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日志

 
 

【知识】杂谈综合声纳、舷侧阵声纳、拖曳阵声纳  

2016-09-11 13:23:28|  分类: 军事历史 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作为潜艇作战的耳目,声纳一直受到广大军迷的密切关注。然而遗憾的是相比于导弹和雷达,由于其较差的形象性、较深的保密层次、较强的专业背景、较窄的接触范围、复杂的物理过程和较少的科普等诸多因素,声纳一直是军迷知识中的薄弱环节,更由于媒体或其他方面不太靠谱、望文生义乃至断章取义的“科普”导致军迷对声纳的理解引向歧途或有失偏颇的境地。

本文针对这种现象,以军迷非常关注的领域为切入点,谈谈个人的一点看法。由于受个人专业和水平的限制,这些看法可能不甚准确,欢迎探讨和批评指正。

潜艇安装有多种声纳,根据其用途来划分分为探测声纳、导航声纳和通信声纳等类型。这其中探测声纳与作战息息相关,也就最受军迷关注。探测声纳一般有三种类型,即:潜艇首部安装的综合声纳、舷侧安装的舷侧阵声纳和潜艇运动时由尾部拖曳电缆拖曳的拖曳阵声纳。

一般潜艇都具有综合声纳,而舷侧阵声纳和拖曳阵声纳则是近几十年来声纳的热点,也是很多时候军迷区分潜艇是否先进的着眼点。就其特点简单的说:综合声纳功能全面,性能平衡,兼顾主被动功能,覆盖频段较宽,使用方便,尾部有一定盲区;舷侧阵声纳主要覆盖中低频段,被动探测为主,探测距离较远,有的具有测距功能,使用方便,首部和尾部都有一定盲区;拖曳阵声纳主要覆盖低频频段,被动探测为主,探测距离远,但是使用不是很方便,需要保持一定航速,高速下性能可能下降且影响潜艇机动,收放线阵时可能会产生额外噪声。下面笔者通俗的介绍下三种声纳的布置形式、基本原理、应用范围以及各自的优缺点。

综合声纳

综合声纳一般布置在潜艇首部的声纳导流罩内,所以有时也叫艏部声纳或艇首声纳(但不能叫球鼻艏声纳,球鼻艏是现代水面舰特有的),后部有隔声吸声障板。其一般采用主动、被动发射基阵分置的方式,其中被动基阵布阵形式一般采用柱面阵、球面阵和共形阵三种;主动基阵一般采用平板阵、柱面阵和球面阵三种。因为潜艇受隐蔽性考虑,综合声纳一般都只使用被动工作状态,所以一般军迷只关注被动的基阵。因此本文就集中谈一下被动基阵。

为说清楚声纳必须先说一下声纳的探测原理。声纳基阵是通过波束对目标进行探测的,所谓波束就是将发射或接收到的声信号通过相位控制,使其指向性朝着一个特定的方向,这个“相控”的方法就是所谓的波束形成了。一般的波束形成是指将一定几何形状(直线、圆柱、弧形等)排列的多元基阵各阵元输出经过处理(例如加权、时延、求和等)形成空间指向性的方法。对于模拟电子时代(也就是80年代以前)来说一般采用硬件延迟线的方式,对于数字电子时代前期(80—90年代)一般采用硬件移相器,对于当代一般采用全数字采集后进行数字移相的方式。波束的概念如下图:

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将波束图放在直角坐标里表示如下图,横坐标为方位角,纵坐标为该方位上基阵波束的能量相应。通常将能量相应最大的那个瓣称为波束主板,其他的称为波束旁瓣。

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通俗的说,就像电灯泡的光是朝着四面八方发射的,但是给它加个反光罩做成手电筒,光就朝着一个方向发射了。需要注意的是对于主动发射通过相控在同一时间只能朝一个方向发射,但对于被动接收,通过相控技术在同一时刻可以形成多个波束(也称预存波束)。综合声纳无论是柱面阵、球面阵还是共形阵都可以在水平面和垂直面内形成波束,所不同的是其波束形成的方法有所区别,需要注意的是这三种阵在形成一个方向上的波束时都不是用的全部阵元。对于柱面阵而言,在水平面内采用一个圆弧(大概60—120°扇面)上的阵元信号相加形成波束,通过对垂直方向的波束进行移相加权使波束仰俯;对于球面阵而言,想形成什么方向的波束就将以这个方向为中心的一个球冠内的所有阵元信号相加即可,这个球冠一般是120°以下的中心角,过大会导致波束变宽;对于共形阵而言,形成某一方向的波束就要使用波束方向附近的阵元,在测量好各阵元的物理位置的前提下,根据移相表对阵元信号进行加权累加了。在模拟电子和数字电子早期时代,移相是一个很麻烦或者说不灵活的事情,所以一般都采取固定移相的做法(延迟线或移相器),但对于当代采取数字采集后的数字处理方式,移相是非常简单的事情,所以三种阵形在波束覆盖范围方面没有明显区别。只不过当波束进行仰俯的时候球面阵可以一直保持波束主瓣宽度不变,柱面阵和共形阵在仰俯角过大的时候波束主瓣宽度都会变宽。

声纳性能的最主要因素是有效声学孔径,前面讲了波束形成时三种阵采取的方式大家就可以看出,如果三种阵的体积差不多大的话,在做某一方向探测时声学孔径是类似的。比如一个d=6米直径的球面阵(海狼级基阵尺寸),如果其形成特定方向上波束时所用的球冠是120°开角,则其有效面积为(d/2)*2*pi*1.5=28.26平方米,如果一个d=6米,高4米的柱面阵,也使用120°圆弧上的阵元形成波束,则其有效面积是d^pi/3*4=25.12米,二者基本相同。也就是说,只要柱面阵足够大,其探测性能可与球面阵相同,只不过垂直俯仰不够方便罢了。那么有木有这样的基阵呢,且看下图:

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V级核潜艇首部声纳,网上没有这种声纳的具体尺寸,我们通过目测和与533鱼雷发射孔比较,其直径应该在5米以上,高度也不会低于3米。而苏联后几代的核潜艇尺寸更大,没道理不安装尺寸更大的柱面阵声纳。

共形阵目前没有有效的数据可供比较,当然,如果安装空间限制是一样的话,共形确实可以得到比圆柱或球形更大的可用面积,但是共形阵也有其特定的缺点,就是声纳阵元距离导流罩表面过近,流噪声较大,低频性能会变差。这里的流噪声本质上是一种假声(表面波),在声纳导流罩线型,厚度与表面性质给定的条件下,传感器收到的流噪声与距离界面远近为指数关系衰减,所以传感器离界面越远流噪声越小。球或柱面阵起码距离导流罩有半米以上的距离,而共型阵是紧贴导流罩的。

通过以上分析可以得到如下结论:

(1)综合声纳的性能主要取决于声纳尺寸,当声纳尺寸相差不大时性能基本相当,没有球面阵一定有优势这种伪科学的结论;

(2)柱面阵、球面阵和共形阵各有优缺点;柱面阵空间利用率好,但波束仰俯控制较复杂,仰俯角大时波束会变宽;球面阵空间利用率差,但波束控制最简单,波束宽度均匀;共形阵空间利用率最高,但波束控制最复杂且流噪声可能较大;

(3)由于艇体遮挡和隔声吸声障板的作用,综合声纳在尾部方向有大约100度左右的盲区。但由于声纳处于潜艇的最前端,其受到艇的噪声影响也最小,环境较好。

舷侧阵声纳

舷侧阵声纳布置在艇体左右两舷侧,根据布阵的形式可以分为舷侧连续面阵,舷侧间断面阵和舷侧连续线阵等种类。

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其采用被动工作方式,由于孔径大(可大数十至近百米),可以工作在低频段(百赫兹)。但是其安装位置较艏部平台噪声高出很多,且阵元距离导流罩一般较近,流噪声也较高,所以其性能并没有想象的比综合声纳提高很多。而其采用平板阵或线阵的布局也导致了舷侧阵在潜艇正横方向(90°方向)上性能最好,角度大时(如小于60度或大于120°)测向精度变差,且在首尾方向上有盲区。

这里必须澄清的是,很多军迷知道三元被动测距是潜艇被动测距的一个原理,但实际上三元被动测距并不需要非得将舷侧阵分成三大块,连续线阵或面阵一样可以用这个原理进行测向,只不过是在处理时将基阵划分为三个子阵而已。而且三元被动测距是被动声纳测距技术中比较经典(也就是比较落后)的,如波阵面拟合、匹配场、合成孔径等测距技术已经应用在声纳领域。

拖曳阵声纳

拖曳线列阵声纳是将水听器按一定间隔排列后,布置到透声的保护导管中,再通过布放机构拖曳于艇体外的声纳。其孔径最大(相比于前两种声纳),潜艇用的拖曳阵声纳最长可达数百米;频率低,最低可低至数十赫兹;平台噪声低,因其拖曳在艇体后数百米,本艇干扰可忽略不计,主要受流噪声影响,慢速拖曳情况下可认为只受到海洋环境噪声影响。所以在同等水文条件下,其探测距离最远。但拖曳阵声纳也有其劣势,主要有如下几点:

(1)单条线阵存在左右舷模糊,这里的左右舷模糊是指其本身不能判定目标到底来自左舷还是右舷,这是由于左右舷同一方位来的平面波对于线阵来说是对称的。其左右舷判决可以通过潜艇机动或其他声纳辅助。

(2)必须保持一定的拖曳速度,速度过低受海流影响阵形畸变剧烈,速度过高流噪声太大这两种情况都会使其性能下降。当然更不能悬停,那样拖曳阵就沉下去了。(为了保持拖曳稳定,拖曳阵都不会做成完全的零浮力,都是微弱的负浮力)

(3)收放机构采用机械绞车,无论是液压还是电动绞车在收放拖曳阵过程中由于机械运动和线缆摩擦都会产生额外噪声,不利于潜艇隐蔽

由于拖曳阵存在的这些劣势,其比较适合长时间保持水下航速的核潜艇装备,而不太适合需要经常改变运动态势且需要静默潜伏的常规潜艇装备。当然,现在很多常规潜艇都装备了拖曳阵声纳,这是由于小国海军没有核潜艇和全面水下作战体系,为追求单一平台战斗力的不得已办法,并非大国海军值得和应当东施效颦的做法。

三种声纳的作用距离以及水声环境问题

前面说了这么多,其实军迷更关心的是三种声纳的性能。由于声纳的性能受到水声环境的影响,并不是一个确定的值。尤其是受到浅海和深海信道影响,其性能变化十分剧烈。水声环境问题是影响声纳性能的首要因素。在浅海声传播是受到界面影响的多途多向相干信道,深海SOFAR信道就是多途单向信道。以上说法的通俗解释如下,浅海信道示意图如下图,A点潜艇探测B点潜艇,其声传播途径可能是直达声,也可能是多次海底-海面反射声,此所谓多途多向:

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深海信道如下图,原点处探测A点潜艇,其垂直波束转向向下最为有利,此所谓多途单向。同时如果原点可以探测到A点,那么也可以探测到B点,C点,但可能探测不到近在咫尺的D点。这就是所谓的汇聚区和声影区:

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举例来说,像214这种级别的潜艇声纳系统,在低速静音航行,一般的水文条件下的浅海,对金刚级驱逐舰进行探测,艏部声纳探测距离如果是40km,舷侧阵声纳最多60km,而拖曳阵可以到100km。但在深海,那么直达声区域艏部声纳探测距离如果是30km,那么舷侧阵和拖曳阵最多探到32km,然后就进入第一声影区了,必须到50km左右的第一汇聚区才能继续探到,也就是说深海的声纳探测范围是一个一个的同心圆环。由此也可以看出,由于浅海是多途多向,深海是多途单向,所以向柱面阵,舷侧线阵之类无垂直波束或垂直波束不好旋转的阵形在浅海实际上是有利的,因为他们可以利用所有方向信道的全部能量。而在深海则是球面阵,舷侧面阵这类有垂直波束且容易旋转的优势场所,因为他们可以将垂直波束转向信道的方向,获取最大的信噪比增益。

结束语

前面介绍了三种声纳的布置形式和优缺点,我们可以看到一个潜艇需要什么样的声纳与其作战使命、动力形式和体系支持都息息相关的,并不是将所有声纳都罗列到一个潜艇,或者机械的学习先进国家就万事大吉,这样做有时候甚至会导致相反的作用。正是由于水下声场的复杂,所以水下战场才称为了现代战场中不完全由技术先进方占有优势的作战场所。对于军迷而言,声纳虽然非常复杂和神秘,但是只要通过科学的办法去分析,就可以去伪存真。

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