SEAFAC高增益測量系統組成

SEAFAC高增益測量系統主要包括水下電纜系統和聲學測量系統兩部分。其中，水下電纜系統由臍帶電纜、接岸電纜錨和接岸電纜組成；聲學測量系統總長度341.4m，錨泊在水下約381m處，東、西兩個聲學測量系統之間相距約256m，從頂端到末端，分別由：浮標、上立管、高頻基陣、高增益測量系統基陣、下立管、基陣錨六個部分組成。西側的聲學測量系統還包括兩個矢量傳感器陣（VSA），一個位于上立管，一個位于下立管。

2.3 SEAFAC高增益測量安裝

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

2.3.1 水下電纜鋪設

電纜從比姆水道（Behm Canal）設計好的地點一直鋪設到岸上。這個過程分為兩個階段，首先安裝西側電纜，再安裝東側電纜。利用電纜鋪設船和拖船安裝。

具體鋪設過程如下：首先將臍帶電纜一端連接的基陣由電纜鋪設船移動到系泊船，并安全放置在一邊。然后電纜鋪設船開始緩慢向水中放出臍帶電纜，在此之前將浮標和壓載物手工安裝到臍帶上，以構造出正弦曲線的結構。臍帶電纜安裝完成以后，用船上的起重機將接岸電纜錨移動到船外，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。

隨后利用實時導航系統結合預設的安裝路線鋪設SL12-SA電纜，導航系統引導兩艘拖船微調電纜鋪設船的航程，并監視電纜絞盤放出電纜的速度。電纜鋪設的速度約為1節。

在電纜安裝過程中，潛水人員將引導接岸電纜的導索穿過一條管道（20世紀90年代建造試驗場時已經鋪設），當導索抵達岸基陸上站點時，開始向水中放出接岸電纜，將其與導索相連。隨后，岸上的人員將接岸電纜從管道的另一端拉出，連接到岸基設施，然后檢驗電纜的連通性。

2.3.2 聲學測量系統安裝

聲學測量系統安裝的基本過程是：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，現場測試運轉情況—布放高增益測量系統基陣—施放上立管—安裝浮標。

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，當岸基設施工作人員確定水聽器信號后，才能向下施放立管。此外，西側聲學測量系統還要安裝兩個矢量傳感器陣。矢量傳感器陣長約7.6m，與立管端點相距約1.2m。安裝矢量傳感器陣時，起重機將立管倒懸在空中，然后將其正放入水中。

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

高增益測量系統安裝后兩個月內，海軍水面站中心卡迪洛克分部完成了系統驗證，并對海狼級的“吉米·卡特”號潛艇（SSN-23）成功進行了聲學測試。升級后的SEAFAC可以快速、便捷地探測到最安靜的潛艇。

3 對我國固定試驗場測量設施設計安裝的啟示

3.1 固定式測量系統的優缺點

目前，美國潛艇聲學測量設施逐漸采用安裝在海底的固定式聲學測量系統代替水面船便攜式聲學測量陣對潛艇噪聲進行測量，包括大西洋水下測試與評估中心、東南阿拉斯加試驗場，都采用固定式的水下聲測量系統。

相對于便攜式測量系統，固定式測量系統的精度高，范圍廣，環境噪聲影響小，有利于潛艇聲學測試。但是固定式聲測量系統安裝、維護復雜，需要在特定的試驗場進行測試，因此，美國海軍也在開發精度更高的便攜式聲學測量系統。

3.2 固定試驗場升級和安裝的特點

3.2.1 結合新潛艇聲信號測試需要進行升級

雖然原有設施的老化是試驗設施升級的重要原因之一，但是為滿足新一代潛艇信號測試的需求才是美國固定式聲學測試場設施升級的迫切需要和主要原因。例如，升級以前，東南阿拉斯加聲學測試場只能夠測量“洛杉磯”和“俄亥俄”級潛艇，升級完成之后，可以利用新系統測試“海狼”和“弗吉尼亞”級潛艇。之前，由于天氣問題，測試一艘潛艇要持續3～4周時間，風雨所產生的水面噪聲會干擾測量，而現在傳感器主要針對潛艇，測試只需一天，可以大大縮短潛艇測試周期。

3.2.2 先期策劃，為后續升級留有余量

東南阿拉斯加聲學測試場在20世紀90年代建造時就考慮了以后升級改造的問題，在沿岸地區額外鋪設了各種直徑大小的管道，便于接岸電纜與岸基設施的連接，這些管道在升級安裝過程中發揮了作用，節省了大量時間和成本。

此外，在安裝臍帶電纜時考慮了技術更新的需要，使臍帶電纜呈正弦曲線形狀，保證在技術更新時，可將高增益測量基陣拉出水面而不需要移動其他設施，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、海司雷達聲納部，1983，671～713

[2]劉興章.美國潛艇水聲試驗場現狀及啟示[J].艦船科學技術，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。