国外低频主动拖曳声呐发展现状和趋势

王鲁军



国外低频主动拖曳声呐发展现状和趋势

王鲁军

(中国船舶重工集团公司电子信息部, 北京, 100097)

低频主动拖曳声呐可以在恶劣的声传播条件下对潜艇进行远程探测, 逐渐成为各国反潜探测的主要装备。文章首先回顾了低频主动拖曳声呐的研制背景, 概述了其特点, 重点介绍了美国水面舰艇拖曳声呐的发展历程; 然后分别从法国、德国、俄国、美国研制的几款主要低频主动拖曳声呐入手, 分析了其主要性能; 提出了低频主动声呐发展中所面临的虚警率、暴露性及生态影响等挑战, 指出: 低频主动拖曳声呐将向装备发展系列化、作战使用多基地化和系统功能一体化等方向发展。

低频主动拖曳声呐; 水面舰艇; 反潜探测

0 引言

拖曳声呐是上世纪80年代水声装备领域中最重要的成就之一[1], 这种声呐突破了船体对声呐基阵尺寸的限制, 可大幅度降低工作频率, 并能利用目标舰艇的低频线谱获得更远的探测距离。此外, 拖曳阵远离拖曳平台, 背景干扰小, 且可选择在最有利的深度上工作, 能更好地利用海洋传播条件, 充分发挥声呐的性能。经过不断的发展, 拖曳阵声呐已从早期的变深声呐(variable depth sonar, VDS)逐步发展成为被动拖线阵声呐和主动拖曳声呐, 工作频段也越来越低。

由于兼备了VDS和拖曳声呐的优点, 在过去的十几年里, 低频主动拖曳声呐逐渐成为反潜探测的重要手段。越来越多国家的海军将其作为水面舰艇反潜探测的主战装备, 目前已有俄罗斯、英国、德国、加拿大、印度、法国等超过20个国家的水面舰艇上装备了不同类型的低频主动拖曳声呐。美国也计划在其濒海战斗舰和“伯克”级DDG 51 Flight III型驱逐舰上装备CAPTAS-4声呐, 与TB-37拖曳阵一起组成功能强大的低频主动拖曳声呐系统。

1 低频主动拖曳声呐发展背景

冷战的结束对全球反潜作战产生了重要影响。各国海军为谋求自身利益, 积极发展、装备柴电潜艇。随着潜艇推进技术和隐身降噪技术的不断发展, 潜艇的辐射噪声不断降低。在过去的50年里, 潜艇的辐射噪声级降低了近45 dB。安静型常规潜艇的出现更是对声呐的探测能力提出了严峻的挑战。

随着反潜由远洋转向近岸, 水下战场环境也由深海大洋转向了近岸浅海区域。浅海具有非常复杂的水声环境, 不利于声波的传播。加之近岸的环境噪声更大, 环境条件对声呐的检测性能影响严重, 许多水声装备的原有性能都难以充分发挥。

潜艇辐射噪声的不断降低不仅使得水面舰艇对潜艇的被动探测能力大幅下降, 中高频主动声呐的探测性能也逐步降低, 原有声呐装备实战能力下降与反潜需求快速增长的矛盾日益突出, 各国海军迫切需要找到一种新的反潜装备, 低频主动拖曳声呐应运而生。

1.1 低频主动拖曳声呐的特点

从装备形态来看, 低频主动拖曳声呐一般使用1个可变深的主动声源发射低频大功率声信号, 再利用大孔径接收基阵(一般为拖曳阵)来接收目标回波信号, 从而实现目标远程探测。从装备组成来看, 除了舱内信号处理设备外, 一般包括发射阵和接收阵, 可以采用1个绞车一体式拖曳, 也可以采用2个绞车分别拖曳使用。此外, 有的主动拖曳声呐仅有被动接收阵, 由本平台或其他平台主动声呐发射主动信号, 构成多基地探测的方式。低频主动拖曳声呐具有以下显著特点。

1) 频率低

低频一般指系统发射频率不高于2 kHz[2]。一方面, 低频声波在水中的传播衰减小, 可以传播更远的距离; 另一方面可以充分利用目前潜艇敷设的消声瓦在该频段吸声效果不好的特点, 通过低频声源发出的大功率信号照射潜艇目标。

2) 功率大

对于主动声呐来说, 低频、大功率是解决远程反潜的有效途径。增加辐射声源级最有效的方法是增加换能器单位面积的辐射功率。但是在水中由于受到空化效应的限制, 不能无限制的增加辐射功率。将声源放到较大深度, 可以有效地防止声波在水中过早产生空化效应。

3) 可变深

拖曳声呐基阵远离拖曳平台, 不仅背景干扰小, 还可选择有利的工作深度。把声呐基阵放置在温跃层以下, 可以显著提高恶劣水文条件下对水下潜艇的探测距离。在深海还可利用声道达成远距离传播。

1.2 美国水面舰艇拖曳声呐的发展

美国是世界上最早研制和使用拖曳声呐的国家, 其装备发展类型和型号较为齐全[1], 如图1所示。二战后, 美国海军的反潜作战遇到2个问题。首先, 小型反潜平台声呐换能器会工作在有很多气泡的水层, 有时甚至暴露在空气中, 严重影响了声呐的性能; 其次, 潜艇为了规避水面舰艇声呐的搜索往往躲避在温跃层以下, 舰壳声呐很难探测到位于这一深度的潜艇。为了解决这2个问题, 美海军考虑将声呐设计成VDS的形式, 根据需要可以使换能器处于不同的工作深度。

1950年, 美国海军在“马洛伊”号驱逐舰的艉部安装了拖体收放装置, 专门用来研究VDS的性能。此后, 先后研制了AN/SQA-10、AN/SQS- 35、AN/SQA-13等多型VDS, 并大量装备大中型水面舰艇, 图2为“萨姆纳”号(Sumner, DD-692)驱逐舰上安装的SQA-10 VDS拖体。上世纪60年代中后期, VDS的研制和发展进入了一个停滞期。美国海军希望找到一种既具备VDS的优点, 使用又较为方便的声呐来代替VDS。受美国西方石油公司使用的一种通过接收地震回波来寻找海底石油的拖曳线列阵的启发, 1968年, 高特公司研制了一部临时拖曳阵列监视系统(towed array surveillance system, TASS), 即AN/SQR-14声呐。试验表明, 该声呐对探测苏联的潜艇很有效。此后, 美国海军研制了AN/SQR-18和AN/SQR-19拖曳阵声呐, 并开始大量装备水面舰艇。

随着潜艇辐射噪声不断降低, SQR-19声呐的对潜探测距离已不足设计之初的1/4, 无法满足美国海军反潜探测的使用需求, 更无法为反潜武器提供远程信息引导。2008年, 洛克希德·马丁公司开始为美国海军研制新的多功能拖曳阵(multi-function towed array, MFTA)声呐AN/SQR- 20, 其拖曳阵代号为TB-37。SQR-20声呐有主动和被动2种工作方式, 可用于水面舰艇对敌方潜艇的搜索、跟踪和识别, 目前已经成为美国SQQ-89A(V)15和SQQ-90反潜作战系统中的主要探测传感器。TB-37被动声呐拖曳阵除了采用被动方式探测潜艇以外, 还可用于其他主动声呐的接收阵。2014年9月, 在“自由号”濒海战斗舰上对CAPTAS-4与TB-37的集成进行了性能检验, 并进行了深海条件下对美国核潜艇的主被动探测性能测试。

此外, 为了弥补固定警戒系统的不足, 从上世纪70年代开始, 美国海军开始发展一种机动的监视拖曳阵传感器系统(surveillance towed array sensor system, SURTASS), 1984年, 该系统开始列入美国舰艇装备, 并命名为AN/UQQ-2。此后, 为了增加接收增益, 又采用了双线接收阵Twin Line的形式。为了应对新的反潜作战形势, 美国海军在SURTASS的基础上, 进一步增加了低频主动发射声源, 研制了SURTASS LFA声呐, 其主动发射频率在150 Hz左右, 主动发射源级可达235 dB, 可实现大范围机动水下预警探测。

2 国外主要低频主动拖曳声呐

2.1 CAPTAS综合主被动拖曳声呐

目前, 在各国研制的低频主动拖曳声呐中, 法国泰勒斯(Thales)公司生产的综合主被动拖曳声呐(combined active and passive towed array sonar, CAPTAS)装备的国家最广, 舰艇数量最多。

为了提升水面舰反潜能力, 对抗性能不断提升的安静型潜艇, 泰勒斯公司从上世纪90年代中期开始陆续开发了CAPTAS系列声呐, 并推向市场。泰勒斯公司的系列产品包括CAPTAS-4、CAPTAS-2和CAPTAS-1[2-3], 如图3所示。CAPTAS-4主动发射基阵具有4个溢流环换能器,体积较大, 主要用于3500 t以上反潜舰艇的水下警戒; CAPTAS-2采用双溢流环换能器阵, 安装在吨位1800 t以下船只上, 其拖体如图4所示; CAPTAS-1采用了小型化设计, 其发射阵与接收阵采用共缆的方式, 便于快速收放和安全拖曳, 适合小型水面舰艇的安装。

CAPTAS的主动声源具有较高的源级, 中心工作频率约1.5 kHz, 通过双耦合共振模式可实现1.5倍频程的宽频带。接收阵采用三元阵进行探测, 具有左右舷分辨能力, 基阵阵元数可达128元, 基阵直径为85 mm, 接收频段为0.9~2.1 kHz。其收放系统和缆长根据深海和浅海使用环境的不同进行了专门设计, 接收拖曳阵可在200 m以内使用。为了保证拖曳时的稳定, 拖体采用了减阻优化设计。

近年来, 泰勒斯公司不断完善CAPTAS系列声呐的信号处理技术, 通过采用子频带处理、连续主动声呐技术等方法, 降低了高杂波环境下的虚警率, 提高了声呐在汇聚区内的探测、分类和定位性能。

目前, CAPTAS-4已装备于法国、意大利、摩洛哥和埃及的护卫舰, 智利也为其3艘23型护卫舰采购了CAPTAS-4, 基于CAPTAS-4的特定型号2087声呐也已装备于英国皇家海军23型护卫舰, 如图5所示。除此之外, CAPTAS-4的单拖体也已提供给美国海军, 用作濒海战斗舰反潜任务包的高级开发组件(advanced development module, ADM)。CAPTAS-2声呐已装备于挪威皇家海军5艘Nansen级护卫舰和沙特阿拉伯皇家海军3艘AL Riyadh级护卫舰。据报道, CAPTAS-1声呐也已出口阿联酋。

2.2 LFTAS主动拖曳阵声呐

德国阿特拉斯(Atlas)公司从20世纪90年代开始研制低频拖曳阵声呐(low frequency towed active sonar, LFTAS)系统, 通过与科学机构合作, 开展了大量的研究和和海上验证试验。2001年, 德国防卫技术兼采购联邦局授予阿特拉斯公司LFTAS样机的建造合同, 样机在多用途船上完成初始试验后, 安装到了“巴伐利亚”(Bayern)级F123护卫舰上。2013年在美国东部沿海开展的试验中, 该系统的探潜能力进一步得到验证, 其探潜距离大于50 km[2, 4]。

主动拖曳阵声呐(active towed array sonar, ACTAS)是LFTAS的出口型产品, 其探测距离取决于传播条件, 最大可超出100 km。拖体采用水动力流线型设计, 发射阵工作频率1.4~2.4 kHz, 能够发射不同脉冲波形的大功率声信号。拖体内的多个发射环可形成覆盖360°方位的垂直束控波束, 能有效降低海面和海底的反射影响, 图6为ACTAS拖体。被动接收阵采用三元阵设计, 接收频段为50 Hz~15 kHz, 布放深度可达280 m。阵内配置有测量水深和温度的非声传感器。通过改进信号处理, ACTAS系统可对鱼雷实施自动探测。德国海军在试验期间, 就利用该系统成功探测、跟踪到了尾流自导鱼雷。

为了适应不同平台的安装使用需求, 阿特拉斯公司将ACTAS设计成移动任务模块。针对小型船只, 设计了轻便型的ACTAS-C, 整个系统(包括收放设备)可放置在2个标准的集装箱内, 如图7所示。此外, 针对小于300 t的船只, 还开发了更加紧凑的ACTAS-SC, 其基阵采用夹持的方式从岸上展开。

2013年12月, 韩国大宇造船与海洋工程公司(DSME)为泰国海军新型护卫舰定购了ACTAS系统。2014年末, 印度国防部为印度海军签订了6台套的ACTAS系统, 总价款4330万美元。这些ACTAS系统将安装在3艘“塔尔瓦”(Talwar)级护卫舰和3艘“德里”(Delhi)级驱逐舰上。

2.3 “维尼耶特卡ЭМ”拖曳阵声呐

“维尼耶特卡ЭМ”系列拖曳阵声呐由俄罗斯海洋物理仪器中央研究所、水声仪器研究所和船舶机械制造中央研究所共同研制。该系列声呐包括多个型号, “维尼耶特卡ЭМ”为带长柔性拖曳线列阵的大型舰用主动拖曳声呐, “维尼耶特卡ЭМ-M”为带短柔性拖曳线列阵的小型舰用主动拖曳声呐, “维尼耶特卡ЭМ-02”为带长柔性拖曳线列阵的被动拖线阵声呐。其中, “维尼耶特卡ЭМ-M”型声呐主动工作中心频率为1 600 Hz, 发射源级207 dB, 被动接收频段为50~2000 Hz, 已装备于俄罗斯20380型护卫舰。

“维尼耶特卡ЭМ”系列声呐的舷外拖曳部分由拖曳线列阵、轻型拖缆和铠装重缆构成, 图8为该声呐的拖体。拖曳线列阵内装有测量基阵指向的多功能传感器, 能提高定向、测距的精度, 此外还安装了海水深度、温度自动记录仪。该系列声呐采用了俄罗斯国产的高效率数字计算机技术, 并具备嵌入式故障诊断系统。“维尼耶特卡ЭМ”系列声呐的对潜探测距离可达15~20 km, 并可对鱼雷实现预警。

2.4 ALOFTS主动低频拖曳声呐

美国哈里斯(Harris)公司利用原EDO公司在VDS系统方面的长期设计和生产经验, 在国际上推出了Model 980主动低频拖曳声呐(active low frequency towed sonar, ALOFTS)系统[2]。

Model 980 ALOFTS系统有2个电子机柜和一台双屏多功能显控台, 采用了开放式结构的COTS硬件和软件。ALOFTS拖体内有18个弯张换能器, 可发射调频(frequency modulation, FM)、连续波(continuous wave, CW)和FM/CW组合波形信号, 发射频率小于2 kHz, 声源级达到219 dB。

新加坡海军于2000年选中ALOFTS系统安装在其6艘“可畏”级(Formidable)多任务护卫舰上, 如图9所示。以色列于2005年为升级3艘“萨尔-5”(Saar 5)巡洋舰也购买了ALOFTS系统。

2.5 LFATS VDS-100低频主动拖曳声呐

德国L-3海洋系统公司研制的轻型低频主动拖曳声呐(low frequency active towed sonar, LFATS) VDS-100系统由直升机远程主动吊放声呐(heli- copter long range active sonar, HELRAS) DS-100技术改进而来。该系统包括集成有独立发射接收阵的拖体、包含小型绞车的收放系统, 以及舱内处理和显示电子设备。VDS-100系统能在15~300 m的水深工作, 拖体内有16个小型发射阵元, 发射频率1.38 kHz, 发射源级219~222 dB[5]。其接收阵采用双线阵的形式, 可有效解决左右舷模糊的问题。信号处理采用了多维目标聚类和平均、浅海高背景噪声环境下目标辨别、本舰噪声消除等方法, 探测距离可达30 n mile。该系统还可与HELRAS DS-100配合使用, 进行多基地探测。图10为L-3海洋系统公司研制的VDS-100系统组成。

LFATS VDS-100系统安装尺寸较小, 非常适合各种舰船使用, 可安装于各种水面舰艇, 甚至小巡逻艇上。2010年, 该系统出售给埃及海军。

3 低频主动拖曳声呐的发展方向

3.1 面临的挑战

近年来, 低频主动拖曳声呐得到了快速发展, 发射机硬件、拖体本身的尺寸和质量不断减小, 水声目标的波束形成技术、左右舷方位分辨技术等取得了显著的提升。但是, 反潜是一项复杂的系统工程, 未来低频主动拖曳声呐的发展还将面临诸多挑战。

1) 虚警率问题

濒海水域的环境噪声和混响级非常高, 对水声探测产生严重的影响, 造成主动声呐探测的虚警率往往很高[6]。特别是低频主动声呐在浅海工作时, 混响对其目标检测的影响较大, 而从复杂的海底混响中分辨出潜艇目标将是一件非常困难的事情。通过开发复杂信号处理技术来降低虚警已成为提升低频主动拖曳声呐系统性能的一项重大关键技术。目前, 主要通过主动波形进行设计、背景归一化处理和目标回波分离等方法来提高复杂海洋环境尤其是高混响条件下的目标检测能力, 降低虚警率。Doisy 等[5,7]分析了CW、线性调频(linear frequency modulation, LFM)、线性调频脉冲串(pulsetrains of linear frequency modulation, PTFM)等信号的抗混响能力; Struzinski W A[8]研究比较了4种噪声归一化方法; Baggenstoss[9]提出了一种采用混响能量处理结合特征识别的方法提取目标信号; 游波等[10]研究了对混响有较好的抑制作用一种基于瞬态信号检测的累积和序贯检测器。但是, 这些方法在实际声呐使用中的应用效果尚不显著。

2) 暴露性问题

低频主动声呐探测距离较远, 一般可达数十公里以上。但是, 由于潜艇接收到的主动信号是单程传输的, 传输距离往往可达上百公里。因此, 潜艇可以在更远的距离上探测到水面舰艇主动声呐信号, 及时采取规避或其他措施。如何实现低频主被动声呐的隐蔽使用也是未来水面舰艇反潜需要解决的一项难题。Wang等[11]首次提出了一种基于鲸鱼仿生信号的主动声呐隐蔽探测技术; 殷敬伟等[12]提出了一种基于海豚whistle信号的仿生主动声呐信号设计方法, 但是这些方法应用于实际的低频主动声呐中尚需解决仿生信号与声呐发射带宽的匹配等问题。

3) 生态影响问题

鲸鱼和海豚依靠发声进行导航、捕食、通信和繁衍, 而低频主动拖曳声呐的典型工作频率与这些海洋生物的发声信号频率非常接近, 且其发射声源级较高, 会对水下生物产生一定影响[13]。西方国家已经开始普遍关注低频主被动声呐的使用对海洋生物环境的影响问题。美国自然资源保护委员会指出, 军用声呐特别是低频大功率声呐对海豚、鲸鱼的生活影响不断加剧。如何在利用低频主动信号探测目标的同时避免或减小对海洋生物的影响, 仍有待进一步深入研究。

3.2 发展趋势

从各国海军装备发展和作战需求来看, 未来低频主动拖曳声呐将向以下几个方向发展。

1) 装备发展系列化

针对大型反潜舰艇、中小型护卫舰和巡逻艇等不同平台的作战需求, 发展适应不同平台安装使用需求的系列化主动拖曳阵声呐。如泰勒斯公司研制的CAPTAS-4、CAPTAS-2和CAPTAS-1 3种型号, ATLAS公司也发展了ACTAS、ACTAS- C、ACTAS-SC 等3型装备, 以此来满足不同平台的需求。

2) 作战使用多基地化

为了提高区域反潜作战效能, 低频主动拖曳声呐将更多地与其他反潜探测装备构成多基地的模式进行探测使用。加拿大Ultra电子海洋系统公司专门提出了模块化多基地变深声呐系统(modular multistatic variable depth sonar system, MMVDSS)方案, 通过低频主动拖曳声呐与舰壳声呐、浮标等多种探测装备的综合使用, 形成多基地的模式来提高反潜效能。

3) 系统功能一体化

通过拓展工作频段、在基阵内增加专用传感器等方式, 低频主动拖曳声呐除了传统的目标探测和识别功能以外, 开始增加侦察、鱼雷探测等功能。ACTAS系统即具备对鱼雷自动探测的功能, 并在海上试验中对尾流自导鱼雷成功进行了探测和跟踪。SQR-20声呐也专门配置了1个拖曳声学侦察基阵模块, 用于对鱼雷目标的侦察预警。

4 结束语

低频主动拖曳声呐同时具有VDS和拖曳阵声呐的诸多优点, 受到各国海军的广泛关注。这种声呐基阵打破了船体尺寸对声呐基阵尺寸的限制, 声呐基阵远离拖曳平台, 使得背景干扰小, 并可大幅度降低工作频率, 还能选择在最有利的深度上工作, 获得更远距离的探测能力, 发挥声呐的潜在能力。目前, 国外已经发展了多型低频主动拖曳声呐, 大量装备各国海军水面舰艇, 并逐渐成为水面反潜探测的主要装备。

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(责任编辑: 陈 曦)

Current Status and Developing Trend of Low Frequency Active Towed Sonar Abroad

WANG Lu-jun

(Department of Electronic Information, China Shipbuilding Industry Corporation, Beijing 100097, China)

The low frequency active towed sonar can detect submarine remotely under bad sound propagation conditions, and it has gradually become the main equipment of anti-submarine detection in many countries. This paper first reviews the development background of the low frequency active towed sonar, summarizes its characteristics, and emphatically introduces the development course of towed sonar of American surface ship. Then, the major performances of the main low-frequency active towed sonars developed by France, Germany, Russia and the United States are analyzed, and the challenges of false alarm rate, exposure and ecological impact facing the development of low frequency active sonar are presented. It is pointed out that the low frequency active towed sonar will develop towards equipment serialization, multi-base operation application and system multifunction.

low frequency active towed sonar; surface ship; anti-submarine detection

王鲁军. 国外低频主动拖曳声呐的发展现状和趋势[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(3): 193-199.

TJ67; U666.7

A

2096-3920(2018)03-0193-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.002

2018-03-10;

2018-03-20.

王鲁军(1976-), 男, 博士, 研究员, 研究方向为水声系统总体技术和水声物理.