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【摘要】航空吊放声纳是反潜直升机上装备的重要搜潜设备。介绍了美国海军的航空吊放声纳发展情况，分析了其主要技术特点和未来发展方向，对发展我国航空吊放声纳有很好的借鉴作用。
【关键词】航空反潜;吊放声纳;发展
Abstract：Dipping sonar is an important device equipped on antisubmarine helicopter. The development situation of US Navy dipping sonar is introduced，and the main technical features and development trend are analyzed，which can be used for reference by our country.
Key Words：Aviation antisubmarine;Dipping sonar;Development
1.引言
声纳出现的历史已近百年，美国于上世纪40年代末首先使用吊放声纳，AN/AQS-1型航空吊放声纳是第一个投入使用的军用装备[1]。由于航空吊放声纳是装备在反潜直升飞机上的，设备工作时受平台的噪声影响比较小，与水面舰艇或潜艇用声纳相比较，想获得同样的探测效果仅需要较小的声纳基阵就能实现，且潜艇缺少有效地与飞机对抗的手段，加之反潜机的速度要远大于潜艇航速，所以，在航空反潜作战中，飞机对潜艇一直处在绝对优势的地位。
战后，潜艇技/战术水平不断发展，特别是核动力潜艇的不断装备和发展，要求与之斗争的反潜兵力必须具备更高的搜索速度和作战效率，因此，航空反潜的地位更加突出，已成为各发达国家最重要、最有效的反潜手段之一。航空吊放声纳是反潜直升机对水下目标进行搜索、定位、识别、跟踪的最重要手段。
2.美国海军航空吊放声纳发展概况
吊放声纳是海军反潜直升机对水下目标进行探测的重要装备，主要用于对潜艇的搜索、定位、识别及跟踪。经过几十年的发展，经历了巨大的技术变革，随着新技术、新元件的不断应用，以及计算机和信号处理技术的飞速发展，其性能得到不断的完善和提高。美军是西方国家军队中现代化程度最高的，拥有世界上最大规模的航空反潜兵力和现代化的航空声纳设备[2]，已装备和研制的航空吊放声纳主要型号有AN/AQS-13系列、AN/AQS-22和HELRAS吊放声纳。
2.1 AN/AQS-13吊放声纳
美军早期使用过的反潜直升机主要有海王、海妖等，海王直升机机身较大，同时装备有吊放声纳和声纳浮标，后者因机型较小，只装备浮标声纳 [3]。上世纪六十年代，美海军主要装备的是AN/AQS-13A/B吊放声纳，装备对象为SH-3A/H反潜直升机，到了八十年代，将其升级为AN/AQS-13F，主要装备对象为SH-60F海鹰直升机，它是一种轻型机载多用途（LAMPS）直升机系统，既装有吊放声纳也装声纳浮标和磁探仪，其主要作战任务是为航母编队提供对潜警戒和防护。
AN/AQS-13A吊放声纳是13型的第一次改进型。整机除装有发射机、信号处理机、显示器、罗盘跟踪系统、声纳探头、液压绞车、吊放电缆外，还有活动目标指示和纸带式多用途记录仪（记录温深曲线和距离）。声纳探头包括一个圆柱形全向发射换能器，还有一个由16个水听器构成的圆形接收阵。在探头内还装有前置放大器、波束形成网络、输出放大器、时变增益控制电路、海水深度温度传感器、磁罗盘以及伺服控制系统、机内测试电路等。采用主/被动工作方式，最大作用距离18km，电缆长度150m，总重量282kg。
AN/AQS-13F型吊放声纳是AQS-13系列中技术最先进的一型。其研制计划始于1982年，主要是为了装备执行航母“内区”反潜任务的SH-60F反潜直升机[4]。AN/AQS-13F由AN/AQS-13B演变而来，主要采用了全数字自适应信息处理系统（声纳数据计算机SDC），使其重量和尺寸大为减小，是一部探测距离远、搜索频率低、可主被动联合搜索的吊放声纳。其特点主要有：
（1）换能器采用收发分置方式，使部件设计最优化，在提高作用距离的同时，还提升了被动监听的工作效能。
（2）改进了绞车系统，使收放更加迅速，提升了作战效率。
（3）水下探头采用流体动力外形设计，水下工作状态更加稳定。
（4）数据为全数字形式，采用单芯电缆传输，实现电缆轻量化;增加了吊缆长度，能够更好的利用良好水文条件，实现远距离探测。
（5）采用长脉冲APS方式增加发射功率，结合窄带分析，提升深水典型非混响条件下的品质系数。
2.2 AN/AQS-22吊放声纳
AN/AQS-22吊放声纳是由法国的FLASH声纳与美国的UYS/2处理机共同构成的。其接收阵由12臂24杆组成，液压驱动扩展方式，可形成24个波束;系统总重217 kg，探头重80kg，吊放电缆长773 m，直径6.6 mm，重65 kg，绞车重72 kg，最大工作深度700 m，最大起吊速度达10 m/s，可显著缩短大深度作业时的收放时间。该声纳有五个工作频率，工作频段为3.5～5.5kHz。发射波形包括CW、LFM、HFM及其组合方式，采用脉冲加窗和功率控制技术可以优化探测性能。当采用低频大带宽的FM方式工作时，能提升浅海强混响条件下对低速目标的检测效果。由于海水和空气的声传播特性不同，加之接收器的指向性设计，声纳对直升机旋翼噪声具有较强的垂直抑制能力。此外，增强型的模块化信号处理机除了吊放声纳信号外还具有对8～16枚声纳浮标的信号处理能力。可以完成对潜探测、定位、识别、跟踪等功能。
2.3 HELRAS吊放声纳
HELRAS声纳是由美国L3公司开发的一种极具代表性的低频吊放声纳。水下分机采用了分置式换能器基阵。接收阵包括8个液压驱动扩展臂，当其完全展开时，直径为2.6m，发射阵包括8个发射单元，可由中部下降形成5.2m长的垂直扩展阵。声波发射时，水平方向为全向发射，垂直方向的声波出射角在±15°之间。最大工作深度550m，水下分机的下降速度2.1m/s，上升速度4.6 m/s，工作频率1.31～1.45kHz。经深水试验表明，该声纳的最大探测距离超过了第一汇聚区，最大达到了60nmile[5]。换能器在垂直方向以小出射角发射声波，可减小界面反射干扰。接收阵对远距离回波也具有较高指向性，可提供高灵敏度的目标检测。采用了多卜勒滤波、乒—乒分析、空—时脉冲长度分析等技术，发射声波时选择合适的波形抑制混响，来满足浅海工作需求。采用高分辨率的多普勒脉冲成形处理技术，可对静止目标进行探测。 虽然美军没有采购HELRAS声纳，但该型声纳己在欧洲的一些国家得到应用，1998年12月，意大利海军购买了10套HELRAS声纳，用于装备EH-101反潜直升机。其优点是对远距离目标拥有较强的探测能力，缺点是重量和尺寸较大。其特点主要有：
（1）发射频率低，功率大，具有深海汇聚区工作能力，可实现较远的探测距离。
（2）垂直发射线阵长5.2m，由8个大功率弯曲圆盘串联构成，可保证良好的发射指向性和较高声源级。
（3）可扩展的大孔径接收阵。
（4）绞车收放水下分机速度快，缩短了大深度收放时间，提升搜潜作战效率。
3.技术发展分析
现代潜艇具有潜深大、噪声低、速度快、隐身性好等特点，相应的，航空吊放声纳技术也得到了较快发展，其中采用低频远距离探测、扩展阵结构设计、多基地联合探测、满足多样化任务需求[6]是主要的发展方向。
3.1 采用较低发射频率，实现远距离探测
无论是吊放声纳还是声纳浮标，采用低频探测都是共同的发展趋势。现代潜艇虽然采取了很多降噪措施，但降低的噪声能量主要集中在中、高频段，而在低频段仍有相当大的噪声残留;同时，消声瓦对中、高频主动探测声波的吸收作用比较好，对低频声信号的吸收效果较弱，目标反射强度仍然较大。所以发射频率低频化是未来吊放声纳发展的一个重要方向。
吊放声纳的低频化要求换能器基阵的尺寸变大，而反潜直升机由于自身空间及载重限制，必须严格控制声纳系统的尺寸和重量，对换能器基阵的尺寸要求更高。目前，解决这一矛盾的有效方法是采用可收放的扩展阵设计。
3.2 采用扩展阵结构，提升换能器工作效能
“湿端”采用可扩展阵结构，收放时能够安全进出载机喇叭口，工作时扩大声孔径，获得更大的基阵增益。以HELRAS声纳为例：
3.2.1 扩展接收阵
HELRAS吊放声纳的扩展阵采用上下分置方式，上部为接收阵，下部为发射阵，扩展臂的长度决定了扩展后的接收阵直径。其扩展阵直径增至2.6m，从而使工作频率降至1.3 kHz。
随着技术的不断提高，吊放声纳扩展阵的臂数也在逐渐增加。HELRAS吊放声纳扩展阵的臂数比AQS-22声纳多出了1/3，达到16个。扩展臂长度越长，数量越多，对驱动扩展阵的动力需求也越高。由电机提供扩展驱动的方式对多臂大阵来说已无法满足要求，现多采用液压驱动。
3.2.2 扩展发射阵
HELRAS吊放声纳的发射扩展阵由八个弯曲圆盘构成，阵长5.2m。每个发射换能器由双层弯曲陶瓷圆盘组成，之间有压力补偿装置，并用聚胺脂包覆，通过连接索收拢到探头内的存放舱中。其换能器单元的声源级为201dB，组阵后功率增加9dB，加上指向性增益的9dB，声纳工作的总声源级可达219dB，由此可见，采用扩展阵对水下分机工作效果的提升是非常明显的。
3.3 采用多基地联合探测，实现大范围搜索[7]
多基地探测时，发射机和接收机采用收发分置的工作方式，声纳在探测时具有很大的灵活性，主要表现在两个方面：一是主动方式下受混响的影响比较小;二是可以实现大范围搜索。混响是由声纳换能器主动发射声波造成的，由于收发分置，多基地探测时接收机受混响的影响比较小;由于接收机远离发射机，所以探测时不易被目标发现，使其难以进行有效地规避和对抗。在较大范围内布置多个接收传感器，可以达到扩大探测范围，提高搜索效率的目的。
3.4 采用多传感器技术，更好掌握水下分机工作状况
使用多种传感器对水下分机的工作状态进行监控，主要包括温深传感器、倾斜传感器、漏水传感器、罗盘方位传感器、碰撞传感器等，以便更好的掌握和控制换能器的工作状况，提升设备的整体探测效能。
4.结束语
本文通过对美国海军装备的几型航空吊放声纳进行比对分析，总结了其技术特点及未来的发展方向，概要的讲，就是要向轻量化、小型化、低频率、远距离、多功能、高可靠性等方向发展。由于潜艇的性能日益增强，对航空反潜的要求也越来越高，机载吊放声纳作为反潜直升机对水下目标进行探测的主要装备，正受到越来越多的关注。研究分析美军吊放声纳技术发展的特点，对提升我国声纳装备水平有积极的促进作用。
参考文献
[1]孙明太.航空反潜概论[M].国防工业出版社，1998.5.
[2]徐钧.国外航空声呐发展概述[J].声学与电子工程，2010.1.
[3]刘凤景.深入海洋的鼻子—欧美机载吊放声纳巡视[J].国际展望，2002.12.
[4]孙明太.航空反潜装备[M].国防工业出版社，2012.9.
[5]Tyler Jr GD.The Emergence of Low-Frequency Active Acoustics as a Critical Antisubmarine Warfare Technology[J].Johns Hopkins APL Technical Digest，1992，13（1）.
[6]Rupert pengelly.Dipping Sonars Adapt to Multimission Requirements[J].Jane’s Navy International，2002，July/August：18-23.
[7]凌国民.多基地航空声纳系统[C].全国首届航空反潜学术研讨会论文集，2001：108.
作者简介：
金立峰（1979—），男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：航空反潜。
邓歌明（1967—），男，大学本科，副教授，主要研究方向：航空反潜。
【关键词】航空反潜;吊放声纳;发展
Abstract：Dipping sonar is an important device equipped on antisubmarine helicopter. The development situation of US Navy dipping sonar is introduced，and the main technical features and development trend are analyzed，which can be used for reference by our country.
Key Words：Aviation antisubmarine;Dipping sonar;Development
1.引言
声纳出现的历史已近百年，美国于上世纪40年代末首先使用吊放声纳，AN/AQS-1型航空吊放声纳是第一个投入使用的军用装备[1]。由于航空吊放声纳是装备在反潜直升飞机上的，设备工作时受平台的噪声影响比较小，与水面舰艇或潜艇用声纳相比较，想获得同样的探测效果仅需要较小的声纳基阵就能实现，且潜艇缺少有效地与飞机对抗的手段，加之反潜机的速度要远大于潜艇航速，所以，在航空反潜作战中，飞机对潜艇一直处在绝对优势的地位。
战后，潜艇技/战术水平不断发展，特别是核动力潜艇的不断装备和发展，要求与之斗争的反潜兵力必须具备更高的搜索速度和作战效率，因此，航空反潜的地位更加突出，已成为各发达国家最重要、最有效的反潜手段之一。航空吊放声纳是反潜直升机对水下目标进行搜索、定位、识别、跟踪的最重要手段。
2.美国海军航空吊放声纳发展概况
吊放声纳是海军反潜直升机对水下目标进行探测的重要装备，主要用于对潜艇的搜索、定位、识别及跟踪。经过几十年的发展，经历了巨大的技术变革，随着新技术、新元件的不断应用，以及计算机和信号处理技术的飞速发展，其性能得到不断的完善和提高。美军是西方国家军队中现代化程度最高的，拥有世界上最大规模的航空反潜兵力和现代化的航空声纳设备[2]，已装备和研制的航空吊放声纳主要型号有AN/AQS-13系列、AN/AQS-22和HELRAS吊放声纳。
2.1 AN/AQS-13吊放声纳
美军早期使用过的反潜直升机主要有海王、海妖等，海王直升机机身较大，同时装备有吊放声纳和声纳浮标，后者因机型较小，只装备浮标声纳 [3]。上世纪六十年代，美海军主要装备的是AN/AQS-13A/B吊放声纳，装备对象为SH-3A/H反潜直升机，到了八十年代，将其升级为AN/AQS-13F，主要装备对象为SH-60F海鹰直升机，它是一种轻型机载多用途（LAMPS）直升机系统，既装有吊放声纳也装声纳浮标和磁探仪，其主要作战任务是为航母编队提供对潜警戒和防护。
AN/AQS-13A吊放声纳是13型的第一次改进型。整机除装有发射机、信号处理机、显示器、罗盘跟踪系统、声纳探头、液压绞车、吊放电缆外，还有活动目标指示和纸带式多用途记录仪（记录温深曲线和距离）。声纳探头包括一个圆柱形全向发射换能器，还有一个由16个水听器构成的圆形接收阵。在探头内还装有前置放大器、波束形成网络、输出放大器、时变增益控制电路、海水深度温度传感器、磁罗盘以及伺服控制系统、机内测试电路等。采用主/被动工作方式，最大作用距离18km，电缆长度150m，总重量282kg。
AN/AQS-13F型吊放声纳是AQS-13系列中技术最先进的一型。其研制计划始于1982年，主要是为了装备执行航母“内区”反潜任务的SH-60F反潜直升机[4]。AN/AQS-13F由AN/AQS-13B演变而来，主要采用了全数字自适应信息处理系统（声纳数据计算机SDC），使其重量和尺寸大为减小，是一部探测距离远、搜索频率低、可主被动联合搜索的吊放声纳。其特点主要有：
（1）换能器采用收发分置方式，使部件设计最优化，在提高作用距离的同时，还提升了被动监听的工作效能。
（2）改进了绞车系统，使收放更加迅速，提升了作战效率。
（3）水下探头采用流体动力外形设计，水下工作状态更加稳定。
（4）数据为全数字形式，采用单芯电缆传输，实现电缆轻量化;增加了吊缆长度，能够更好的利用良好水文条件，实现远距离探测。
（5）采用长脉冲APS方式增加发射功率，结合窄带分析，提升深水典型非混响条件下的品质系数。
2.2 AN/AQS-22吊放声纳
AN/AQS-22吊放声纳是由法国的FLASH声纳与美国的UYS/2处理机共同构成的。其接收阵由12臂24杆组成，液压驱动扩展方式，可形成24个波束;系统总重217 kg，探头重80kg，吊放电缆长773 m，直径6.6 mm，重65 kg，绞车重72 kg，最大工作深度700 m，最大起吊速度达10 m/s，可显著缩短大深度作业时的收放时间。该声纳有五个工作频率，工作频段为3.5～5.5kHz。发射波形包括CW、LFM、HFM及其组合方式，采用脉冲加窗和功率控制技术可以优化探测性能。当采用低频大带宽的FM方式工作时，能提升浅海强混响条件下对低速目标的检测效果。由于海水和空气的声传播特性不同，加之接收器的指向性设计，声纳对直升机旋翼噪声具有较强的垂直抑制能力。此外，增强型的模块化信号处理机除了吊放声纳信号外还具有对8～16枚声纳浮标的信号处理能力。可以完成对潜探测、定位、识别、跟踪等功能。
2.3 HELRAS吊放声纳
HELRAS声纳是由美国L3公司开发的一种极具代表性的低频吊放声纳。水下分机采用了分置式换能器基阵。接收阵包括8个液压驱动扩展臂，当其完全展开时，直径为2.6m，发射阵包括8个发射单元，可由中部下降形成5.2m长的垂直扩展阵。声波发射时，水平方向为全向发射，垂直方向的声波出射角在±15°之间。最大工作深度550m，水下分机的下降速度2.1m/s，上升速度4.6 m/s，工作频率1.31～1.45kHz。经深水试验表明，该声纳的最大探测距离超过了第一汇聚区，最大达到了60nmile[5]。换能器在垂直方向以小出射角发射声波，可减小界面反射干扰。接收阵对远距离回波也具有较高指向性，可提供高灵敏度的目标检测。采用了多卜勒滤波、乒—乒分析、空—时脉冲长度分析等技术，发射声波时选择合适的波形抑制混响，来满足浅海工作需求。采用高分辨率的多普勒脉冲成形处理技术，可对静止目标进行探测。 虽然美军没有采购HELRAS声纳，但该型声纳己在欧洲的一些国家得到应用，1998年12月，意大利海军购买了10套HELRAS声纳，用于装备EH-101反潜直升机。其优点是对远距离目标拥有较强的探测能力，缺点是重量和尺寸较大。其特点主要有：
（1）发射频率低，功率大，具有深海汇聚区工作能力，可实现较远的探测距离。
（2）垂直发射线阵长5.2m，由8个大功率弯曲圆盘串联构成，可保证良好的发射指向性和较高声源级。
（3）可扩展的大孔径接收阵。
（4）绞车收放水下分机速度快，缩短了大深度收放时间，提升搜潜作战效率。
3.技术发展分析
现代潜艇具有潜深大、噪声低、速度快、隐身性好等特点，相应的，航空吊放声纳技术也得到了较快发展，其中采用低频远距离探测、扩展阵结构设计、多基地联合探测、满足多样化任务需求[6]是主要的发展方向。
3.1 采用较低发射频率，实现远距离探测
无论是吊放声纳还是声纳浮标，采用低频探测都是共同的发展趋势。现代潜艇虽然采取了很多降噪措施，但降低的噪声能量主要集中在中、高频段，而在低频段仍有相当大的噪声残留;同时，消声瓦对中、高频主动探测声波的吸收作用比较好，对低频声信号的吸收效果较弱，目标反射强度仍然较大。所以发射频率低频化是未来吊放声纳发展的一个重要方向。
吊放声纳的低频化要求换能器基阵的尺寸变大，而反潜直升机由于自身空间及载重限制，必须严格控制声纳系统的尺寸和重量，对换能器基阵的尺寸要求更高。目前，解决这一矛盾的有效方法是采用可收放的扩展阵设计。
3.2 采用扩展阵结构，提升换能器工作效能
“湿端”采用可扩展阵结构，收放时能够安全进出载机喇叭口，工作时扩大声孔径，获得更大的基阵增益。以HELRAS声纳为例：
3.2.1 扩展接收阵
HELRAS吊放声纳的扩展阵采用上下分置方式，上部为接收阵，下部为发射阵，扩展臂的长度决定了扩展后的接收阵直径。其扩展阵直径增至2.6m，从而使工作频率降至1.3 kHz。
随着技术的不断提高，吊放声纳扩展阵的臂数也在逐渐增加。HELRAS吊放声纳扩展阵的臂数比AQS-22声纳多出了1/3，达到16个。扩展臂长度越长，数量越多，对驱动扩展阵的动力需求也越高。由电机提供扩展驱动的方式对多臂大阵来说已无法满足要求，现多采用液压驱动。
3.2.2 扩展发射阵
HELRAS吊放声纳的发射扩展阵由八个弯曲圆盘构成，阵长5.2m。每个发射换能器由双层弯曲陶瓷圆盘组成，之间有压力补偿装置，并用聚胺脂包覆，通过连接索收拢到探头内的存放舱中。其换能器单元的声源级为201dB，组阵后功率增加9dB，加上指向性增益的9dB，声纳工作的总声源级可达219dB，由此可见，采用扩展阵对水下分机工作效果的提升是非常明显的。
3.3 采用多基地联合探测，实现大范围搜索[7]
多基地探测时，发射机和接收机采用收发分置的工作方式，声纳在探测时具有很大的灵活性，主要表现在两个方面：一是主动方式下受混响的影响比较小;二是可以实现大范围搜索。混响是由声纳换能器主动发射声波造成的，由于收发分置，多基地探测时接收机受混响的影响比较小;由于接收机远离发射机，所以探测时不易被目标发现，使其难以进行有效地规避和对抗。在较大范围内布置多个接收传感器，可以达到扩大探测范围，提高搜索效率的目的。
3.4 采用多传感器技术，更好掌握水下分机工作状况
使用多种传感器对水下分机的工作状态进行监控，主要包括温深传感器、倾斜传感器、漏水传感器、罗盘方位传感器、碰撞传感器等，以便更好的掌握和控制换能器的工作状况，提升设备的整体探测效能。
4.结束语
本文通过对美国海军装备的几型航空吊放声纳进行比对分析，总结了其技术特点及未来的发展方向，概要的讲，就是要向轻量化、小型化、低频率、远距离、多功能、高可靠性等方向发展。由于潜艇的性能日益增强，对航空反潜的要求也越来越高，机载吊放声纳作为反潜直升机对水下目标进行探测的主要装备，正受到越来越多的关注。研究分析美军吊放声纳技术发展的特点，对提升我国声纳装备水平有积极的促进作用。
参考文献
[1]孙明太.航空反潜概论[M].国防工业出版社，1998.5.
[2]徐钧.国外航空声呐发展概述[J].声学与电子工程，2010.1.
[3]刘凤景.深入海洋的鼻子—欧美机载吊放声纳巡视[J].国际展望，2002.12.
[4]孙明太.航空反潜装备[M].国防工业出版社，2012.9.
[5]Tyler Jr GD.The Emergence of Low-Frequency Active Acoustics as a Critical Antisubmarine Warfare Technology[J].Johns Hopkins APL Technical Digest，1992，13（1）.
[6]Rupert pengelly.Dipping Sonars Adapt to Multimission Requirements[J].Jane’s Navy International，2002，July/August：18-23.
[7]凌国民.多基地航空声纳系统[C].全国首届航空反潜学术研讨会论文集，2001：108.
作者简介：
金立峰（1979—），男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：航空反潜。
邓歌明（1967—），男，大学本科，副教授，主要研究方向：航空反潜。