机载声呐浮标和吊放声呐

声呐(SONAR)是一种基于声学原理的探测设备,SO-NAR是“声波导航与测距”的英文缩略语的音译。我们知道,声波在空气中的传播速度为340米/秒,而在水中传播时速度要快得多(约为1500米/秒),能量损耗也小。声呐正是利用了声波在水中传播的这种优势。

声呐的分类

声呐是海军独有的装备。作战舰艇、潜艇和反潜飞机大都装有声呐,用于反潜、扫雷、水下警戒、观测、侦察以及通信。用于对水中目标进行探测、定位、跟踪、识别、导航、制导、通信、测速和对抗等作战行动的水声设备,都属军用声呐的范畴。

现代声呐种类繁多,有多种分类方法:①按运载平台,可分为水面舰艇声呐(舰载声呐)、潜艇声呐(潜载声呐)和反潜飞机声呐(机载声呐)。舰/潜载声呐主要有舰首声呐、舰尾拖曳线列阵声呐、舷侧阵声呐;机载声呐主要有声呐浮标和吊放声呐。②按安装方式,可分为舰壳声呐、拖曳声呐、吊放声呐和声呐浮标等。③按布阵方式,可分为球形阵声呐、柱形阵声呐、线列阵声呐、平板阵声呐、舷侧阵声呐、展翼阵声呐等。④按探测方式,可分为主动声呐和被动声呐。前者向水下发射声波并利用回声来获取水下目标信息,优点是可获得水下目标的方位和距离,并利用多普勒效应测出其速度;缺点是失去声隐身性,易受敌方水声装备的跟踪、干扰或攻击。后者直接利用水下目标发出的噪声来获取其信息,优点是探测距离一般比主动声呐远,且自身隐蔽性好;缺点是对于水下目标辐射噪声的依赖性大,对于静音(或静卧)潜艇的探测能力差。

本文主要介绍机载声呐浮标和吊放声呐。

声呐浮标

反潜飞机尤其是固定翼反潜巡逻机的主要反潜探测设备是声呐浮标。声呐浮标是无线电声呐浮标(Radio Sonar Buoy)的简称。这种浮标装有声呐和无线电收发机,通过天线与反潜飞机联系。反潜飞机沿搜潜航路投布一定阵式的声呐浮标,浮标抵达水面后,其声呐部分自动下沉到预定深度,对潜艇目标实施探测,并将探测到的信息通过水面浮标天线发送给在该海区上空巡逻的反潜飞机,由反潜飞机(或通知其他反潜平台)用攻潜武器对该潜艇实施攻击。

现代反潜飞机使用的声呐浮标分为主动和被动两大类。主动声呐浮标可在反潜飞机的遥控下,用水声发射机向水中发射声波,然后由水听器接收来自潜艇目标的回波,再由无线电发射机将信息发送到反潜飞机。主动声呐浮标也可利用爆炸物产生声波,即在投布声呐浮标后随即投下炸药筒,在20～100米的预定深度由无线电控制其起爆,根据声呐浮标的位置和爆炸声波从潜艇反射回来的时间,即可确定潜艇目标的距离和方位。

反潜飞机投布的被动声呐浮标有定向和非定向两种。非定向声呐浮标只能发现潜艇,一般由浮标体和机载装置组成:前者包括水听器、放大器、超短波发射机和电源;后者包括无线电接收机和指示收听装置。定向声呐浮标既能发现潜艇又能测出其位置,结构比较复杂,除了非定向声呐浮标的电子部件外,还增加了装有振荡器的磁电罗盘。当匀速旋转的水听器处于潜艇所在方向时信号突然增强,从而测出潜艇的方位;根据信号频率,可以测定其位置。

声呐浮标探测水下潜艇的距离与海情和潜艇航速有关。例如,在海情2～3级、潜艇航速6节时,典型探测距离为2海里。一般情况下,非定向和定向声呐浮标的探测距离分别为2～5海里和1～3海里。现代反潜飞机装备声呐浮标的数量为:P-3C携带84具声呐浮标,P-7A携带150～300具声呐浮标。

为提高搜潜效率,反潜飞机通常按一定阵式投布声呐浮标。可供选用的声呐浮标阵式有三角阵、直线阵、人字阵、圆形阵、方形阵和螺旋阵等。三角阵适用于潜艇发现的初期,由3具声呐浮标构成等边三角形,其中1具投布在发现潜艇的位置,另外2具投布在潜艇前进的航道上。直线阵通常由等间隔设置的3～8具声呐浮标组成,与潜艇目标的航向相垂直。人字阵通常由3～5具声呐浮标组成“人”字形,顶端对准潜艇的大致航向。圆形阵的圆周通常由5～12具浮标构成,圆心是潜艇的可能位置(反潜飞机与潜艇目标脱离接触的位置,或再向潜艇运动方向移动一段距离)。

吊放声呐

反潜直升机尤其是舰载反潜直升机的主要反潜探测设备是吊放声呐。反潜直升机飞临指定海区执行搜潜任务时,悬停在海面上空20米左右,利用收放绞车和吊放电缆将系留的声呐换能器(或换能器基阵)吊放到水下一定深度。一般先采用被动探测方式进行探潜搜索,当收到潜艇噪声信号后,再用主动探测方式确定潜艇的方位和距离。声呐换能器包括将电信号转换为声信号向水中辐射的发射换能器,以及将声信号转换为电信号送入声呐接收机的接收换能器(水听器)。换能器基阵由多个声呐换能器组成,有更好的方向性和更高的声源级,可以增大主动声呐的作用距离和测向精度、提高抗环境噪声和干扰的能力。

若换能器投入水中2～3分钟还没有听到潜艇噪声信号,就应该从水中吊起,换一个探测点进行探测,2个探测点之间的距离约为声呐作用距离的1.25～1.6倍。反潜直升机应与所探测的潜艇保持接触10分钟以上,以便测定其位置和运动参数。反潜直升机飞行员通过耳机或扬声器收听到的目标音响和显示器上的目标亮点,获悉潜艇的距离和方位。

声呐浮标与吊放声呐通常配合使用,前者用于区域警戒,后者用于探测定位。美国海军装备的机载声探设备种类齐全,主要是下列5个系列产品:AN/AQS系列机载搜索探测声呐、AN/AQQ系列机载声呐多用/专用设备、AN/AQA系列机载声呐辅助设备、AN/AQH系列机载声呐记录设备、AN/AQM系列机载声呐维护测试设备。

反潜声探测技术的进步

现代声呐广泛采用计算机、数字技术和GPS技术,自动化程度高、反应速度快、测量精度高,并向智能化、合成孔径声呐方向发展。美国的反潜声探测技术在世界领先,正在开发的反潜声探测技术主要集中在以下两个领域。

一是声呐信号处理技术。包括:主动波形设计技术,改进声呐信号处理与显示并减少杂波背景下的虚警率;研究双/多态探测原理,开发算法和数据融合技术,在降低虚警率的同时提高探测概率;提高声阵方位精度和波束成形质量,提高紧密相间目标以及目标与物体的分辨率;利用目标辐射信号进行全频谱被动信号处理;平台噪声抑制,诸如风引起的环境噪声的消除。

二是主/被动声探测器技术。包括:采用新型高能、高密度换能材料,研制创新的大功率换能器;声阵单元建模,用于设计经济可承受的结构紧凑的拖曳声阵;包括单兵携带声呐在内的多平台、分布式、可部署的声探测器系统的开发、集成和试验。美国海军重视引进成本低、效率高的商用声处理硬、软件,“更快、更好、更便宜”地增强反潜作战能力。

2003年10月,美国动力技术公司在一项用于反潜和反水雷的远程广域快速合成孔径声呐(SAS)的试验中,成功地利用SAS图像进行了数据处理。现在,已制成实时快速SAS处理器产品,可供军、民用声呐系统选用。合成孔径声呐在原理上类似于合成孔径雷达(SAR),是具有很高分辩率的声成像系统,其方位分辨率与距离远近无关。

机载声探测设备的发展

固定翼反潜巡逻机和舰载反潜直升机使用的声呐浮标和吊放声呐仍在改进发展中。美国海军为实现“21世纪海上力量”所提出的“海上打击”核心作战能力,正在实施多项先进反潜探测技术验证与设备研制计划,其中声探测项目主要有:轻型宽带可变潜深声呐(LBVDS),主要用于浅水环境反潜战;长寿命多态低频主动源(LELFAS)声呐,工作时间长达30天,将用于舰/潜艇和飞机;经济可承受的高性能拖曳声阵,主要用于战术潜艇和水面舰艇。在快速兵力投送先期概念验证项目中,包含“猎手传感器成套设备”、“综合声系统”、“雷场情报”和“远程卫兵”4个声探测项目。

为提高现有海上反潜巡逻机的快速大面积搜索能力,美国海军于2004财年拨款1270万美元发展“改进的扩展回波测距声传感器系统”,提供深、浅水主动声搜索能力。先装备2架海上巡逻机,到2008财年再装备54架海上巡逻机。雷声公司2004年12月从美国海军获得价值2970万美元的合同,为MH-60R多任务直升机提供10套AN/AQS-22机载低频声呐(ALFS)系统,对潜艇进行探测、跟踪、定位、分类,并进行声截获、水下通信和环境数据采集等。