舰艇声纳技术的发展*

柳志忠 姜朝宇

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室 葫芦岛 125004)

1 引言

声纳技术主要用于水中警戒、水中目标定位与跟踪、水中武器射击指挥、水中通讯、探测水雷、水下导航、水中目标识别、声纳侦察与对抗等方面。目前,国外海军的舰载声纳,主动式的探测距离可达5～10海里,最高者可达30海里,定位精度中其方位精度最高者可达0.25～0.5,其距离精度可达0.5%～1%;被动式的探测距离可达20～100海里,可满足对潜警戒,协同作战,尽早规避等要求。本文就舰艇声纳技术、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 声纳技术

声纳技术是利用在海洋中传播的声波来探测目标并对目标进行定位、识别和跟踪的。声纳技术在工作方式上分主动式和被动式两种,水面舰艇以主动式工作为主,潜艇以被动式工作为主[2]。

2.1 潜艇用声纳

美国海军战略导弹核潜艇装备使用的最新型声纳是 AN/BQQ-6型综合声纳系统,它由 AN/BQQ-5型声纳系统改装设计而成的多站声纳系统。此型声纳的主要功用是探测远程的低频噪声潜艇目标,使用5Hz左右频率能检测到100多海里远的潜艇噪声信号,使用被动式工作能在更远的距离上尽早发现敌潜艇尽可能避免与它接触。

AN/BQQ-5型声纳系统是本世纪内攻击核潜艇上性能最先进的声纳,到本世纪末将作些改进,预计到21世纪初将继续使用。AN/BQQ-6型声纳系统和SIASS声纳系统,到21世纪初仍将继续使用而不会换装。潜艇用拖曳式线列阵被动式声纳主要供远洋深海活动的潜艇装备使用,到本世纪末将会普遍装备,发展趋向是研制更高强度、更细拖缆和直径更小的水听器阵,以求使用更长的拖缆和拖曳阵。

拖曳线列阵声纳也称“拖曳阵声纳”。它是将水听器镶嵌在电缆上形成线列阵,由拖曳电缆拖在舰艇尾后水中探测目标的声纳。主要用于听测潜艇辐射噪声,进行远程监视、测向和识别,有的也可用于测距。由线列基阵、拖曳电缆、收放装置和绞盘、电子机柜等组成。拖曳线列阵又由前导段、仪器段、基阵段、后导段和尾段构成,阵长数十米至数百米,工作深度可变。具有基阵尺寸大、工作频率低、利于线谱检测,能远距离隐蔽地发现目标等优点;但对拖带舰艇的旋回和倒车等机动有不利影响。分战术型拖曳线列阵声纳和监视型拖曳线列阵声纳两种。战术型拖曳线列阵声纳装备于大、中型反潜水面舰艇和攻击潜艇,拖曳电缆与线列阵总长达1000m～2000m被动探测距离50海里～100海里,最大拖曳航速可达30节。水面舰艇的战术型拖曳线列阵声纳,与舰壳声纳或拖体声纳配合工作,被动接收主动声纳发射声纳信号在目标上产生的回波,其作用距离远大于舰壳声纳或拖体声纳单独工作时的主动探测距离,从而提高水面舰艇反潜搜索能力。监视型拖曳线列阵声纳,主要装备于海洋监视船。其拖曳航速极低。拖曳电缆与线列阵总长5000m以上在低声频和次声频段工作时,被动探测距离可达300余海里。

2.2 水面舰艇用声纳

目前,各国海军根据自己的战术要求、海区特点、舰艇种类、技术水平和经济实力的不同,水面舰艇反潜声纳有三种方式:

1)侧重于被动式拖曳阵声纳和球鼻首基阵舰壳声纳的发展和使用,这种配系形式在美国和西欧一些国家海军已经采用。例如美国海军的AN/SQR-19战术拖曳阵声纳和AN/SQS-53系列声纳(A、B和C型);英国海军的2031型拖曳阵声纳和2050型(或2016型)舰壳声纳。

2)采用中频、中程舰壳声纳和变深声纳,并且在同一艘军舰上使用舰壳声纳和变深声纳两个基阵共用一套信号处理电子设备,构成舰壳声纳/变深声纳的联合系统。例如:加拿大的SQS-509,法国的 SS-12和 SiodonTSM2630;德国的DSQS-21和美国的DEII60系列声纳等。

3)采用高频舰壳声纳或变深声纳。例如以色列和瑞典海军采用这种形式,有美国提供的780系列声纳,法国的TSM2640SALMON变深声纳。美国当前装备海军舰艇的AN/SQR-19声纳,它是在AN/SQR-15和AN/SQR-18的基础上开发而成的。该阵列声纳长800英尺,拖缆长5600英尺,拖曳深度可达1200英尺。

3 发展动向

1)意大利猎雷舰安装英国声纳系统。防务新闻网站2009年11月24日报道:意大利海军将升级猎雷舰队,以安装英国Thales公司研发的声纳系统。该协议是加埃塔级舰艇中期升级的一部分,将在当地造船厂Intermarine进行[3]。

英国Thales公司称11月18日与Intermarine造船厂签署了一项的合同,向8艘意大利猎雷舰提供其Sonar 2093系统。该合同总价值约1亿英镑(1.657亿美元)。

Sonar 2093系统是一个可变深度探测系统,用于检测和识别水底和系留水雷。该系统在英国皇家海军的桑当级反水雷舰队服役。

Thales公司过去两年为许多客户提供反水雷系统,包括印度、挪威、立陶宛和新加坡。这些交易包括安装指挥控制设备、供应声纳以及其它产品等。

2)美国古德里奇公司将为西班牙海军S-80潜艇声纳系统提供复合材料结构。法国《航宇防务》2009年12月9日报道:美国古德里奇公司获得洛克希德◦马丁公司水下系统部的合同,为西班牙海军新型S-80柴电潜艇声纳系统提供轻质复合材料结构。该产品将在古德里奇公司位于杰克逊维尔(美国佛罗里达州东北部港市)的工程聚合物产品生产线生产和组装,计划于2010年第二季度完成交付[4]。

根据合同,古德里奇公司将提供3套圆形声纳阵支撑结构和4套被动舷侧声纳阵减阻装置。支撑结构和复合材料减阻装置用于安置并保护潜艇声纳,潜艇通过声纳系统探测和鉴别水下威胁。美国古德里奇公司的轻质、无金属减阻装置的水动力学外形能够减少潜艇噪声和航行阻力。

3)泰利斯公司对英国海军护卫舰声纳升级表示欢迎。法国《航宇防务》2009年12月21日报道:英国皇家海军最先进的23型护卫舰在安装了泰利斯公司的2087声纳系统后重返海军,此后将进行一系列的海试[5]。

2087声纳是一种低频主动声纳,包括主被动声纳阵。该系统的拖曳阵可以使23型护卫舰在很远的距离上探测和定位最新型潜艇,而在此距离上潜艇尚不能发动攻击。

英国国防部防御装备和支持能力部门声纳系统组领导马克◦沃顿说:“近期2087声纳对抗真实威胁的平台时表现出很强的反潜战能力,使该护卫舰的反潜能力有了很大提高。该护卫舰重返海军后将连同其他五艘装备了2087声纳的护卫舰接受国防部全方位的测试和评估。”

4)两艘新型潜艇救援潜器装备摄像机和高分辨率声纳。美国海军技术网2010年1月8日报道:詹姆士费希尔防务公司为韩国海军和新加坡海军建造的2艘新型潜艇救援潜器(SRV)于2009年服役,该潜器装备了康斯伯格海事公司的摄像机和声纳工具包。

这两艘SRV设计用于深海搜寻和救援(DSAR)。詹姆士费希尔防务公司在为英国潜艇救援部门的LR5 SRV提供数十年的支持中积累了丰富的经验。与现有SRV相比,这两艘潜器在很多技术方面有所提高,它可以在500m的水深进行工作,在此深度能见度很差,所以高分辨率的成像设备是安全救援操作所必需的。

2008年9月,DSAR-5被官方命名为 ROKS DSRV Ⅱ,装备OE15-103低光线CCD、OE14-367彩色可变焦距摄像机以及OE10-101万向云台操作装置。此外,该装置还装备一套功能强大的康斯伯格Mesotech声纳系统,该系统包括MS1000声纳处理器c/w遥控键、高精度(330kHz)声纳和1007系列高度计。

姆士费希尔防务公司和ST海事公司合资成立的第一反应海事公司将为新加坡海军管理DSAR-6。DSAR-6与DSAR-5装备的声纳系统一样,但装备了OE15-102低光CCD和OE14-366彩色可变焦距摄像机。

5)近海战斗舰拖曳声纳阵和导弹问题依然悬而未决。美国《海军时报》2010年3月6日报道:美国海军“自由”号近海战斗舰3月初在加勒比海执行巡逻任务,打击毒品走私。而此时,美国军方还在就近海战斗舰的作战方式问题争辩。

首先,美国海军已经开始探讨为近海战斗舰装备什么样的拖曳声纳阵,这将是该舰的第一型舰载水下传感器,并将为舰队带来一系列新的反潜战术。

其次,美国国防部新文件质疑陆军的超视距导弹在近海战斗舰上的使用前景,对舰艇的水面战战术是否也需要改变提出疑问。现在的战术要求使用近程反舰导弹。

总之,美国海军要求就近海战斗舰的声纳提出建议,陆军内部对于视距外导弹存在争议,这些都表明即使海军准备今年夏天选定某一种近海战斗舰设计投入全面生产,该舰的基本概念仍然存在变数。

6)美国海军寻求更好的潜艇声纳阵数据链系统。《海军内情》2010年4月 29日报道:美国海军水下战中心寻求潜艇声纳阵柔性数据连接的设计概念,该设计必须能够按照本月早期在联邦商业机会网公告,要求能够处理阵与艇内处理器之间的大量通道。

根据公告,海军正在寻求创新性的遥测设计,该设计需要采用开发式结构,进行稍微的改动后即可兼容多种舰壳声纳阵。该系统必须能够用于远距离探测的中频阵和舷侧阵,以及像避碰声纳这样的高频阵。该系统还要能够处理少量到数万通道的情况。

7)英国皇家海军护卫舰试验泰勒斯公司的声纳系统。美国《海军技术》网2010年7月15日报道:英国皇家海军“萨瑟兰郡”号护卫舰(英国23型护卫舰)刚完成了作战试验,测试了最近改装中安装的泰勒斯公司的2087型声纳系统。

此次试验是英国皇家海军“御夫座”演习的一部分。试验期间,2087型声纳系统与装备泰勒斯“闪光”(FLASH)吊放声纳的“灰背隼”直升机一起完成了标准设定。“萨瑟兰郡”号护卫舰装备了2087型声纳系统,该舰能搜索最新型的潜艇并在潜艇攻击范围外将其锁定。

该型声纳由位于英国和法国的泰勒斯公司制造,是低频主动声纳,但包括有主动和被动声纳阵。试验证明,在2087型声纳和“闪光”型吊放声纳的协助下,该护卫舰是非常先进的反潜战平台。

“御夫座”演习在北美的东海岸举行,来自英国、法国、加拿大和美国海军的2000多名官兵及其潜艇、水面舰艇和飞机参与了此次演习。

8)芬兰“劳马”级快速攻击艇将装备康斯堡公司声纳系统。印度前沿网2010年7月21报道:康斯堡海事公司在2010年7月2日获得帕提亚航空公司的声纳系统订单。该声纳将用于芬兰海军“劳马”级快速攻击艇。于上世纪90年代初服役的“劳马”级快速攻击艇将进行升级改造。

作为总承包商,帕提亚公司将负责4艘快艇的升级改造,升级工作将在2010～2013年完成。这些快艇预计将在 2014年形成战斗力,可服役至2020年。

4 发展分析

舰艇声纳技术的发展趋势,主要包括:一是向低频、大功率、大基阵方向发展;二是向系统性、综合性发展;三是向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展;四是向智能化方向发展[6]。

1)继续向低频、大功率、大基阵方向发展。鉴于声波在海水中的传播特性以及低频大功率与基阵的关系,开发大孔径低频声纳技术是解决远程探潜、进行有效反潜的前提。

2)向系统性、综合性发展。舰艇声纳系统将由单项功能的单部声纳逐步发展为由多部声纳组成的收-发分置、多基地、多传感器的综合声纳系统,并进而构成潜艇战和反潜战声知识基作战系统。如美国水面舰艇装备的AN/SQQ-89反潜综合作战系统,它是由舰壳主动声纳、战术拖曳线阵列声纳、舰载直升机搜潜系统和声纳信号处理机、反潜火控系统和声纳状态方式评估系统等组成[7]。

3)向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展。现代声纳设备,无论是换能器基阵、还是信号处理机柜及显控台,都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少的优点。

4)向智能化方向发展。用计算机进行声纳波束形成、信号处理、目标跟踪与识别、系统控制、性能监测、故障检测等。可大大提高声纳的性能。随着第五代计算机(即人工智能计算机)的问世,声纳也正在向智能化方向发展。目前神经网络的研究取得了令人瞩目的进展,它与计算机技术和信号处理技术相结合,使声纳智能化成为可能。

5 结语

随着核潜艇的增多及发射远程弹道导弹的能力增强,使得短距离主动声纳已不能满足探测潜艇的要求,各国海军转而发展被动声纳以保证远距离探测与识别水下目标。低频和大孔径成为这一时期研制远距离探测声纳的发展方向。在未来海战场信息战中,声纳及综合声纳系统将扮演越来越重要的角色[8]。

[1]王炳和,李宏昌.声纳技术的应用及其最新发展[J].物理,2001(8)

[2]崔峰.现代声纳技术[J].国防技术基础,2005(2)

[3]意大利猎雷舰安装英国声纳系统[N].每日防务快讯,2009-11-27

[4]美国古德里奇公司将为西班牙海军S-80潜艇声纳系统提供复合材料结构[N].每日防务快讯,2009-12-18

[5]泰利斯公司对英国海军护卫舰声纳升级表示欢迎[N].每日防务快讯,2009-12-24

[6]綦辉,金鸿章.舰艇主被动声纳方位航迹信息融合研究[J].船舶工程,2006(1)

[7]刘雄,康凤举,张林芳.舰艇编队多声纳数据融合[J].火力与指挥控制,2007(8)

[8]曹之新,周业明,陈建华.舰艇声纳作用距离预报仿真研究[J].军事运筹与系统工程,2007(3)