潛艇利用聲吶的原理（國外潛艇用聲吶發展現狀）

2023-08-09 21:48:44

潛艇是重要的水下作戰平臺，在各國海軍中扮演著極其重要的角色，其功能包括偵察水下目標、攻擊敵方軍艦、沿海反潛作戰、協同對陸作戰等。潛艇聲吶系統包括艇艏多功能綜合聲吶、舷側陣聲吶、拖曳線列陣聲吶以及通信聲吶，可實現對水面艦艇、潛艇和其它水下目標的探測、識別、跟蹤，還可用於水下通信和導航，協同配合水面艦艇及反潛飛機作戰。

近年來，隨著隱身降噪技術、水聲對抗技術的應用，潛艇的隱蔽性和機動性得到了大幅度的提升，安靜型潛艇輻射噪聲（1KHz處）譜級已經同零級海況的環境噪聲相當，甚至低於環境噪聲，給水下探潛帶來了難度。各國努力提高探潛能力，建設反潛體系，在積極發展反潛兵力的同時，更加著重發展以聲吶為主的反潛裝備。本文根據潛艇聲吶的發展歷程，對潛艇聲吶工作原理、系統組成以及國外潛艇聲吶發展情況作簡略介紹。

一、潛艇聲吶工作原理

聲吶是利用聲波對水下目標進行探測、識別、定位以及通信的設備，通常由換能器基陣、電子機櫃和輔助設備構成。換能器是實現電能和聲能之間轉換的裝置，可將聲波所攜帶的聲信息轉換為電信息，根據功能一般可分為發射換能器、接收換能器和收發合置換能器。電子機櫃通常由發射模塊、接收模塊和顯控模塊組成。輔助設備包括電源、電纜以及聲吶的回收、投放裝置等。

聲吶按其工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶兩種。主動聲吶發射聲波，然後根據回波探測水下目標（如冰山、水雷、魚雷、艦船和潛艇等）。主動聲吶根據發射信號與回波信號之間的時延差估計目標距離；根據回波波前法線估計目標方向；根據回波的相位、幅度變化規律估計目標外形特徵、運動狀態。被動聲吶接收艦船、潛艇等水下目標發出的聲信號，探測到目標的位置等信息，同時又不暴露自身目標。美國潛艇聲吶根據任務功能分為3類，包括主動搜索聲吶、被動攻擊聲吶和被動警戒聲吶。近年來，由於不想暴露潛艇自身目標，美國海軍逐漸弱化了對主動搜索聲吶的需求，轉而重點研究被動攻擊聲吶和被動警戒聲吶］。

二、潛艇聲吶系統組成

目前，一艘成熟的核潛艇一般裝備多型不同功能的聲吶設備，以美國「維吉尼亞級」潛艇為例，配備有艇艏陣聲吶、舷側陣聲吶、拖線陣聲吶以及通信聲吶基陣等，實現主動搜索、被動攻擊、被動警戒等功能。

⒈艇艏陣聲吶

潛艇艏部是安裝聲吶基陣的最佳位置，相對潛艇其它位置，艇艏空間大、噪聲低、視野開闊，因此艇艏陣聲吶又被稱為「主戰聲吶」，是潛艇聲吶系統中最重要的設備之一。艇艏陣聲吶通常兼具發射和接收兩種功能，用於主動搜索、被動警戒以及引導武器攻擊，可實現目標定位、識別、追蹤以及通信等功能，其性能好壞直接影響整個聲吶系統。艇艏陣聲吶聲學孔徑大，可覆蓋低頻、中頻、高頻甚至是超高頻，其垂直和水平方向兩維的大孔徑大幅度提升了聲吶性能，尤其是通過垂直孔徑的提高，有效提高了聲吶的作用距離和垂直解析度。

艇艏陣聲吶一般分為圓柱陣聲吶、球陣聲吶和共形陣聲吶。由於艇艏空間較為寬裕，一般布置體積較大的圓柱形或球形聲吶基陣，因聲吶體積大、聲學孔徑大、工作頻段低、發射功率高，因此探測能力強，空間監測範圍廣。球陣聲吶可以實現垂直方向的均勻波束旋轉，而圓柱陣聲吶在垂直方向進行波束旋轉時，波束寬度會隨仰角改變。共形陣聲吶較圓柱陣聲吶、球陣聲吶的工程實現簡單、觀察範圍大、聲學孔徑大。

⒉舷側陣聲吶

舷側陣聲吶基陣通常沿艇體縱向排列，工作頻率低、空間增益大，探測角度大於120°，有較大的工作範圍。現代潛艇裝備的舷側陣聲吶主要有兩種類型：一種是呈條帶形，位於艇左右兩側；一種是三元式平面基陣，位於艇左右兩側。由於舷側陣聲吶位於艇體兩側，相對於艇艏陣聲吶，其探測距離更遠，監測範圍更大，可用於探雷、規避以及高、低速航行遠程警戒。

⒊拖線陣聲吶

拖線陣聲吶位於潛艇尾部，可消除潛艇尾部探測、識別的盲區，配合艇艏陣聲吶、舷側陣聲吶進行全方位探測。為了消除單線陣的左右舷探測、識別模糊問題，利於低頻遠距離探測，實現遠程警戒並為反潛遠程飛彈提供目標指示，通常潛艇採用兩條拖線陣聲吶。相比其它聲吶，拖線陣聲吶可擺脫艇體對陣列尺寸的限制，聲學孔徑大，有著較遠的探測距離和較高的精度，成為各國海軍競相研究的對象。

⒋通信聲吶基陣

通信聲吶基陣由幾個定向換能器基陣組成，利用發射換能器發射調製信號，經接收換能器基陣處理後獲得信號準確信息，一般用於潛艇與潛艇或者與水面艦船之間的通信聯絡。

美國「維吉尼亞級」核潛艇

三、國外潛艇聲吶發展情況

從20世紀20年代至今，美國發展聲吶裝備已有近100年的歷史。美國非常重視聲吶裝備的發展，投入了大量人力、物力，將各種新技術、其它科學領域的最新研究成果投入到聲吶裝備的研製過程中。目前，美國海軍的聲吶裝備代表了世界最先進水平，其譜系最廣、規模最大、技術最先進，而其他國家海軍的聲吶裝備發展相對緩慢、規模較小。認真了解國外聲吶裝備的發展歷程，吸取經驗教訓，揚長避短，對我國海軍聲吶裝備的發展有重要意義。

⒈美國潛艇聲吶發展情況

二戰期間，美國潛艇的主要任務就是攻擊日本的軍艦及其過往的運輸船隻，此外還執行布雷、偵察及運輸部隊等任務。當時美國海軍重點研究的是潛艇的下潛深度和續航能力，為追蹤目標，潛艇主要配備WCA系列聲吶。WCA-2聲吶由3個分系統組成：第1個分系統是JK/QC接收機，JK酒石酸鉀晶體水聽器僅用於聽測，QC磁致伸縮換能器用於回聲測距，兩者不能同時工作；第2個分系統利用QB酒石酸鉀晶體換能器實現測距功能，QB換能器比QC換能器的工作頻帶範圍寬；第3個分系統僅包含NM磁致伸縮換能器，用於測深。20世紀50年代，美國潛艇普遍配備WFA或BQS-3（WFA改進型）主動聲吶，以應對水下潛艇的作戰需求。WFA屬於探照聲吶，可實現水聲測距、水下通信以及探測魚雷等功能。WFA搜索效率低，為提高搜索效率，美國海軍研製出QHB聲吶用於裝備在「鸚鵡螺號」核潛艇上。「鸚鵡螺號」核潛艇是供美國海軍使用的第一艘核動力潛艇，也是世界上第一艘核潛艇，於1954年下水，該潛艇配備2臺QHB-1聲吶，分別裝於甲板上和艇底部。二次大戰末期，美國把戰時德國最先進的U-XXⅠ型潛艇及大量相關資料帶回國內進行深入分析研究，並以該艇上配備的GHG基陣為原型設計改良了被動聲吶，研製出了20世紀50年代裝備性能最好的AN/BQR-2聲吶。BQR聲吶基陣採用半徑為1.22m、高約為1m的圓柱形布陣方式，其包括48個垂直陣元，可實現定向掃描以及360°全方向掃描，工作頻帶為150Hz～15KHz。

本艇在等溫層低速航行條件下，對高速艦艇最大探測距離約為27km。1955年美國海軍首次批量生產了4艘第一代攻擊型核潛艇——「鰩魚級」攻擊核潛艇。「鰩魚級」攻擊核潛艇於1959年服役，相對「鸚鵡螺號」核潛艇，噪聲較小，配備了BQR-2被動聲吶和BQS-4主動聲吶系統。BQS-4圓柱形聲吶基陣位於艇艏部，共480陣元，直徑約為1m，工作頻率為30KHz。本艇在等溫層低速航行條件下，對高航速艦艇的探測距離不小於18.5km。「鰹魚級」二代攻擊核潛艇於1961年開始服役，也採用BQS-4主動聲吶和BQR-2被動聲吶系統。20世紀50年代末美國雷聲公司開始研製球體聲吶，以便減小自噪聲、探測低頻信號。美軍分別在「長尾鯊級」三代、「鱘魚級」四代攻擊核潛艇安裝了BQS-6的球形聲吶基陣，基陣由壓電陶瓷材料製成，直徑約3.6m，共1245陣元，這是1臺模擬波束形成器，後續產品更迭為數字式計算機。

二戰後很長一段時間，美國潛艇都處於領先地位。從20世紀70年代起，進入冷戰時期的蘇聯，潛心研究潛艇技術，歷經10年左右，在潛艇隱身降噪方面取得了突破性進展，大大縮短了與美軍的距離，美國感到了前所未有的挑戰。冷戰時期美國攻擊型核潛艇的主要任務是在水下與蘇聯安靜型潛艇對抗，長期對其進行跟蹤與監視，獲取制海權。「洛杉磯級」潛艇是美國海軍歷史上技術最為成功的一級核潛艇，至今都有在服役。該艇在外形設計和機械設備上都採取降噪措施，提升了隱身降噪能力，還配備了高性能的BQQ-5綜合聲吶系統，系統包含AN/BQS-13DNA艇艏球形聲吶，BQG5D寬孔徑舷側陣聲吶、TB-16和TB-23拖曳聲吶、BQS-15主動高頻聲吶、MIDAS水下探雷和探冰聲吶。本艇可主被動協同工作，採用數字式多波束掃描技術，可同時追蹤多個目標。

「海狼級」潛艇堪稱為21世紀攻擊核潛艇，能長時間在大西洋靠近蘇聯海域反潛巡邏，有絕佳的聲吶探測能力。「海狼級」潛艇艇艏部配備了球形聲吶基陣，由上、下2個球體組成，上球體為被動接收陣，下球體為主動發射陣，約有2870個陣元。被動接收陣附近布放了3層共形陣，陣元間距約為0.75m，共96陣元。此外，為了提高陣增益，「海狼級」潛艇在艇體左側壓力殼內安裝TB-29細線拖線聲吶基陣，右側則延續「洛杉磯級」潛艇在艇體導管中安裝了TB-16粗線拖線聲吶基陣，兩陣都是經由導管釋放出去。TB-23細線拖線陣聲吶聲學孔徑長度是TB-16的4倍，但流噪聲相對較高。

隨著蘇聯解體，冷戰結束，美軍潛艇在大洋深處取得了絕對的制海權，美軍潛艇的使命也變為處理地域性戰爭、在沿海反潛作戰、協同對陸作戰等。因此，美國海軍放棄了「海狼級」潛艇，改為研製排水量小、用途廣泛、可用於近海海域作戰的攻擊型核潛艇，第七代攻擊級核潛艇「維吉尼亞級」核潛艇應運而生。「維吉尼亞級」核潛艇成本低、性能高，既能遠洋反潛又能近海作戰，因而被批量生產服役於美國海軍至今。「維吉尼亞級」核潛艇於2004年正式服役，截至2018年已有16艘下水，其配有AN/BQQ-10(V)4聲吶系統，系統包括BQQ-10艇艏陣聲吶、輕型寬孔徑舷側陣（LWWAA）聲吶、TB-16粗線拖線陣聲吶、TB-29A細線拖線陣聲吶、BQS-2導航測冰聲吶等。BQQ-10聲吶可以主動方式對水下目標定位，經計算機將目標定位信息連續地傳送給火控系統，便於對目標實施精準打擊。此外，它還可用作被動聲吶實現目標的探測、追蹤及水下通信等。「維吉尼亞級」核潛艇從第二批次起改用了寬孔徑聲吶（LAB）替代原BQQ-10球形艇艏陣聲吶，大大提高了被動探測能力和系統可靠性。LWWAA 聲吶由6個基陣組成，每個基陣含448個陣元，共2688個陣元。LWWAA聲吶採用光纖水聽器製成，與BQG-5相比，極大地減輕了基陣重量，且靈敏度高了一個數量級。相比於「海狼級」潛艇裝備的TB-29細線拖線陣聲吶，TB-29A細線拖線陣聲吶增加了聲學孔徑，提高了陣增益。近年來，隨著光纖水聽器技術的發展，光纖水聽器尺寸進一步減小，在水下工作時穩定性、可靠性進一步提高，美國海軍越來越重視光纖水聽器的應用，定量生產的TB-33超細型光纖拖曳線列陣聲吶和全光輕型寬孔徑陣列聲吶，已部分裝備在「維吉尼亞級」核潛艇上。

俄羅斯「基洛級」潛艇

⒉其他國家潛艇聲吶的發展情況

⑴艇艏陣聲吶發展情況

前蘇聯的潛艇以裝備艇艏圓柱陣聲吶為主，如裝備於「V級」核潛艇的MTK300紅寶石、「S級」和「AK級」核潛艇的MTK540「鰩－3」、877型「基洛級」潛艇的MTK400系列，這些聲吶體積大、聲學孔徑大、工作頻段低、發射功率高，可實現遠距離目標探測。其中，MTK540 「鰩－3」圓柱陣聲吶被動工況下探測距離可達60～80km，主動工況下可對35km範圍內的目標精準定位，綜合性能較好。法國TSM-2233聲吶綜合系統和德國214４型潛艇裝備的聲吶系統中艇艏聲吶基陣也都是圓柱形。

前蘇聯解體後俄羅斯改用艇艏球陣聲吶，如885型「雅森級」核潛艇上裝備的阿雅克斯巨型球陣聲吶，其直徑也達到了6m。由於球陣聲吶的一些弊端，比如造價昂貴、加工工藝要求高，以及碩大的體積佔據了艇艏的全部空間，導致魚雷發射管需後移，給整個艇體系統布置帶來不少困難，而共形陣聲吶的工程實現簡單、觀察範圍大、聲學孔徑大，因此俄羅斯在「拉達級」核潛艇艇艏採用了大型共形陣聲吶來代替原來的球陣聲吶。

⑵舷側陣聲吶發展情況

目前，各國海軍潛艇根據不同的作戰需要裝備了不同型號、不同性能的舷側陣聲吶。法國DUUX-5型聲吶採用三元式布陣方式（艇左右兩側分布被動三元式平面基陣）。法國泰利斯公司開發出TSM-2233聲吶綜合系統，採用模塊化結構，將舷側陣的適配性提高，可滿足各種需求。TSM-2233聲吶系統可對窄帶、寬帶信號以及瞬時噪聲進行被動自適應信號處理，抗幹擾能力強。該聲吶系統的舷側陣裝備在法國「不屈級」、「凱旋級」、「紅寶石級」攻擊型核潛艇上，以及阿根廷的「聖克魯斯級」潛艇、印度的「希沙瑪級」潛艇、巴基斯坦的「阿戈斯塔90B級」潛艇上。另外該公司還研製了TSM-2233舷側陣聲吶，兩條平面陣分布於潛艇兩側，可實現低頻被動聲吶，目前裝配在挪威的「烏拉級」潛艇、澳大利亞的「科林斯級」潛艇以及智利的「天蠍座級」潛艇上。類似地，德國阿特拉斯公司的FAS-3兩條舷側陣聲吶裝備在德國和義大利的212A型潛艇、韓國的214型潛艇以及20多個國家購置的209型潛艇上，工作頻帶為10Hz～2.5Hz，可實現對水下目標的遠程被動探測能力。但俄羅斯潛艇的舷側陣聲吶較為獨特，一般以大型共形陣為主，971型「阿庫拉級」核潛艇裝備了鯊魚腮共形陣聲吶。

⑶拖線陣聲吶發展情況

1977年，英國開始研製2026型拖曳聲吶，該聲吶拖纜長1500m、聲陣段長100m、工作頻帶為10～100Hz，裝備於4艘皇家海軍「海象級」潛艇上。英國最新的「機敏級」潛艇很可能參考美國的TB-29A拖線陣聲吶，採用了兩條拖線陣聲吶。1991年德國和荷蘭聯合研究了低頻主動拖曳線列陣聲吶，於1994～1997年間多次進行海上試驗。法國自主研發DSUV-61、DSUV-62潛艇用拖曳聲吶，聲吶拖纜長約400m、聲陣段長約100m、直徑約50～80mm，裝備在「寶石級」潛艇上。澳大利亞海軍「科林斯級」潛艇上裝備的是TB-23細線拖線陣聲吶。加拿大SUBTASS拖線陣聲吶直徑為60.3m、長266m、工作頻帶為5～3200Hz，裝備在「奧伯龍級」和「維多利亞級」潛艇上。俄羅斯971型「阿庫拉級」核潛艇裝備了MTK540「鰩－3」低頻拖曳線列陣聲吶。

四、結束語

反潛一直是海軍作戰的重點，到目前為止，聲吶仍是實現水下遠程探測的唯一有效手段，是各國海軍掌握水下監視和控制的首要手段。近年來隨著隱身降噪技術、水聲對抗技術的提升，傳統聲吶已經不能滿足探潛需要，提高聲吶性能、擴大陣列規模、發展新型水聽器成為各國海軍當務之急。本文介紹了潛艇聲吶工作原理、系統組成、美國及其他國家潛艇聲吶裝備的發展歷程和應用情況，對掌握反潛技術具有一定的參考價值。