张　巍

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室　葫芦岛　125004)



舰艇声纳技术的应用与发展分析*

张巍

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室葫芦岛125004)

摘要声纳是利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。最后论述了舰艇声纳技术的应用与发展分析。

关键词舰艇; 声纳技术; 发展分析

Class NumberTN97

1引言

声纳是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备。声纳是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。本文就声纳技术、发展动向、发展分析等作进一步的探讨[1]。

2声纳技术

声纳是利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备[2]。

2.1声纳装置

声纳装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。

1)基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。

2)电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备，连接电缆，水下接线箱和增音机，与声纳基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置，以及声纳导流罩等。

3)换能器是声纳中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途:一是在水下发射声波，称为发射换能器，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为接收换能器，相当于空气中的传声器。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为水听器。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。

2.2声纳分类

声纳的分类可按其工作方式、装备对象、战术用途、基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声纳。例如按工作方式可分为主动声纳和被动声纳；按装备对象可分为水面舰艇声纳、潜艇声纳、航空声纳、便携式声纳和海岸声纳等。

1)主动声纳:主动声纳技术是指声纳主动发射声波照纳目标，而后接收水中目标反射的回波时间以及回波参数以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射声波，然后接收回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇。

2)被动声纳:被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。它由简单的水听器演变而来，收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。

2.3拖曳声纳

拖曳声纳(towed sonar)是将换能器基阵拖曳在运载平台尾后水中探侧目标的声纳。装备在反潜舰艇、反潜直升机和监视船上。优点是：基阵入水较深，通过控制拖缆长度可调节基阵入水深度，以工作于有利水层；基阵远离平台，受平台噪声干扰小，作用距离远；基阵可随时收回，维修方便。缺点是:基阵、拖缆和收放装置占用运载平台的空间大；拖体放人水中工作时，对运载平台的机动有一定影响。拖曳声纳按基阵结构特点，分拖曳式拖体声纳和拖曳式线列阵声纳两类。

1)拖曳式拖体声纳，又称变深声纳或拖体声纳。主要以主动方式工作。由拖体、拖缆、收放装置和电子设备组成。拖体，由拖缆拖曳于水中，外形呈流线型，内装圆柱形换能器基阵以及温度、深度传感器等。拖缆，长数百米，由电缆和钢缆组合而成，除用于拖曳拖体外，还用于保证拖体内的基阵和各种传感器与运载平台上电子设备的连接。收放装置，包括机械绞盘、传动装置和液压动力装置，用于收放拖体和控制拖体入水深度。舰艇拖体声纳的拖体，平时放置在舰尾专用平台上。电子设备，可与舰壳声纳合用，也有单独使用的。合用一套电子设备的，称为舰壳/变深声纳，两部声纳不能同时使用。单独自备一套电子设备的，称为独立变深声纳，它可独立工作，也可与舰壳声纳协同工作。拖体声纳基阵最大工作深度200m，最大探测距离10余海里，拖体的最大拖曳航速可达28节。

2)拖曳式线列阵声纳(towed array sonar)，简称拖曳阵声纳。仅用于被动工作方式。由线列阵、拖缆、收放装置和电子设备组成。线列阵包括前导段、仪器段、基阵段、后导段和尾段。前导段，对拖缆和基阵起缓冲、隔振作用。仪器段，安装温度、深度等传感器和接收。基阵段，是拖曳线列阵的主要部分，由上百个水听器沿拖缆按一定间隔安装，长达一百到上千米。后导段，也为隔振段。尾段，用来增加阻力以保持基阵的直线状态。拖缆、收放装置和电子设备的组成和作用，与拖曳式拖体声纳基本相同，但拖缆更长，电子设备以接收处理舰艇噪声为主。拖曳阵声纳在使用很低的工作频率时，仍能保持很高的指向性，获得大的空间增益；线列阵横断面直径小，能有效地防止动水噪声的影响，对运载平台的航速影响小；基阵工作深度更深(几百至千余米)，有利于利用会聚区效应和深海声道进行远程探测。拖曳阵声纳工作于被动接收方式，按使用目的分战术型和监视型两种。战术型阵长100m左右，供战术反潜使用，拖曳最大航速可达30节；监视型阵长1000m左右，拖曳速度较低，用于远距离监视。

2.4影响因素

影响声纳工作性能的因素除声纳本身的技术状况外，外界条件的影响很严重。可变深度声呐比较直接的因素有传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等，它们大多与海洋环境因素有关。

2.5声纳系统

1)水面舰艇用被动式拖拽线列阵声纳:拖拽线列阵声纳主要任务是进行战术反潜，其基阵孔径不受舰体尺寸制约，且远离舰体噪声源，具有变深声纳的优点，能够完成远程探测潜艇任务。

2)战略型拖拽式被动线列阵声纳:它不执行战术反潜任务，线阵达数千米，可以与海底固定声纳站配合，执行反潜预警任务。

3)潜艇用被动式拖拽线列阵声纳:该声纳具有被动远距离探测的性能，它与舰用拖拽式线列阵声纳在舱内电子和处理设备上有许多共同特点，其拖线阵具有中性浮力，具有探测距离远、多目标跟踪等特点。

4)潜艇舷侧阵声纳:是一种以常规潜艇或核动力攻击潜艇为装备对象，基阵安放在艇壳两舷侧的被动声纳，它不存在基阵收放和拖拽的问题，能够直接判别目标位置。

5)可变深度声纳(Variable Depth Sonar, VDS)：某些拖曳声纳的沉放深度可以改变，使声纳不再局限于较浅的区域，可以深入较深区域进行侦测，以搜寻一般水面船舰声纳所无法侦测的区域，此种声纳即为可变深度声纳。

6)沉浸声纳(Dipping Sonar)：是一种由舰载直升机拖吊的声纳，可迅速更换位置以进行搜索，对付快速运动的潜艇及担任长时间搜索任务。沉浸声纳不但延伸了舰艇侦测距离，且不会受到舰艇噪音影响。

3发展动向

1)美海军为无人潜航器配备探雷声纳。美国军事航空航天电子学网站2014年3月4日报道:美海军正在提高无人潜航器的探雷能力，旨在为其近海战斗舰提供有效防御。美海军已授予雷声公司一份3550万美元的合同，用于生产AN/AQS-20A探雷声纳系统和设备[3]。

AN/AQS-20A探雷声纳系统运用了先进的声纳技术，可进行水雷探测，以确保军用、民用舰船的安全通行。通过单次扫描，同时经过多系统声纳处理和高分辨率、光电识别，AN/AQS-20A系统可对水雷形状的物体进行探测和分类。相比于传统系统，AN/AQS-20A系统的探测范围和精度均得到提升，区域搜索率提高四倍以上。

远程多任务潜航器(RMMV)旨在满足无人、非舰载系统在近海水域探测、识别沉底水雷或系留水雷的需求，显著降低海军人员和舰艇的危险。AN/AQS-20A是唯一经过远程多任务潜航器试验、部署和验证的探雷声纳系统，可与远程多任务潜航器完全整合并有效运行。雷声公司的AN/AQS-20A探雷声纳系统将部署于洛克希德·马丁公司的远程多任务潜航器上，将为近海战斗舰提供主要的水雷侦察能力。

执行探雷任务时，多任务潜航器牵引AN/AQS-20A系统，探测水下各方向的反舰水雷，并提供水雷和水雷状物体的高分辨率图像。一旦探测到水雷，AN/ASQ-235机载灭雷系统(AMNS)将进行再次搜索并摧毁水雷。

2)英国计划对2093型声纳进行宽带升级。简氏防务2014年10月10日报道:英国国防部称，英国海军“桑当”级扫雷舰将接收增强型2093声纳，该型声纳是一款可变深度猎雷声纳，同时具备宽带能力。2093型声纳由泰雷兹英国公司开发与制造，是一款多频可变深声纳系统，具备对水下200m的目标进行搜索、识别的能力。该系统将装备全部7艘现役的“桑当”级扫雷舰[4]。

2014年9月7日，国防部装备与保障总署透露(DE&S)，将与泰雷兹英国公司签署一项合同，该合同关于2093型声纳能力保障计划(CSP)。在该计划框架内，泰雷兹英国公司将负责一项设备改造的设计、制造和装配工作，把宽带技术应用到2093型声纳。2193型舰壳猎雷声纳已经在“亨特”级扫雷舰上完成安装，宽带脉冲压缩技术能够远距离探测、识别低回波信号强度的水雷目标。

在CSP中，2093型声纳将用类似的技术进行升级。据DE&S颁布的消息称，这次改造将更换绝大部分拖曳阵上的换能器阵列为宽带换能器，支持处理流程卡片、相关软件和泰雷兹公司专用项目也会做相应的更改。

2093型声纳系统将装备7艘“桑当”级扫雷舰，同时，泰雷兹英国公司还将提供岸基培训和工业参考设备。此外，该公司将负责确保交付的系统能够被归入现有的2093型声纳全寿期保障合同后期验收。

泰雷兹公司预计将在2014年底以前接收2093型声纳CSP合同，2018年进行首次安装。该项目周期为60个月，合同金额3200万英镑(约合5140万美元)。

除英国外，2093型声纳还在下列国家服役或准服役，这些国家包括澳大利亚、爱沙尼亚、意大利、日本、沙特阿拉伯、韩国和土耳其。预计泰雷兹公司将为现有的2093型声纳用户提供宽带升级。

3)美国海军计划增加声纳浮标的使用。美国Pilotonline.com于2015年1月25日报道:美国海军正在向国会寻求允许，计划在太平洋沿岸加强声纳的使用和增加军事训练。该计划将在华盛顿州、俄勒冈州以及加利福尼亚州北部至少12海里范围内的海岸部署约720枚声纳浮标。这些声纳设备约3英尺长，直径6英寸，操作人员可以通过这些设备搜集的水下信号进行探测、反潜等军事训练活动[5]。

美国海军计划的训练范围涉及一些濒危鱼类的栖息地，如虎鲸、座头鲸和蓝色、海豹、海狮和海豚等，大量声纳浮标将严重影响海洋生物的生活，动物保护组织对此表示抗议。

负责美国太平洋舰队西北环境的John Mosher指出，反潜作战至今仍是美国海军的一项关键训练任务，部署的声纳数量虽多，但并不会对该区域带来巨大的影响。

美国海军还计划申请每年30项投弹演习以及增加空对地导弹演习和使用声纳进行反潜跟踪活动。此项申请还需要获得美国国家海洋和大气管理局在《海洋哺乳动物保护法案》的许可，该项法案对有可能影响、伤害或杀死海洋哺乳动物的海上训练活动做出了相关规定，如炸药爆炸，声纳使用和船舶运行等。之前美国海军为期五年的许可证将于今年到期，申请结果将于2015年2月2日获得反馈。

4)洛·马公司为美海军水下监视系统升级声纳信号处理计算机。军事航空航天电子学网站2015年8月3日报道:洛克希德·马丁公司的水下监视团队正在推进能够对敌人位于浅海水域安静的柴动力攻击潜艇进行探测、分类和跟踪的技术[6]。

位于圣地亚哥的美国空间和海军作战系统司令部官员于7月30日表示，将向洛克希德·马丁公司系统和训练分部授予一份价值840万美元的修订合同，用于集成通用处理器(ICP)项目。

ICP是美海军海上监视系统(MSS)项目的一个组成部分。海上监视系统是一个可固定也可移动的可展开的声学阵列，能帮助探测、定位、跟踪安静的柴动力和核动力潜艇。

海军反潜战专家也正在细化海上监视系统技术，使其更有效地应对活动在局部地区、近海和广阔的海上利益区域的现代化的柴动力和核动力潜艇，这也正是ICP项目要解决的问题。

目前，ICP项目正在利用提高的自动化技术、阵列技术、硬件插入件以及潜艇与水下作战系统的普通软件元件来研制一种可处理和显示来自固定的和移动的水下系统数据的能力。

ICP项目的最终目的是提供处理能力，即通过利用洛克希德·马丁公司用于监视拖曳阵列传感器系统(SURTASS)猎潜系统的双线29A拖曳式阵列声纳为海军低频主动反潜战双基地声纳处理提供支持。

为优化声纳信号处理能力，使其尽可能具有经济可承受性，ICP项目也正在利用海军声学流行技术快速嵌入计划(A-RCI)。该项目将商业上已有的最新一代计算机服务器技术用于海军潜艇和水面舰船上的声纳信号处理。

ICP将被安装于所有的新系统中。在原有系统达到使用寿命或需要升级时，这些新系统将予以替换。

自2011年，洛克希德·马丁公司一直在研究用于解决ICP项目中多阵列远光灯计数要求所需的算法和技术，并与A-RCI项目合作继续对声纳信号处理进行升级。

该合同于7月31日宣布，是对2013年末授予给单一来源合同方洛克希德·马丁公司价值1190万美元的ICP合同的修订。海军官员表示，此份合同的选项允许将其延长至2017年，届时合同总价值将达到9780万美元。洛克希德·马丁公司也是A-RCI项目的主合同商。

此份修订合同既包括美海军的采购需求，也包括日本政府的采购需求。

5)挪威康士伯公司推出第三代高精度声纳定位系统HiPAP 502。合众国际社和康士伯公司网站2015年12月2日报道:挪威康士伯公司的第三代高精度声纳定位和导航系统现已面世[7]。

该公司表示，新的高精度声纳定位和导航系统，也称HiPAP 502，比早期型号更小、更轻、更持久、更精准，确立了水下定位参考系统的新标准。

第三代HiPAP采用更小巧的收发器，封装在不锈钢中，在暖热环境下无需额外进行制冷。新型低功率收发器线路板，可提供更好的滤波和信号处理能力，使灵敏度提升5dB～6dB。随着灵敏度的增加，应答器的源电平变低，电池可以使用更久。康士伯公司还表示，HiPAP 502的精准度为100%，能够达到16404英尺(约合5000m)的作用距离。

该产品可以支持科考船只的海外作业。

康士伯公司于1996年推出第一代HiPAP 500，随后在2007年推出了HiPAP 501。

6)日着手研发新型声纳和鱼雷。香港《大公报》报道:日本《产经新闻》26日报道称，日本防卫厅将着手研发新型声纳，同时在研制新型攻击潜艇用短鱼雷，以对付中国在东海的潜艇，维持日本反潜作战能力的优势[8]。

《产经新闻》称，新型声纳的特色是将过去装备在潜艇的圆筒型艇首声纳改良成U字形，提高侦测能力并节省电力和轻量化，同时也把侧面声纳大型化，将潜艇全身声纳化，以消除探测声音来源的死角。

防卫厅技术防卫总部预计声纳研发的总费用约39亿日圆(二亿五千万港元)，已列入2006年的预算要求，将于2006年开始研发。

报道引述防卫厅官员的发言指出，中国潜艇在水深200m以内的浅水海域活动趋于频繁，日本为有效发挥侦测、追踪和攻击目标的效果及提高反潜作战技术的能力，研发高性能声纳不可少，因此着手研究。

由于浅水海域造成声音的紊乱反射，影响声纳的侦测能力，日本和美军将共同储存浅水海域的音响资料，视必要而应用于声纳的开发。

此外，日本为提高在浅水海域对潜艇的攻击能力，已拨款约一百五十五亿日圆，研制新型攻击潜艇用短鱼雷，以取代现有的九七式鱼雷。

7)DCNS公司向印尼提供潜艇作战系统用于其潜艇升级。简氏防务周刊2015年12月27日报道: 近日，法国的DCNS集团通过其全资子公司UDS向印尼海军“克拉”级柴电潜艇提供了一套潜艇作战管理系统(CMS)[9]。

据悉，在DCNS公司的方案中，潜艇战术综合作战系统(SUBTICS，下同)将执行维护、检修和大修的内容。印尼方面希望通过维护大修，可以使这级引自德国的潜艇服役至2024年。

该级潜艇的海事系统和SUBTICS将会和泰勒斯公司的声纳套件以及WASS公司的鱼雷火控系统进行集成，潜艇作战管理系统采用开放式架构和接口设计，因此其他制造商的系统将很容易接入。通过超高频、极高频和网络卫星，SUBTICS可以接入战术数据，该系统还有一个可以存储数据的数据库，可以回放和分析海上和陆地的情况。该数据库还可以存储一些情报数据，用于自动分类和识别目标。

该系统有六个工作站，两个用于通信和指挥，两个用于火控，剩下的用于声纳和目标运动分析。该系统除用于法国的“梭鱼”级核攻击潜艇和“凯旋”级中的“可怖”号弹道导弹核潜艇外，还用于马来西亚和新加坡的潜艇中。

DCNS公司拒绝就这次的投标活动发表意见，他们认为这是商业行为，在这个阶段，仍有竞争，因而不适宜发表意见。除了DCNS，韩国的大宇造船公司也参与了竞标，两家公司的方案包括划分给印尼国有造船厂有关的工作以及对当地造船业的技术支持等

4发展分析

舰艇声纳技术的应用与发展趋势:一是先进信号处理技术；二是水声通信和声纳组网技术；三是被动声纳技术；四是低频主动声纳技术；五是爆炸声回波定位技术[10]。

1)发展先进信号处理技术。随着高性能微处理器和各种专用、通用高速数字信号处理器的出现以及各种先进信号处理算法的开发，声纳的效能发生了巨大的变化。各种非声学传感器(如雷达)数据和纳呐数据结合起来，通过光纤送到潜艇的作战指挥系统进行集中处理，构成战术指挥图供作战时参考。

2)发展水声通信和声纳组网技术。先进的信号处理技术显著提高了声纳系统的性能，使声纳除了完成潜艇探测的任务外，还可以进行远距离水声通信。现在的水声通信技术已经可以实现图像传输，通过编码技术可以进行100bit/s～1000bit/s的低速数据传输。 例如，美国海军研究局和空海战系统中心主持的“海网”(Seaweb)；北约使用的声纳监听系统(SOSUS)的被动声纳阵列来探测潜艇，由反潜巡逻机接收声纳阵列的信号来扩大反潜的海域。

3)发展被动声纳技术。只要水面舰艇依然产生噪声、核潜艇依然会发出规则的声信号，就会被被动声纳发现。发展用于监听噪声的被动声纳站，对窄带信号的检测成为声纳信号处理的关键技术。

4)发展低频主动声纳技术。常规潜艇可以关闭发动机潜伏在海底不发出一点声响，采用新型不依赖空气动力装置(AIP)的潜艇甚至可以潜伏几星期。此时，被动声纳就无法对潜艇实施有效探测。安静型柴电潜艇的广泛装备，使声纳技术的研究热点重新转移到主动声纳上。但主动声纳有两个缺点，一是声纳发射的声波会被反潜设备接收到，使潜艇暴露目标并遭到攻击；二是主动声纳在浅海的作用距离受海床的影响。声纳脉冲会在海底和水面之间反射，沿不同路径返回。此时会有微小的时延，在接收机上形成混响干扰，掩盖目标的回波。声纳使用的脉冲序列越长、探测距离越远，声纳受混响的影响就越严重，选择短脉冲固然会减小混响的影响，但同时也减小了声纳的探测距离。

解决这个矛盾的方法之一是使用脉冲编码技术。一个长脉冲序列可以被压缩成一个短脉冲序列，但频率和相位也会发生一些变化。这就是脉冲压缩理论，它是抗“多选效应”的有效手段。在声纳信号处理中经常使用频率调制技术，信号在频域的带宽越宽，在时域的脉冲就越窄。

声纳所用声波的频率越低，作用距离就越远，产生低频信号的换能器体积也就越大。当使用声波的频率低于3.5kHz时，声纳就会因为换能器体积过大而不能安装在舰艇上，只能采取拖曳的方式。低频声纳使用的频率一般为100Hz～500Hz，高于被动声纳探测的频率范围。此外，舰艇主动声纳还可以通过控制波束仰角、采用自适应技术来减小混响的影响。

5)发展爆炸声回波定位技术。潜艇噪声的降低将会使SOSUS声呐系统失效，但可以通过增加一个“信号”深水炸弹爆炸声来解决问题。爆炸声将在寂静潜伏的潜艇上产生回波，SOSUS系统的被动声纳阵接收回波并进行定位。

5结语

随着微电子技术，信号处理技术的发展以及人们对声纳传播规律的认识，声纳技术有了长足的进步，出现了多种低频、大功率、大尺寸基阵声纳和新体制声纳系统，在未来现代化战争或区域海战中，对于反潜来说，适时运用好声纳技术，就能够有效地打击敌方，从而达到保护自身舰艇的安全[11]。

参 考 文 献

[1] 董文洪，杨日杰，田宝国.航空搜潜声纳浮标位置计算方法研究[J].测试技术学报，2005,19(4):383-387.

[2] 李居伟,徐以成,孙明太.被动定向声纳浮标的目标运动分析[J].电光与控制,2011,18(12):31-34.

[3] 美海军为无人潜航器配备探雷声纳[N].每日防务快讯，2014-03-12.

[4] 英国计划对2093型声纳进行宽带升级[N].每日防务快讯，2014-10-21.

[5] 美国海军计划增加声纳浮标的使用[N].每日防务快讯，2015-02-02.

[6] 洛·马公司为美海军水下监视系统升级声纳信号处理计算机[N].每日防务快讯，2015-08-07.

[7] 挪威康士伯公司推出第三代高精度声纳定位系统HiPAP 502[N].每日防务快讯，2015-12-09.

[8] 日着手研发新型声纳和鱼雷[N].中新网，2015-11-27.

[9] DCNS公司向印尼提供潜艇作战系统用于其潜艇升级[N].每日防务快讯，2015-12-31.

[10] 董志荣．被动声纳浮标目标运动分析数学模型[J]．电光与控制，2006，13(6):1-5.

[11] 宋明顺.测量不确定度评定与数据处理[M].北京:中国计量出版社，2000:3848.

Application and Development of Shipboard Sonar Technology

ZHANG Wei

(Navy Representative Office in 431 Factory，Huludao125004)

AbstractSonar is a kind of electronic device which uses propagation characteristics of sound wave to complete the tasks of underwater detection and communication by acoustic conversion and information processing. The paper discusses the application and elevelopment of shipboard sonar technology.

Key Wordsships, sonar technology, development analysis

* 收稿日期：2015年11月10日,修回日期：2015年12月26日

作者简介：张巍，男，工程师，研究方向：舰船监造。

中图分类号TN97

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.004