国外潜艇拖线阵声呐装备及技术的最新发展综述

陈卓

（海装驻上海地区军事代表局，上海，200083）

拖线阵声呐是20世纪80年代水声反潜领域中最重要的成就之一，有效提高了潜艇的远程探测能力。自美国海军首次在核潜艇上装备拖线阵声呐后，英、法、德、苏/俄以及澳大利亚等国家都投入较大力量进行相关研究，并在潜艇上广泛使用[1-3]。

1 美国

美国是最早进行潜艇拖线阵声呐装备研制的国家，图 1 展现了美国潜用拖线阵的研究发展历程[4-6]。潜用拖线阵主要有两个形态：粗线阵和细线阵，分别适用于潜艇在高速和低速两种航行状态的目标探测。

图1 美国潜艇拖线阵的发展历程

目前安装于洛杉矶级、俄亥俄级、海狼级、弗吉尼亚级核潜艇上的粗线阵为TB-16及其改进型。1973年，洛克希德·马丁公司开始研制 TB-16型粗线阵声呐，其声阵段长75 m、直径82.5 mm，拖缆长800 m、直径9.5 mm。随着技术的发展，TB-16进行了多次改进设计。1982年生产的TB-16A减小了流噪声，能以更快的拖曳速度工作（或在相同速度时具有更高的灵敏度）；1987年改进后的TB-16B进一步减小流噪声；TB-16D提高了基阵的数字化程度；目前最新的改进型粗线阵声呐为 TB-16G，于2004年开始服役。

TB-34是正在发展的用以取代TB-16的下一代粗线阵声呐，在复杂浅海环境下，能够有效规避敌方潜艇和水面舰的探测，提高反潜战性能并增强避碰性能（包括本艇上浮或在潜望深度工作时与水下目标的可能碰撞）。TB-34以TB-16G的结构为基础，通过频带与艇壳阵声呐的重叠，进行多阵相干处理，方位精度可与 200λ孔径的阵相比拟，具有分辨水下或水面目标的能力，目标深度估计精度在±15 m内。

2019年4月，美国海军与L-3切萨皮克科学公司签订了1380万美元合同，订购潜艇用TB-34X拖线阵声呐。TB-34X具有与TB-34相同的外形尺寸，但在探测性能、可靠性、抗老化性能等方面均有提升。

与粗线阵配合使用的细线阵型号最初为TB-29和 TB-29A。TB-29A 是 TB-29的成熟商用技术（Commercial Off-The-Shelf，COTS）型，两者的主要区别在于TB-29A的传感器和信号处理器采用了商用系统，大大降低了采购成本，价格不到TB-29的一半。因此，洛杉矶级和弗吉尼亚级潜艇上现有的 TB-29拖线阵声呐都将逐步由 TB-29A 代替。TB-29A型细线阵的收放系统如图2所示。

图2 美国TB-29A细长线阵及其收放系统示意图

TB-29A细线阵声呐基阵长823 m、外径38 mm、内径19 mm，含有13个48.8 m长的声学模块，每个声学模块内有 32个通道。拖缆长 365 m，由OA-9070/BQ系统收放。TB-29A闲置时基阵可回收到潜艇的主压载箱中，装载在 OA-9070/BQ 收放系统的鼓轮上，收放过程安静可靠，且阵收放精度较高。TB-29A采用标准的数据传输链，优化了水听器，减少了航向、深度传感器数量，提高了阵增益，改进了甚低频性能以及较高航速下的警戒性能。

由于TB-29A优越的声学性能，仅在2001～2005年间，美国海军就列装了20余套；2010年7月～2012年11月，又追加了12套订货。与此同时还在2008年启动了综合可靠性提升工程，主要内容包括：电子设备筛选试验方法改进、拖线阵前后接口模块护套增强、阵内集束件加固、拖线阵各阵段内置遥测组件可靠性综合提升以及更新操作使用说明等。该可靠性提升工程的原因应该就是由于洛·马公司研发的TB-29A存在复杂度、功耗、尤其是使用可靠性方面亟待解决的问题。

为满足海军潜艇对开阔水域和濒海地区中安静型现代潜艇目标的探测、跟踪和识别要求，声呐设计商L-3切萨皮克科学公司正在研制美国海军新一代潜艇拖线阵声呐。2019年3月，华盛顿海军海上系统司令部官员宣布与L-3公司签订4310万美元的合同，为海军潜艇建造TB-29X拖曳阵。

TB-29X是拥有416通道的细线拖曳阵，具有与TB-29A相当的功能和外形，相同的接口。改进设计的重点在于降低复杂度、实现低功耗，并提高缆阵收放系统的使用可靠性。

2006年12月，美国华盛顿海军海上系统司令部向马里兰州的切萨皮克科学公司订购了两套 TB-33潜艇光纤细线阵系统，合同价值1530万美元，用以继续开发并生产两套TB-33潜艇光纤细线阵系统，还要求提供培训、设备测试和3D试验设备。TB-33潜艇光纤细线阵系统提供与现役TB-29细线阵同样的功能，并显著改善了系统的可靠性。

2 英国

英国是世界上第二个研制拖线阵声呐的国家。由于舰艇数量少和经济上的原因，英国开发的拖线阵声呐以小型为主[5]237-238。

2026型拖线阵声呐的合同商为英国泰利斯水下系统公司。其声阵长100 m，拖缆长1500 m，由3倍频程基阵、拖缆和舱内处理显示系统构成。2026型声呐具有更完备的软件程序系统，使用宽窄频带、低频线谱检测技术和数字信号处理技术，具有较好的检测能力与较远的探测距离。其工作频率为10～1000 Hz。被动探测距离 20～50 n mile，可满足“鱼叉”反舰导弹的射击指挥要求。2026型声呐的改进型装备在荷兰“海象”级常规潜艇上。

2046型声呐是在水面舰艇用2031Z型声呐的实用基础上进行改进的，装备在皇家海军攻击核潜艇和 TyPe 2400型“拥护者”常规潜艇上，也作为皇家海军最大2054型声呐系统的拖曳部分，装备在“前卫”级弹道导弹核潜艇、“特拉法尔加”和“敏捷”级攻击型核潜艇上。2046型声呐主要改进包括：（1）研制更坚固的机电拖缆，使拖缆总长可超过2000 m，基阵的最大拖曳深度可达1000 m左右；（2）采用了先进的“Curtis”数字信号处理技术（如采用Ferranti M700 Argus处理器的显控系统），实现对远距离目标的检测、跟踪和识别；（3）具有 360°方位覆盖、多目标分辨、频谱高分辨的宽带警戒等功能；（4）显控台为四个等离子高灵敏度触摸屏，显示画面为检测用的瀑布图和识别用的LOFAR，能同时检测与跟踪多个目标；（5）采用模块化设计，尽可能利用最新技术来节省空间与成本，方便以后升级维护，且具有嵌入式测试功能。

1990年开始研发2076型声呐，最初为皇家海军改进级“特拉法尔加”和“敏捷”潜艇而设计。该综合声呐系统集成了主/被动艇艏阵、被动拖线阵（由安装在壳体后下方的可缠绕缆系统来布放）、侦察阵、舷侧阵、被动测距阵等多部声呐，将替换“特拉法尔加”潜艇上的2074型声呐和2046型声呐。第5期改进计划将对部分传统的处理体系用COTS产品来更替，这种开放式结构有利于快速嵌入新的软件功能模块。2076型声呐已指定安装在“机敏”级潜艇上，只需对“机敏”级潜艇作较小的改动，即只需增加2076型拖线阵的收放系统。

英国正在研究 2076型综合声呐中采用细线阵的方案。轻便的细线阵技术便于缆/阵的收放，且绞车小巧易安装、可容纳声阵更长。由于潜艇活动从深海向浅海区域转移，轻型细线阵是适于浅海有限区域作业的理想基阵。

2018年7月英国系统工程和评估公司（Systems Engineering & Assessment Ltd，SEA）研制的加长型150 m 超细拖曳阵进入最终试验阶段（图 3）。KraitArray是专为小型舰艇、小型无人反潜平台研制的超细型拖线阵，其外径仅为16 mm，声阵段长150 m，最小弯曲半径75 mm，工作深度300 m，可安装128个声学传感器通道，使用低功耗微型高灵敏度宽带水听器，集成有低噪声前置放大器；同时还配置了 32个可监测阵列航向、温度、俯仰角和深度的微型非声传感器。与传统的拖线阵相比，该产品在保证性能的同时，降低了功耗、重量和成本，使发射和回收更加便利，最大限度地减少了对舰船上的存储收放空间要求，且具有三维阵形监测能力，使其能在平台以极低航速下机动时仍具备良好的探测性能，是一型真正适用于无人系统和小型舰艇执行反潜、港口警戒、环境监测等任务的拖线阵。

图3 超细拖线阵（上）及与传统拖线阵（下）的外形对比

3 德国

德国典型的潜艇拖线阵声呐为阿特拉斯电子公司研制的TAS90甚低频拖线阵，既能作为独立系统工作，也是 CSU90综合声呐系统的重要组成部分。TAS90拖线阵声呐的安装结构与基阵绞车如图4所示。

作为 CSU90综合声呐系统的拖线阵部分，TAS90工作频率为10～2400 Hz，采用自动目标跟踪器和自动多线谱跟踪器（设置在目标多个特征线谱上），可实现远距离或在相当恶劣条件下（如目标交叉、护航环境）跟踪目标。TAS90拖线阵声呐的主要特点包括：（1）甚低频频段约150 m长的孔径，对低噪声目标的检测性能优于舷侧阵；（2）拖缆、前/后端隔振模块、声学模块和尾绳等湿端设计完成了海上验证；（3）利用16位A/D转换、智能自动增益控制和抗干扰技术，接收信号具有较大动态范围；（4）本艇高速时仍具有稳健的探测性能；（5）利用LOFAR、DEMON分析增强了目标识别能力；（6）结合 LOFAR线谱检测，提高目标分辨能力；（7）低噪声目标瞬态检测。利用遥控绞车来布放/回收缆阵，可根据声道轴的预报将阵布放在合适的深度。为了降低成本，小潜艇可以用挂接方式来安装基阵，阵与潜艇通过机械方式紧固，而阵与艇上电子设备采用电连接[5]232。

图4 TAS90拖线阵声呐的安装结构（上）与基阵绞车（下）

4 法国

20世纪70年代中期，法国开始制定攻击型核潜艇被动拖线阵声呐DSUV-62的研制计划。此时，弹道导弹核潜艇的被动拖线阵声呐 DSUV-61正在研制之中。DSUV-62是DSUV-61的变型。到2005年末，生产了9台套DSUV-61与15台套DSUV-62声呐，装备在核潜艇与柴电潜艇上。DSUV-62具有与DSUV-61类似的处理和分析系统。在MIM-D型主系统中采用了 TSM-320C30、68020和 68040微处理器以及C和ADA编程的结构软件。两者的不同在于：DSUV-61具有敌潜报警功能，便于及时逃避；而 DSUV-62则旨在跟踪目标并尽可能给武器控制系统提供火控方案。

DSUV-62型甚低频被动式拖曳阵声呐装于艉部，既可在潜艇上单独配置，具有自己的处理和操作设施，也可作为模块组件，构成TSM-2233 潜艇综合声呐系统。DSUV-62主要技术数据：拖缆长400 m，基阵长100 m，基阵直径50～80 mm。潜艇利用基阵监听到的特定噪声（敌潜机械生成的窄带噪声及敌潜航行生成的宽带噪声）来识别目标，并提供火控方案。DSUV-62在数个固定或可调频段上通过宽带、窄带、DEMON谱分析的同时处理实施全景警戒，并能自动启动跟踪多达 64个噪声源目标，可对潜在目标（多达8个）进行LOFAR、DEMON分析。操作员可直接监听音频信号。

DSUV-62的变型和改进型包括：TSM-2933是DSUV-62安装在巴基斯坦海军 Agosta-90B潜艇的指定型号；DSUV-61A是安装在法国弹道导弹核潜艇上的TSM-2933型；DSUV-61B是DSUV-61A改进型，安装在 Le TriomPhant 弹道导弹潜艇上；DSUV-62A 是 DSUV-62安装在法国海军 Agosta、Rubis潜艇上的型号；DSUV-62C是DSUV-62改进型，安装在法国海军Amethyste（即改进的Rubis）潜艇上；而 LamProie是 DSUV-62的出口型，但其基阵较短，长 74 m，中性浮力拖缆长 300 m。LamProie既可自动也可手动跟踪目标；它具有自动抑制系统，可抑制窄带声呐干扰，对跟踪器起着保护作用[5]226。

5 其它国家的装备及应用情况

5.1 俄罗斯

俄罗斯海军的现役核潜艇大多安装有拖线阵声呐（如671PTM型V3级、971阿库拉级、885雅森级等）。971阿库拉级核潜艇尾部用于存贮和布放拖线阵声呐的纺锤型舱室，如图5所示。2012年阿布扎比海军防务展上Amur级常规潜艇上拖线阵的释放口，如图6所示[7-10]。

“维尼耶特卡-ЭM-01”是俄罗斯最重要的潜用低频被动拖线阵声呐，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，可以装备于所有型号的潜艇上。该声呐采用柔性拖曳基阵（图7），可以完成对水面舰、潜艇和鱼雷的噪声定位功能，并能够利用水面舰、潜艇和鱼雷的声学特征对其进行分类识别及跟踪。当潜艇处于快速机动状态、利用信号的离散谱分量对潜艇进行探测时，探测距离可达10～20 km，对水面舰的探测距离达到100 km，对鱼雷探测距离约为30 km。

图5 阿库拉级潜艇尾部的圆型舱室

图6 Amur级潜艇上拖线阵的释放口

图7 低频拖线阵声呐“维尼耶特卡-ЭM-01”基阵外形图

5.2 澳大利亚潜艇拖线阵声呐

澳大利亚泰利斯水下系统公司为澳大利亚皇家海军潜艇研制了被动拖线阵声呐Kariwara，现已成为澳大利亚细线阵声呐技术的通称。Kariwara拖线阵直径45 mm，由一系列传感器和微型电子元件组成，拖线阵传感器装在厚度约为 19 mm的导管内。湿端加电缆总长约1000 m。主要特点：水听器直径小；采用凝胶作为充填材料，避免了充油线列阵的漏油问题；采用可漂浮的聚丙烯编织结构，减轻重量，且柔软，易卷绕，其拖缆也采用编织结构。Kariwara是紧凑细线阵声呐系统，目前服役于澳大利亚皇家海军“科林斯”级潜艇上，被称为COLTAS；用于沿海训练的拖线阵称为 SHORTAS[11]。COLTAS系统是 “科林斯”潜艇上的标准配备，近几年有大量的涉及COLTAS备件与设备的订单，澳大利亚将要施行的新潜艇方案有可能成为进一步研制 Kariwara的平台。

6 关键技术发展分析

6.1 光纤拖线阵声呐和多线拖线阵声呐

光纤水听器是一种新型的水听器，与传统的压电陶瓷水听器相比，它具有高灵敏度、低自噪声、体积小、重量轻、抗干扰性强等优点。采用光纤水听器的多路复用技术，可以在一根光纤上携带多路光纤水听器信号，实现信号传感和信号传输一体化，且在拖线阵内除光纤水听器外无其他任何电子模块，故这种技术很适合应用于潜用拖线阵，特别是细长线阵[12-13]。

1983～1986年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳光纤水听器阵列的海上试验，包括芯轴型和被覆型光纤水听器，以验证光纤水听器在拖曳阵列上应用的可行性，并直接导致了美海军水下系统中心和海军实验室联合进行的全光拖曳阵列（All OPtic Towed Array）计划。由 Gould 公司海事系统分公司为美海上系统司令部研制的全光拖曳阵列于 1988年进行了海上试验，并取得成功。同年美海军实验室制订了潜艇用“光纤水听器系统标准”。

1990年12月进行了48基元全光纤拖线阵海上试验。试验结果表明，尽管工作条件较为恶劣，光纤水听器及有关元件仍能满足和超过潜艇水听器系统所要求的性能指标，其抗流噪声的性能符合或优于相关的海军要求。

在 1997年国防技术规划中，美国提出采用多线体积阵以提升战术潜艇和水面舰的低频探潜能力，设计三维大孔径全光拖线阵，检测指数比当时的潜用拖线阵TB-16或TB-23系统提高10 dB，单线外径减小50%以上以减小存储空间需求。多线阵短期目标是发展三线阵，单线阵长较短，以适应现有TB-16的存储空间。长期目标是发展单阵长度相当于TB-23的7线阵，论证与接收阵一起拖曳的主动阵的通信及快速定位功能。近期光纤阵的研究目标是采用Bragg光栅多路复用技术的细光纤阵，使湿端单元成本降低 80%，验证细线阵抗流噪声性能。长期目标是寻求新的光纤阵技术，使湿端每通道成本降低达90%，并增大工作带宽。

6.2 长线阵的长度约束和阵形畸变补偿问题

长线阵可增大拖线阵声呐的孔径，提高拖线阵声呐的探测能力；另一个好处是可以进一步降低拖线阵声呐工作频带，减小声传播损失，而且可能检测到100 Hz以下的潜艇低频线谱，使声呐的探测能力进一步提高。但是，随着阵长增加，如果拖线阵的直径保持不变，则要求急剧增大拖线阵的存储空间，这就限制了长线阵的应用。因此，对长线阵的研究实际上始终与细线阵的研究相伴。

采用大尺度的空间布阵对信号场进行空间相干积累是抗噪声干扰、提高目标探测距离和测向精度的有效手段。然而随着布阵尺度的增大，由信道随机扰动所导致的信号场去相关，将使声阵的空间增益下降和角分辨率降低。因此，长线阵声呐的布阵要考虑声场相干性的制约。

在拖线阵拖曳过程中，由于海流等因素影响，将出现阵形的畸变，特别是长线阵在低速拖曳时更易产生阵形畸变。阵型畸变带来的是对潜艇机动性的制约，因此，适时地测量阵形和适时地对阵形畸变进行补偿是长线阵技术研究的一项重要课题。曾经提出过的长线阵的阵形测量及阵形畸变的补偿方法有：（1）利用阵接收的平面波信号进行阵形测量并完成阵形畸变的补偿；（2）在阵内布放多个航向传感器，按各部位航向的变化拟合出长线阵的阵形并进行阵形畸变的补偿；（3）在阵内布放声测系统以测量阵形，并进行阵形畸变的补偿。

7 发展趋势

目前，潜用拖线阵声呐主要用于满足远程警戒和探测需求，工作模式主要为单部声呐独立工作。为了满足一体化声呐和网络中心战的需求，未来拖线阵声呐的发展可能主要体现在以下几个方面：

（1）建立网络化信号处理体系结构。实现传感器数据网络共享，多部声呐综合信号处理和数据融合。例如拖线阵声呐和舷侧阵声呐联合进行目标测距，实现检测、定位、跟踪、鱼雷报警、目标识别、水声通信等功能一体化，与其它声呐平台构成多基地声呐系统。

（2）空间结构可重构的全光拖曳多线阵声呐。发展大孔径多线体积阵声呐，利用多线阵的水平、垂直指向性提高检测和定位、干扰和噪声抑制性能，利用多线的垂直孔径应用声场匹配的方法进行目标距离/深度定位；研究多线拖曳和收放技术，使阵的空间结构能够根据处理频带的需求自由配置，调整多线的水平和垂直孔径，使检测和左右舷分辨性能最佳；使用高性能光纤水听器以减小拖线阵重量和体积。

（3）采取多种措施进一步抑制流噪声对细线阵的影响，使用具有阻水作用的固体阵技术来提升阵列的生存性，提高细线拖曳声呐对远距离信号或弱信号的探测性能。在技术上可以尽可能减小水听器的直径，增加护套表面与水听器接收面之间的距离，采用高性能的隔振模块来隔离拖缆抖动、尾部摆动等导致的低频流噪声，研究成组光纤水听器技术等。