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拖曳线列阵声呐技术发展综述

归档日期:07-04       文本归类:导航声纳      文章编辑:爱尚语录

  拖曳线 (第七一五研究所,杭州,310012)摘要:综述了拖曳线列阵声呐技术发展现状,并指出其未来的发展方向. 关键词:声呐;拖曳线列阵;技术发展 反潜战技术进展需求是促进拖曳线列阵技术 发展的动力.上世纪六十年代,潜艇的辐射噪声 在1000Hz 频率的谱级约135dB 量级,而目前低 噪声潜艇的辐射噪声在1000Hz 频率的谱级约 105dB 量级,安静型潜艇的辐射噪声在1000Hz 频率的谱级还低于100dB.潜艇降噪的重大进 展,使反潜战声呐面临严重挑战,这就迫使被动 型拖曳线列阵声呐迅速向长线阵和多线阵系统发 展,以便进一步降低工作频率和增大水听器通道 的数量,提高拖曳线列阵声呐系统的探测能力. 另一方面,消声瓦的使用,伎潜艇的目标强度 (TS)在数千赫以上频率大大降低,现有的主动 声呐不能满足探测敷瓦潜艇的要求,寻求新型的 低频主动声呐来对付敷瓦潜艇势在必行. 长线 长线阵和细长线阵 长线阵可增大拖曳线列阵声呐的孔径,来提 高拖曳线列阵声呐的探测能力.采用长线阵的另 个好处是可以进一步降低拖曳线列阵声呐工作频带,减小声传播损失,而且可能检测到100Hz 以下的潜艇低频线谱,使声呐的探测能力进一步 提高. 但是,随着阵长增加,如果拖曳线列阵的直 径保持不变,则要求急剧增大拖曳线列阵的存储 空间,这就限制了长线阵的应用.例如,美国海 军水面舰艇大量列装的AN/SQR.19 战术型拖曳 线mm)的拖 曳线m,此后就没有继续扩展.这种外径82.6mm 的阵至今仍在继续使用.因此,对长线阵的研究 实际上与细线 年,美国海军研制出潜艇用的TB.20 线阵(但未见使用报导).此后,陆续有了1987年的细长线D 的一部分,声学 段长度为305m)和1990 年的细长线 年装备海狼级攻击 型潜艇的潜艇综合作战系统BYS.2 则包含 TB.16D 粗线X 细长线 年,细长线 在美国海军潜艇上 列装,该阵的声段长度达634m(13X48.8m),声 通道达416 个.美海军预计采购TB.29 拖曳线 套.细长线 的COTS 型(如图1 所示),它的价格不到TB-29 价格的 半.该阵也将于近年在潜艇上列装.图1弗吉尼亚潜艇的TB 一29A 细长线拖线阵声呐 除美国外,其他一些国家也研制了各种细长 线阵,有的也已列装,如澳大利亚海军科林斯 级潜艇装备的Kariwara(或Narama)拖曳线列阵 声呐,拖曳线mm.美国和新加坡 共同研制了一种超细的拖曳线mm,其潜在用途为装备小型舰船. 1.2 细线阵的流噪声问题 在相同的拖速下,拖曳线列阵的流噪声随阵的外径减小而增大.对于护套表面湍流边界层压 力起伏直接传播到拖曳线列阵内水听器产生的迁 移波噪声声压P 可估计为…: P=P0e—d(1) 式中P0 为边界层脉动压力;kz 为迁移波数; 刘孟庵:拖曳线列阵声呐技术发展综述 为水听器接收面与护套表面的距离(m).国内对066,045 和036 三种不同外径阵的 流噪声进行了试验测试【Il,测得在不同拖速下三 种不同外径的阵的流噪声级,验证了阵外径减小 流噪声增大的规律及增大的量级.由此可见,细 线阵流噪声增大是对细线阵声呐性能提高的重大 制约,必须采取有效措施来抑制细线 长线阵的长度约束 采用大尺度的空间布阵对信号场进行空间相 干积累是抗噪声干扰,提高目标探测距离和测向 精度的有效手段.然而随着布阵尺度的增大,由 信道随机扰动所导致的信号场去相关,将使声阵 的空间增益下降和角分辨率降低.因此,长线阵 声呐的布阵要考虑声场相干性的问题. 文献【2】对浅海信道中信号场的横向相关进 行了讨论.在各向同性介质中,波场(,)仅是径 向距离,的函数,与横向坐标无关.但当介质 存在随机扰动时,在某一距离,上,由于波场受 到随机调制,将变得与有关.信号场p(r,)的 横向相关系数为: x)pL,,L,,J)式中,为横向间隔;木号表示复共轭;()表示 统计平均. 假设随机扰动为平稳,零均值的高斯过程, 则有: R(x)=exp{一o-s[1 一()]一erB[1 为相位起伏相关系数;占为振幅起伏相关系数.在大横向距离时, X,P 其中,Ps为相位起伏的相关半径,为振幅起 伏的相关半径.大横向距离时R(X)趋于一个 常数值: 情况,虽()随增大而减小,但接近于1.对强调制情况,由R 值下降到lie 定义的相关半径xo PsPa在南中国海的一次海上试验中,用爆炸声源 对浅海信道声场横向相干性进行了测量pJ.测得 不同频段上的空间相关系数随归一化空间距离 d/的变化情况如图2,图3 所示.由图3 可见, 在不大于2000Hz 的频率范围内,由值下降到 定义的相关半径约为200.考虑到声场的横向相关性,拖曳线列阵的长度增大受到了限制. 不同工作频率时的声场横向相关性1.4 长线阵的阵形畸变及补偿问题 在拖曳线列阵拖曳过程中,由于海流等因素 影响,将出现阵形的畸变,特别是长线阵在低速 拖曳时更易产生阵形畸变.曾作过模拟,当阵形 畸变超过M10 时,就应在波束形成时对阵形畸变 进行补偿,否则会对拖曳线列阵声呐性能产生重 大影响.因此,适时地测量阵形和适时地对阵形 畸变进行补偿是长线阵技术研究的一项课题.曾 经提出过的长线阵的阵形测量及阵形畸变的补偿 方法有:(1)利用阵接收的平面波信号进行阵形 刘盂庵:拖曳线列阵声呐技术发展综述 测量并完成阵形畸变的补偿:(2)在阵内布放多 个航向传感器,按各部位航向的变化拟合出长线 阵的阵形并进行阵形畸变的补偿:(3)在阵内布 放声测系统以测量阵形,并进行阵形畸变的补偿. 1.5 长线阵聚焦波束形成及被动测距问题 当声呐探测很远的目标时,可将目标信号看 成远场平面波.将目标信号看成远场平面波的条 为满足远场条件的目标距离:,为基阵声孔径:为波长.例如,一条声孔径,=300m 的长线Hz 频率,则满足远场条件 的距离为: D:!::30000(m1 1500/500 即大于30km的距离为远场,小于30km的距离 为近场. 当用上述长线阵声呐探测常规潜艇时,目标 可能处于远场,也可能处于近场.但当探测低噪 声潜艇时,目标一般处于近场.对于远场目标, 声呐按平面波模型作波束形成,但对于近场目标, 就需要按球面波模型作聚焦波束形成.如果将平 面波模型作波束形成看成一维(目标方位)波束 形成,那么球面波模型作聚焦波束形成就是二维 (方位和距离)波束形成.从长线阵声呐聚焦波 束形成的模拟中已能得到目标距离信息.可知, 利用长线阵进行被动测距是可能的. 主动拖曳线 主动拖曳线列阵声呐简介 按结构形式的不同,主动拖线阵声呐大致分 为两大类:第一类是拖体声源加独立接收阵的结 构形式,第二类是一条拖线阵上包含接收阵和发 射阵的结构形式.英国是最早开发主动拖线 年,英国宇航公司研制出一型主 动拖线阵声呐ATAS.ATAS 采用第一类结构形式, 它的工作频率为3kHz.法国阿特拉斯公司于1992 年研制出一型主动拖线阵声呐ACTAS,结构如图 所示.它的工作频率低于2kHz,采用第一类结构形式,并采用双接收阵以解决左右舷分辨问题. 法国还于1994 年推出首装F67 舰的SLASM系统, 其中包括lkHz 的低频发射阵和2 条接收阵所组 成的主动拖线阵声呐. 法国阿特拉斯公司的ACTAS结构示意图 美国从上世纪 8O 年代初开始研究低频主动系低频主动声呐(LFA)技术研究也有 十几年的历史, 统LFA,用于提高对敷瓦潜艇的探测能力.美国L 上世纪8O年代后期,DERA 开发出用于低频主动声 公司研制的LFATS 主动拖线阵声呐,其被动拖线阵呐的水平指向发射阵()A),如 所示.从而突最多可达到4 条,如图5 所示.破了第一类结构形式的局限,开创了在一条拖线 加拿大国防研究院大西洋分部(DREA)从事阵上包容发射阵和接收阵的第二类 结构形式. 美国L3公司LFATS 的发射和接收阵 加拿大DERA开发的HPA 型主动拖线阵声呐 从各国发展主动拖线阵声呐的情况看,目前广 泛装备的主动拖线阵声呐采用第一类结构形式,而 第二类结构形式的主动拖线 主动拖线阵声呐的技术特点和难点 主动拖线阵声呐是对付敷瓦潜艇的新型主动 声呐.低频大功率小尺度耐高静压的声源技术, 低频弱信号检测技术,湿端的收放和拖曳技术是 主动拖线阵声呐的主要技术特点,也是主动拖线 阵声呐的主要技术难点.对发射声源来说,一般 情况下低频大功率和大尺度相伴随,但主动拖线 阵声呐的发射声源由于在水下拖曳,过大尺度是 不容许的.为此,需在寻求新的换能器材料和研 究新的换能器结构形式上获得突破.由于敷瓦潜 艇的目标强度比常规潜艇的目标强度低得多,因 而主动声呐的目标回波变得更加微弱,需要对低 频弱信号检测新方法进行研究.对第一类结构形 式的主动拖线阵声呐来说,保证拖曳声源和拖曳 线列阵(也许包括双线阵)的安全,快速收放是 项复杂的任务.收放装置的研制具有相当大的技术难度. 2.3主动拖线阵声呐的左右舷分辨问题 对主动拖线阵声呐来说,目标左右舷分辨既 可通过左右舷定向接收方式来解决,也可通过发 射系统定向发射方式来解决.目前,各国装备的 主动拖线阵声呐大多采用双线接收阵的方式来解 决左右舷分辨问题,但THALES 公司研制的 CAPTAS 声呐系列(包括装备英国皇家海军的 2087 声呐)均采用由三元水听器组构成的左右舷 定向接收阵来实现左右舷分辨. 全光纤拖曳线列阵声呐光纤水听器及光纤水听器阵列技术应用于拖 曳线列阵,打开了拖曳线列阵技术发展的新的一 页.光纤水听器是一种新型的水听器,与传统的 压电陶瓷水听器相比,它具有高灵敏度,低自噪 声,体积小,重量轻,抗干扰性强等优点.采用 光纤水听器的多路复用技术,可以在一根光纤上 携带多路光纤水听器信号,实现信号传感和信号 传输一体化,且在拖曳线列阵内除光纤水听器外 无其他任何电子模块,故这种技术很适合应用于 构建拖曳线列阵,特别是细长线阵.近年来,光 纤水听器研制和光纤水听器的复用技术研究取得 重大进展.美国利顿公司已经推出了用于井口探 测的96 通道全光纤水听器阵列测井仪.美国海军 已将全光纤水听器阵列应用于海底布放的声呐系 统,也有关于全光纤水听器阵列应用于美国海军 径阵的报导.在美国海军研究实验室(NI)一篇关于研究干涉型光纤声传感器 25 年的文献中还提到了光纤声传感器在新的 Virginia 级潜艇上的应用实例.1990 年,美国海 军开始进行48 通道的全光拖曳线列阵(AOTo) 试验,并预计1997 年完成AOTO 计划.图7 伞光纤拖曳线列阵声呐的概念图刘孟庵:拖曳线列阵声呐技术发展综述 多线拖线阵声呐系统与单线拖线阵只具有一维的声孔径相比,多 线拖线阵可提供二维直至三维的声孔径.采用具 有三维声孔径的多线拖线阵,可充分利用信号场 和噪声场的三维空间特性,使阵增益得到提高, 从而提高声呐对目标的探测距离,并可克服单线 阵所存在的目标左右舷模糊问题和目标定深问 题,实现目标的三维被动定位. 九十年代初,各国海军已开始舰艇双线阵和 多线阵声呐的研究.多线阵声呐首先在水面舰艇 上得到应用.如法国1992 年研制的主动拖线阵声 呐ACTAS 和1994 年推出的SLASM系统均采用 双接收阵以解决左右舷分辨问题.美海军于1991 年开始研制水面舰艇拖曳监视系统(SURTASS) 浅海使用的双线 年,美海军打算在 SURTASS 上配备两条为潜艇研制的TB.29A 细长 线 月宣布(SURTASS)双线A)声呐验收合格,可以部署.美国L.3 司研制的LFATS主动拖线阵声呐,其被动接收拖 线 条.另据报道,Martin 公司开 发的水面舰艇先进的战术声呐系统(SSATA)在 条线年作了试验. 九十年代后期,具有二维和三维声孔径的多线拖 线阵技术成为研究的热点.而解决收放和拖曳机 械的复杂性是多线 头连接器的潜艇多线阵收 放装置的美国专利,提出一种3 接头加2 接头的 特殊连接器结构,可用单条拖缆拖曳5 并能实现光纤连接和电连接.UDT99 上发表了具有大垂直孔径的多线拖 线阵结构的模拟和试验的文章.研究了由1 型接头,若干浮体,若干加重体和1组侧向力装置(LFD)组成的5 条拖缆拖曳,每条拖线节拖速下,最上一条阵拖曳深度77.7m,最下一条 阵拖曳深度107m,侧向力装置使中间一条阵水平 偏移6m,故4 线 所示.对该拖 线阵系统的水动力特性和拖曳噪声特性也有了一 些研究和试验结果. 图84节拖速下的6,,25~30m拖线体积阵 结语反潜战技术进展的需求促进拖曳线列阵声呐 技术迅速发展,拖曳线列阵声呐在反潜战中扮演 着越来越重要的角色.当前,发展潜艇被动型长 线阵声呐和水面舰艇主动拖曳线列阵声呐是主要 趋势.潜艇拖曳线列阵声呐的未来发展趋势是由 多线构成体积阵,实现更远程的探测和实现三维 被动定位.水面舰艇拖曳线列阵声呐也将向主被 动和多线接收阵的方向发展.光纤水听器及光纤 水听器阵列技术应用于拖曳线列阵声呐,将为细 长线阵提供更好的解决方案,并将是提高拖曳线 列阵声呐的可靠性和降低价格的有效手段. 参考文献: 制【J】.声学与电子工程,2004(3):8-1l.【2】汪德昭,尚尔昌.水声学【M】.北京:科学出版杜, 1981. 【3】胡青.浅海波导声场相干性测量[c]//声学技术(增刊): 青年声学技术学术交流会论文集.200l.

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