国外声呐技术发展综述

杜召平，陈 刚，王 达

(1. 中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524001；2. 中国人民解放军92765部队，海南 三亚 572000；3. 中国船舶重工集团有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

水声技术是支持水声装备发展的核心技术。二战期间，声呐作用距离仅数千米。二战后，随着潜艇水下活动能力的不断增强以及核潜艇的出现，加上电子技术和计算机技术的迅速发展，大幅促进了水声技术的发展。20世纪60年代初，出现了一批采用低频、大功率、大尺寸基阵和信号处理技术的声呐装备，其着重利用水声传播规律，作用距离大幅提高。到20世纪70年代，由于大规模集成电路和数字计算机进入声呐领域，出现了全数字化声呐。20世纪80年代，随着超大规模集成电路的出现，以及对声呐信号处理中大数据量处理和高速运算的要求，发展了一系列高速并行处理结构及器件，为声呐信号实现实时处理提供了条件。20世纪90年代以后，声呐发展未出现重大的突破，更多是适应电子信息技术的发展趋势，利用民用现成技术提高声呐的信息技术水平，适应浅海作战需求，同时降低成本。不过，20世纪90年代以后，在世界主要海军强国大力推动下，水声技术得到了长足发展。目前，水声技术中的水声通信问题已取得了较大进步，实现了具备中继能力的实时双向通信，这将促使潜艇融入整个海上编队，实现协同作战。

1 国外发展现状

1.1 整体发展态势及现状

潜艇声隐身技术的发展对声呐技术提出严峻挑战的同时也促进了反声隐身技术的发展，促使水声技术研究从传统的信道（均匀、各向同性、无损耗、无边界）向实际的水声信道（存在海底、海面、时变、空变）转变；从经典声传感器系统到非传统系统转变；从单基地向多基地转变；从建立在传统的信道基础上的最佳检测系统向基于模型的声呐系统转变；从信息处理向数据融合转变。潜艇与海上编队协同作战的需求对声呐技术提出了更高的要求，集中体现在以下5个方面：

1）不断向低频、大功率、大基阵方向发展

由于潜艇降噪在低频段很难取得优良效果，同时消声瓦对于低频目标强度的降低也非常有限，因此低频、大功率、大基阵是声呐发展过程中一直不断追求的目标。目前，主流主动声呐的工作频率一般为1.5～3.5 kHz，被动声呐为0.1～1.5 kHz。

对于主动声呐，增大发射功率可以提高探测距离，尤其对于附有消声瓦的目标。同时，在复杂的海洋环境中，需要有足够的声能来穿透温盐层和海流的干扰以获得潜艇清晰的声学图像。目前，大型主动声呐的发射功率达150～1 000 kW，激光爆炸声源级可达220 dB，等离子声源的声源级可达240～260 dB。

大基阵声呐分为发射、接收2个方面，对于发射阵，主动声呐系统发射的频率与其声基阵尺寸成反比，基阵越大，所能够发射的声波频率越低；对于接收阵，增大基阵尺寸可以降低环境噪声影响以获取最大的阵增益和信噪比。目前，美国潜艇艇首球形声呐直径大约4.5 m，马蹄形基阵长约15 m，而突破舰艇尺寸限制的拖曳阵，其声学模块段长达百米，保证其工作频率低至数十赫兹。

此外，由于在浅海中海洋环境复杂，既要克服混响的影响，又要达到有效的探测范围，这要求声呐具有大功率声源的同时，频率可以交替使用，具有较大的带宽以接收不同的声呐信号。

2）广泛采用数字信息技术

现代微电子技术、水声学技术、信号处理技术、计算机技术的飞速发展，为水声技术的发展提供了强有力的技术保障，促进了水声技术的快速发展。目前，声呐已采用开放式体系结构，大量引入民用现成技术，使声呐系统性能不断提升的同时，开发成本不断降低。

随着信息技术的发展，声呐系统的信息处理速度得到了显著提高，同时数据融合和人工智能技术的引入，使得声呐系统的自动化、智能化水平也得到了发展，目前，声呐系统的目标分类识别、跟踪、定位、自噪声等能力等都有极大的提高。

3）系统综合化程度不断提高

综合程度是衡量声呐系统发展水平的依据之一。从综合化程度来看，目前，声呐系统已经突破了声呐装备间的综合，已同舰艇上整个电子信息系统集成。例如美国“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇装备的NSSN C3I电子系统，该系统由15个子系统组成，子系统之间经过异步传输/同步光纤网（ATM/SONET）连接。这些子系统包括声呐、作战控制和结构子系统等。声呐系统的声学传感器包括：15 ft球形舰首阵、轻型宽孔径阵、高频探测阵、高频导航阵、TB-16拖曳阵、TB-23/TB-29拖曳线列阵和辅助声呐。声呐传感器的数据经过光纤通道标准（FCS）技术分配给处理硬件。处理过的数据和信息经过异步传输通信（ATM）实现光纤网络层共享。同时系统采用了开放式系统结构，为各子系统提供了一种宽松的连接环境。

4）不断提高声呐的可靠性和可维修性

在反潜战实施过程中，声呐的搜索效率非常重要，其不仅与其作用距离有关，也与其可靠性和可维修性关系密切。目前，国外大型声呐的平均故障间隔为400～450 h，故障平均修复时间在1 h以内，一些中、小型声呐的可靠性和可维修性更高。随着微型组件的广泛应用，加上数字化、故障自检技术的进一步发展，声呐的可靠性和可维修性将不断提高。同时，换能器技术的提高，也大大提高声呐的可靠性和可维修性。

5）重视环境适应能力

声波在海水中的传播特性是声呐设计的重要依据之一。因此，了解或掌握声波在海水中的传播特性对声呐系统本身来说极为重要。这种传播特性根据海区的地点、时间、季节、天候等不同而各有其特定的规律性，为了掌握这种规律性必须对海区进行实际的海洋水声考察。以美国为例，到20世纪60年代末期基本完成了当时美国海军计划海区的水声考察，并且可对在该海区内的声呐作用距离进行有效预测。目前，世界主要海军强国仍在持续开展这项工作。

1.2 国外典型声呐装备

1.2.1 AN/BQQ-10综合声呐系统

目前，AN/BQQ-10综合声呐系统已经装备“洛杉矶”级、“弗吉尼亚”级、“俄亥俄”级核潜艇。该综合声呐系统是以AN/BQQ-5和AN/BQQ-6综合声呐系统为基础，通过“民用声学现成技术快速植入计划（A-RCI）”升级而来。

AN/BQQ-10综合声呐系统对潜艇水下精确测绘导航（PUMA）系统进行改进，该项改进可为潜艇提供测绘海底地形并记录其地理特征的能力，包括似水雷物探测和3-D测绘图显示，这些数字地图可以压缩传送给海基和陆基平台进行显示。这种精确测绘海底地形的能力，使潜艇能够隐蔽执行对作战空间海底情况的准备工作，以及安全进行雷区监视与规避行动。

1.2.2 TB-29/TB-29A拖曳线列阵声呐

图1 AN/BQQ-10系统显示的海底地形图Fig. 1 Seabed topographic map displayed by AN/BQQ-10 system

TB-29是TB-23拖曳线列阵的改进型，是AN/BQQ-5E综合声呐系统和AN/BSY-1，AN/BSY-2综合潜艇作战系统配置的细线拖曳线列阵。装备于改型后的“洛杉矶”级攻击型核潜艇和“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇。目前，美国正在研发新型的TB-33型细线拖曳声呐，未来TB-33型服役后将逐步替代TB-29A。

图2 “弗吉尼亚”核潜艇的TB-29A细线拖曳阵声呐Fig. 2 Virginia nuclear submarine TB-29A thin line towed array sonar

TB-29增强了潜艇的声学性能，改善了作战控制能力，更换了隔振设备，并采用先进现成民用技术将成本降低为原有的20%～30%，处理能力却提升了一个数量级。

TB-29A与TB-29的区别主要在于其远距离探测能力和声学传感器，TB-29A具有更好的探测、分辨和定位性能，长度在488～915 m之间。该拖曳线列阵由一系列水声模块组成，每个水声模块包含32个通道；阵中的传感器定位系统可以确定阵列位置、方向并且通过波束补偿纠正线列阵在拖曳过程中的任何变形。

TB-29拖曳线列阵的收放系统采用OA-9070，装备“洛杉矶”级、“海狼”级、“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇。其中“洛杉矶”级采用液压驱动的A型；“弗古尼亚”级采用的是全电驱动的E型，该系统通过电力驱动取代了以前收放系统中牵引机、存储卷筒以及相关的制动装置的液压系统驱动，在减少空间要求、增加负载能力、降低重量和成本、提高监测和控制性能及作战系统效率等很多方面具有优势。

1.2.3 轻型宽孔径基阵

图3 OA-9070E系统耐压壳外装置Fig. 3 OA-9070E system pressure outer shell device

轻型宽孔径基阵（LWWAA）是“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇装备的C3I系统的重要组成部分，其采用光纤和激光技术把声学能量转换为信息，在重量和成本上，比“海狼”级攻击型核潜艇装备的AN/BQG-5型宽孔径基阵声呐降低了54%和37%，显著提高了作战系统的性能。

轻型宽孔径基阵由6个安装在舰壳的舷侧基阵组成，它能灵活地对同一水域潜艇声特征进行监听，提供实时的水下态势信息，其能力远远超出舰壳声呐和拖线阵声呐的探测范围。轻型宽孔径基阵对舰内外的许多子系统进行改进，包括使用空气橡胶声障板取代内部去藕器，减小噪声对基阵的影响；使用轻型光纤电缆代替铜缆，向作战系统传送声呐数据，节省艇内空间；采用商用流行处理机代替军用计算机，方便升级维护等。

1.2.4 低成本共形阵

低成本共形阵（LCCA）是安装在潜艇指挥台围壳后部的模块化高频接触管理声呐，属于被动平面阵，与AN/BQQ-10声呐系统集成在一起，其可以极大提高潜艇在高密度航运的浅海环境中为改进战术控制提供态势感知和碰撞规避的能力。

2008年，美国海军授予洛克希德·马丁公司一份价值890万美元的合同，意在为美国潜艇生产低成本共形阵。首套低成本共形阵装备“洛杉矶”级改进型核潜艇上。

1.2.5 AN/SQQ-90综合水下战系统

AN/SQQ-90综合水下战系统是一种自动化的避雷和反潜战系统，包括舰壳中频声呐（AN/SQS-60）、舰壳高频声呐（AN/SQS-61）、多功能拖曳阵声呐以及先进的处理决策系统（AN/SQR-20），可对近海或开放海域的安静型常规潜艇和水雷进行探测。

2008年底，AN/SQQ-90综合水下战系统由雷声公司开发，并装备“朱姆沃尔特”级驱逐舰，该系统通过采用自动化以及独特的信息管理方式，使系统操作人员只相当于目前“宙斯盾”驱逐舰反潜作战平台的1/3，并可与MH-60直升机作战系统集成，提供大范围作战半径。

图4 AN/SQQ-90综合水下战系统Fig. 4 AN/SQQ-90 integrated underwater warfare system

1.2.6 AN/AQS-22低频吊放声呐

AN/AQS-22低频吊放声呐目前装备于美国海军MH-60R反潜直升机，是美国海军用于替代AN/AQS-13F型吊放声呐的展翼主/被动低频声呐。与原先AN/AQS-13F型吊放声呐相比，AN/AQS-22低频吊放声呐，具有更低的频率、更大的阵列孔径和更远的探测距离，最远可以探测到30 nmile以外的目标。

图5 AN/AQS-22低频吊放声呐Fig. 5 AN/AQS-22 low-frequency suspension sonar

AN/AQS-22低频吊放声呐最大工作深度达到550 m，在对10～200 m深的海底进行探测时，三维图像分辨率可达3 cm。具有12条折叠臂，展开阵列直径达2.6 m，可形成24个预成波束，对全向各角度的目标都具有快速感知和定向能力，并可对低速目标甚至静止目标进行准确识别，这对停机蛰伏的常规潜艇来说具有较大威胁。在1.2～5.6 kHz频段内具有5个工作频点，完全工作在中/低频段，同时具有大功率低频主动发射和调频波、等幅波全功率单脉冲发射能力。

此外，AN/AQS-22低频吊放声呐配备了UYS-2A声信号处理器，可以进行全波段、1/8波段、1/4波段微调，具有同时处理8个全向浮标和4个定向浮标的全频段信号能力，并可通过指令控制8～16个声呐浮标。

随着AN/AQS-22低频吊放声呐的装备，美国海军航空反潜平台的搜索速度、信息安全性和可操作性得到了增强，水面舰深、浅水反潜作战能力得到了改善，提高了反潜直升机执行应召反潜任务的成功率，并进一步提高了美国海军航母编队附近水域的主动防护能力。

2 国外发展方向及重点

支持声呐发展的主要是海洋声学技术和电子信息技术。现代潜艇隐身性能越来越好，“安静型”潜艇、装备AIP潜艇以及大量小型潜艇的威胁不断增大，浅海反潜已经成为海军的重点任务之一。同时，网络中心战成为20世纪末高新技术特别是信息技术的迅速发展引起军事领域一系列革命性的变化。网络中心战是一种新的战略思想也是一种新的作战类型，其实质是通过网络产生战斗力。当前，由平台中心战向网络中心战转变的趋势十分明显，这股潮流正在激励着水下战的网络化进程。这要求潜艇能够融入整个战场中，实现与其他空间的部队联合作战。在技术方面，近期海洋声学技术尚未出现革命性的突破，而民用电子信息技术发展日新月异。这些因素促使声呐发展向着以下5个方面发展

1）注重编队作战，具备多基探测的能力，潜艇双向通信关键技术研究成为热点；

2）提升声呐浅海作战性能是声呐现代化改造中的重点任务；

3）出现全艇共形阵概念，技术攻关重点是艇首共形阵声呐；

4）水下反恐需求促使要地小目标探测技术快速发展；

5）采用开发式体系结构，大量利用民用现成技术进行现代化升级改造，在降低成本的同时，促使声呐性能持续提高。

当然，除了以上特点外，近期声呐发展中还表现出其他一些特点，例如，适应综合电力系统的发展、考虑对海洋哺乳动物的影响等。

2.1 注重舰艇编队作战性能

声呐系统注重舰艇编队作战性能主要表现在多基地探测和编队通信2个方面。前者表现为水面舰艇编队中多艘舰艇舰壳声呐、拖曳阵声呐和各种反潜浮标的配合反潜；后者主要指水下潜艇的实时双向通信。

2.1.1 水面舰艇多基地反潜

多基地探测是指在一定范围内的声呐设备以收发分置的模式进行探测，其可进一步分为单平台和多平台2种模式。前者是利用一个平台上搭载的多个声学传感器进行联合探测；后者是利用海、陆、空、天各种平台所搭载的声学传感器进行全方位的联合探测，可形成广阔、机动的探测网络。

目前，舰壳（艇载）声呐可以和载机声呐、拖曳阵声呐、舷外投放的以及无人航行器搭载的声学传感器等组成多基地探测系统，也可进一步在舰艇平台间组成编队多基地声呐系统，甚至可与固定式海底声呐网络组成多基地声呐。这就扩大了水下战的监视范围，并提高了整体探测效率。当前对多基地声呐系统的研究早已跨越了对探测性能的理论分析和仿真研究阶段，而是以作战需求为背景，围绕其核心技术及构成系统所需的相关支撑技术，对探测、跟踪、信息融合、通信、性能评估、战术使用及配置模式等开展了全方位的深入研究。

图6 水面舰和飞机空投浮标构成多基地探测系统Fig. 6 Multi-base exploration system consists of surface warships and airdropped buoys

最近十几年，美国每年投入大量经费对多基地声呐系统进行持续改进，例如其计划用多功能拖曳线列阵（MFTA）代替原来的AN/SQR-19B（V）1，该线列阵除原有被动警戒功能外，还可以接收各种中/低频主动声呐信号，能和舰壳上的SQS-53C/D声呐按多基地方式进行低/中频收发分置探测，并可与SH-60B/F反潜直升机上的轻型低频主动声呐以及其他舷外投放的或固定布设的传感器系统共同进行主动多基地方式探测。

法国也曾对水面舰艇装备的主/被动拖曳线列阵声呐（CAPTAS）和FLASH声呐分别按照单基地和单、多基地联合探测的覆盖面积和性能进行了对比性试验。结果表明，多基地明显优于单基地，不但探测面积大，而且探测效果、速度、准确性、覆盖均匀性等都有大幅度提高。

2.1.2 潜艇实时双向通信

潜艇作战期间，为提高作战综合效能，网络连通性十分重要，这使得潜艇双向通信能力需求十分迫切。这里潜艇双向通信是指潜艇在隐蔽状态下的双向通信，同时不受机动状态的影响。

潜艇实时双向通信在技术上主要的实现方式包括通信浮标（包括有线和无线）、水下网络和蓝绿激光通信。有线通信浮标和蓝绿激光通信都会使潜艇暴露的概率增大。相对而言，通过无线通信浮标、水下网络进行通信暴露的概率较小，其主要技术难点是水声通信的问题，这也成为目前各国海军重点攻关的方向。

目前，潜艇实时双向通信浮标有2种典型的代表，即美国海军“巡航状态下潜艇双向通信”项目中的通信浮标系统，德国212A潜艇装备的Callisto潜艇通信系统。

2.2 加强浅海作战性能

随着潜艇技术的进步和威胁的不断提高，现役反潜装备及作战训练水平难以满足当前及未来反潜作战的需要，特别是浅海反潜作战的要求。通过将声呐技术与海洋环境、传播信道、安装平台充分结合，使得目前多种声呐系统的浅海作战性能得到大幅提高，这方面重点体现在拖曳阵和反潜浮标。

2.2.1 拖曳阵声呐系统

美国安装到DDG1000上的轻型宽带变深声呐（LBVDS），可穿透温盐层和海流的干扰，具有获得潜艇清晰声学图像的能力。其采用了3种新技术，宽带信号产生和处理、高能密度转换材料和稀疏接收阵。发射频率范围是1～6 kHz，不仅可克服深海中水层扰动带来的干扰，还可以克服浅海中的混响问题，主动探测的性能提高20～30 dB。

美国监视拖曳阵传感器系统（SURTASS）被动拖线阵通过增强换能器的灵敏度、应用先进信号处理技术，具有灵活高效的谱分析能力和目标方位分辨能力。SURTASS系统中的低频主动声呐是针对安静型威胁目标设计的远距离主动声呐系统。该装备包括主动发射阵、处理系统、功率放大系统和控制系统、主动信号处理与显示系统、环境分析系统，具有支援沿海反潜作战的浅海探测能力，该系统也可被动方式探测安静型核潜艇和柴电潜艇，并实时向战区司令官和作战单位报告监视信息。布放方式分为：长尺寸单线被动声基阵，或短尺寸双线被动声基阵。双线系统是用在浅水区域最有效的拖线列阵系统，能够在沿海浅水区域提供优良的水下监视能力，拖曳深度50 m，允许拖曳速度快，方向性噪声抑制作用强，无需转向即可解决方位模糊问题，转向后系统稳定迅速。

2.2.2 反潜浮标

美国P-3C远程反潜巡逻机装备了SSQ-101被动接收浮标和SSQ-110发射声源浮标两型航空声呐浮标，其发展隶属扩展回声搜索（EXTENDED ECHO-RANGING）计划。该计划的发展分为3个阶段，第1阶段重点研制非编码脉冲或小型爆炸声源。第2阶段重点研制空投主动接收浮标（ADAR），该浮标也可作为被动浮标探测高速潜艇。第3阶段重点研制更易检测的编码声源，并与被动浮标组成多基地回声探测系统，以适应恶劣的水文条件。

2.3 发展共形阵声呐

提高声呐系统性能（基阵增益、分辨率等）最有效的方法是增大基阵孔径，但由于潜艇自身空间的限制，因此目前看来，增大基阵孔径只能是采用共形阵。美国海军提出的全艇共形阵声呐，沿艇首表面部署平板阵，与艇两侧的舷侧阵连成一体，形成包裹整艇的大尺寸阵列，实现基阵有效孔径的最大化，大大减少探测盲区，但全艇共形阵技术尚不成熟。

目前，比较成熟的共形阵有艇首共形阵、舷侧共形阵、指挥台围壳共形阵等局部共形阵，通过局部共形阵的发展，可促进阵元加工及安装工艺、复杂阵型的波束形成等技术的发展，为今后全艇共形阵发展进行技术储备。

2.3.1 美国艇首大孔径共形阵

美国海军与国防预先研究计划局（DARPA）共同发展Tango-Bravo计划，研究适应艇壳的声呐阵，使其能全艇布置，改善侦听性能，进行全方位监控，克服目前侦听角度的限制。现已实施先进共形潜艇水声传感器（ACSAS）计划和共形声速传感器（CAVES）计划。由于各种原因的掣肘，美国直到第3批“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇中仍采用水背衬的U型大孔径阵（LAB），该型换能器省去上千个SUBSAFE标准的透焊开口，设计寿命与潜艇一样，长达33年，发射换能器寿命大约17年。

图7 “弗吉尼亚”级核潜艇艇首声呐的变化Fig. 7 Changes in sonar sonar of Virginia class submarine

2.3.2 其他国家艇首共形阵

俄罗斯“拉达”级潜艇在艇首采用的是密排布阵的共形阵，阵元总数达8 000个。英国“机敏”级核潜艇也在艇首采用能提供更大有效孔径的共形阵，且同俄罗斯“拉达”级一样，尽量向舷两侧后方延伸，扩大声基阵面积保证声呐性能。日本发展共形阵的概念与美国类似。

2.4 利用民用现成技术

面对研发成本不断上升，声学优势不断弱化的双重压力，美国海军决定在潜艇声呐系统中广泛引进民用现成技术。基于民用现成技术（COTS）的开放式系统结构，可显著提升潜艇声呐性能、降低全寿期成本、简化设备更新过程。需要指出的是，实现真正的基于民用现成技术的开放式体系结构不仅仅是一个技术问题，其要求对相应的过程和管理制度作出改变，同时军方，供应商必须认可并响应这些变化，理解这种新的组织模式，并认同这种完全不同的产品支持和结构管理方法是实现转变的关键。

图8 英国“特拉法尔加”级潜艇装备的2076声呐Fig. 8 The 2076 sonar of a British Trafalgar-class submarine

图9 军事专用设备与COTS设备的对比Fig. 9 Comparison of military special equipment and COTS equipment

在美国民用声学现成技术快速植入（A-RCI）项目的影响下，英国、挪威、西班牙等国也开始了本国的潜艇声呐开放式结构升级改造计划。目前，声呐技术向基于民用现成技术的开放式系统结构发展，已经成为声呐信息处理系统的主流发展方向。