航空声呐浮标搜潜系统以固定翼飞机、直升机、无人机为平台，主要用于对水下潜艇目标搜索、定位，具有反应速度快、机动灵活、搜索效能高、平台噪声影响低等特点，适合大范围快速反潜。国外航空声呐浮标研究始于上世纪40年代，经过近80年的发展，已经形成浮标被动探测、主动探测、多基地探测、海洋环境测量、水声通讯等产品系列。国际上的浮标系列产品以美、英、日为主，澳大利亚、意大利等其他国家海军一般都直接采购和仿制美英系列的声呐浮标产品[1-3]。我国的航空声呐浮标研究始于上世纪60年代，经过多年发展，已经形成中国特色的声呐浮标系列，为海军反潜巡逻机和直升机提供了有效的探潜手段[4]。本文对浮标总体、声呐浮标处理系统关键技术等进行阐述。 声呐浮标搜潜系统一般由声呐浮标和声呐浮标处理系统组成。声呐浮标一般包括被动全向声呐浮标、被动定向声呐浮标、垂直线列阵浮标、主动全向声呐浮标、主动定向浮标、声源浮标、扩展阵浮标、海洋环境噪声测量浮标、温深测量浮标等。声呐浮标处理系统一般由声信号处理分系统、声呐浮标参考系统、声呐浮标接收机和声呐浮标遥控装置等组成。 声呐浮标接收机收到浮标发送的无线电信号后对其进行解调，并将解调后的数字音频信号发送到声信号处理分系统。根据浮标类型及其组合，声信号处理分系统对声信号进行波束形成、频谱分析、相干或非相干累积等信号处理，进行目标检测、跟踪、参数估计、定位分析等多种后置处理，输出视频信息供操作员观察，输出音频信息供操作员收听。声呐浮标参考系统通过侦收声呐浮标发射的甚高频无线电信号，采用相位干涉仪测向和交叉定位的方法测定浮标的位置。声呐浮标遥控装置通过无线电可以对投放到海上的浮标进行参数设置和工作方式控制。 声呐浮标搜潜系统主要用于对水下潜艇目标的搜索、跟踪、定位和识别，其主要战术指标包括对潜探测距离、对潜定位误差、无线电作用距离、对浮标定位误差、浮标成活率等。主要功能有： 利用被动全向浮标、被动定向浮标、垂直线列阵浮标对潜艇的辐射噪声进行检测，对目标进行探测、定位、识别； 利用主动全向浮标、主动定向浮标发射声脉冲，接收来自潜艇的回波，对目标进行探测、定位； 利用声源浮标和扩展阵浮标对潜艇实施主动单基地或多基地探测，对目标进行定位和识别； 利用温深浮标和海洋环境噪声测量浮标对海洋环境进行现场测量； 利用声呐浮标遥控装置对海上工作浮标的无线电通道号、无线电功率、传感器工作深度、声发射波形、浮标工作时间等进行控制； 具有设备的开机自检、在线自检、离线自检等检测功能。 各型声呐浮标虽然用途不同，但其组成的功能模块基本一致，一般由外壳组件、减速降落装置组件、水面电子仓组件、水中悬浮组件、水下声学组件等组成。外壳组件是把各组件装配在一起的容器。减速降落装置组件实现浮标的空投及浮标空中姿态控制。水面电子仓组件实现浮标水中漂浮、无线电数据单双向传输、浮标供电、浮标控制等功能。水中悬浮组件隔离海浪起伏对换能器/水听器的影响。水下声学组件是由水听器基阵组成，包括单水听器、垂直线阵、水平扩展阵等。 浮标设计工作包括结构设计、无线电链路设计、浮标海面漂浮设计、定深设计、接收/发射电路设计、电源选型与分配、声系统设计、成本控制与分配、浮标成活率控制等，涉及空气动力、机械、无线电、水声、数模电路、电源等专业，是多学科综合的产品。 2.1 浮标结构尺寸及重量 为满足装机、大批量、一次性使用等要求，声呐浮标结构尺寸标准化程度高。A尺寸直径124mm，高度914mm；G尺寸直径124mm，高度419mm；F尺寸直径124mm，高度304mm。浮标采用固定的直径有利于飞机浮标投放装置的标准化。受投放离机速度、存储架载荷、投放装置等外部因素的限制，浮标重量最好小于15kg，一般不应超过20kg。浮标结构尺寸和重量是浮标总体设计的强制约束。 2.2 浮标减速降落 浮标从飞机投放后，自由落体速度超过100m/s，必须采取减速措施。减速降落装置组件早期设计时采用旋转翼减速，目前基本采用降落伞减速[5]。降落伞的形式有“方形伞”和“十字伞”两种形式。伞型选择和其制作工艺对浮标投放成功率有很大影响，一般需通过风洞试验验证降落伞的稳定性。 弹道系数Cd(Cd=m/S，m为浮标重量，S为降落伞有效面积)是设计减速降落装置组件的关键参数，一般控制在60～100kg/m2，浮标入水速度控制在25～35m/s之间，满足浮标空投及空投精度的要求。一般要求固定翼飞机在300m高度投放时，投放误差应小于100m(圆概率误差)。 2.3 浮标无线电链路 浮标同机载设备交联是通过无线电链路实现的。浮标上行链路工作频段为VHF，有99个预置通道，通道间隔375kHz。模拟浮标采用宽带调频(FM)调制，最大频偏±105kHz，调制频率范围10Hz～20kHz；数字浮标采用GMSK调制，用户速率≤256kbps。浮标下行链路工作频段为UHF，4个控制频点，可以对浮标的工作参数进行现场控制。 浮标上行链路余量：
式中，SL为接收信号电平，Rs为接收机灵敏度。接收信号电平可以表示为
式中，Tx为浮标发射功率，Tg表示发射天线增益，T1为发射机内部损失，FSL为传播损失，Rg为接收天线增益，R1为接收机内部损失，T1+R1统称为链路损失，一般取4dB。无线电空气中的传播损失为[6]
式中，f为无线电频率，d为浮标至飞机接收天线的距离。接收机灵敏度为
式中，N0为接收机的背景噪声，NF为接收机噪声系数，SNR为解调信噪比。接收机背景噪声通常在接收机热噪声的基础上提高20dB，如式(5)所示。
其中T为温度，℃。SNR同接收机带宽、接收机传输速率有关，当浮标传输速率为256kbps时，SNR为8.8dB。 需要强调的是浮标在海面工作的发射方向性图同陆地工作有很大不同，在海面工作时由于海水是良好的导体，天线方向性图往上翘，飞机飞得高，无线电接收距离就远。图1为海上工作浮标发射天线方向性图，图2为飞机高度300m/500m/1500m，无线电链路信号余量图。
2.4 水下声系统设计 浮标水下声系统按探测类型可分为被动探测、主动探测和主动增程探测(Extended Echo Ranger，EER)，不同类型对浮标水下声系统设计要求不同。声系统包括阻尼系统和声基阵两部分。 阻尼系统的作用是降低海浪起伏对换能器的影响，使换能器产生相对较低的低频噪声。阻尼系统的减隔振性能由阻尼盘的大小与阻尼系统的个数决定，通常阻尼盘越大，盘数越多，减隔振效果则越好[7]。但由于受到安装空间的限制，阻尼盘不可能做很大。阻尼系统的减隔振性能理论计算以流体力学计算为主，由于阻尼盘的各参数及边界条件的不确定性，给理论计算带来困难，因此阻尼盘性能一般以试验研究为主。 被动探测的声基阵有单水听器、矢量水听器和水听器阵。由于浮标结构紧凑，水听器和前放电路需一体化设计，海洋环境噪声的频谱特性、换能器灵敏度曲线和系统放大量一体设计，使系统的动态范围最大化。图3为某被动全向浮标预白化后电路总放大量。由于浮标在海洋背景噪声下工作，因此电路自噪声应低于深海一级海况。
矢量水听器是被动定向浮标测量声场的关键部件，其本身具有正交的偶极子方向性，波束图为正弦函数，接收理论增益为4.8dB。矢量水听器低频灵敏度高，可保证低频性能。图4为某型浮标矢量水听器灵敏度曲线，图5为二维矢量水听器方向性图，由图可知偶极子具有良好的方向性、正交性、对称性和归零深度。
主动探测的声系统包括发射阵和接收阵。浮标体积小，电源有限，发射阵为达到高声源级，可采用垂直线阵的形式。发射阵发射开角为[8]
式中，L为发射阵阵长，m；f为声波频率，kHz。若浮标发射阵长度为1.6m，频率4.6kHz，则发射阵发射开角为10.2°。发射阵开角选择要综合考虑指向性增益和垂直线阵在海流作用下的倾斜，发射阵开角过大，不利于指向性增益；发射阵开角过小在线阵倾斜时则不利于探测。主动全向浮标接收阵和发射阵共用，主动定向浮标接收阵可采用压差式矢量水听器。 浮标水平扩展阵主要用于多基地探测。美国浮标多基地探测在EER阶段采用被动定向浮标作为接收端，由于矢量水听器接收波束太宽，指向性不强，影响了多基地探测性能发挥，因此开发了AN/SSQ-101扩展阵浮标。其中一种扩展阵浮标声基阵由25个水听器组成，直径为R，25个基元均匀分布在圆周等角度的五个辐射轴线上，每个轴线为1根子阵，等间距分布5个水听器基元。每个子阵上的5个基元距圆心的距离依次为0.2R、0.4R、0.6R、0.8R和1.0R，如图6所示。基阵在收拢状态下，将子阵线缆进行折叠，放置在扩展臂的外侧；在展开状态下，通过扩展臂拉伸支撑成阵，如图7所示。采用体积阵优化波束形成技术[9]，可形成25个水平接收波束，湖上实测波束图如图8所示。
声呐浮标处理系统可装备固定翼反潜巡逻机、反潜直升机和无人机，根据平台不同配置，直升机和无人机的浮标处理系统一般是固定翼飞机的缩减版。固定翼声呐浮标处理系统一般由声信号处理分系统、声呐浮标参考系统、声呐浮标接收机和声呐浮标遥控装置等组成。声呐浮标处理主要实现浮标上传数据的信号处理、后置处理和显示处理，人机交互，对海上浮标的控制和管理，浮标使用辅助决策、同机载其他任务系统交联等功能。主要技术指标包括同时处理声呐浮标的数量、处理浮标类型、无线电作用距离、对浮标的定位精度等。下面就声呐浮标处理系统的一些关键技术进行阐述。 3.1 基于OODA环的显示控制技术 在复杂海洋环境和基于编队/体系作战的战场环境下，如何整合各种资源、输出有效的显示控制信息是系统的关键技术之一。声呐浮标处理系统是基于“人在回路”的设计，根据“观察-判断-决策-行动”(Observation Orientation Decision Action，OODA)的思想设计系统的操作流程和处理算法，提高操作员的敏捷性。对于探测系统，关键节点是观察和判断。 观察：操作员通过系统输出的视频和音频信息，掌握海面、水下态势。大量浮标如32枚被动全向浮标/被动定向浮标在海面工作，接收到的信号经处理后会输出海量信息，信号处理参数有工作带宽(10Hz～10kHz)、频率分辨率、积分时间、波束指向等。如何有效的向操作员输出信息是显示处理的关键技术。观察阶段通过人工和自动的方式，输出“接触”级信息。 判断：由“接触”转化为目标属性(潜艇、非潜艇)，操作员主要靠掌握的线谱特征和听音来判断，机器主要依靠目标识别模块和特征数据库来判断。人机结合给出目标判断。 决策：根据目标信息、运动态势，综合战场态势进行战术决策。水下态势形成和维护由机器完成，战术决策由操作员完成。 行动：开展下一步的搜潜或攻潜行动。 3.2 浮标阵主被动目标识别技术 目前人工智能和大数据技术在语音识别、人脸识别、图像识别、自动驾驶等方面取得了很大进步，但声呐行业对水下目标的自动识别仍面临技术“瓶颈”，声呐浮标也是如此。 被动目标识别利用被动全向声呐浮标、被动定向声呐浮标、垂直线列阵声呐浮标等传感器的信息进行目标识别，将目标分类为潜艇和非潜艇。可利用的信息包括潜艇辐射的低频线谱、螺旋桨产生的调制谱、潜艇运动特征等。被动目标识别功能模块由多域特征提取模块、多目标干扰分析模块、目标类型判决模块构成，如图9所示。
多域特征分析和提取是在时域、频域、时频域等多个信息域上对探测数据处理结果进行特征分析和提取，主要提取多频带多分辨力DEMON (Demodulated Noise)谱特征、高分辨力LOFAR (Low Frequency Analysis and Record)谱特征、连续谱统计不变性特征和瞬态能量特征等。多目标干扰分析是对目标数据中是否存在其他目标干扰进行评价，并给出存在/不存在多目标干扰的提示。目标类型判决综合利用目标多域特征、目标特征数据库信息、多目标干扰判定结果以及来自雷达、红外、磁探仪、AIS (Automatic Identification System)等非声信息，通过模糊推理规则实现目标类型的判决(潜艇/非潜艇)。 主动目标识别功能模块构成框图见图10。
3.3 目标定位技术 浮标对目标的定位手段有多种，一般从概略到精确，下面按浮标类型阐述浮标定位方法。 3.3.1 基于多枚被动全向声呐浮标的目标概略定位 被动全向声呐浮标探测时上传的阵元域数据，经LOFAR处理后，得到目标频谱数据。利用多枚浮标获取的目标频谱数据，采用被动全向定位(LOFAR Fixing，LOFIX)、双曲线定位(Hyperbolic Fixing，HYFIX)、协同双曲线定位(Combination Hyperbolic Fixing，CO-HYFIX)、最接近点定位(Closet Point Approach，CPA)等作图方法，实现对目标的概略定位。LOFIX利用多枚浮标获取的目标线谱幅度强弱差异对目标进行概略定位。HYFIX利用探测过程中发现的目标瞬态事件到达不同浮标的时间差对目标进行概略定位。操作员通过LOFAR瀑布图确认目标瞬态事件，获取各浮标瞬态事件发生时间差。CO-HYFIX利用被动声呐浮标接收舰艇主动声呐发射脉冲形成的目标回波，通过比较各浮标目标回波的时间差，对目标进行概略定位。CPA利用探测过程中目标从接近到远离声呐浮标的过程中，多普勒效应引起的频率变化对目标进行概略定位。 3.3.2 基于多枚被动定向、垂直线列阵声呐浮标的目标精确定位 被动定向声呐浮标、垂直线列阵声呐浮标对潜探测时，按周期输出频谱分析结果，并关联方位信息。首先多变量线谱跟踪器，综合使用谱线频率、幅度、海洋背景噪声估计等不同维度数据，实现对特征谱线自动跟踪；其次线谱跟踪后，自动提取谱线频率上关联的目标方位信息；然后采用扩展卡尔曼滤波方法进行融合处理[10]，自动输出目标位置信息；最后结合其他传感器获取的目标情报信息进行比对验证，对目标实现精确定位。流程框图见图11。
3.3.3 基于单枚或多枚主动定向声呐浮标的目标精确定位 主动定向声呐浮标对潜探测时上传的阵元域数据，经主动定向分析处理后，若发现目标，即可获得目标的距离、方位信息，从而确定目标位置。经过连续探测关联累积，实现对目标精确定位。 3.3.4 基于声源浮标和扩展阵声呐浮标的目标定位 声源浮标和扩展阵声呐浮标联合探测时，一个声源浮标发射声脉冲，多个扩展阵声呐浮标接收目标回波信号。对扩展阵声呐浮标上传的阵元域数据进行主动增程处理(Advanced Extended Echo Ranger，AEER)后，若发现目标，即可获得目标相对该枚浮标的方位信息、目标回波相对直达波的时间延迟，再结合声源浮标和扩展阵浮标自身位置信息，即可确定目标位置，实现对目标的定位。若在一次探测中有多枚扩展阵声呐浮标均发现目标，可对多枚扩展阵声呐浮标获取的目标位置信息进行融合处理后输出目标位置信息。 3.4 辅助决策技术 根据海洋环境噪声测量浮标、温深测量浮标实测的海洋环境噪声数据、海洋声速剖面数据或历史数据，结合任务海区海深、海底底质等相关海洋环境数据，对任务海区进行声场分析，计算得出任务海区的声线轨迹、声传播衰减曲线等声场信息。对深海海区还可计算得出会聚区、影区等声场信息，为辅助声呐浮标布阵提供支撑。 在声场分析基础上，结合目标特性数据和各型声呐浮标的探测性能参数，辅助决策模块评估不同类型声呐浮标的探测能力，给出浮标布阵阵型和阵型参数(如布阵间距、浮标工作深度等)建议。 辅助决策模块由声场分析和辅助声呐浮标布阵两个部分构成(图12)。辅助决策模块运行在声呐信号处理机上，使用时，声呐员人工启动该项功能。辅助决策功能预留外部数据接口，可接入其他平台获取的遥感数据、历史温深数据、海洋环境数据，为后续拓展海洋环境重构提供支撑。
随着潜艇隐身技术的持续发展和高性能潜艇数量的不断增加，航空探潜技术面临新的挑战，应不断探索新的技术和方法。声呐浮标搜潜系统技术发展方向有： (1)主动探测、被动探测都会进一步向低频方向拓展； (2)不断深化多基地和舰机协调探测； (3)研究声呐浮标自主探测、长时间的探测能力； (4)无人机声呐浮标系统费效比高，发展适装无人机的声呐浮标处理系统及声呐浮标。
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