0 引言

经过长时间的探索和分析，人们发现声波在海水中的传播能力为最佳，其他辐射形式例如电磁波和光波在海水中的衰减都比声波大得多^[1]。长期以来，为了保障潜艇使命任务的完成，配备了多种声呐，在这种配置下，潜艇的作战行动得到了保证^[2]。

现如今由潜艇搭载拖曳声呐进行探测任务已成国内外反潜战发展趋势。拖曳线列阵声呐简称“拖曳阵声呐”，它是将水听器安置在电缆上形成线列阵，由拖曳电缆拖在潜艇后部水中探测目标的声呐^[3]。其主要应用于测量潜艇辐射噪声，进行远程监视、测向和识别，有的也可用于测距。拖曳阵声呐优点是：基阵尺寸大、工作频率低、利于线谱检测，能远距离隐蔽地发现目标；基阵入水较深，通过控制拖缆长度可调节基阵入水深度，以工作于有利水层；基阵远离平台，受平台噪声干扰小，作用距离远；基阵可随时收回，维修方便。缺点是：基阵、拖缆和收放装置占用运载空间大。

UUV的高频前视声呐、侧扫声呐和下视声呐主要探测水下静止目标，探测距离比较近；舷侧阵声呐、拖曳阵声呐和垂直阵声呐主要探测水下机动目标，探测距离较远，可测出目标的方位^[4]。由于拖曳声呐离UUV艇体较远，受其噪声影响小，因此应用拖曳声呐进行UUV探潜任务得到了广泛关注，主要采取被动接收声信号和收发合置处理声信号2种方式。

北约水下研究中心（NURC）从2007年开始进行新型被动拖曳阵SLITA^[5]（Slim Line Towed Array）和微型SLITA试验，并进行降噪处理。在2008年底，完成并分析了主动发射声源TOSSA^[6]（Towed Sound Source for AUV）接收和发射声信号系统。由于AUV是UUV的一个分支，本文针对这些试验进行UUV接收和发射声系统的情况分析。

1 UUV接收声信号系统试验及原理分析

该试验通过采用SLITA和微型SLITA两种新型拖曳阵进行接收外声源信号的工作，将接收的声信号通过k-f图和V型能量图的形式显示出来。由于接收信号的过程中因为信噪比很低^[2]，且有旁瓣效应，所以受环境噪声的影响较大，需要降噪处理。

1.1 波频图理论

用波频图区别声噪声和非声噪声（如机械噪声），波频图是源于时间和空间的双重傅里叶变换，其中Y轴为时间频率，X轴为空间频率k，其中的正负值是区分由拖曳阵的2个声波束面产生的信号。

$ k=2\pi/\lambda \text{, } $

(1)

假定d为阵间距，则k的最大值为：

$ {{k}_{\max }}=\pi/d\text{.} $

(2)

假定声速为C，则波频f和到达角θ的变换如下：

$ k\left(f, \theta \right)=2\pi f/C\times \cos \theta \text{.} $

(3)

f的变换会产生经典的V型能量波。k-f图中的V区域确定了声能。V区域外主要是非声能（如机械振动、流噪声等）或其他阵。V型能量波边界表示声波束能，该声能来自于UUV推进器。

1.2 SLITA试验 1.2.1 SLITA

SLITA是一个直径为31 mm的试验型拖曳阵，共有48个水听器，SLITA具有持续采集信息和自处理信息的良好性能。图 3为其机械设计图。

1.2.2 SLITA试验设备和方法

该试验采用的外置声源有：声调制解调器、声定位系统、UUV声学多普勒流速剖面仪及李奥呐多回声测深器。

该试验于2007年11月初开始在帕尔马利亚岛前的30 m水深的区域进行。拖曳阵在高度为10 m的海床上进行试验。UUV分别以静止和航行的状态接收声源信号，且在这2种状态下以2种不同频率孔径的拖曳阵进行接收声信号试验以达到定位的目的。

1.2.3 SLITA试验结果及分析

真实试验数据的波频图没有显示出任何由于机械振动和拖曳阵变形产生的明显特征。图 4为UUV静止时的k-f图。该能量在V-型曲线中没有汇聚到一点。图 5为UUV航行时的k-f图，它很好地形成了V型曲线，按预期噪声达到30 dB。由于旁瓣效应的影响，余能量在V区域外（中频孔径大致3 500 Hz，低频孔径大致1 750 Hz）。

1.3 噪声原因

该试验采用的是BenthosAQ-4水听器（Sh=-201 dBV，1 μPa±1 dB）用来消除拖曳阵移动产生的噪声，即加速噪声。它的降噪实质上是通过在航行器内将有源元件均匀化的过程。在工程试验中，采用被动方式所产生的噪声很大。全面分析发现噪声源来自李奥纳多噪声本身。低至15～20 kHz的异常空泡噪声是推进器自旋产生的宽带白噪声。目前技术水平只能测出UUV在水面上航行时的推进器噪声，并不能测出其在水下航行的推进器噪声。

在这种条件下，由于UUV的自噪声是主要原因，详细评估拖曳阵的噪声便有一定难度。然而，由于李奥纳多噪声的宽频谱，在功率谱中可明显看出水听器的共振在17 kHz处（见图 6）。

图 6中的噪声不仅来自推进器自身，还包括由空泡产生的噪声和李奥纳多噪声，甚至在低速条件下产生的水流噪声，图中表明该噪声有较宽频谱。

1.4 微型SLITA试验 1.4.1 试验设备和方法

微型SLITA是1个直径为12 mm的试验型拖曳阵，阵总长14 m。包括20个水听器，1个测深计和1个倾斜传感器，其中有1个接口连接SLITA数据采集系统。

该试验于2008年开始。UUV以3～7 kn航速范围变化，大致平行于意大利海岸线直线航行。

1.4.2 微型SLITA试验结果及分析

数据分析如下：

1）在声数据中没有可识别的被动湍流信号。

2）倾斜和压力传感器工作运行正常，数据显示这源于好的拖曳环境。数据中观察到的大部分声能都由李奥纳多噪声产生。

3）没有湍流能量明显在6～13.5 kHz频率范围内。R/V李奥纳多机械噪声控制声能在这个频率以下。R/V李奥纳多电磁噪声控制水听器声能在这个频率以上。

1.5 UUV接收声信号系统试验小结

在接收声信号进行定位试验的过程中，当声源置于端射附近，延迟的二次项可忽略，因此确定水听器的定位误差很容易。然而，当声源离舷侧很近时，分离附近区域近似值的二次项和拖曳阵本身曲率产生的二次项很困难，所以无法准确计算出水听器的定位误差。在处理噪声试验数据分析后发现，无论是哪种拖曳阵其主要噪声源都是UUV本身的李奥纳多噪声，试验数据表明SLITA和微型SLITA拖曳阵具有良好的声隐蔽性。

由该试验过程来看，接收声信号系统最根本的任务是对声呐接收水听器所收到的信号进行接收和处理，并对该信号作出信号“有”或“无”的判断^[7]。经过接收基阵收到的波束在声信道中产生波频图，“动态范围压缩和归一化”和“信号处理”模块任务是把接收的信息以视觉方式显示出来，“动态范围压缩和归一化”模块还需消除声传输通道加给被传播信号的空间和时间特性^[2]。

2 UUV收发声信号系统试验及原理分析 2.1 UUV收发声信号系统试验

NURC在2008年底在UUV上安装1个发射声源TOSSA，以完成底层描述和反潜任务。反潜战基本内容是对潜艇进行探测、识别、跟踪、定位和攻击^[8]。该试验的特点是发射声源和接收声信号装置不在一起，这和传统的潜艇接收和发射信号合置的装置构成不同。

2.1.1 试验对象

底层描述对象为海床附近杂波的地声特性（声速、密度、衰减等），这需要声呐单程传输模型的支撑。该方法采用的是带有拖曳源和水平阵的UUV。

由图 8可看出，TOSSA分为尾绳、BENS拖曳阵、拖曳源和OEX-C航行器4个部分。其中，BENS拖曳阵是被动声呐阵，专用于接收声信号，包括低频、中频和高频；拖曳源是一个发射声源，其带宽范围是从800～3 400 Hz；OEX-C航行器采用定制传感器。拖曳系统包括尾绳、BENS拖曳阵以及拖曳源3个部分。

2.1.2 试验过程

该试验于2009年4月初开始，OEX-C航行器搭载BENS拖曳阵和拖曳源，航行速度为2 kn，且运行正常。试验采用回声中继器模拟了一个潜艇声信号，以达到有效测试UUV探潜的目的。航行器搭载TOSSA航行的过程中，TOSSA根据周围海洋环境及潜艇模拟信号进行自主判决发射高、中或低频声信号，echo接收机置于声源外进行接收声信号任务，收发信号产生的波束在处理显示屏上汇总，从而得到收发声信号试验结果。

2.1.3 试验结果及分析

图 9显示了UUV收发合置声呐的工作，在处理显示屏上可以观察到清晰的探测过程。

从图中可看出，随着引脚数的增加，声波到达时间基本维持一致，这说明此UUV接收和发射声信号系统十分稳定，该系统可以作为一个中坚力量应用于未来的探潜任务当中。

2.2 UUV收发声信号系统试验小结

TOSSA发射出的声源被echo接收机连续接收，收发信号处理显示没有断点，探测试验结果令人满意。该试验不考虑噪声问题。

2.2.1 UUV发射声信号系统

由该试验过程来看，在UUV执行任务过程中，UUV发射声信号系统是采用主动声呐判断周边环境并分析特定情况形成波束，在全向或一个扇面空间内发射声信号的系统。

2.2.2 发射声信号系统模块图

程序控制特定系统，信号发生器的输出到“波束成形系统”，为了给信号一个合适的加权和延时，使发射基阵在声信道产生一个波束图。该图决定了发射的声能如何集中和分布在空间^[3]。

根据试验对象的需要以及过程，构建声信号单程传输基本模型如图 11所示^[9]：

声源发射声信号传送给接收机的基阵模型，环境噪声对基阵模型有一定的影响，基阵模型将声信号转换成电信号进行处理，再将分析后的数据转换成声信号接收。

3 结语

本文分析工作对于我国UUV拖曳阵声呐试验过程和结果分析具有重要借鉴意义。今后将深入研究UUV搭载拖曳阵声呐在不同海洋环境条件下以不同航速、航迹进行不同探潜任务试验，以对UUV在实际作战中发挥作用予以支撑。