海洋技术▏现代声纳技术的几个发展方向
自1490年意失利艺术家科学家达•芬奇利用声管听到水中的声音起，声呐技术发展至今已有500多年的历史。在两次世界大战期间，反潜战使声呐成为海军不可或缺的耳目，推动着声呐技术逐步趋于成熟。近年来，随着微电子技术，信号处理技术的发展以及人们对声传播规律的认识，声呐技术有了长足的进步，出现了多种低频、大功率、大尺寸基阵声呐和新体制声呐。本文将谈及现代声呐技术的几个发展方向。
先进信号处理技术
早期的声呐接收机功能比较简单。那时人们对水声环境与无线电渡环境的差异认识不深，简单地把应用于雷达和无线电通讯的信号处理技术移植到声呐系统中，因此并没有发挥其应有的作用，何况当时的模拟电路技术也很难实现信号处理。近年来，随着高性能微处理器和各种专用、通用高速数字信号处理器的出现，以及各种先进信号处理算法的开发，声呐的效能发生了巨大的变化。声呐系统的更新在很大程度上是随着计算机系统和信号处理系统的升级而进行的，声呐基阵的改动不大。美国海军在声呐技术的发展上，首先把大量资金用于改进信号处理能力，其次是购买新型声基阵(如甚低频主动声呐基阵)，同时重新设计了潜艇的作战指挥系统。以前，各种非声学传感器(如雷达)只是用作为声呐的补充或辅助设备；现在把这些非声学传感器数据和声呐数据结合起来，通过光纤送到潜艇的作战指挥系统进行集中处理，构成战术指挥图供作战时参考。
先进的信号处理技术显著提高了声呐系统的性能，使声呐除了完成潜艇探测的任务外，还可以进行远距离水声通信。西方国家推测，前苏联在冷战时期就实现了水声通信，但数据传输量很小，只是几个简单命令。现在的水声通信技术已经可以实现图像传输，通过编码技术可以进行大约100比特/秒的低速数据传输，今后可能提高到1000比特/秒。水声通信技术使备种水下平台的数据交换成为可能，如通过潜艇和无人潜航器的数据交换就可以构成水下战场的声图像。各种水下平台之间共享声呐数据已成为声呐技术的一个主要发展方向。
美国海军对声呐自组网技术进行了大量的研究工作。目前规模最大的水声网络是由美国海军研究局和空海战系统中心主持的“海网”(Seaweb)。北约已开始使用反潜武器网络系统，如用“声呐监听系统”(SOSUS)的被动声呐阵列来探测潜艇，由反潜巡逻机接收声呐阵列的信号来扩大反潜的海域。使用组网技术的好处是能够远程探测，大大提高预警能力。潜艇指挥官可以更早发现潜在威胁、规避攻击，而不仅但是简单地搜索攻击目标。但是远程探测也有缺憾的地方，即声呐监听系统在监听潜艇时虚警率较高，探测误差也会逐渐累加。冷战后，欧美国家对是否采用远程探测作为反潜的主要手段有很大分歧：一些欧洲国家主张采用护卫舰在战时为船队护航，而美国和英国海军则倾向于使用SOSUS、远程反潜巡逻机和攻击型核潜艇。
被动声呐技术
冷战时期，西方海军的主要威胁是前苏联的核潜艇。核潜艇的核反应堆在运行时噪声较大，因此那时北约主要发展用于监听噪声的被动声呐站，对窄带信号的检测成为声呐信号处理的关键技术。在冷战后期，北约依靠新的信号处理技术削弱了苏联降低潜艇噪声所获得的优势。这个时期反潜的特点就是大力发展被动声呐，包括拖曳阵和被动声呐浮标。
现在西方海军多在第三世界国家周围的海域活动，威胁主要来自常规潜艇。常规潜艇可以关闭发动机潜伏在海底不发出一点声响，采用新型不依赖空气动力装置(AIP)的潜艇甚至可以潜伏几星期。此时，被动声呐就无法对潜艇实施有效探测。此外，第三世界国家周围水域多为比大西洋或挪威海浅得多的浅海，常规潜艇可以静卧在海底，让复杂的海底地貌帮助它躲避追踪；在一些表面声道很窄的地方，声波舍被海底多次反射；在滨海水域探测潜艇，还可能遇到一些特殊情况(如河流的入海口)。上述问题都可能会影响声呐探测，英国舰队1982年在马尔维纳斯群岛作战时就遇到过这类问题。鉴于上述情况，美英海军对被动拖曳声呐的兴趣大大降低。美国“阿里伯克”级驱逐舰不再装备SQR-19拖曳声呐。英国海军23型护卫舰的203l型被动声呐也被2087型低频主动声呐所取代。
尽管被动声呐技术发展趋缓，但还远未到被淘汰的地步。只要水面舰艇依然产生噪声、核潜艇依然会发出规则的声信号，就会有被动声呐存在。目前几乎所有的潜艇都装备被动声呐，但是在搜索柴电潜艇时主动声呐仍必不可少。
低频主动声呐技术
安静型柴电潜艇的广泛装备，使声呐技术的研究热点重新转移到主动声呐上。但主动声呐有两个缺点，一是声呐发射的声波会被反潜设备接收到，使潜艇暴露目标并遭到攻击；二是主动声呐在浅海的作用距离受海床的影响。声呐脉冲会在海底和水面之间反射，沿不同路径返回(即“多途效应”)。此时会有微小的时延，在接收机上形成混响干扰，掩盖目标的回波。声呐使用的脉冲序列越长、探测距离越远，声呐受混响的影响就越严重，选择短脉冲固然会减小混响的影响，但同时也减小了声呐的探测距离。
解决这个矛盾的方法之一是使用脉冲编码技术。一个长脉冲序列可以被压缩成一个短脉冲序列，但频率和相位也会发生一些变化。这就是脉冲压缩理论，它是抗“多选效应”的有效手段。在声呐信号处理中经常使用频率调制技术，信号在频域的带宽越宽，在时域的脉冲就越窄。现在一些新型主动舰壳声呐(如美国海军的DE 1160和SQS一53)以及甚低频拖曳声呐(如美国海军侦察舰使用的低频声呐和北约使用长直线阵的大型低频主动声呐)，都使用了脉冲压缩技术。声呐所用声波的频率越低，作用距离就越远，产生低频信号的换能器体积也就越大。当使用声波的频率低于3.5千赫时，声呐就会因为换能器体积过大而不能安装在舰艇上，只能采取拖曳的方式。低频声呐使用的频率一般为100~500赫兹，但略高于净战时期被动声呐探测的频率范围。此外，舰壳主动声呐还可以通过控制波束仰角、采用自适应技术来减小混响的影响。
出于战术上的考虑，很多国家的海军还在研究或购买低频主动拖曳声呐。因为这种声呐的远程探测性能如同SQS-53舰壳声呐，却没低频声呐那么大的体积和重量。小型水面舰艇的船首导流罩容不下大型声呐基阵，所以通常使用拖曳声呐。使用拖曳声呐的另一个好处，是可以减少本舰噪声对声呐的影响。这类拖曳声呐包括英国海军2087型、新加坡护卫舰采用的EDO 980型以及巴基斯坦和台湾海军采用的泰利斯公司ATAS型等。美海军准备购买新型船首声呐和低频宽带拖曳声呐，参与竞标的有L3公司“海啸”(TSUNAM)声呐。它使用了新型结构，中央是一个全方位发射换能器，周围是接收换能器。这种收发隔离的结构有利于改善发射性能，并使声呐的作用距离更远。
只要海水的深度不是太浅，低频信号就可以传播很远的距离。关键是要控制声呐波束的仰角，减小声波在垂直方向上损失的能量。为此，英国2087型声呐等拖曳声呐的换能器基阵采用垂直阵，这种布阵方式也适用于直升机吊放声呐。目前最先进的两型直升机吊放声呐是泰利斯公司的Flash型(美、法、英等国采用)和L3公司的HELRAS型(德、荷、希、意、土等国采用)。这两种声呐可以控制声波不在垂直方向上扩散，而将能量集中在水平方向上。以Flash型为例，如果波束的初始发射角使波束在海底发生了反射，声呐就会自动把发射角度调整为水平。
爆炸声回波定位技术
针对安静型柴油机潜艇给声呐浮标系统带来的威胁，美国海军于50年代中期构想了“朱莉”计划。基本思路是，潜艇噪声的降低将会使SOSUS声呐系统失效，但可以通过增加一个“信号”
深水炸弹爆炸声来解决问题。爆炸声将在寂静潜伏的潜艇上产生回波，SOSUS系统的被动声呐阵接收回波并进行定位。但“朱莉”系统只能在深度超过3500米的深海使用，否则海底反射波将淹没潜艇的回波，因此对一些沿海海域并不适用。在70～80年代，前苏联还开发了一种改进的“朱莉”系统，使用一组爆炸声来克服海底回波的影响。受当时条件的限制，“朱莉”系统没有复杂的信号处理功能，只是通过直达声和潜艇回波的时延差来定位。到90年代，随着计算机的飞速发展，区分潜艇回波和海底反射波的司题得到了解决。“朱莉”系统的最大优势是可以探测到潜艇而不会暴露反潜舰艇的位置，井可以决定是否需要以及何时对潜艇发动攻击。
美国国防先期研究计划局发起了一项“远方雷鸣”(Distant Thunde r)工程，使用舰载声呐或声呐浮标接收爆炸引发的信号，由计算机处理接收到的信号、推演海底声图像绘制出潜艇的运动轨迹。上述工作当时花费20分钟时间，现在的64位处理器当然要快得多。美国海军认为，韩国附近海域为浅海，并且周边各国的潜艇多为柴电潜艇，所以部署在那里的驱逐舰都装备了“远方雷鸣”系统。该系统是SQQ-89水下战斗指挥系统的一部分，这是一种有别于传统平台中心作战的网络中心近海反潜战系统，代表着未来近海反潜作战的发展方向。
作为爆炸声回波定位技术的扩展，还有人提出用无人潜航器发出爆炸声“照亮”整个海底的方案。支持者则认为这个方案的优势在于：利用了无人潜航器上安装的系列传感器，以及大型潜艇拥有的强大信号处理能力。反对者则认为方案并不可行，因为爆炸声使探测艇自身也产生了回波，一旦敌方潜艇也装备了类似设备，那么在搜索敌方潜艇的同时也暴露了本艇的位置。而且西方攻击型核潜艇的体积要比第三世界国家的柴电潜艇大得多，对爆炸声的回波也强得多，所以这种方案对自己并不有利。这种技术的前景如何，目前还没有一致的意见。
■文/赵月白，来自网络