舰船声纳系统一体化探讨＊

陈德喜 王 青 向 前 颜 俐

（1.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）（2.中国人民解放军第四八零八工厂军械修理厂 上海 266042）

（3.海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室 武汉 430064）

1 引言

高科技条件下的信息化战争中，战场态势瞬息万变，以往那种彼此分立、功能单一的电子装备已远不能适应部队作战需求。一体化技术作为谋求电子装备最佳匹配的一种系统工程技术[1]，已成为当前电子装备发展的重点和未来电子装备总的发展方向，为满足当前和未来作战需求提供了技术途径和方法。舰船声纳系统是舰船水声探测水面舰船、潜艇、鱼雷等水中武器的主要手段，将在未来海战场信息战中扮演重要的角色。因此，舰船声纳系统一体化是科技发展和装备发展需求的必然结果，是以计算机软、硬件技术为基础，集中水声、电子、船体结构、材料、总体性能、噪声、电磁兼容等多个专业技术，从功能（警戒、侦察、测距、识别等）、结构（平台、各传感器以及软硬件等）、信息（资源共享、数据融合）三个方面，达成系统的最佳整合，以实现舰船对战场态势的全面感知、提高舰船作战系统的整体效能，对实现武器装备综合一体化具有重要意义。

2 国外舰船声纳一体化发展现状

国外早在上世纪70年代根据舰船作战需求就已经开展了声纳系统一体化设计研究工作，在采用新的体系结构基础上，使舰船声纳系统向全方位、多功能、宽频带、集中显控、孔径共享、数据融合等方向发展，并且一些研究成果已经应用到工程实际中。下面简要介绍几个典型的一体化应用。

1）英国2076综合声纳系统

20世纪80年代后，英国开始在特拉法尔加级和机敏级潜艇上逐步引入高度集成的2076全新综合多阵列声纳系统代替传统的单机声纳。该声纳系统具有高灵敏度、大孔径舷侧阵以及先进的自动探测和传感器数据融合功能；舱内处理功能采用了冗余的、基于COTS技术的、开放式的系统体系结构，可快速引入第三方程序和开发，从而能够削减部队成本、减少报废，实现全寿命成本控制；并且在同一个电子机柜设计中把声纳和作战管理系统的处理融合到一个共享的处理平台中，与潜艇指挥系统高度集成；系统的应用是通过声纳系统综合体系结构来实现的，每个来自任一操控台的操控命令通过声纳数据和传感器的高速数据网络传输（通过诸如跟踪、分类和记录的中央处理功能的支持）均能完成。2076综合声纳系统组成如图1所示。

图1 “特拉法尔加”级潜艇2076综合声纳系统示意图

2）美国BQQ－6型和BQQ－10型声纳系统

美国海狼级潜艇将BQQ－6型声纳系统和作战指挥、武器控制分系统的信息进行了融合，将探测、识别、跟踪、分析、传递、决策、执行等任务融为一体；在其设计和建造过程采用模块化技术，允许每一个专业工程师参与全程设计。海狼级潜艇艇艏部安装的球型被动声基阵、低频被动声基阵以及最下面的半截主动声基阵，实现了多功能、不同频率声基阵在有限总体资源下的一体化设计。

根据美国海军发布的公开信息，美国海军认为“宽孔径艏部声纳基阵”（即艏部共形阵）空间利用率高、使用寿命长、零部件价格低廉[2]，并且可以获得类似甚至超过球形阵的空间增益，因此决定在弗吉尼亚级核潜艇的后续艇上采用共形阵代替BQQ－10型声纳系统球形阵，如图2所示。

图2 弗吉尼亚级核潜艇的后续艇上采用的共形阵

3）德国STN声纳系统

德国214潜艇ISUS90综合作战系统配备的阿特拉斯公司STN声纳系统能全景侦察、分析、和分辨水面舰船、潜艇和鱼雷，其多线路的数据融合技术更有效地利用了各种信息并减少了操作员工作量。ISUS 90作战系统采用通用处理平台上嵌入软件功能模块的方式实现了模块化的开放式体系结构；所有的显控台都可以通用，便于指挥员根据不同的作战需要选择显示不同的信息。

3 舰船声纳系统一体化发展趋势

国外舰船声纳系统经历了从单机单控到集中显控、从信息独立到数据融合、从独立结构到开放式体系、从区域功能单一到平台一体化多功能等多种理念的转变和技术变革，如图3所示。

其发展趋势可概括为以下两个层次：

1）声纳设备一体化

建立模块化和基于COTS技术构建的开放式结构体系，采用通用处理平台，利用先进数据和信号处理技术，实现传感器级数据融合，达到集中显控、信息共享、配置灵活且可扩展等设计目的。

2）舰船声纳系统一体化（动态组合和切换）

面向不同任务需求，充分利用平台有限空间达到区域功能集成，实现舰船平台声基阵的一阵多能、多阵共用，形成全方位、宽频带、多功能的态势感知；采用全艇统一网络构架，提高信息传输效率；应用标准显控台，实现显控设备的共用和备份，节省总体资源。

声纳设备一体化是基础，舰船声纳系统一体化是资源整合和效能体现，两个层次的一体化互为依存、互相促进。

图3 舰船声纳系统一体化发展示意图

4 舰船声纳系统一体化关键技术

舰船声纳系统一体化具有功能配置灵活、系统效能提升、总体资源节省等优势，但通过对国外舰船声纳系统一体化发展分析可知，其中存在以下多个需要突破的关键技术。

1）多功能宽频带分布（或者一阵多能、多阵共用技术）

多功能宽频带分布技术，是指在舰船有限空间资源条件下，采用孔径共享、区域基阵集成布置，达到声基阵孔径最大化、功能多样化，实现全方位、宽频带范围内的目标探测。

孔径共享技术即共用孔径技术，在雷达天线中应用较广，是一种相控阵天线技术，它利用宽带多波束技术将多个天线的功能结合到一个孔径中[3～4]，是把多种功能集成到一个硬件设备上的重要技术基础。共用孔径的方法主要有两种。一种是一阵多用，即一个通用的孔径实现多种功能；另一种是多阵共用，即多个子孔径共同实现一项特定功能。目前单个孔径共享技术难度还很大，如功能间的协调、隔离和控制等问题；多阵共用技术则需结合数据融合等其它技术来实现。

而区域基阵集成，则是较易达成的一项技术，即舰船所需区域不同功能基阵在空间上的合理分布，利用信号处理技术，在节省空间资源的条件下形成区域功能多样。

舰船声基阵多功能宽频带分布是当前各国舰船为适应各种海域包括复杂滨海作战需求的新的发展模式，是对抗不同噪声特性和不同环境声场下敌对目标的一体化设计技术，是真正实现舰船声纳一体化、节省平台空间资源、提升态势感知能力的核心技术。

2）基于COTS技术的开放式结构体系

开放式结构体系是由开放系统接口标准所定义的一个结构框架[5]。在遵循统一标准和规范下，具有可移植性、可变规模性、可交互操作性，在论证、研制、采购、维修及更新时能降低成本。COTS[6]技术具有通用的、开放的标准和良好的技术支持[7]，能加速系统网络构建，并可较好地解决系统的扩展、修改、更新等。结构体系如图4所示。

图4 基于COTS技术的开放式结构体系

传统舰船声纳系统是军用专用技术系统，是根据特定需求构建的，研制周期长、费用高，系统配置不灵活、难以升级和维护。采用COTS技术的开放式舰船声纳结构体系，不仅能降低全寿命费用、缩短研制周期，还能提高系统的可靠性、维修性和扩展性，是显控共用、处理平台通用、网络统一等的基础。

3）共形阵技术

共形阵，又称保角阵[8]，沿着载体外形分布，是数字相控阵的一种，应用数字多波束技术能同时在多个方向进行检测，扩宽了扫描范围，在有限空间内可增加基元数量、降低工作频率、提高作用距离，是艏部声基阵一体化的发展方向和前提条件。

在舰船有限空间条件下，要降低工作频率和扩大观察范围，当前主流的圆柱阵和球形阵已很难达到要求；共形阵是沿舰船艏部线型布放，不但可提高基元布置数量以达到降低工作频率的目的，还可节省出宝贵的内部空间；同时，因共形阵基元贴壳安装，受艇体结构遮挡大大减少，扩大了观察范围。共形阵与舰船总体息息相关，因此共形技术不仅是舰船声纳一体化技术的关键技术，更是舰船集成优化的突破性和创新性技术。

4）数据融合技术

数据融合技术是一种数据处理技术，又称为多传感器数据融合技术或多传感器信息融合技术[9]，它可对多种类、多信息源和多平台传感器所获取的信息进行检测、相关、组合、分析和评估，以便形成准确、完整的战场态势感知信息。舰船声纳系统一体化就是要将艇载各种水声传感器有机地结合起来，对探测到的信息进行相关，完成多阵多目标信息融合，达到信息相容和互补，评估出全方位、全频段的态势感知，为作战提供直观、有效、全面的信息，从而提高对未来安静型潜艇的探测、侦察和作战能力。因此，数据融合技术是实现舰船声纳系统一体化的重要保障，是一体化中的“软实力”。

5）模块化技术

模块化可分三个层次，第一层次是单个系统设备能在综合到武器装备平台以前进行组装和测试，这样能缩短制造时间和降低成本，可称为结构模块化；第二层次是单个系统设备在武器装备平台开放式结构体系中的配置，这样能简化武器装备的维修和技术引进，可称为平台模块化；第三个层次则是根据武器装备不同任务进行系统功能配置，可称为功能模块化。模块化技术应用，提高了建造的效率，增强了技术引进的选择[10]，提高了成本和功能配置的灵活性，也即意味着设备系统的功能多样性、武器装备的用途多样性，用户可根据使命任务进行武器平台功能重组来应付新的威胁和挑战。

基于模块化技术的舰船声纳系统，配置灵活，适装性强，可以消减各种功能的冗余配置，减少设备的数量重量，从而减少声纳设备在舰船有限空间安装的矛盾，同时还便于改装和扩充，方便维修，节省经费，减少占位。模块化是舰船声纳系统一体化的物理基础，包括换能器、基阵、机械系统、电子机柜等硬件模块和测距测向、数据处理以及图形显示等软件模块，它是重构、共享、故障定位及外场可更换的最小单位。

5 几点建议

舰船声纳系统作为舰船组成部分，应融入到总体中去，同时总体应尽可能为声纳设备提供优良的工作环境；因此，除上述关键技术外，在舰船总体论证和设计中还涉及到声基阵平台区噪声控制技术、透声窗技术以及声障板技术等关键技术，这些技术同样是实现舰船声纳系统一体化的核心。

因此，一体化设计应从顶层设计出发，根据任务需求和总体要求，明确声纳系统体系结构；同时，声纳设备根据舰船要求开展相关研制并向总体提出相关建议，从而最终达成装备性能最优。

1）从舰船总体出发，开展舰船声纳系统需求论证和一体化顶层设计

（1）根据舰船任务需求，论证相匹配的舰船声纳系统功能和性能；

（2）根据平台总体特性，开展分布式布阵研究设计，实现区域资源共享，即一阵多用和多阵共用，实现最小资源下的声纳功能、性能最大化；

（3）根据平台总体线型，开展共形声基阵布阵设计和仿真，实现有限空间下的性能提升；

（4）根据舰船声纳系统工作频率范围，开展透声材料研制；

（5）对舰船声纳基阵平台区声学环境进行分析评估，平台、系统、设备共同采取噪声控制措施，提高装舰（艇）声纳系统性能；

（6）开展舰船声纳系统行为级建模仿真，结合干扰源及耦合途径的分析，实现传导干扰的量化分析和设计，采取有针对性的总体控制措施，降低电磁不兼容隐患，以最小的代价使系统达到电磁兼容；

（7）根据舰船信息化要求，搭建统一网络平台，实现决策层信息共享、显控共用、协调工作，统一管理、控制和指挥；

（8）开展舰船声纳系统信号处理模块的集成优化可行性分析论证；

（9）舰船数据融合，提供综合战场态势信息；

（10）在舰船全寿命周期内，开展舰船声纳系统可靠性等六性论证，提出总体要求。

2）从声纳设备出发，开展不同平台的适应性研制

（1）根据舰船电磁环境，从设备原理和电路、结构上开展电磁兼容设计与控制，确保声纳设备及系统电磁兼容性；

（2）根据信息化需求，采用COTS技术，构建开放式体系结构，降低研发周期和成本，提高可靠性；

（3）根据集成优化要求，信号处理设备模块化，实现统一硬件平台，减少总体空间占用率，增强配置灵活性和提升声纳探测能力；

（4）多传感器的数据融合，提升声纳系统综合态势感知能力。

6 结语

在武器装备发展中，根据武器平台作战使命和任务来配备相应的声纳系统是装备配置的最基本原则；舰船声纳系统配置取决于作战区域（蓝水／公海水域与浅／窄水域）、任务剖面以及舰船类型，而一体化技术可以带来合理使用平台空间、高效利用设备资源、实现数据共享、提高态势信息可信度以及增强配置灵活性等多方面好处，一体化是未来科技发展的趋势，也是舰船声纳系统适应未来战争的需要。

[1]梁百川.电子装备一体化技术[J].信息与电子工程，2010，8（4）：397－400.

[2]王鲁军，凌青，袁延艺.美国声纳装备及技术[M].北京：国防工业出版社，2011.

[3]邹顺.机载雷达电子战一体化技术研究[J].航天电子对抗，2009，25（3）：25－28.

[4]宋增志.电子装备综合一体化技术研究[J].无线电工程，2007，37（7）：41－43.

[5]仇建伟，吴亚非，张永红.开放式体系结构作战系统计算环境现状与研究[J].中国电子科学研究院学报，2009，4（2）：165－171.

[6]Mary Shaw，David Garlan.Software Architectur－Perspectives On An Emerging Discipline 1996.

[7]江帆，鞠建波，邓小涛.综合航空电子系统新技术研究[J].现代电子技术，2003，26（20）：32－34.

[8]刘孟庵.水声工程[M].杭州：浙江科学技术出版社，2002.

[9]谷秀明，李博.声纳信息融合技术研究[J].科技资讯，2011（3）：6.

[10]赵廷芳.新型攻击型潜艇C3I系统体系结构分析[J].情报指挥控制系统与仿真技术，2011（1）：10－22.