【文章简介】
本篇文章节选自论文《浅谈当前国内外拖曳线列阵声纳的研究现状与发展趋势》，来源于中国海洋学会2013年学术年会14分会场海洋装备与海洋开发保障技术发展研讨会论文集，发表于《舰船科学技术》，2012年。
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【摘要】我国是一个海洋大国，海洋经济在我国国民经济中占有重要比例，海洋能源的开发是大势所趋，因此可以预见，未来海洋经济的比重会增加。参阅相关文献发现：对海洋探测、开发技术和军事反潜技术的需求促进了拖曳线列阵技术的发展。拖曳线列阵技术的快速发展，使其越来越成为现代海洋探测、海洋能源开发及军事反潜战中不可或缺的技术。通过对比研究发现：国外有关拖曳线列阵技术的研究起步较早，相关已发表的论文或专著较多；鉴于我国国情，我国在此方面的研究起步较晚，而且有关拖曳线列阵技术的专著及论文较少，有关其发展历程及趋势的研究，更是鲜见于世。因此，有必要追踪了解国内外拖曳线列阵的研究现状和发展趋势，探讨并预测有关拖曳线列阵技术的发展趋势。期望为我国拖曳线列阵技术的研究提供参考。
【关键词】 拖曳线列阵声纳，反潜，技术发展
1.引言
随着世界经济的发展，众多国家将目光投向海洋资源并且激烈竞争，以求得到一份最大的海洋经济蛋糕。但是，依据二次世界大战的经验，潜艇是海战中的杀手锏。总管全球反潜技术的发展，主要有两种主流方式：一是空中反潜，而是拖曳线列阵声纳水下反潜。相互比较，空中反潜飞机与拖曳线列阵相比，其战略优势是高速。但是，反潜飞机就有很多弊端。例如，首先，反潜飞机作业需要护航飞机，否则由于期本身的特性，很容易被击落。其次，反潜飞机的作业水域有限制，而且机载雷达难以方发现水下目标，并且需要大量的时间不妨声纳浮标。作为捕捉潜艇新号的电子检测测量仪会失灵，如果潜艇长时间没有进行通信的话。最后反潜飞机不是时时都在现场的。大多数情况，反潜飞机只在一些可以的水域进行反潜。
综上说述，现在看来，反潜飞机并不是理想的反潜武器，相比较而已，拖曳线列阵比较理想。拖曳线列阵的核心部件是拖曳线列阵声纳，通常被称为“大尾巴”。那究竟什么是拖曳线列阵声纳？拖曳线列阵声纳又称拖曳声纳。水听器被嵌入拖缆中，拖缆是由拖船或是潜艇尾部拖拽形成线列阵，侦测水下目标。主要用来窃听、监测、定位和识别潜艇噪音。有些也可以用来进行远距离测量。
整个拖曳线列阵声纳系统包括阵矫正机构、拖缆、回收装置、绞车和电子柜等。拖曳线列阵由隔振模块、非声模块、水听器和阻尼器构成[1][2]。线列阵长度几十米到几百米不等，并且人可变深度。主要有两种拖曳线列阵声纳，一是战略性，一是战术型。前者主要安装于大型水面舰船和水下攻击性潜艇中。拖缆总长度1000米到2000米，被动探测距离50-100海里，最大拖速30节。水面舰船战略拖曳线列阵声纳可以与舰壳声纳联合使用，被动接受目标发出的主动声纳信号，其主动探测距离远大于拖体声纳单独工作的距离。由此增加了水面舰船的探测距离。后者主要安装于海监船只，拖曳速度低。拖曳线列阵总长大约5000米，可在低频和次声波下工作，被动探测距离超过300海里[3]。典型的拖曳线列阵声纳系统如图1所示。
装备有主动或被动声纳与舰船壳声纳联合使用，可以发现安装了消声瓦的安静型潜艇。潜艇拖拽被动型拖曳线列阵声纳可以探测到低频信号，提高了操纵效率。现今的主动型声纳无法满足探测安装了消声瓦的安静型潜艇，因其在1000Hz时噪音小于100db[4]。消音技术的重大突破和水下精确定位的要求，反潜声纳面临极大的挑战，促使被动型拖曳线列阵声纳向多线阵发展，以求进一步降低工作频率增加水听器信道，提高拖曳线列阵声纳探测的能力。
2.国外反潜技术
2.1 国外拖曳线列阵声纳技术的发展历史及其研究现状
早在20世纪50年代，美国、苏联及其他西方欧洲国家的海军已经非常重视声纳设备的发展，一些声纳设备已经装备与水面舰船及潜艇。它们主要的特点是[5][6]：工作在高频谱范围，有效工作距离短，换能器基阵尺寸小。基于上述特点，人类从未停止过对先进声纳设备的研究，以降低工作频谱和扩大有效工作距离。
20世纪60年代，声纳设备的发展取得了巨大进步，具备分析和处理复杂信号、精确测量和定位等功能，换能器的基阵尺寸也相应增加[7][8]。但是，潜艇噪音在1000Hz频谱范围大约是135db。声纳的有效工作范围受到水文条件的影响(海水温度、盐都及压力等)。尤其是在夏天，如果海水中出现跃温层，会出现一些声纳信号无法到达的区域，正好是反潜搜索的死角。为了克服水文条件制约，拖曳声纳应运而生，它可以在跃温层下方工作，其基阵安装在水面舰船的尾部。由于拖曳声纳工作水深可调，很好的克服了水文条件的制约。
20世纪70年代，西方国家提高机动性和覆盖更远的工作范围，新型拖曳线列阵声纳应运而生。它可以安装于水面舰船和潜艇及特殊设计的远洋拖轮，很好的弥补了岸基声纳的不足[9]。那么拖曳声纳和拖曳线列阵声纳有何区别呢？它们都是拖曳侦测设备，但是拖曳声纳是集中型的，基元的数量受到拖体体积的限制。而拖曳线列阵声纳是分布式的，是一种柔性线列阵，长度很长，有些超过800米。众多换能器原件集中可以获得良好的探测结果。
20世纪80年代，主要有两种拖曳线列阵声纳，及主动型和被动型。被动型的发展方向是长线阵和细线阵。在1983年，美国海军开发出一款名为TB-20的新型拖曳线列阵声纳，在1987年开发出TB-23，在1990年开发出TB-12X。在1995年，美国海军开发出先进的联合作战系统BYS-2，安装于海狼级攻击型潜艇，是一种多线拖曳线列阵声纳技术，包括一条TB-16D粗线阵及一条TB-12X细线阵。在1997年，细线阵拖曳线列阵声纳TB-29装备与美国海军潜艇，嫌疑美国海军大多装备TB-29A拖曳线列阵声纳，TB-29A是TB-29的经济型[9]。除美国以外的其他国家也在大力发展细线拖曳线列阵声纳技术，例如澳大利亚海军潜艇装备Kariwara型拖曳线列阵声纳。
关于主动型拖曳线列阵声纳包括拖曳声源与独立的接收机阵列结构和拖曳线与接收阵和发射阵。英国是最早开发主动型拖曳线列阵声纳的国家之一，其代表产品是ATAS[10][11]。ATAS采用第一种结构，工作频谱3KHz。法国Atlas公司于1992年开发出一款名为ACTAS的多线拖曳线列阵声纳，工作频谱低于2KHz，采用第一种结构并且使用双阵接收机构解决左右旋分辨模糊问题，见图2。法国人在1994年研发了一款名为SLASM系统安装于F67舰船，包括工作频谱小于1Khz的发射阵和包括双接收阵多线拖曳线列阵声纳[12]。
图 2 弗吉尼亚号潜艇细长细长线列
2.2 国外多线拖曳线列阵反潜技术利弊分析
众所周知，多线拖曳线列阵声纳在反潜方面具有许多优点，譬如：
侦测水域范围大
大增益阵列空间
精确定位能力
对拖船或潜艇性能影响小
可调工作水深，有利于克服不利水温条件的影响
线阵易于回收和维修
但是，多线拖曳线列阵声纳还是有其弊端，譬如：
(1)当拖缆直径恒定，随着拖缆长度增加，存储空间需求剧增，限制了长线阵的应用。
(2)长线阵声纳声场干涉问题[13]。随着基阵尺寸的增加，信号场声道随机干扰不具有相关性，声线列阵的空间增益下降，角坐标分辨率下降。
(3)细线阵噪音问题[14]。在恒定拖速下，随着拖缆外径的减小，拖阵的流噪音剧增。
(4)机动问题[15]。对拖船或潜艇的旋转机倒车有影响。
(5)潜艇左右旋分辨模糊问题。
(6)当前拖曳产品固有缺陷[16]。声学段是柔性的，易受拖船机动或洋流的影响。如果拖曳线水下发生扭曲，无法达到预期检测效果，很有可能无法处于工作状态。拖曳线线列阵侦测距离远，但精确有效工作范围相对较小。
2.3 国外多线拖曳线列阵声纳的发展趋势
声纳作为有效探测潜艇的设备，从其诞生之日就伴随潜艇技术的发展而发展。当前国际拖曳线列阵声纳技术发展趋势如下：
(1)继续向低频谱、大功率、大基阵方向发展。美国AN/SQR-19是主动型多线拖曳阵声纳的典型产品，其工作频谱1.5-3.5KHz。通常被动型工作频谱0.1-1.5KHz。由此，仅有美国具备远程战略预警的能力。美国海监拖曳系统SURTASS拖线长1828米。
(2)系列化、模块化、标准化、高可靠性及可维修性方向发展[17]。产品要求具有良好的可伸缩性和兼容性,方便维护、更好的可靠性。例如美国AN/UYS-1标准化信号处理器及法国DIODON型声纳。
(3)智能化发展方向[18][19]。计算机技术的迅速发展，为声纳技术的发展提供了可靠的技术支持。例如，美国AN/BQQ-5潜用多线拖曳线列阵声纳，采用分布式结构。由于计算机神经网络技术与声纳技术的融合，使声纳更加灵明和智能化。
(4)大力发展多线拖曳线列阵声纳解决精确定位问题。与常规一维声孔相比，多线拖曳线列阵声纳可提供二维乃至三维声孔，可实现三维精确定位。例如，美国L-3公司的LFATS有四根被动拖线，MARTIN的SSATA有九根平行拖线[20]。虽然目前还有一些诸如回收及存储问题和在主动工作状态下不尽如人意的分辨问题等。但是，我们不可否认，随着科学技术的发张，多线拖曳线列阵很可能应用于潜艇实现高精度时时定位。
(5)先进换能器材料的发展。压电陶瓷是传统的拖曳线列阵声纳换能器的材料，压电聚合物和光纤是新开发的材料。拖曳光纤水听器目前还处于研究阶段，但是光纤一开始应用于水下固定水听器和换能器。由于存储、铺放及回收问题，目前鲜有有关多线拖曳线列阵声纳安装于潜艇应用的报道[21]。但是，它可以实现左右旋分辨及显示目标深度和实现精确定位及目标识别。多线拖曳线列阵声纳是目前看来很有发展前途的反潜设备，并且很早就引起了人们的关注。
3.国内反潜技术
3.1 国内多线拖曳线声纳发展历史及研究现状
在我国海军建立早起，鉴于科技和经济发展状况，我国实行近海防御策略。反潜驱逐舰是我海军反潜的中坚力量。
20世纪50年代，中国海军从苏联引进6604型猎潜艇，自己研制了一款037型猎潜艇。至今，037猎潜艇仍是近海反潜和巡逻的主要武备。
20世纪60年代，中国开始自主设计研发051型驱逐舰。051型驱逐舰配备一种低频、大功率和大口径的SJD-1型声纳，直径超过2m，高度超过1m，重量超过6吨，探测距离超过6km。在中国，051驱逐舰首次将SJD-1声纳安装于球鼻船首[22]。
20世纪70年代，中国海军装备SJD-3型升降式声纳[23]。限于早期电子技术的发展，SJD-3的灵活性很好，但是随着基阵功率的增加，换能器组阵直接越来越大。因此，对换能器基阵升降及旋转不再是一件容易的事情。所以，我们将这个巨大的组阵安装于船舶球鼻艏，无需旋转进行探测，采用多波束和电子束控制来实现侦测[24]。
20世纪80年代，为了进一步提高我国海军的反潜技术，我们引进了一款小型新型的法国拖曳线列阵声纳，可变工作深度。其最大的有点是院里拖船，可最大限度避免拖船噪音和声纳信号的干扰，也可以避免冲撞拖船。同时由于基阵置于水下，随着面积的增加，每个单元的发射声功率增加。而且，由于工作深度可调节至最佳工作深度，使得声纳可以在任何水文条件和水泡层下工作，并可以选择最佳水层以实现最佳探测。但是由于其庞大的尺寸和体积及复杂的结构，需要装备与大中型舰船上。在037猎潜艇的测试过程中，由于内部空间的限制，装备与其上的SS-12型拖曳声纳无法实现深水探测，无法实现利用声道和可变深的优势更好的探测目标。而且，在其主要工作的浅水水域，由于海水噪音的增加，探测效果不如人意。同时，在浅水水域、复杂海洋环境和暗礁遍布情况下，搜寻潜艇已经是一种非常危险的工作。最终，中国海军并未大规模装备037型猎潜艇。
如今，由于中国所处国际环境的改变，国家防御及海军发展策略有了重大的调整。有鉴于此，中国开发了第三代水面舰船，为新一代拖曳线列阵声纳技术的发展提供了很好的支持。根据国外相关参考资料[25]，新一代反潜系统最主要的特点是增加H/SJG-206拖曳线列阵声纳水下预警、水下目标追踪、目标数据与火控系统之间的传输及针对水面舰船的特殊侦测灯功能。整个系统包括，线列阵、收拖曳曳收缩系统、深度监视与控制系统、信号识别处理与显示系统和数据记录系统等。我们急需大的运载平台装备更先进的拖曳声纳系统来向远洋发展[26]。
3.2 国内多线拖曳线列阵声纳的发展
上述对有关国内外拖曳线列阵反潜技术的现况及发展趋势的分析，具有重大实践意义。形成一大批先进的具有自主知识产权的拖曳线列阵技术产品，迫在眉睫。当前国内相关研究具有如下特点：
(1)声纳技术向低频、大孔径方向发展[26]。鉴于声波在海水中的传播特性,发展低频、大功率、大孔径的声纳技术，是发展远程有效反潜的前提。
(2)发展先进的多线拖曳线列阵声纳技术实施反潜。近来，美国战略政策倾向于亚太地区，我国潜在面临着一大批安静型潜艇的威胁。鉴于我国海军的遵旨是维护国家领土和主权的完整，维护国家和海洋安全。因此，我国海军需要步入海洋，虽然我们面临一些强敌的威胁尤其是一些先进核潜艇的威胁。通常这些核潜艇装备先进的声纳联合作战系统，有效探测距离远、精度高、火力强大且具有强大的抗干扰能力。
(3)开发新型材料。对于我国海军而言，急需加强远程反潜探测能力，尤其是对一些以高技术武装的核潜艇的探测定位能力以及迫在眉睫。光纤是一种具有发展前途的材料，光纤水听器与传统水听器相比，其体积小、重量轻、自身噪音小、灵敏度高和抗干扰能力强等优势。因此，我们需要大力加强对新材料的研发。
(4)气枪是一种潜在的声源[27]。在被动联合拖曳声纳中，我们通常使用发射换能器基阵。然而，在海洋石油的勘探中，我们通常使用的是气枪声源。虽然目前对于气枪声源的信号控制仍有待进一步研究，但是其体积小却产生声源信号强度高，只要在声源信号控制方面取得突破，有可能成为一重新的反潜声源。
纵观国内外大环境，我们需要走一条具有中国特色的反潜之路，多线拖曳线列阵声纳很有发展前途，但是我们任然可以找到别的方式组建联合反潜系统。
4.结论
随着潜艇技术和反潜技术的发展，会有越来越多的性能优良拖曳线列阵声纳安装于舰船或是潜艇实现反潜[28][29][30]。对比国内外拖曳线列阵声纳技术的发展：
(1)中国目前拖曳线列阵声纳反潜技术与国际社会相比，各具特色。外国相关技术发展经验和理念，值得我们学习和借鉴。
(2)系列化、模块化、标准化及高可靠性和便于维修性，是发展过程中不可忽视的。
(3)研发新型功能材料。由于光纤材料的一些特性，目前看来光纤是一种最理想的材料。
(4)发展多线拖曳声纳实现远距离三维精确定位和有效探测是发展趋势之一[31]。
(5)发展反潜综合作战系统。系统包括舰壳声纳、战略拖曳声纳、直升机潜在目标搜索系统、声纳信号处理系统、反潜火控系统和声纳状况评估系统。高效可靠的通讯数据链可以起到锦上添花的作用。
(6)一种大胆的假设是改变当前拖曳线列阵声纳机构，设计创新型模型，研发新产品投入使用[32]。
总之，只有对拖曳线列阵声纳技术发展的持续关注，我们才会了解到拖曳线列阵声纳技术在军事及非军事领域的最新应用，为进一步发展奠定基础并指明方向。
【参考文献】
[1] Liu Mengan，Summary of towed line array sonar technology development [J] Acoustics and Electronics Engineering ，2006(3) ：I-5
[2] Yu huabin, Sun Changyu, Li Qihu. Exploratory pioneer- towed linear array sonar [J] Physics，2006，35(5) ：420-423．
[3] Song Xinxin, Mao Na. Germany sonar technology development [J]. Ship Electronic Engineering，2004,24[2]:19-21
[4] Shao Yunsheng, Peng Huibin, Song Juncai. Current Status and Development Trend of Towed Linear Array Sonar of Foreign Navy[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 20(3)：35-37
[5-32] 略.
