拖曳线列阵若干关键技术综述

朱辉庆 张海生

(1.海装驻杭州地区军事代表室，杭州，310023；2.第七一五研究所，杭州，310023)

随着潜艇静音技术的不断发展，各国纷纷投入大量人力和物力研发拖曳线列阵声呐用于探测敌方潜艇的辐射噪声和特征线谱[1]。拖曳线列阵具有以下优点：（1）工作频率低，具备探测潜艇辐射噪声中低频线谱的能力；（2）声基阵长度受拖曳平台尺寸限制小，易于扩展声学孔径；（3）声基阵远离拖曳平台，通过合理设计拖缆长度，可大幅度降低拖曳平台噪声对声呐探测性能的影响。

拖曳线列阵的研究最早始于一战期间，现阶段理论研究基本成熟，研究重点转向解决实际装备中遇到的技术和工程问题[2]。拖曳线列阵根据直径可分为细线阵和粗线阵两大类。细线阵方面，美国于1991年开始研制用于水面舰拖曳监视系统（Surveillance Towed Array Sensor System，SURTASS）的TB-29A型细线阵，并于2005年宣布通过验收，装备于洛杉矶级、海狼级和弗吉尼亚级攻击型核潜艇[3,4]。2006年，美国海军授权Chesapeake Science 公司生产两套TB-33型潜用拖曳阵声呐系统，TB-33将逐渐替代 TB-29A。粗线阵方面，美海军于2018年授予Chesapeake Science公司生产 TB-34X拖曳线列阵声呐。TB-34X与TB-34具有相同的外形尺寸，但探测性能、可靠性、抗老化性能均有所提高。

现阶段，拖曳线列阵发展较快是压电阵和光纤阵。本文对这两类线阵的三个技术方向进行综述研究，分别为水听器及基阵、拖曳噪声抑制和左右舷分辨。

1 水听器及基阵技术

水听器是拖曳线列阵的核心传感器件之一，常见类型为压电水听器和光纤水听器，分别将声压信号转换为电压信号和光相位差信号。

1.1 压电水听器及压电阵

该技术经过多年发展已基本成熟，但在可靠性设计、前放电路设计、小型化设计等方面依旧有很大的提升空间。

1.1.1 前放电路设计

拖曳线列阵具备检测潜艇辐射噪声等弱信号的能力，因此前放电路中不得引入电路噪声和干扰。为实现主被动联合探测，拖曳阵中水听器需具有较大的动态范围。现阶段，低噪声前放与大动态范围的矛盾并未完全解决。由于低频水听器下限频率低至几赫兹、内阻高达几百兆欧，前放电路与压电传感器的阻抗匹配也是技术难点[5]。

1.1.2 小型化

压电水听器小型化和超细径压电阵是当前研究热点，已经有研究表明压电阵具备超细孔径、轻小型化的发展潜力[6]。基于微电子机械制造技术的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）压电水听器具备小型化能力，通过多个压电换能器串联可提高灵敏度[7]。AlN（Aluminum nitride）薄膜MEMS压电水听器灵敏度达到-182 dB，低频信号检测带宽10～100 Hz，满足潜艇线谱检测需求[8]。国内也有关于AlN薄膜MEMS压电水听器的研究报道[9]。

1.1.3 可靠性

为提高线列阵使用过程中的可靠性，研究人员在阵段内填充阻水固体材料代替传统的液体，降低了因外护套破损导致的内部电子器件短路失效的风险[10]。湿端阵段具备故障隔离能力也是实际使用中的迫切需求。

1.2 光纤水听器及光纤阵

光纤水听器通过解算两个干涉臂间的光相位差得到声波强度信息，具有灵敏度高、动态范围大、湿端无电子器件、可靠性高、抗电磁干扰能力强、易于大规模成阵等优点[11]。

光纤水听器经过近 50年的发展，逐渐从原理样机走向舰艇装备。美国海军研究实验室的Bucaro J A等人于1977年首次报道了利用光纤传感水声信号[12]。1981年，美国首次封装了Mach-Zehnder干涉型光纤水听器，灵敏度指标达到了-140 dB（re 1 rad/μPa）。随着光纤水听器性能不断提升，1984年美国提出全光拖曳线列阵计划（All Optical Towed Array，AOTA），并对基于波分复用的8元和48元拖曳线列阵进行了海试，结果表明光纤拖曳阵性能满足海军要求[13]。1990年，美国Litton公司研制的芯轴型光纤拖曳线列阵装备于 668级攻击型潜艇，演示了光纤阵在恶劣条件下稳定工作的能力[14]。此后，光纤阵声孔径扩展技术成为研究重点，美国海军实验室在 1996年通过时分波分复用技术，实现了256元光纤拖曳阵[15]。

1.2.1 增敏封装技术

光纤本身的材料性质决定了其对声波的响应较低，为了提高光纤水听器的灵敏度，需对光纤传感单元进行增敏封装，放大声波引起的光纤轴向应变。光纤水听器除了需要具备高灵敏度外，还需克服外界环境波动造成的输出信号低频漂移。为此，研究人员在增敏结构中采用 PMMA材料制作温度补偿结构，使水听器在海洋温度变化范围（-2～30℃）内实现波长漂移＜0.010 06 nm[16]。在高航速拖曳下拖缆和线列阵尾部迅速抖动，水听器工作在随机振动的恶劣工况下，故水听器加速度灵敏度应尽可能低，以减小水听器对振动的响应。

1.2.2 调制与解调技术

调制与解调技术可降低因环境变化导致的光纤中光相位随机波动对输出信号质量的影响。常用的调制与解调技术是相位生成载波（Phase Generated Carrier，PGC），通过在干涉仪其中一个干涉臂引入周期性的相位差，并在干端采用相应的信号处理方法，有效消除相位随机波动的不利影响。

1.2.3 复用技术

光纤拖线阵采用波分复用、时分复用技术，将数十个水听器信号通过一根传输光纤与干端连接[17]，因此仅需增加少量传输光纤即可迅速扩展光纤阵声学孔径，并且光纤作为信号传输载体，特别适合信号的远距离传输，没有压电阵在远距离传输供电方面的技术瓶颈。但是，光纤阵复用系统中的串扰会造成水听器性能损失，即成阵后的水听器性能较单个水听器差，因此研究复用系统串扰的产生机理和降低串扰的方法对光纤拖线阵性能提升至关重要[18]。国内研究人员利用波分时分复用技术研制了直径16 mm的 32元分布反馈式光纤激光水听器阵列，在10～200 Hz频段内，灵敏度达到-142.7±2 dB（re 1 rad/μPa），各阵元间、各通道间串扰小于-40 dB[19]。

1.3 压电阵和光纤阵对比

压电阵发展历史较光纤阵悠久，在一定阵规模条件下，压电阵制作工艺更成熟，试验和装备使用经验更丰富。而光纤阵在规模扩展性、湿端抗电磁干扰性等方面具有优势。

2 拖曳噪声抑制技术

随着拖曳航速逐渐增加，拖曳噪声随之迅速增大，成为限制高航速下线列阵探测性能的主要因素之一。并且，随着UUV和USV等海上无人航行器的发展，开发适装小型拖曳平台的超细拖曳线列阵迫在眉睫。相较于粗直径拖曳线列阵，细直径拖曳线列阵中的水听器距离护套更近，受到拖曳噪声的影响更大。此外，深海环境噪声较浅海低，即使拖线阵工作在较低航速时，拖曳噪声也可能是影响拖线阵探测性能的主要噪声源。综上所述，拖曳噪声抑制技术的研究对提高拖曳线列阵性能、扩展使用航速范围、拓展拖线阵使用场景至关重要。

拖曳噪声成因主要有两种[20]：（1）拖曳线列阵护套外表面的湍流边界层中的脉动压力起伏通过护套直接传递至水听器，或者经护套耦合激励产生再辐射；（2）拖船尾流等引起的拖缆和拖曳线列阵尾部抖动，这两种振动经首尾隔振段后，仍然会有部分振动能量传递到线阵中的水听器，引起水听器输出自噪声变大。

拖曳噪声的抑制主要从线列阵设计和成阵技术、护套材料选择、信号处理等方面展开。利用波束-频率谱方法分析线列阵参数与拖曳噪声的关系，表明拖曳速度和护套直径对拖曳噪声影响较大。在满足拖曳线列阵性能的前提下，降低水听器加速度灵敏度，可有效减小缆阵抖动对水听器信号质量的影响。通过将多个水听器串联成组和在护套内部适当位置放置海绵等阻尼结构可降低水听器处拖曳噪声强度[21]。护套材料应尽量用柔软黏弹材料，材料的切变波衰减因子应尽可能大，以提高护套材料对拖曳噪声的吸收衰减能力[22]。针对低频段拖曳噪声谱级高的问题，研究者提出最小均方最优滤波和经验模态分解联合算法，提升了线列阵甚低频线谱检测能力[23]。通过设计尾部组件增加拖曳时的缆阵张力，可有效降低20 Hz以内的低频拖曳噪声，提高线列阵探测潜艇低频线谱的能力[24]。

3 左右舷分辨

常规拖曳线列阵由线性排列的全向水听器构成，其指向性具有圆锥对称性，不能区分目标的左右舷方位，造成目标左右舷模糊现象，并且一侧强噪声干扰可能淹没对侧目标信号。为解决左右舷模糊问题常用的方法包括：本艇机动、多线阵、矢量阵和多元阵。

3.1 本艇机动

本艇机动过程中通过目标方位角的变化趋势或者利用阵形畸变条件下的信号处理技术，可以在不改变传统拖曳线列阵湿端结构的条件下实现左右舷分辨。该方法中确定实现左右舷分辨所需的机动角度，有助于指挥员科学合理的控制本艇机动的方式[25]。利用拖曳过程中阵形畸变，根据水听器实际阵形进行波束形成，可实现单根普通拖线阵的左右舷分辨[26]。

3.2 多线阵

另一种打破轴对称的方法是额外增加一条或数条拖曳线列阵，构成双线阵或多线阵。通过多线阵信号处理方法，使得一侧入射的目标声波在左右舷形成波束中表现不同，从而实现目标的左右舷分辨。

研究人员利用本艇干扰和目标辐射噪声信号传播途径的不同，发明了同时实现拖曳平台噪声抑制和左右舷分辨的双线阵映像波束相减方法。该方法利用目标从拖曳线列阵两侧入射，而本艇干扰从垂直面入射的特点，目标在左右舷形成波束中会有不同输出，而拖船辐射噪声具有相似的输出。通过波束相减，可以较好地消除本艇干扰，同时保留双线阵左右舷分辨的能力。但是这种方法对端射方向入射的目标信号有一定损失。

双线阵获得最佳左右舷分辨能力的条件是两条阵平行且首阵元对齐。通过建立双线阵模型，并利用Cramer-Rao下限分析其性能极限，得到以下两个结论：（1）双线阵等效声学孔径大于其中的单根线阵；（2）阵形畸变时双线阵探测性能下降。首阵元未对齐，或者两阵不平行等均会削弱双线阵左右舷分辨能力，严重时完全丧失左右舷分辨的能力[27,28]。为了解决阵形畸变对双线阵左右舷分辨能力的影响，研究人员做了大量工作。通过对其中一条阵进行相位矫正，合成一个与另一条阵首阵元位置对齐的虚拟阵，可提高阵形畸变条件下线列阵的左右舷分辨能力[27]。

多线阵成本高、阵形控制难度大、费效比较低，并且实际使用过程中需解决收放及拖曳过程中互相缠绕的问题。

3.3 矢量阵

矢量拖曳线列阵由矢量水听器组成，矢量水听器可同时测量一点的声压标量和质点振速矢量。科研人员已经研制出位移型光纤矢量水听器和加速度型光纤矢量水听器[29]。通过研究矢量阵的波束形成方法可知，矢量阵的波束形成具有左右舷分辨的能力[30]。但是矢量拖曳阵对拖曳噪声的轴向分量尤其敏感，若不对拖曳噪声进行有效控制，矢量阵甚至会完全丧失左右舷分辨能力[31]。

3.4 多元阵

通过设计阵内传感单元的空间结构，研究人员开发出三元阵等多元阵，使一个水听器单元自身具有指向性。但是该方法水听器数量和成本成倍增加，且每个水听器单元内有限的空间中水听器数量从 1个增加到数个，使得水听器距离护套更近，因此受到拖曳噪声的干扰更大。此外，由于直径的变大，使得多元阵在声孔径扩展方面不具有优势[32]。

4 总结与展望

综上所述，未来拖曳线列阵关键技术研究主要内容如下：

（1）压电阵的低噪声大动态范围前放技术、小型化技术和可靠性设计是提升拖线阵探测能力和适装性的关键技术，此外，分布式供电、远距离信号传输也是其声扩展孔径的关键技术；通过光纤水听器技术、增敏封装技术、调制与解调技术和大规模复用技术的攻关，光纤阵将从原理样机走向作战装备。

（2）拖曳噪声抑制技术方面：现代战争要求水面舰和潜艇具有高机动能力，这就要求拖曳线列阵可以在高航速下稳定可靠提供目标信息。拖曳噪声抑制技术将是研究重点内容之一，通过护套材料选择、阵内器件布局、低频减隔振技术、仿生减阻技术、自适应降噪技术等，降低或消除拖曳噪声对线列阵探测性能的不利影响。

（3）左右舷分辨技术方面：利用低频大孔径拖线阵单条线阵的自身畸变进行左右舷分辨的技术方案，无需对现有线列阵进行较大修改，便可实现左右舷目标分辨，具有极大的实用价值；矢量水听器线列阵或结合其他目标进行左右舷分辨技术也是研究的热点。