拖曳阵列声纳

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拖曳阵列声纳用来对潜艇和水面舰艇进行探测,标定,跟踪以及类型识别。与传统的声纳相比,避免了因依托舰艇平台而受到多重限制:其一,空间有限,特别是容纳声阵的空间有限,制约了传统声纳性能的提高;再者,来自舰艇平台的自噪声(包括航行水噪声)的干扰。
发达国家更为普遍地发展了战术拖曳线阵列声纳,如美国当前装备海军舰艇的AN/SQR-19声纳,它是在AN/SQR-15和AN/SQR-18的基础上开发而成的。该阵列声纳长800英尺,拖缆长5600英尺,拖曳深度可达1200英尺。
传统的声纳都是依托舰艇平台,因而受到多重限制。其一,空间有限,特别是容纳声阵的空间有限,制约了声纳性能的提高;再者,来自舰艇平台的自噪声(包括航行水噪声)是声纳工作的重要干扰源。此外,对水面舰艇而言,声纳不能根据水文(声速分布)改变声阵深度适应最佳传播条件。拖曳变深声纳(VDS)的出现,部分地突破了上述局限。
为扩展声阵孔径,将变深声纳的拖体演变,扩充为长达百米至数百米的长线阵列——拖线阵声纳。1984年美国将水面拖线阵列系统引入声监控系统作为远程被动声警戒,对潜艇和水面舰艇的航
行噪声实施探测、定位和识别。大孔径拖曳线列阵,长达6500英尺,拖于航行舰船之后,船上安装的设备对来自水听器阵列的信号进行前置调节、处理和终端显示,进而将水下探测信息经卫星发往岸上设备,与其他数据一起综合分析。
除了象水面拖线阵列系统这种远程警戒拖曳线列阵声纳外,发达国家更为普遍地发展了战术拖曳线列阵声纳,如美国海军当前装备水面舰艇的AN/SQR-19声纳,它是在AN/SQR—15和AN/SQR—18基础上开发而成的新型标准战术拖线阵声纳。声阵长800英尺,拖缆长5600英尺,拖曳深度可达1200英尺。在大洋中探测距离可超过第二会聚区(达120千米以上)。台湾当局妄图实现其台独野心,正在大力扩充军备。其建造的“成功”级护卫舰,从第3艘开始已装备AN/SQR-18(V)2型拖线阵声纳,性能虽低于AN/SQR-19,但也具有较先进的探测和识别定位能力。
被动拖线阵声纳是以检测目标航行时水下噪声为手段探测目标的,随着潜艇降噪技术的进展,安静型常规动力潜艇的出现,特别是不依赖空气推进技术投入应用,使本艇辐射噪声大大减小,随后核动力潜艇降噪也获得相应地进展,使被动声纳探测目标困难。人们把目光又投向主动式探测声纳,开始了低频主动拖线阵声纳研究。主动拖线阵声纳利用低频长发射脉冲、大孔径声系统来增大探测距离。北约水下研究中心在80年代初就进行主动拖曳阵声纳的方案和技术可行性研究,1992年主动拖线阵声纳首次参加北约组织的“龙锤”92(DRAGONHAMMER92)演习,这不是实验式的海试,而是以整机规模参加北约组织的一次演习。随后在英吉利海峡的西南水域多次组织海试,试验动用了意大利的“托蒂”潜艇和德国的U 30型潜艇,取得了有价值的成果。试验用的主动拖线阵声纳的发射声系统和拖体。
1991年荷兰皇家海军TNO物理和电子试验室与德国汤姆逊-辛特拉公司共同开始研制低频主动拖线阵声纳。1994~1997年期间,在不同季节,不同水域进行海上研究实验。为解决单列线阵的拖线阵声纳难以区分目标方位是在左舷还是右舷的问题,该低频声纳采用双线拖曳阵列。
拖线阵中的传感器有水听器模块和非声模块。后者用以监控阵形和姿态。试验阵有7个水听器模块,每个模块由32个水听器组成。水听器模块可增加,即声阵孔径可根据需要扩展。声纳工作频率低于1000赫兹,发射声源级为200分贝,拖曳深度50~250米,探测距离超过第一会聚区,达30海里以上。拖线阵采集的声和非声数据,数字化后经光缆传输至舰上信号处理设备。由工作站作为主控机处理接全向低频发射换能器双线列阵光纤数据传输缆收信号、完成对目标的探测、定位和识别分类。
新工作体制的声纳当然不仅仅限于主、被动拖线阵声纳,还有其他新体制声纳。如潜艇用舷侧阵声纳,布设声接收阵列于艇体两舷侧,充分利用艇体船舷侧面,增大声阵孔径,提高空间增益,改善声纳探测性能。
由艇体振动和附面流噪声所产生的干扰,技术上可以解决。至于水面舰艇舷侧阵虽未见报道,且舰内机械和舰体振动噪声以及水面航行的流噪声等干扰较潜艇要高得多,但水面舰艇舷侧阵似乎也不是绝对没有研究价值,特别是对吃水较深的大中型水面舰艇,在航速较低时,利用防摇舭龙骨安装水听器阵列,采取减震措施与艏部发射阵构成主动工作的收发分置系统也可作为一种声纳工作体制开展某些可行性研究。
又如合成孔径声纳利用声纳载体平台的运动,将尺度有限的声阵物理孔径(即声阵的实际物理尺度)所接收的信号沿运动轨迹作时延补偿,使信号相干迭加,把有限物理孔径合成一“虚拟”的增大数倍甚至数十倍声学孔径,以提高声阵空间增益,改善对目标的方位分辨能力。这一课题的研究工作分别在被动合成孔径(用于拖线阵,常作远距离探测之用)和主动合成孔径(用于探雷和高分辨成象声纳,多以拖曳声纳——变深声纳为依托)两方面展开,研究工作方兴未艾。
声纳是利用在海洋中传播的声波来探测目标并对目标进行定位、识别和跟踪的。声纳技术是指各国海军为提高声纳的探测效能而开发和应用的技术。
一、20世纪声纳装备发展概述
人类社会两次残酷的世界大战都发生在20世纪。一战期间为了对付德国人的潜艇攻击,各国海军考虑了许多方法探测水下潜艇。其中包括热、磁、电磁以及声的方法,只有声探测方法有效。从此,声信息进入了海战场最雏形的信息战。最早出现的声纳是达?芬奇管式的被动舰壳声纳和拖曳声纳,具有对目标的估距能力。为了适应武器设计高精度定位的需要,一战末期开发了主动回声测距声纳(战后投入使用),所用的电声换能器是朗之万式压电晶体换能器。声纳装备至今已有八十年以上的发展史。
一战之后,各国加紧了声纳的研究进程。其中美、英等国重点发展主动声纳,德国则主要发展被动声纳。在此期间,对声纳设计有重要关系的传播介质的认识(主要是声速梯度)及假设检验与估计理论的应用提到了各国海军的议事日程之上。
二战和战后冷战时期的迫切需求进一步促进了声纳装备的发展。美国人把水声与雷达、原子弹并列为三大发展计划。水声传播、噪音、混响、反射的理论和实验研究工作广泛展开,特别是在用计算机解声传播方程方面的研究成果解决了声纳系统设计的水声建模难题。包括主动辐射器和被动水听器在内的水下电声换能器技术取得长足的进步,大大促进了声纳装备的发展。
在声纳开发的起步阶段先后研制成功了电晶体材料和磁致伸缩(利用电磁效应)材料的换能器,后来又开发了压电陶瓷材料的换能器,至今仍广泛使用。近年来又涌现出各种新材料和新概念,如新磁致伸缩材料(稀土-铁磁致伸缩等)、复合材料、压电聚合物、光纤水听器等。60年代末到70年代初诞生了全数字声纳处理系统。
核潜艇的出现及其发射远程弹道导弹的能力,使得短距离主动声纳已不能满足探测潜艇的要求,各国海军转而发展被动声纳以保证远距离探测与识别水下目标。低频和大孔径成为这一时期研制远距离探测声纳的发展方向。各国海军先后研制成功了舰(艇)壳安装的共形阵和连续的舷侧阵列声纳、长拖曳线阵列声纳、低频大孔径被动声纳等。与此同时,舰载直升机/岸基巡逻机搜潜系统(包括被动浮标声纳和主动吊放声纳)和岸基被/主动声纳站也相继发展起来。
由于声隐身技术的迅猛发展,核潜艇虽然产生的总能量可观,但只有极少的一部分以声能的形式向外辐射,使声纳探测面临严重挑战。为适应这种形势,人们又把部分注意力转向主动拖曳线阵列声纳为代表的低频主动声纳,特别是面向浅海工作的,对付更为安静的柴-电潜艇的低频主动声纳。
二、各国近年来新型工作体制声纳的研究
传统的声纳都要依托舰艇平台,因而受到许多限制:1、空间有限,特别是容纳阵列声纳的空间有限,制约了声纳性能的提高;2、来自舰艇平台的自噪声(包括航行水噪声)是声纳工作的重要干扰源;3、对水面舰艇来说,声纳不能根据水文条件(声速分布情况)的变化而改变声纳深度,因此不能随时接收最佳的水声信号。拖曳变深声纳的出现,部分地突破了上述局限。为扩展阵列声纳孔径,变深声纳的拖体逐渐演变成数百米的长线阵列,形成了拖曳线阵列声纳。这种阵列声纳拖于航行中的舰艇后面,舰艇上安装的设备对来自水听器阵列的信号进行前置调节、处理和终端显示,进而将水下探测信息经卫星发往岸上设备,与其它数据一起进行综合分析。
除此之外,发达国家更为普遍地发展了战术拖曳线阵列声纳,如美国当前装备海军舰艇的AN/SQR-19声纳,它是在AN/SQR-15和AN/SQR-18的基础上开发而成的。该阵列声纳长800英尺,拖缆长5600英尺,拖曳深度可达1200英尺。
被动拖曳线阵列声纳是以检测目标航行时的水下噪声为手段探测目标的,随着潜艇技术的发展,潜艇噪声越来越小,用被动拖曳线阵列声纳探测目标越来越困难。为此,各国海军又把目标投向了主动式探测声纳,开始研制低频主动拖曳线阵列声纳。北约水下研究中心于80年代开始研究工作,1992年其研制的主动拖曳线阵列声纳首次参加军事演习。1991年荷兰和德国联合研制低频主动拖曳线阵列声纳,94~97年之间分别进行了海上研究实验。
其它的工作体制声纳还有:潜艇用舷侧阵列声纳,该声纳布设声接收阵列于艇体两舷侧,充分利用艇体船舷侧面,可增大阵列声纳的孔径,提高空间增益,改善声纳探测性能。合成孔径声纳,利用声纳载体平台的运动,将尺度有限的阵列声纳物理孔径所接收到的信号沿运动轨迹作延时补偿,使信号相干叠加,从而合成一"虚拟"的增大数倍甚至数十倍的声学孔径,以提高阵列声纳的空间增益,改善对目标的方位分辨能力。
三、声纳系统的发展趋势
冷战结束之后的海战场已进入了信息战时代。声纳的发展也迈向了知识和信息时代,主要表现在以下方面:
1、继续向低频、大功率、大基阵方向发展。鉴于声波在海水中的传播特性以及低频大功率与基阵的关系,开发大孔径低频声纳技术是解决远程探潜、进行有效反潜的前提。
2、向系统性、综合性发展。舰艇声纳系统将由单项功能的单部声纳逐步发展为由多部声纳组成的收-发分置、多基地、多传感器的综合声纳系统,并进而构成潜艇战和反潜战声知识基作战系统。如美国水面舰艇装备的AN/SQQ-89反潜综合作战系统,它是由舰壳主动声纳、战术拖曳线阵列声纳、舰载直升机搜潜系统和声纳信号处理机、反潜火控系统和声纳状态方式评估系统等组成。该系统于1991年开始装备"阿利?伯克"级驱逐舰。
3、向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展。现代声纳设备,无论是换能器基阵、还是信号处理机柜及显控台,都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少的优点。
4、计算机的应用使声纳向智能化方向发展。用计算机进行声纳波束形成、信号处理、目标跟踪与识别、系统控制、性能监测、故障检测等。可大大提高声纳的性能。随着第五代计算机(即人工智能计算机)的问世,声纳也正在向智能化方向发展。目前神经网络的研究取得了令人瞩目的进展,它与计算机技术和信号处理技术相结合,使声纳智能化成为可能。
5、由均匀传播介质、各向同性噪声场和单个平面波信号条件下的声纳设计发展为开发和利用非平面波、非高斯、非平稳信号和噪声实际特性的环境处理的声纳设计,以获取和占有更多的信息和知识,大幅度提高声纳检测距离、定位精度、识别正确率和目标运动分析/跟踪能力。
四、21世纪声纳装备的支撑技术
舰载声纳系统是舰艇探测水面舰艇、水中武器、潜艇的主要手段。国外海军不惜投入大量人力物里,开发研究声纳技术和装备。在未来海战场信息战中,声纳及综合声纳系统将扮演越来越重要的角色。20世纪形成的初级知识型声纳和综合声纳系统,在21世纪必将得到进一步的发展和提高。21世纪声纳技术将应用海洋声学、电子学、计算机学、材料学、通信理论等领域的最新成果,用更精致的模型表征海洋声环境物理特征,从而创造出高级知识型声纳和声纳系统。
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