0 引言

艇载拖曳阵声呐拖曳在潜艇的尾部, 系统分为两大部分：湿端缆阵和收放分系统, 其中湿端缆阵突破了平台空间尺寸限制, 基阵孔径可以很大, 并且远离本艇噪声源, 工作频率较之艇载其他常规声呐更低, 可根据需要选择有利的工作深度, 背景干扰小, 探测能力强。另外, 随着现代潜艇抑制大于 1 kHz 辐射噪声能力的增强, 更突显了艇载拖曳阵声呐在探测领域的重要性。

在艇载声呐系统中, 拖曳阵声呐虽然起步较晚, 但其迅速发展成为潜艇主要声呐装备之一, 各海军强国艇载拖曳阵声呐大约经历了 50 多年的发展, 最早为了验证拖曳阵声呐的性能, 拖曳阵声呐是采取挂带式的方式搭载于水面舰艇上的, 随着潜艇降噪技术的发展, 要求先于敌方探测发现目标的作战需求日益迫切, 潜艇平台逐渐开始搭载拖曳阵声呐, 由采取挂带式拖曳阵声呐, 发展到尾部集中式布置, 目前美国海军搭载于潜艇平台的拖曳阵均是被动拖曳阵声呐, 典型拖曳阵声呐型号及装备情况如表 1 所示。

1 美国湿端缆阵及分析 1.1 美国现役湿端缆阵

美国拖曳阵声呐的发展在各国海军中最全面, 其型谱如图 1 所示。现役美国核潜艇装备有 BQR-15, TB-16, TB-23, TB-29A, TB-34 五型拖曳阵声呐。

1) BQR-15 型拖曳阵声呐

BQR-15 型拖曳阵属于艇载被动拖曳阵声呐, 系统采用 BQR-23 信号处理器分析接收到的数据, 缆阵主要技术参数：拖缆长 670 m; 拖曳阵直径 90 mm、长 47 m, 含 42 只水听器。该型拖曳阵声呐仅装备美国“俄亥俄”级核潜艇, 但由于美英两国特殊军事联盟的存在, 在其基础上英国发展出了 2023 型拖曳声呐。

美国海军早在 20 世纪 70 年代就开始研制开发 BQR-15 型拖曳阵声呐, 1974 年 5 月第一批量产型拖曳阵声呐研制完成, 1978 财年, 美国海军授予西电公司(Western Electric) 一份价值 1.063 亿美元的合同, 用于采购 BQR-15 型拖曳阵声呐, 1983 财年, 西电公司针对 BQR-15 组件和连接器进行了升级改造, 至今该型拖曳阵声呐共生产 51 套, 未来“俄亥俄”级核潜艇退役以后, 美国海军计划采用 TB-12X 替代 BQR-15 拖曳阵声呐。

2) TB-16 型拖曳阵声呐

TB-16 型拖曳声呐属于甚低频粗线阵声呐, 与细线阵相比, 虽然其探测距离较近, 但是抗流噪干扰能力更强, 收放时间更短, 拖曳航速更高, 更加适宜在近海等海况较为复杂的海域中使用。缆阵主要技术参数(D 型) ：拖缆直径 9.5 mm、长 800 m、重 205 kg; 拖曳阵直径 82.5 mm(也有报道 89 mm) 、长 75 m、重 640 kg。

TB-16 型拖曳阵声呐研发始于 20 世纪 70 年代, 期间发展了 16B, 16D 和 16F 三个版本, 2006 年美国海军对 TB-16 型拖曳阵声呐进行了替代升级, 授予洛克希德·马丁公司价值 900 万美元的新型 TB-34 型甚低频粗线拖曳声呐的研制合同。目前, 新型 TB-34 型粗线阵拖曳声呐已装备部分“洛杉矶”级攻击型核潜艇。

3) TB-29A 型拖曳阵声呐

TB-29A 是 TB-29 型拖曳阵的改进型, 属于甚低频细线阵声呐, 其优化了声学性能和传感器定位系统, 提高了甚低频和较高航速下的探测性能, 综合探测能力优于粗线阵, 具有良好的分辨和定位特性, 但由于基阵尺寸较细, 易受海浪影响, 不太适宜在海况复杂的近海环境中使用。缆阵主要技术参数：拖缆采用轻质材料, 长 365 m; 拖曳阵集成的声学模块为 13 × 48.8 m, 单模块具备 32 个声通道, 全部阵段内径 1.9 cm, 外径 3.8 cm。

TB-29A 型细线阵研制始于 1991 年美国海军水面舰拖曳监视系统(SURTASS) 。2001 年, 美国海军对装备在 SURTASS 上的 TB-29A 细线阵拖曳声呐进行实验。2005 年 11 月宣布 TB-29A 声呐通过验收, 正式装备潜艇部队。目前, 美国正在研发新型的 TB-33 型细线拖曳声呐, 未来 TB-33 型服役后将逐步替代 TB-29A。

4) TB-23 型拖曳阵声呐

现役美国部分“弗吉尼亚”、“洛杉矶”级核潜艇仍装备上一代 TB-23 型细线拖曳阵声呐, 其缆阵主要技术参数：拖缆长约 915 m; 拖曳阵直径 38 mm、长约 305 m(也有报道 488 m) , 拖曳阵由 2 个高频段、2 个中频段、4 个低频段模块, 1 个环境模块, 2 个隔振模块组成, 总集成 98 只水听器。

1.2 湿端缆阵分析

1) 拖曳阵声呐工作分析

简单的声源定向原理可借由人耳定向功能阐述, 当判断声源方向时, 人会下意识转动头部, 使得双耳连线的垂直平分线刚好指向声源方向, 造成声音到达双耳的时间相同, 拖曳阵声呐的探测原理与上述人耳相同, 具体来讲, 拖曳阵声呐利用了信号和噪声不同的统计特性, 将相同时刻, 多枚水听器接受的不同信号, 进行时间补偿处理及能量积累, 得出能量最大方向, 即目标方向。

当拖曳阵声呐由 N 枚水听器构成, 设 s(t) 为入射信号, s(t + τ_i(θ₀) ) 为第 i 个水听器的接收信号, 其中信号入射角为 θ₀, 如图 3 所示, 如使信号延迟 τ_i(θ₀) , 那么全部 N 路信号将为 s(t) , 相加积分得到 N²σ_s², 如果信号入射方向改变, 那么第 i 枚水听器经延时 τ_i(θ) 就为 s[t + τ_i(θ) -τ_i(θ₀) ], 能量输出最大, 即

$D\left( \theta \right)=E\left[ \sum\limits_{i=1}^{N}{s{{\left( t+{{\tau }_{i}}\left( \theta \right)|{{\tau }_{i}}\left( {{\theta }_{0}} \right) \right)}^{2}}} \right]$

(1)

考虑到噪声 n_i(t) (i = 1, 2…, N) 的混入, 设噪声独立且均值为 0, 则能量输出最大。

$D\left( \theta \right)=E\left[ \sum\limits_{i=1}^{N}{s{{\left( t+{{\tau }_{i}}\left( \theta \right)|{{\tau }_{i}}\left( {{\theta }_{0}} \right)+\sum\limits_{i=1}^{N}{{{n}_{i}}\left( t|{{\tau }_{i}}\left( {{\theta }_{0}} \right) \right)} \right)}^{2}}} \right]$

(2)

当 θ = θ₀ 时, D(θ) = N²σ_s² + N²σ_n², 可见, 噪声加大 N 倍, 信号却加大 N² 倍, 则信噪比增益为

${{G}_{s}}=10\log \left\{ \frac{{{N}^{2}}\sigma _{s}^{2}}{N\sigma _{n}^{2}}/\frac{\sigma _{s}^{2}}{\sigma _{n}^{2}} \right\}$

(3)

由以上分析可得, N 枚水听器构成的拖曳阵声呐, 当满足噪声独立条件时, 增益为 10logN, 即增益随 N 增大而增高。

为了满足噪声独立条件, 水听器按照波长一半的间距布放, 这样, 水听器数目增多就会导致探测能力增强, 这也是世界各国海军装备的拖曳阵声呐孔径日益增大的原因。

2) 美国湿端缆阵的配置模式

拖曳阵声呐的湿端缆阵距离搭载平台远, 同时可通过航速/缆长之间关系调节工作深度, 具有良好的信道与背景噪声条件。但是现代降噪技术发展迅速, 为保障对目标有效探测, 必将进一步增加孔径尺寸及频率下移, 同时向细线阵拖曳声呐方向发展, 目前, 美国潜艇拖曳阵声呐配置呈现双阵模式：即美国全部现役的“洛杉矶”、“俄亥俄”、“海狼”、“弗吉尼亚”级核潜艇都配置有一粗一细的拖曳阵声呐, 粗线阵为 TB-16, 细线阵为 TB-23/29A, 长期来看, 美国会一直采用该种配置方式。

3) 湿端缆阵限制因素

美国艇载拖曳阵声呐线状缆阵均采用临界角拖曳方式, 即拖曳阵通常采用与海水等比重设计, 而拖缆比重与海水相当或略大, 可见, 缆阵工作深度受到 2 个因素的影响：潜艇航速、深度分别与缆阵长度的关系。因此, 其设计参数直接影响到执行任务的海区与任务遂行能力。

另一方面, 相比于艇载声呐, 尽管拖曳阵声呐可以大幅提高孔径尺寸, 但仍会受到安装、存储空间的限制, 即拖缆长度 × 截面积(直径) 与拖曳阵长度(孔径) × 截面积(直径) 的总和。因此, 拖曳阵声呐设计必须考虑拖缆长度、直径和拖曳阵直径。

拖缆：拖缆长度直接与平台噪声水平及对其的抑制水平有关, 这主要由于数据传输方式、声阵电子器件功率/种类、拖曳阵规模等的限制。美国 TB-23 型到 TB-29 型再到 TB-29A 型, 其缆长从 915 m 到 580 m 再到 365 m, 由此可以推断, 平台噪声水平一直在降低。

拖曳阵直径：直径与平台噪声及对其抑制水平、航速等因素有关, 这主要由于航速增大导致流噪声激增, 严重影响探测性能。美国海军采取粗(82.5 mm) 、细(38 mm) 兼备的配置方式。

4) 湿端缆阵暴露的问题

美国将潜在战场预设在它国近海周边, 致使作战模式和作战需求发生转变, 随即拖曳阵声呐暴露的问题逐渐突出, 体现在：

声呐参数优化程度低, 导致执行任务海区受限, 为了解决这一问题, 美国对拖曳阵声呐 TB-16 型进行了多次改进工作, 并逐渐由新一代 TB-34 型取代。

声呐的可靠性低, 使用安全性差, 甚至出现设备完全失效。

柔性基阵与壳体基阵的相干处理、联合以及探测精度等问题严重。

2 美国收放分系统及分析 2.1 美国缆阵收放分系统

拖曳阵声呐的最初性能验证是在挂带条件下完成的, 但随着拖曳阵声呐的广泛使用, 其使用及维护成本激增, 相比之下, 具有缆阵收放分系统, 不仅成本、风险较低, 而且可根据海域水文条件及特点进行调整, 发挥最大作战效能。

美国现役的“俄亥俄”、“洛杉矶”、“海狼”、“弗吉尼亚”级核潜艇均装备缆阵收放分系统, 其分为 2 种类型：

OK-276 拖曳阵收放分系统, 适配 TB-16, TB-34 等粗线阵, 早期安装布置在艇背的中部以前。

OA-9070 拖曳阵收放分系统, 适配 TB-23, TB-29A 等细线阵, 安装布置在潜艇尾部主压载水舱。“洛杉矶”级核潜艇装备的是液压驱动的 OA-9070A, “弗吉尼亚”级核潜艇装备的是全电驱动的 OA-9070E。全电驱动设计可减少空间要求, 有效降低重量、人员和成本, 增加潜艇负载能力, 提升作战系统效率, 此外, 全电驱动取消了液压和气压子组件, 使系统更加整洁和安静, 是未来潜艇拖曳阵收放分系统的发展趋势, 如图 4 所示。

2.2 缆阵收放分系统分析

缆阵收放分系统必须满足提供最大容缆量的同时保证可靠、无损地收放缆阵。因此, 设计时需要考虑缆阵收放分系统在艇上的布局。

美国采取尾部集中式布置, 并与专门设计的拖曳阵尾部结构适配, 缆阵初始释放时阻尼低, 同时运用注水推出、低张力牵引等技术, 保证拖曳阵声呐效能的同时增加了拖曳阵服役寿命。当然, 其对潜艇的结构设计具有巨大影响, 甚至要求在艇体设计时, 同步考虑拖曳阵收放分系统的设计。

从世界范围来看, 美国一直以来所采取的尾部集中式布置是各国海军普遍采取的收放方式, 虽然相对设计难度大, 但其是拖曳阵声呐缆阵收放方式的未来发展趋势。