美国海军固定式声学测量设施发展现状

曹颖

水下测控技术重点实验室，大连 116013

美国海军固定式声学测量设施发展现状

曹颖

水下测控技术重点实验室，大连 116013

本文介绍了美国两个典型固定水声试验场，讨论了主要测量设施的组成、安装及使用情况，得出可供我国水声固定试验场建设的参考性结论。

水声试验场；测量设施

引 言

二次世界大战以来，为了适应反潜战的新发展，满足水声技术和声纳设备的发展需要，各军事大国投入巨资建设水声试验场，并不断更新改造。水声试验场包括机动式测量和固定式测量两种方式，由于固定式试验场可以进行长期的观测，可积累大量的数据，以便进行比较、分析，因此愈来愈受到重视。美国海军建设了很多固定式水声试验场，并且配置了相关的水声设施。笔者分别介绍了美国海军两个典型的水声试验场—大西洋水下测试与评估中心以及东阿拉斯加水声试验场的固定测量设施，包括测量设施的组成、安装过程及使用等，通过分析引申一些思考，从而为我海军固定试验场建设提供借鉴。

1 大西洋水下测试与评估中心固定测量设施

1.1 地理位置及建设背景

美国大西洋水下测试与评估中心（AUTEC，见图1）位于巴哈马群岛的安德罗斯岛东侧，该区域素称“海洋之舌”，海舌地区长110海里、宽20海里，水深约1280～2012m，独特的海舌地形加上该地区全年气候温暖，环境安静，海床平坦、柔软，是理想的潜艇声学测试场。

该中心隶属于海上系统司令部水下战中心纽波特分部，是美国东岸地区最大的综合性试验场。其主要职能是为美国和北约海军提供综合反潜作战训练、测试武器、训练反潜战术和潜艇艇员及指挥官。美国“鲟鱼”级、“洛杉矶”级核潜艇都曾在此进行训练和测试。

巴哈马海舌潜艇声学测量设施是该中心的主要组成部分，能够同时从空中和水下跟踪目标，为中心提供精确的潜艇辐射噪声数据和目标位置。

图1 AUTEC的位置

2005年，由于大西洋水下测试与评估中心的潜艇辐射噪声测量系统接近寿命期限，美国海军启动了为期四年的巴哈马海舌南部声学测量设施（STAFAC）项目。该项目的主要任务是采用安装在海底的固定式声测量系统代替水面舰便携式声测量阵来测量潜艇辐射噪声。

1.2 STAFAC测量系统组成

STAFAC水下测量系统包含多个子系统，主要包括：中继电缆和接地电缆、接线箱、基阵电缆和跟踪/水下通信系统、基阵系泊装置、高增益基阵组合、脐带系统。组成连接见图2。

图 2STAFAC水下系统组成连接图

1.3 STAFAC测量系统安装及使用

1.3.1 中继电缆和接地电缆

中继电缆、接地电缆、接线箱、基阵系泊装置、海底基阵电缆、跟踪/水下通信基阵电缆均采用TYCO SL17电缆，TYCO SL17电缆利用海底电缆敷设船进行安装。

中继电缆是海底光电长途通信电缆，联系着海舌南部接线箱（位于海舌“舌尖”区域的西北部）和大西洋水下测试和评估中心的指挥控制中心。中继电缆包含两段TYCO SL17电缆，第一段是从大西洋水下测试和评估中心的指挥控制中心连接到深水区域点，长约140km；第二段是从接线箱连接到深水区域点，长约20km，整个中继电缆长160km。

为了保证使用寿命，在不同位置采用不同类型的电缆。在浅滩和接线箱区域，水下0～250m时，采用双层防护层型电缆，水下250～500m时，采用单层防护层型电缆。对于中继电缆，位于岸上或者浅水区域、陡峭斜坡时，采用双层防护层型电缆；位于较平缓斜坡时，采用单层防护层型电缆；贯穿AUTEC武器试验场和海舌的电缆，使用SPA型（钢铁包裹核心型）电缆；海舌南部“舌尖”区域，使用轻质型电缆。接地电缆也是采用TYCO SL17电缆，从站点1指挥控制中心连接到浅水区域，长约2000m。

1.3.2 基阵电缆和跟踪/水下通信系统

STAFAC水下系统包含两条基阵电缆，均为光电通信电缆，且都是从接线箱连接到基阵点（一个连接北部基阵，另一个连接南部基阵）。北部基阵电缆长约14km，南部基阵电缆长约16km。基阵电缆位于浅水区域、接线箱附近区域和陡斜面上部区域，采用双层防护层保护；位于陡峭斜面下部区域，采用单层防护层保护；其他区域采用SPA型电缆。

跟踪/水下通信系统包括一些双向声学节点，可提供跟踪位置数据。整个系统连接的基阵阵列长约33km，接线箱和节点之间仍然使用TYCO SL17电缆连接。

1.3.3 基阵系泊装置

STAFAC系统的测量基阵由一个四点系泊装置和两个主系泊浮标固定在海床上，如图3所示。四个锚不仅固定了线列阵在海洋中的位置，并且使它们之间的横向距离保持在256m～274.3m，水听器纵向距离间隔小于3m。四个锚固定着两个主系泊浮标。主系泊浮标用复合泡沫塑料制作，可产生12000磅（5443kg）净浮力。重锤缆上系有制动器，可机械调整基阵深度，这样可以很容易打捞基阵，便于维修。系泊缆和重锤缆为直径15.9mm的NILSPIN钢索，两个主系泊浮标之间的横向缆索直径为19mmNILSPIN钢索。系泊装置采用的是布鲁斯嵌埋锚和丛锚，布鲁斯嵌埋锚直接嵌入海床固定，丛锚则用于给布鲁斯锚施加垂直压力。

图3 系泊装置设计示意图

1.3.4 高增益基阵组合

高增益基阵长约900英尺（274.32m），安装有近800个声学传感器。基阵组合由水下浮标提供浮力。这些圆柱形的水下浮标采用复合泡沫塑料制作，直径83英寸（2.1m）、高88英寸(2.2m）、净浮力1万磅（4536kg），布放在水下41m处。水下浮标上方还系有直径为36英寸（91cm）的球形浮标，并在水下浮标和球形浮标之间布放声学传感器，以保障浅水区域船舶航行安全。

1.3.5 脐带系统

脐带系统包括脐带电缆、脐带锚、脐带浮标、脐带弯曲限制器。其中，脐带电缆用于基阵电缆和基阵组件之间传输信号/动力，位置在水下约380英尺（115.8m）；两个脐带浮标均为复合泡沫塑料筒，直径96英尺（29.3m），高64英尺（19.5m），净浮力8000磅（3629kg）。脐带浮标和脐带锚可保护脐带电缆从水下几十米处安全延伸至海底，通过定制的接口与海底的SL17基阵电缆连接；脐带锚由成捆的铁轨钢和支架组成；脐带弯曲限制器安装在浮标的下方，用于限制脐带电缆在使用过程中的最小弯曲半径。

2 东南阿拉斯加水声试验场固定测量设施

2.1 地理位置及主要测量系统

东南阿拉斯加水声试验场（SEAFAC）位于美国阿拉斯加州凯契根市西北约24km处的伯姆湾。伯姆湾南北长约96km，东西宽约5km，平均水深约100～120m，周围被海岛遮蔽，平均海洋背景噪声在90dB左右，属海洋性气候，冬暖夏凉，海流平缓，潮差较小，且人为干扰小，具有得天独厚的水声测量环境。

东南阿拉斯加水声测试场是美国海军主要的潜艇信号测量试验场。1995年该试验场安装了辐射能量信号采集系统（R ESAS），经过十几年的使用，采集系统已经到达寿命期限，同时，为满足潜艇装备的更新换代，水声测试场从2003年开始进行升级，2008年6月完成航测站的升级，由新的高增益测量系统代替了原有的辐射能量信号采集系统如图4所示。SEAFAC高增益测量系统采用单点系泊，其系统结构与大西洋水下测试与评估中心的基本相同。

图4 SEAFAC高增益测量系统示意图

2.2 SEAFAC高增益测量系统组成

SEAFAC高增益测量系统主要包括水下电缆系统和声学测量系统两部分。其中，水下电缆系统由脐带电缆、接岸电缆锚和接岸电缆组成；声学测量系统总长度341.4m，锚泊在水下约381m处，东、西两个声学测量系统之间相距约256m，从顶端到末端，分别由：浮标、上立管、高频基阵、高增益测量系统基阵、下立管、基阵锚六个部分组成。西侧的声学测量系统还包括两个矢量传感器阵（VSA），一个位于上立管，一个位于下立管。

2.3 SEAFAC高增益测量安装

首先，用遥控潜器把原先的辐射能量信号采集系统基阵回收，移除与其相连接的部分接岸电缆。接岸电缆与新的跟踪节点连接，重新部署，远离航道。清除干净后，系泊船采用三点系泊装置，确保基阵精确安装到指定位置，同时确保脐带的安装与安全。安装过程分为四个阶段：首先安装西侧水下电缆，将其与岸基系统相连；之后安装西侧声学测量系统，将其与水下电缆相连接；然后安装东侧水下电缆和东侧声学测量系统。

2.3.1 水下电缆铺设

电缆从比姆水道（Behm Canal）设计好的地点一直铺设到岸上。这个过程分为两个阶段，首先安装西侧电缆，再安装东侧电缆。利用电缆铺设船和拖船安装。

具体铺设过程如下：首先将脐带电缆一端连接的基阵由电缆铺设船移动到系泊船，并安全放置在一边。然后电缆铺设船开始缓慢向水中放出脐带电缆，在此之前将浮标和压载物手工安装到脐带上，以构造出正弦曲线的结构。脐带电缆安装完成以后，用船上的起重机将接岸电缆锚移动到船外，缓慢将接岸电缆锚放下，使其重力载荷施加到与之相连的SL12-SA电缆上。密切监视SL12-SA电缆承受的张力，用绞盘向水中放出SL12-SA电缆直到接岸电缆锚精确放置在水下381米。

随后利用实时导航系统结合预设的安装路线铺设SL12-SA电缆，导航系统引导两艘拖船微调电缆铺设船的航程，并监视电缆绞盘放出电缆的速度。电缆铺设的速度约为1节。

在电缆安装过程中，潜水人员将引导接岸电缆的导索穿过一条管道（20世纪90年代建造试验场时已经铺设），当导索抵达岸基陆上站点时，开始向水中放出接岸电缆，将其与导索相连。随后，岸上的人员将接岸电缆从管道的另一端拉出，连接到岸基设施，然后检验电缆的连通性。

2.3.2 声学测量系统安装

声学测量系统安装的基本过程是：安放下立管（包括基阵锚和下立管上的无指向性水听器）-将脐带电缆与高增益测量基阵，下立管、高频基阵、矢量传感器阵、上立管各组件连接，现场测试运转情况—布放高增益测量系统基阵—施放上立管—安装浮标。

在下立管安装过程中，需要注意：由于安装立管的过程中还要安装无指向性水听器，因此操作过程缓慢，当岸基设施工作人员确定水听器信号后，才能向下施放立管。此外，西侧声学测量系统还要安装两个矢量传感器阵。矢量传感器阵长约7.6m，与立管端点相距约1.2m。安装矢量传感器阵时，起重机将立管倒悬在空中，然后将其正放入水中。

高增益测量系统基阵的布放是整个系统安装的关键，主要分为三个步骤。第一步：靠近高增益测量系统基阵下方的下立管吊耳和脐带连接到船艏，上立管与起重机连接（连接点位于高频基阵上方），两连接位置点相距约24.4m；第二步：起重机上举高增益测量系统基阵，按照定时程序，将高频基阵和上立管举起，同时液压台上升使高增益测量系统基阵垂直立起来；第三步：当高增益测量系统基阵垂直竖立后，液压台回位。起重机将整个系统基阵举起（包括基阵下部的绳索），起重机承受约9526kg重量的静载荷，然后将整个系统放入水中。

高增益测量系统安装后两个月内，海军水面站中心卡迪洛克分部完成了系统验证，并对海狼级的“吉米·卡特”号潜艇（SSN-23）成功进行了声学测试。升级后的SEAFAC可以快速、便捷地探测到最安静的潜艇。

3 对我国固定试验场测量设施设计安装的启示

3.1 固定式测量系统的优缺点

目前，美国潜艇声学测量设施逐渐采用安装在海底的固定式声学测量系统代替水面船便携式声学测量阵对潜艇噪声进行测量，包括大西洋水下测试与评估中心、东南阿拉斯加试验场，都采用固定式的水下声测量系统。

相对于便携式测量系统，固定式测量系统的精度高，范围广，环境噪声影响小，有利于潜艇声学测试。但是固定式声测量系统安装、维护复杂，需要在特定的试验场进行测试，因此，美国海军也在开发精度更高的便携式声学测量系统。

3.2 固定试验场升级和安装的特点

3.2.1 结合新潜艇声信号测试需要进行升级

虽然原有设施的老化是试验设施升级的重要原因之一，但是为满足新一代潜艇信号测试的需求才是美国固定式声学测试场设施升级的迫切需要和主要原因。例如，升级以前，东南阿拉斯加声学测试场只能够测量“洛杉矶”和“俄亥俄”级潜艇，升级完成之后，可以利用新系统测试“海狼”和“弗吉尼亚”级潜艇。之前，由于天气问题，测试一艘潜艇要持续3～4周时间，风雨所产生的水面噪声会干扰测量，而现在传感器主要针对潜艇，测试只需一天，可以大大缩短潜艇测试周期。

3.2.2 先期策划，为后续升级留有余量

东南阿拉斯加声学测试场在20世纪90年代建造时就考虑了以后升级改造的问题，在沿岸地区额外铺设了各种直径大小的管道，便于接岸电缆与岸基设施的连接，这些管道在升级安装过程中发挥了作用，节省了大量时间和成本。

此外，在安装脐带电缆时考虑了技术更新的需要，使脐带电缆呈正弦曲线形状，保证在技术更新时，可将高增益测量基阵拉出水面而不需要移动其他设施，方便了日后的维修、更新工作。

[1]张竹彦，杜春贵，宋洁.国外声纳[M].714所、海司雷达声纳部，1983，671～713

[2]刘兴章.美国潜艇水声试验场现状及启示[J].舰船科学技术，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

曹颖，工程师，主要从事科研管理工作。