國外聲吶技術發展綜述

杜召平，陳 剛，王 達

(1. 中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524001；2. 中國人民解放軍92765部隊，海南 三亞 572000；3. 中國船舶重工集團有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

水聲技術是支持水聲裝備發展的核心技術。二戰期間，聲吶作用距離僅數千米。二戰后，隨著潛艇水下活動能力的不斷增強以及核潛艇的出現，加上電子技術和計算機技術的迅速發展，大幅促進了水聲技術的發展。20世紀60年代初，出現了一批采用低頻、大功率、大尺寸基陣和信號處理技術的聲吶裝備，其著重利用水聲傳播規律，作用距離大幅提高。到20世紀70年代，由于大規模集成電路和數字計算機進入聲吶領域，出現了全數字化聲吶。20世紀80年代，隨著超大規模集成電路的出現，以及對聲吶信號處理中大數據量處理和高速運算的要求，發展了一系列高速并行處理結構及器件，為聲吶信號實現實時處理提供了條件。20世紀90年代以后，聲吶發展未出現重大的突破，更多是適應電子信息技術的發展趨勢，利用民用現成技術提高聲吶的信息技術水平，適應淺海作戰需求，同時降低成本。不過，20世紀90年代以后，在世界主要海軍強國大力推動下，水聲技術得到了長足發展。目前，水聲技術中的水聲通信問題已取得了較大進步，實現了具備中繼能力的實時雙向通信，這將促使潛艇融入整個海上編隊，實現協同作戰。

1 國外發展現狀

1.1 整體發展態勢及現狀

潛艇聲隱身技術的發展對聲吶技術提出嚴峻挑戰的同時也促進了反聲隱身技術的發展，促使水聲技術研究從傳統的信道（均勻、各向同性、無損耗、無邊界）向實際的水聲信道（存在海底、海面、時變、空變）轉變；從經典聲傳感器系統到非傳統系統轉變；從單基地向多基地轉變；從建立在傳統的信道基礎上的最佳檢測系統向基于模型的聲吶系統轉變；從信息處理向數據融合轉變。潛艇與海上編隊協同作戰的需求對聲吶技術提出了更高的要求，集中體現在以下5個方面：

1）不斷向低頻、大功率、大基陣方向發展

由于潛艇降噪在低頻段很難取得優良效果，同時消聲瓦對于低頻目標強度的降低也非常有限，因此低頻、大功率、大基陣是聲吶發展過程中一直不斷追求的目標。目前，主流主動聲吶的工作頻率一般為1.5～3.5 kHz，被動聲吶為0.1～1.5 kHz。

對于主動聲吶，增大發射功率可以提高探測距離，尤其對于附有消聲瓦的目標。同時，在復雜的海洋環境中，需要有足夠的聲能來穿透溫鹽層和海流的干擾以獲得潛艇清晰的聲學圖像。目前，大型主動聲吶的發射功率達150～1 000 kW，激光爆炸聲源級可達220 dB，等離子聲源的聲源級可達240～260 dB。

大基陣聲吶分為發射、接收2個方面，對于發射陣，主動聲吶系統發射的頻率與其聲基陣尺寸成反比，基陣越大，所能夠發射的聲波頻率越低；對于接收陣，增大基陣尺寸可以降低環境噪聲影響以獲取最大的陣增益和信噪比。目前，美國潛艇艇首球形聲吶直徑大約4.5 m，馬蹄形基陣長約15 m，而突破艦艇尺寸限制的拖曳陣，其聲學模塊段長達百米，保證其工作頻率低至數十赫茲。

此外，由于在淺海中海洋環境復雜，既要克服混響的影響，又要達到有效的探測范圍，這要求聲吶具有大功率聲源的同時，頻率可以交替使用，具有較大的帶寬以接收不同的聲吶信號。

2）廣泛采用數字信息技術

現代微電子技術、水聲學技術、信號處理技術、計算機技術的飛速發展，為水聲技術的發展提供了強有力的技術保障，促進了水聲技術的快速發展。目前，聲吶已采用開放式體系結構，大量引入民用現成技術，使聲吶系統性能不斷提升的同時，開發成本不斷降低。

隨著信息技術的發展，聲吶系統的信息處理速度得到了顯著提高，同時數據融合和人工智能技術的引入，使得聲吶系統的自動化、智能化水平也得到了發展，目前，聲吶系統的目標分類識別、跟蹤、定位、自噪聲等能力等都有極大的提高。

3）系統綜合化程度不斷提高

綜合程度是衡量聲吶系統發展水平的依據之一。從綜合化程度來看，目前，聲吶系統已經突破了聲吶裝備間的綜合，已同艦艇上整個電子信息系統集成。例如美國“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇裝備的NSSN C3I電子系統，該系統由15個子系統組成，子系統之間經過異步傳輸/同步光纖網（ATM/SONET）連接。這些子系統包括聲吶、作戰控制和結構子系統等。聲吶系統的聲學傳感器包括：15 ft球形艦首陣、輕型寬孔徑陣、高頻探測陣、高頻導航陣、TB-16拖曳陣、TB-23/TB-29拖曳線列陣和輔助聲吶。聲吶傳感器的數據經過光纖通道標準（FCS）技術分配給處理硬件。處理過的數據和信息經過異步傳輸通信（ATM）實現光纖網絡層共享。同時系統采用了開放式系統結構，為各子系統提供了一種寬松的連接環境。

4）不斷提高聲吶的可靠性和可維修性

在反潛戰實施過程中，聲吶的搜索效率非常重要，其不僅與其作用距離有關，也與其可靠性和可維修性關系密切。目前，國外大型聲吶的平均故障間隔為400～450 h，故障平均修復時間在1 h以內，一些中、小型聲吶的可靠性和可維修性更高。隨著微型組件的廣泛應用，加上數字化、故障自檢技術的進一步發展，聲吶的可靠性和可維修性將不斷提高。同時，換能器技術的提高，也大大提高聲吶的可靠性和可維修性。

5）重視環境適應能力

聲波在海水中的傳播特性是聲吶設計的重要依據之一。因此，了解或掌握聲波在海水中的傳播特性對聲吶系統本身來說極為重要。這種傳播特性根據海區的地點、時間、季節、天候等不同而各有其特定的規律性，為了掌握這種規律性必須對海區進行實際的海洋水聲考察。以美國為例，到20世紀60年代末期基本完成了當時美國海軍計劃海區的水聲考察，并且可對在該海區內的聲吶作用距離進行有效預測。目前，世界主要海軍強國仍在持續開展這項工作。

1.2 國外典型聲吶裝備

1.2.1 AN/BQQ-10綜合聲吶系統

目前，AN/BQQ-10綜合聲吶系統已經裝備“洛杉磯”級、“弗吉尼亞”級、“俄亥俄”級核潛艇。該綜合聲吶系統是以AN/BQQ-5和AN/BQQ-6綜合聲吶系統為基礎，通過“民用聲學現成技術快速植入計劃（A-RCI）”升級而來。

AN/BQQ-10綜合聲吶系統對潛艇水下精確測繪導航（PUMA）系統進行改進，該項改進可為潛艇提供測繪海底地形并記錄其地理特征的能力，包括似水雷物探測和3-D測繪圖顯示，這些數字地圖可以壓縮傳送給海基和陸基平臺進行顯示。這種精確測繪海底地形的能力，使潛艇能夠隱蔽執行對作戰空間海底情況的準備工作，以及安全進行雷區監視與規避行動。

1.2.2 TB-29/TB-29A拖曳線列陣聲吶

圖1 AN/BQQ-10系統顯示的海底地形圖Fig. 1 Seabed topographic map displayed by AN/BQQ-10 system

TB-29是TB-23拖曳線列陣的改進型，是AN/BQQ-5E綜合聲吶系統和AN/BSY-1，AN/BSY-2綜合潛艇作戰系統配置的細線拖曳線列陣。裝備于改型后的“洛杉磯”級攻擊型核潛艇和“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇。目前，美國正在研發新型的TB-33型細線拖曳聲吶，未來TB-33型服役后將逐步替代TB-29A。

圖2 “弗吉尼亞”核潛艇的TB-29A細線拖曳陣聲吶Fig. 2 Virginia nuclear submarine TB-29A thin line towed array sonar

TB-29增強了潛艇的聲學性能，改善了作戰控制能力，更換了隔振設備，并采用先進現成民用技術將成本降低為原有的20%～30%，處理能力卻提升了一個數量級。

TB-29A與TB-29的區別主要在于其遠距離探測能力和聲學傳感器，TB-29A具有更好的探測、分辨和定位性能，長度在488～915 m之間。該拖曳線列陣由一系列水聲模塊組成，每個水聲模塊包含32個通道；陣中的傳感器定位系統可以確定陣列位置、方向并且通過波束補償糾正線列陣在拖曳過程中的任何變形。

TB-29拖曳線列陣的收放系統采用OA-9070，裝備“洛杉磯”級、“海狼”級、“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇。其中“洛杉磯”級采用液壓驅動的A型；“弗古尼亞”級采用的是全電驅動的E型，該系統通過電力驅動取代了以前收放系統中牽引機、存儲卷筒以及相關的制動裝置的液壓系統驅動，在減少空間要求、增加負載能力、降低重量和成本、提高監測和控制性能及作戰系統效率等很多方面具有優勢。

1.2.3 輕型寬孔徑基陣

圖3 OA-9070E系統耐壓殼外裝置Fig. 3 OA-9070E system pressure outer shell device

輕型寬孔徑基陣（LWWAA）是“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇裝備的C3I系統的重要組成部分，其采用光纖和激光技術把聲學能量轉換為信息，在重量和成本上，比“海狼”級攻擊型核潛艇裝備的AN/BQG-5型寬孔徑基陣聲吶降低了54%和37%，顯著提高了作戰系統的性能。

輕型寬孔徑基陣由6個安裝在艦殼的舷側基陣組成，它能靈活地對同一水域潛艇聲特征進行監聽，提供實時的水下態勢信息，其能力遠遠超出艦殼聲吶和拖線陣聲吶的探測范圍。輕型寬孔徑基陣對艦內外的許多子系統進行改進，包括使用空氣橡膠聲障板取代內部去藕器，減小噪聲對基陣的影響；使用輕型光纖電纜代替銅纜，向作戰系統傳送聲吶數據，節省艇內空間；采用商用流行處理機代替軍用計算機，方便升級維護等。

1.2.4 低成本共形陣

低成本共形陣（LCCA）是安裝在潛艇指揮臺圍殼后部的模塊化高頻接觸管理聲吶，屬于被動平面陣，與AN/BQQ-10聲吶系統集成在一起，其可以極大提高潛艇在高密度航運的淺海環境中為改進戰術控制提供態勢感知和碰撞規避的能力。

2008年，美國海軍授予洛克希德·馬丁公司一份價值890萬美元的合同，意在為美國潛艇生產低成本共形陣。首套低成本共形陣裝備“洛杉磯”級改進型核潛艇上。

1.2.5 AN/SQQ-90綜合水下戰系統

AN/SQQ-90綜合水下戰系統是一種自動化的避雷和反潛戰系統，包括艦殼中頻聲吶（AN/SQS-60）、艦殼高頻聲吶（AN/SQS-61）、多功能拖曳陣聲吶以及先進的處理決策系統（AN/SQR-20），可對近海或開放海域的安靜型常規潛艇和水雷進行探測。

2008年底，AN/SQQ-90綜合水下戰系統由雷聲公司開發，并裝備“朱姆沃爾特”級驅逐艦，該系統通過采用自動化以及獨特的信息管理方式，使系統操作人員只相當于目前“宙斯盾”驅逐艦反潛作戰平臺的1/3，并可與MH-60直升機作戰系統集成，提供大范圍作戰半徑。

圖4 AN/SQQ-90綜合水下戰系統Fig. 4 AN/SQQ-90 integrated underwater warfare system

1.2.6 AN/AQS-22低頻吊放聲吶

AN/AQS-22低頻吊放聲吶目前裝備于美國海軍MH-60R反潛直升機，是美國海軍用于替代AN/AQS-13F型吊放聲吶的展翼主/被動低頻聲吶。與原先AN/AQS-13F型吊放聲吶相比，AN/AQS-22低頻吊放聲吶，具有更低的頻率、更大的陣列孔徑和更遠的探測距離，最遠可以探測到30 nmile以外的目標。

圖5 AN/AQS-22低頻吊放聲吶Fig. 5 AN/AQS-22 low-frequency suspension sonar

AN/AQS-22低頻吊放聲吶最大工作深度達到550 m，在對10～200 m深的海底進行探測時，三維圖像分辨率可達3 cm。具有12條折疊臂，展開陣列直徑達2.6 m，可形成24個預成波束，對全向各角度的目標都具有快速感知和定向能力，并可對低速目標甚至靜止目標進行準確識別，這對停機蟄伏的常規潛艇來說具有較大威脅。在1.2～5.6 kHz頻段內具有5個工作頻點，完全工作在中/低頻段，同時具有大功率低頻主動發射和調頻波、等幅波全功率單脈沖發射能力。

此外，AN/AQS-22低頻吊放聲吶配備了UYS-2A聲信號處理器，可以進行全波段、1/8波段、1/4波段微調，具有同時處理8個全向浮標和4個定向浮標的全頻段信號能力，并可通過指令控制8～16個聲吶浮標。

隨著AN/AQS-22低頻吊放聲吶的裝備，美國海軍航空反潛平臺的搜索速度、信息安全性和可操作性得到了增強，水面艦深、淺水反潛作戰能力得到了改善，提高了反潛直升機執行應召反潛任務的成功率，并進一步提高了美國海軍航母編隊附近水域的主動防護能力。

2 國外發展方向及重點

支持聲吶發展的主要是海洋聲學技術和電子信息技術。現代潛艇隱身性能越來越好，“安靜型”潛艇、裝備AIP潛艇以及大量小型潛艇的威脅不斷增大，淺海反潛已經成為海軍的重點任務之一。同時，網絡中心戰成為20世紀末高新技術特別是信息技術的迅速發展引起軍事領域一系列革命性的變化。網絡中心戰是一種新的戰略思想也是一種新的作戰類型，其實質是通過網絡產生戰斗力。當前，由平臺中心戰向網絡中心戰轉變的趨勢十分明顯，這股潮流正在激勵著水下戰的網絡化進程。這要求潛艇能夠融入整個戰場中，實現與其他空間的部隊聯合作戰。在技術方面，近期海洋聲學技術尚未出現革命性的突破，而民用電子信息技術發展日新月異。這些因素促使聲吶發展向著以下5個方面發展

1）注重編隊作戰，具備多基探測的能力，潛艇雙向通信關鍵技術研究成為熱點；

2）提升聲吶淺海作戰性能是聲吶現代化改造中的重點任務；

3）出現全艇共形陣概念，技術攻關重點是艇首共形陣聲吶；

4）水下反恐需求促使要地小目標探測技術快速發展；

5）采用開發式體系結構，大量利用民用現成技術進行現代化升級改造，在降低成本的同時，促使聲吶性能持續提高。

當然，除了以上特點外，近期聲吶發展中還表現出其他一些特點，例如，適應綜合電力系統的發展、考慮對海洋哺乳動物的影響等。

2.1 注重艦艇編隊作戰性能

聲吶系統注重艦艇編隊作戰性能主要表現在多基地探測和編隊通信2個方面。前者表現為水面艦艇編隊中多艘艦艇艦殼聲吶、拖曳陣聲吶和各種反潛浮標的配合反潛；后者主要指水下潛艇的實時雙向通信。

2.1.1 水面艦艇多基地反潛

多基地探測是指在一定范圍內的聲吶設備以收發分置的模式進行探測，其可進一步分為單平臺和多平臺2種模式。前者是利用一個平臺上搭載的多個聲學傳感器進行聯合探測；后者是利用海、陸、空、天各種平臺所搭載的聲學傳感器進行全方位的聯合探測，可形成廣闊、機動的探測網絡。

目前，艦殼（艇載）聲吶可以和載機聲吶、拖曳陣聲吶、舷外投放的以及無人航行器搭載的聲學傳感器等組成多基地探測系統，也可進一步在艦艇平臺間組成編隊多基地聲吶系統，甚至可與固定式海底聲吶網絡組成多基地聲吶。這就擴大了水下戰的監視范圍，并提高了整體探測效率。當前對多基地聲吶系統的研究早已跨越了對探測性能的理論分析和仿真研究階段，而是以作戰需求為背景，圍繞其核心技術及構成系統所需的相關支撐技術，對探測、跟蹤、信息融合、通信、性能評估、戰術使用及配置模式等開展了全方位的深入研究。

圖6 水面艦和飛機空投浮標構成多基地探測系統Fig. 6 Multi-base exploration system consists of surface warships and airdropped buoys

最近十幾年，美國每年投入大量經費對多基地聲吶系統進行持續改進，例如其計劃用多功能拖曳線列陣（MFTA）代替原來的AN/SQR-19B（V）1，該線列陣除原有被動警戒功能外，還可以接收各種中/低頻主動聲吶信號，能和艦殼上的SQS-53C/D聲吶按多基地方式進行低/中頻收發分置探測，并可與SH-60B/F反潛直升機上的輕型低頻主動聲吶以及其他舷外投放的或固定布設的傳感器系統共同進行主動多基地方式探測。

法國也曾對水面艦艇裝備的主/被動拖曳線列陣聲吶（CAPTAS）和FLASH聲吶分別按照單基地和單、多基地聯合探測的覆蓋面積和性能進行了對比性試驗。結果表明，多基地明顯優于單基地，不但探測面積大，而且探測效果、速度、準確性、覆蓋均勻性等都有大幅度提高。

2.1.2 潛艇實時雙向通信

潛艇作戰期間，為提高作戰綜合效能，網絡連通性十分重要，這使得潛艇雙向通信能力需求十分迫切。這里潛艇雙向通信是指潛艇在隱蔽狀態下的雙向通信，同時不受機動狀態的影響。

潛艇實時雙向通信在技術上主要的實現方式包括通信浮標（包括有線和無線）、水下網絡和藍綠激光通信。有線通信浮標和藍綠激光通信都會使潛艇暴露的概率增大。相對而言，通過無線通信浮標、水下網絡進行通信暴露的概率較小，其主要技術難點是水聲通信的問題，這也成為目前各國海軍重點攻關的方向。

目前，潛艇實時雙向通信浮標有2種典型的代表，即美國海軍“巡航狀態下潛艇雙向通信”項目中的通信浮標系統，德國212A潛艇裝備的Callisto潛艇通信系統。

2.2 加強淺海作戰性能

隨著潛艇技術的進步和威脅的不斷提高，現役反潛裝備及作戰訓練水平難以滿足當前及未來反潛作戰的需要，特別是淺海反潛作戰的要求。通過將聲吶技術與海洋環境、傳播信道、安裝平臺充分結合，使得目前多種聲吶系統的淺海作戰性能得到大幅提高，這方面重點體現在拖曳陣和反潛浮標。

2.2.1 拖曳陣聲吶系統

美國安裝到DDG1000上的輕型寬帶變深聲吶（LBVDS），可穿透溫鹽層和海流的干擾，具有獲得潛艇清晰聲學圖像的能力。其采用了3種新技術，寬帶信號產生和處理、高能密度轉換材料和稀疏接收陣。發射頻率范圍是1～6 kHz，不僅可克服深海中水層擾動帶來的干擾，還可以克服淺海中的混響問題，主動探測的性能提高20～30 dB。

美國監視拖曳陣傳感器系統（SURTASS）被動拖線陣通過增強換能器的靈敏度、應用先進信號處理技術，具有靈活高效的譜分析能力和目標方位分辨能力。SURTASS系統中的低頻主動聲吶是針對安靜型威脅目標設計的遠距離主動聲吶系統。該裝備包括主動發射陣、處理系統、功率放大系統和控制系統、主動信號處理與顯示系統、環境分析系統，具有支援沿海反潛作戰的淺海探測能力，該系統也可被動方式探測安靜型核潛艇和柴電潛艇，并實時向戰區司令官和作戰單位報告監視信息。布放方式分為：長尺寸單線被動聲基陣，或短尺寸雙線被動聲基陣。雙線系統是用在淺水區域最有效的拖線列陣系統，能夠在沿海淺水區域提供優良的水下監視能力，拖曳深度50 m，允許拖曳速度快，方向性噪聲抑制作用強，無需轉向即可解決方位模糊問題，轉向后系統穩定迅速。

2.2.2 反潛浮標

美國P-3C遠程反潛巡邏機裝備了SSQ-101被動接收浮標和SSQ-110發射聲源浮標兩型航空聲吶浮標，其發展隸屬擴展回聲搜索（EXTENDED ECHO-RANGING）計劃。該計劃的發展分為3個階段，第1階段重點研制非編碼脈沖或小型爆炸聲源。第2階段重點研制空投主動接收浮標（ADAR），該浮標也可作為被動浮標探測高速潛艇。第3階段重點研制更易檢測的編碼聲源，并與被動浮標組成多基地回聲探測系統，以適應惡劣的水文條件。

2.3 發展共形陣聲吶

提高聲吶系統性能（基陣增益、分辨率等）最有效的方法是增大基陣孔徑，但由于潛艇自身空間的限制，因此目前看來，增大基陣孔徑只能是采用共形陣。美國海軍提出的全艇共形陣聲吶，沿艇首表面部署平板陣，與艇兩側的舷側陣連成一體，形成包裹整艇的大尺寸陣列，實現基陣有效孔徑的最大化，大大減少探測盲區，但全艇共形陣技術尚不成熟。

目前，比較成熟的共形陣有艇首共形陣、舷側共形陣、指揮臺圍殼共形陣等局部共形陣，通過局部共形陣的發展，可促進陣元加工及安裝工藝、復雜陣型的波束形成等技術的發展，為今后全艇共形陣發展進行技術儲備。

2.3.1 美國艇首大孔徑共形陣

美國海軍與國防預先研究計劃局（DARPA）共同發展Tango-Bravo計劃，研究適應艇殼的聲吶陣，使其能全艇布置，改善偵聽性能，進行全方位監控，克服目前偵聽角度的限制。現已實施先進共形潛艇水聲傳感器（ACSAS）計劃和共形聲速傳感器（CAVES）計劃。由于各種原因的掣肘，美國直到第3批“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇中仍采用水背襯的U型大孔徑陣（LAB），該型換能器省去上千個SUBSAFE標準的透焊開口，設計壽命與潛艇一樣，長達33年，發射換能器壽命大約17年。

圖7 “弗吉尼亞”級核潛艇艇首聲吶的變化Fig. 7 Changes in sonar sonar of Virginia class submarine

2.3.2 其他國家艇首共形陣

俄羅斯“拉達”級潛艇在艇首采用的是密排布陣的共形陣，陣元總數達8 000個。英國“機敏”級核潛艇也在艇首采用能提供更大有效孔徑的共形陣，且同俄羅斯“拉達”級一樣，盡量向舷兩側后方延伸，擴大聲基陣面積保證聲吶性能。日本發展共形陣的概念與美國類似。

2.4 利用民用現成技術

面對研發成本不斷上升，聲學優勢不斷弱化的雙重壓力，美國海軍決定在潛艇聲吶系統中廣泛引進民用現成技術。基于民用現成技術（COTS）的開放式系統結構，可顯著提升潛艇聲吶性能、降低全壽期成本、簡化設備更新過程。需要指出的是，實現真正的基于民用現成技術的開放式體系結構不僅僅是一個技術問題，其要求對相應的過程和管理制度作出改變，同時軍方，供應商必須認可并響應這些變化，理解這種新的組織模式，并認同這種完全不同的產品支持和結構管理方法是實現轉變的關鍵。

圖8 英國“特拉法爾加”級潛艇裝備的2076聲吶Fig. 8 The 2076 sonar of a British Trafalgar-class submarine

圖9 軍事專用設備與COTS設備的對比Fig. 9 Comparison of military special equipment and COTS equipment

在美國民用聲學現成技術快速植入（A-RCI）項目的影響下，英國、挪威、西班牙等國也開始了本國的潛艇聲吶開放式結構升級改造計劃。目前，聲吶技術向基于民用現成技術的開放式系統結構發展，已經成為聲吶信息處理系統的主流發展方向。