國外潛艇拖線陣聲吶裝備及技術(shù)的最新發(fā)展綜述

陳卓

（海裝駐上海地區(qū)軍事代表局，上海，200083）

拖線陣聲吶是20世紀80年代水聲反潛領(lǐng)域中最重要的成就之一，有效提高了潛艇的遠程探測能力。自美國海軍首次在核潛艇上裝備拖線陣聲吶后，英、法、德、蘇/俄以及澳大利亞等國家都投入較大力量進行相關(guān)研究，并在潛艇上廣泛使用[1-3]。

1 美國

美國是最早進行潛艇拖線陣聲吶裝備研制的國家，圖 1 展現(xiàn)了美國潛用拖線陣的研究發(fā)展歷程[4-6]。潛用拖線陣主要有兩個形態(tài)：粗線陣和細線陣，分別適用于潛艇在高速和低速兩種航行狀態(tài)的目標探測。

圖1 美國潛艇拖線陣的發(fā)展歷程

目前安裝于洛杉磯級、俄亥俄級、海狼級、弗吉尼亞級核潛艇上的粗線陣為TB-16及其改進型。1973年，洛克希德·馬丁公司開始研制 TB-16型粗線陣聲吶，其聲陣段長75 m、直徑82.5 mm，拖纜長800 m、直徑9.5 mm。隨著技術(shù)的發(fā)展，TB-16進行了多次改進設計。1982年生產(chǎn)的TB-16A減小了流噪聲，能以更快的拖曳速度工作（或在相同速度時具有更高的靈敏度）；1987年改進后的TB-16B進一步減小流噪聲；TB-16D提高了基陣的數(shù)字化程度；目前最新的改進型粗線陣聲吶為 TB-16G，于2004年開始服役。

TB-34是正在發(fā)展的用以取代TB-16的下一代粗線陣聲吶，在復雜淺海環(huán)境下，能夠有效規(guī)避敵方潛艇和水面艦的探測，提高反潛戰(zhàn)性能并增強避碰性能（包括本艇上浮或在潛望深度工作時與水下目標的可能碰撞）。TB-34以TB-16G的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過頻帶與艇殼陣聲吶的重疊，進行多陣相干處理，方位精度可與 200λ孔徑的陣相比擬，具有分辨水下或水面目標的能力，目標深度估計精度在±15 m內(nèi)。

2019年4月，美國海軍與L-3切薩皮克科學公司簽訂了1380萬美元合同，訂購潛艇用TB-34X拖線陣聲吶。TB-34X具有與TB-34相同的外形尺寸，但在探測性能、可靠性、抗老化性能等方面均有提升。

與粗線陣配合使用的細線陣型號最初為TB-29和 TB-29A。TB-29A 是 TB-29的成熟商用技術(shù)（Commercial Off-The-Shelf，COTS）型，兩者的主要區(qū)別在于TB-29A的傳感器和信號處理器采用了商用系統(tǒng)，大大降低了采購成本，價格不到TB-29的一半。因此，洛杉磯級和弗吉尼亞級潛艇上現(xiàn)有的 TB-29拖線陣聲吶都將逐步由 TB-29A 代替。TB-29A型細線陣的收放系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 美國TB-29A細長線陣及其收放系統(tǒng)示意圖

TB-29A細線陣聲吶基陣長823 m、外徑38 mm、內(nèi)徑19 mm，含有13個48.8 m長的聲學模塊，每個聲學模塊內(nèi)有 32個通道。拖纜長 365 m，由OA-9070/BQ系統(tǒng)收放。TB-29A閑置時基陣可回收到潛艇的主壓載箱中，裝載在 OA-9070/BQ 收放系統(tǒng)的鼓輪上，收放過程安靜可靠，且陣收放精度較高。TB-29A采用標準的數(shù)據(jù)傳輸鏈，優(yōu)化了水聽器，減少了航向、深度傳感器數(shù)量，提高了陣增益，改進了甚低頻性能以及較高航速下的警戒性能。

由于TB-29A優(yōu)越的聲學性能，僅在2001～2005年間，美國海軍就列裝了20余套；2010年7月～2012年11月，又追加了12套訂貨。與此同時還在2008年啟動了綜合可靠性提升工程，主要內(nèi)容包括：電子設備篩選試驗方法改進、拖線陣前后接口模塊護套增強、陣內(nèi)集束件加固、拖線陣各陣段內(nèi)置遙測組件可靠性綜合提升以及更新操作使用說明等。該可靠性提升工程的原因應該就是由于洛·馬公司研發(fā)的TB-29A存在復雜度、功耗、尤其是使用可靠性方面亟待解決的問題。

為滿足海軍潛艇對開闊水域和瀕海地區(qū)中安靜型現(xiàn)代潛艇目標的探測、跟蹤和識別要求，聲吶設計商L-3切薩皮克科學公司正在研制美國海軍新一代潛艇拖線陣聲吶。2019年3月，華盛頓海軍海上系統(tǒng)司令部官員宣布與L-3公司簽訂4310萬美元的合同，為海軍潛艇建造TB-29X拖曳陣。

TB-29X是擁有416通道的細線拖曳陣，具有與TB-29A相當?shù)墓δ芎屯庑?，相同的接口。改進設計的重點在于降低復雜度、實現(xiàn)低功耗，并提高纜陣收放系統(tǒng)的使用可靠性。

2006年12月，美國華盛頓海軍海上系統(tǒng)司令部向馬里蘭州的切薩皮克科學公司訂購了兩套 TB-33潛艇光纖細線陣系統(tǒng)，合同價值1530萬美元，用以繼續(xù)開發(fā)并生產(chǎn)兩套TB-33潛艇光纖細線陣系統(tǒng)，還要求提供培訓、設備測試和3D試驗設備。TB-33潛艇光纖細線陣系統(tǒng)提供與現(xiàn)役TB-29細線陣同樣的功能，并顯著改善了系統(tǒng)的可靠性。

2 英國

英國是世界上第二個研制拖線陣聲吶的國家。由于艦艇數(shù)量少和經(jīng)濟上的原因，英國開發(fā)的拖線陣聲吶以小型為主[5]237-238。

2026型拖線陣聲吶的合同商為英國泰利斯水下系統(tǒng)公司。其聲陣長100 m，拖纜長1500 m，由3倍頻程基陣、拖纜和艙內(nèi)處理顯示系統(tǒng)構(gòu)成。2026型聲吶具有更完備的軟件程序系統(tǒng)，使用寬窄頻帶、低頻線譜檢測技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，具有較好的檢測能力與較遠的探測距離。其工作頻率為10～1000 Hz。被動探測距離 20～50 n mile，可滿足“魚叉”反艦導彈的射擊指揮要求。2026型聲吶的改進型裝備在荷蘭“海象”級常規(guī)潛艇上。

2046型聲吶是在水面艦艇用2031Z型聲吶的實用基礎(chǔ)上進行改進的，裝備在皇家海軍攻擊核潛艇和 TyPe 2400型“擁護者”常規(guī)潛艇上，也作為皇家海軍最大2054型聲吶系統(tǒng)的拖曳部分，裝備在“前衛(wèi)”級彈道導彈核潛艇、“特拉法爾加”和“敏捷”級攻擊型核潛艇上。2046型聲吶主要改進包括：（1）研制更堅固的機電拖纜，使拖纜總長可超過2000 m，基陣的最大拖曳深度可達1000 m左右；（2）采用了先進的“Curtis”數(shù)字信號處理技術(shù)（如采用Ferranti M700 Argus處理器的顯控系統(tǒng)），實現(xiàn)對遠距離目標的檢測、跟蹤和識別；（3）具有 360°方位覆蓋、多目標分辨、頻譜高分辨的寬帶警戒等功能；（4）顯控臺為四個等離子高靈敏度觸摸屏，顯示畫面為檢測用的瀑布圖和識別用的LOFAR，能同時檢測與跟蹤多個目標；（5）采用模塊化設計，盡可能利用最新技術(shù)來節(jié)省空間與成本，方便以后升級維護，且具有嵌入式測試功能。

1990年開始研發(fā)2076型聲吶，最初為皇家海軍改進級“特拉法爾加”和“敏捷”潛艇而設計。該綜合聲吶系統(tǒng)集成了主/被動艇艏陣、被動拖線陣（由安裝在殼體后下方的可纏繞纜系統(tǒng)來布放）、偵察陣、舷側(cè)陣、被動測距陣等多部聲吶，將替換“特拉法爾加”潛艇上的2074型聲吶和2046型聲吶。第5期改進計劃將對部分傳統(tǒng)的處理體系用COTS產(chǎn)品來更替，這種開放式結(jié)構(gòu)有利于快速嵌入新的軟件功能模塊。2076型聲吶已指定安裝在“機敏”級潛艇上，只需對“機敏”級潛艇作較小的改動，即只需增加2076型拖線陣的收放系統(tǒng)。

英國正在研究 2076型綜合聲吶中采用細線陣的方案。輕便的細線陣技術(shù)便于纜/陣的收放，且絞車小巧易安裝、可容納聲陣更長。由于潛艇活動從深海向淺海區(qū)域轉(zhuǎn)移，輕型細線陣是適于淺海有限區(qū)域作業(yè)的理想基陣。

2018年7月英國系統(tǒng)工程和評估公司（Systems Engineering & Assessment Ltd，SEA）研制的加長型150 m 超細拖曳陣進入最終試驗階段（圖 3）。KraitArray是專為小型艦艇、小型無人反潛平臺研制的超細型拖線陣，其外徑僅為16 mm，聲陣段長150 m，最小彎曲半徑75 mm，工作深度300 m，可安裝128個聲學傳感器通道，使用低功耗微型高靈敏度寬帶水聽器，集成有低噪聲前置放大器；同時還配置了 32個可監(jiān)測陣列航向、溫度、俯仰角和深度的微型非聲傳感器。與傳統(tǒng)的拖線陣相比，該產(chǎn)品在保證性能的同時，降低了功耗、重量和成本，使發(fā)射和回收更加便利，最大限度地減少了對艦船上的存儲收放空間要求，且具有三維陣形監(jiān)測能力，使其能在平臺以極低航速下機動時仍具備良好的探測性能，是一型真正適用于無人系統(tǒng)和小型艦艇執(zhí)行反潛、港口警戒、環(huán)境監(jiān)測等任務的拖線陣。

圖3 超細拖線陣（上）及與傳統(tǒng)拖線陣（下）的外形對比

3 德國

德國典型的潛艇拖線陣聲吶為阿特拉斯電子公司研制的TAS90甚低頻拖線陣，既能作為獨立系統(tǒng)工作，也是 CSU90綜合聲吶系統(tǒng)的重要組成部分。TAS90拖線陣聲吶的安裝結(jié)構(gòu)與基陣絞車如圖4所示。

作為 CSU90綜合聲吶系統(tǒng)的拖線陣部分，TAS90工作頻率為10～2400 Hz，采用自動目標跟蹤器和自動多線譜跟蹤器（設置在目標多個特征線譜上），可實現(xiàn)遠距離或在相當惡劣條件下（如目標交叉、護航環(huán)境）跟蹤目標。TAS90拖線陣聲吶的主要特點包括：（1）甚低頻頻段約150 m長的孔徑，對低噪聲目標的檢測性能優(yōu)于舷側(cè)陣；（2）拖纜、前/后端隔振模塊、聲學模塊和尾繩等濕端設計完成了海上驗證；（3）利用16位A/D轉(zhuǎn)換、智能自動增益控制和抗干擾技術(shù)，接收信號具有較大動態(tài)范圍；（4）本艇高速時仍具有穩(wěn)健的探測性能；（5）利用LOFAR、DEMON分析增強了目標識別能力；（6）結(jié)合 LOFAR線譜檢測，提高目標分辨能力；（7）低噪聲目標瞬態(tài)檢測。利用遙控絞車來布放/回收纜陣，可根據(jù)聲道軸的預報將陣布放在合適的深度。為了降低成本，小潛艇可以用掛接方式來安裝基陣，陣與潛艇通過機械方式緊固，而陣與艇上電子設備采用電連接[5]232。

圖4 TAS90拖線陣聲吶的安裝結(jié)構(gòu)（上）與基陣絞車（下）

4 法國

20世紀70年代中期，法國開始制定攻擊型核潛艇被動拖線陣聲吶DSUV-62的研制計劃。此時，彈道導彈核潛艇的被動拖線陣聲吶 DSUV-61正在研制之中。DSUV-62是DSUV-61的變型。到2005年末，生產(chǎn)了9臺套DSUV-61與15臺套DSUV-62聲吶，裝備在核潛艇與柴電潛艇上。DSUV-62具有與DSUV-61類似的處理和分析系統(tǒng)。在MIM-D型主系統(tǒng)中采用了 TSM-320C30、68020和 68040微處理器以及C和ADA編程的結(jié)構(gòu)軟件。兩者的不同在于：DSUV-61具有敵潛報警功能，便于及時逃避；而 DSUV-62則旨在跟蹤目標并盡可能給武器控制系統(tǒng)提供火控方案。

DSUV-62型甚低頻被動式拖曳陣聲吶裝于艉部，既可在潛艇上單獨配置，具有自己的處理和操作設施，也可作為模塊組件，構(gòu)成TSM-2233 潛艇綜合聲吶系統(tǒng)。DSUV-62主要技術(shù)數(shù)據(jù)：拖纜長400 m，基陣長100 m，基陣直徑50～80 mm。潛艇利用基陣監(jiān)聽到的特定噪聲（敵潛機械生成的窄帶噪聲及敵潛航行生成的寬帶噪聲）來識別目標，并提供火控方案。DSUV-62在數(shù)個固定或可調(diào)頻段上通過寬帶、窄帶、DEMON譜分析的同時處理實施全景警戒，并能自動啟動跟蹤多達 64個噪聲源目標，可對潛在目標（多達8個）進行LOFAR、DEMON分析。操作員可直接監(jiān)聽音頻信號。

DSUV-62的變型和改進型包括：TSM-2933是DSUV-62安裝在巴基斯坦海軍 Agosta-90B潛艇的指定型號；DSUV-61A是安裝在法國彈道導彈核潛艇上的TSM-2933型；DSUV-61B是DSUV-61A改進型，安裝在 Le TriomPhant 彈道導彈潛艇上；DSUV-62A 是 DSUV-62安裝在法國海軍 Agosta、Rubis潛艇上的型號；DSUV-62C是DSUV-62改進型，安裝在法國海軍Amethyste（即改進的Rubis）潛艇上；而 LamProie是 DSUV-62的出口型，但其基陣較短，長 74 m，中性浮力拖纜長 300 m。LamProie既可自動也可手動跟蹤目標；它具有自動抑制系統(tǒng)，可抑制窄帶聲吶干擾，對跟蹤器起著保護作用[5]226。

5 其它國家的裝備及應用情況

5.1 俄羅斯

俄羅斯海軍的現(xiàn)役核潛艇大多安裝有拖線陣聲吶（如671PTM型V3級、971阿庫拉級、885雅森級等）。971阿庫拉級核潛艇尾部用于存貯和布放拖線陣聲吶的紡錘型艙室，如圖5所示。2012年阿布扎比海軍防務展上Amur級常規(guī)潛艇上拖線陣的釋放口，如圖6所示[7-10]。

“維尼耶特卡-ЭM-01”是俄羅斯最重要的潛用低頻被動拖線陣聲吶，由俄羅斯海洋物理儀器中央研究所、水聲儀器研究所和船舶機械制造中央研究所共同研制，可以裝備于所有型號的潛艇上。該聲吶采用柔性拖曳基陣（圖7），可以完成對水面艦、潛艇和魚雷的噪聲定位功能，并能夠利用水面艦、潛艇和魚雷的聲學特征對其進行分類識別及跟蹤。當潛艇處于快速機動狀態(tài)、利用信號的離散譜分量對潛艇進行探測時，探測距離可達10～20 km，對水面艦的探測距離達到100 km，對魚雷探測距離約為30 km。

圖5 阿庫拉級潛艇尾部的圓型艙室

圖6 Amur級潛艇上拖線陣的釋放口

圖7 低頻拖線陣聲吶“維尼耶特卡-ЭM-01”基陣外形圖

5.2 澳大利亞潛艇拖線陣聲吶

澳大利亞泰利斯水下系統(tǒng)公司為澳大利亞皇家海軍潛艇研制了被動拖線陣聲吶Kariwara，現(xiàn)已成為澳大利亞細線陣聲吶技術(shù)的通稱。Kariwara拖線陣直徑45 mm，由一系列傳感器和微型電子元件組成，拖線陣傳感器裝在厚度約為 19 mm的導管內(nèi)。濕端加電纜總長約1000 m。主要特點：水聽器直徑??；采用凝膠作為充填材料，避免了充油線列陣的漏油問題；采用可漂浮的聚丙烯編織結(jié)構(gòu)，減輕重量，且柔軟，易卷繞，其拖纜也采用編織結(jié)構(gòu)。Kariwara是緊湊細線陣聲吶系統(tǒng)，目前服役于澳大利亞皇家海軍“科林斯”級潛艇上，被稱為COLTAS；用于沿海訓練的拖線陣稱為 SHORTAS[11]。COLTAS系統(tǒng)是 “科林斯”潛艇上的標準配備，近幾年有大量的涉及COLTAS備件與設備的訂單，澳大利亞將要施行的新潛艇方案有可能成為進一步研制 Kariwara的平臺。

6 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展分析

6.1 光纖拖線陣聲吶和多線拖線陣聲吶

光纖水聽器是一種新型的水聽器，與傳統(tǒng)的壓電陶瓷水聽器相比，它具有高靈敏度、低自噪聲、體積小、重量輕、抗干擾性強等優(yōu)點。采用光纖水聽器的多路復用技術(shù)，可以在一根光纖上攜帶多路光纖水聽器信號，實現(xiàn)信號傳感和信號傳輸一體化，且在拖線陣內(nèi)除光纖水聽器外無其他任何電子模塊，故這種技術(shù)很適合應用于潛用拖線陣，特別是細長線陣[12-13]。

1983～1986年期間，美國海軍實驗室進行了多次拖曳光纖水聽器陣列的海上試驗，包括芯軸型和被覆型光纖水聽器，以驗證光纖水聽器在拖曳陣列上應用的可行性，并直接導致了美海軍水下系統(tǒng)中心和海軍實驗室聯(lián)合進行的全光拖曳陣列（All OPtic Towed Array）計劃。由 Gould 公司海事系統(tǒng)分公司為美海上系統(tǒng)司令部研制的全光拖曳陣列于 1988年進行了海上試驗，并取得成功。同年美海軍實驗室制訂了潛艇用“光纖水聽器系統(tǒng)標準”。

1990年12月進行了48基元全光纖拖線陣海上試驗。試驗結(jié)果表明，盡管工作條件較為惡劣，光纖水聽器及有關(guān)元件仍能滿足和超過潛艇水聽器系統(tǒng)所要求的性能指標，其抗流噪聲的性能符合或優(yōu)于相關(guān)的海軍要求。

在 1997年國防技術(shù)規(guī)劃中，美國提出采用多線體積陣以提升戰(zhàn)術(shù)潛艇和水面艦的低頻探潛能力，設計三維大孔徑全光拖線陣，檢測指數(shù)比當時的潛用拖線陣TB-16或TB-23系統(tǒng)提高10 dB，單線外徑減小50%以上以減小存儲空間需求。多線陣短期目標是發(fā)展三線陣，單線陣長較短，以適應現(xiàn)有TB-16的存儲空間。長期目標是發(fā)展單陣長度相當于TB-23的7線陣，論證與接收陣一起拖曳的主動陣的通信及快速定位功能。近期光纖陣的研究目標是采用Bragg光柵多路復用技術(shù)的細光纖陣，使?jié)穸藛卧杀窘档?80%，驗證細線陣抗流噪聲性能。長期目標是尋求新的光纖陣技術(shù)，使?jié)穸嗣客ǖ莱杀窘档瓦_90%，并增大工作帶寬。

6.2 長線陣的長度約束和陣形畸變補償問題

長線陣可增大拖線陣聲吶的孔徑，提高拖線陣聲吶的探測能力；另一個好處是可以進一步降低拖線陣聲吶工作頻帶，減小聲傳播損失，而且可能檢測到100 Hz以下的潛艇低頻線譜，使聲吶的探測能力進一步提高。但是，隨著陣長增加，如果拖線陣的直徑保持不變，則要求急劇增大拖線陣的存儲空間，這就限制了長線陣的應用。因此，對長線陣的研究實際上始終與細線陣的研究相伴。

采用大尺度的空間布陣對信號場進行空間相干積累是抗噪聲干擾、提高目標探測距離和測向精度的有效手段。然而隨著布陣尺度的增大，由信道隨機擾動所導致的信號場去相關(guān)，將使聲陣的空間增益下降和角分辨率降低。因此，長線陣聲吶的布陣要考慮聲場相干性的制約。

在拖線陣拖曳過程中，由于海流等因素影響，將出現(xiàn)陣形的畸變，特別是長線陣在低速拖曳時更易產(chǎn)生陣形畸變。陣型畸變帶來的是對潛艇機動性的制約，因此，適時地測量陣形和適時地對陣形畸變進行補償是長線陣技術(shù)研究的一項重要課題。曾經(jīng)提出過的長線陣的陣形測量及陣形畸變的補償方法有：（1）利用陣接收的平面波信號進行陣形測量并完成陣形畸變的補償；（2）在陣內(nèi)布放多個航向傳感器，按各部位航向的變化擬合出長線陣的陣形并進行陣形畸變的補償；（3）在陣內(nèi)布放聲測系統(tǒng)以測量陣形，并進行陣形畸變的補償。

7 發(fā)展趨勢

目前，潛用拖線陣聲吶主要用于滿足遠程警戒和探測需求，工作模式主要為單部聲吶獨立工作。為了滿足一體化聲吶和網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的需求，未來拖線陣聲吶的發(fā)展可能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）建立網(wǎng)絡化信號處理體系結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享，多部聲吶綜合信號處理和數(shù)據(jù)融合。例如拖線陣聲吶和舷側(cè)陣聲吶聯(lián)合進行目標測距，實現(xiàn)檢測、定位、跟蹤、魚雷報警、目標識別、水聲通信等功能一體化，與其它聲吶平臺構(gòu)成多基地聲吶系統(tǒng)。

（2）空間結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的全光拖曳多線陣聲吶。發(fā)展大孔徑多線體積陣聲吶，利用多線陣的水平、垂直指向性提高檢測和定位、干擾和噪聲抑制性能，利用多線的垂直孔徑應用聲場匹配的方法進行目標距離/深度定位；研究多線拖曳和收放技術(shù)，使陣的空間結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)處理頻帶的需求自由配置，調(diào)整多線的水平和垂直孔徑，使檢測和左右舷分辨性能最佳；使用高性能光纖水聽器以減小拖線陣重量和體積。

（3）采取多種措施進一步抑制流噪聲對細線陣的影響，使用具有阻水作用的固體陣技術(shù)來提升陣列的生存性，提高細線拖曳聲吶對遠距離信號或弱信號的探測性能。在技術(shù)上可以盡可能減小水聽器的直徑，增加護套表面與水聽器接收面之間的距離，采用高性能的隔振模塊來隔離拖纜抖動、尾部擺動等導致的低頻流噪聲，研究成組光纖水聽器技術(shù)等。