潜艇声呐的分类及其应用与发展
声波是人类迄今为止已知可以在海水中远程传播的能量形式，声呐(sonar)一词是第一次世纪大战期间产生的，它是由声音(sound)、导航(navigation)和测距(ranging)3个英文单词的字头构成的，是声音导航测距的缩写。声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。声呐系统一般是由发射机、换能器(水听器)、接收机、显示器和控制器等几个部件组成，发射机用于产生需要的电信号，以便激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射，水声信号若遇到水下目标便会被反射，然后以声呐回波的形式返回到换能器(水听器)，换能器(水听器)接收到后又将其转变为电信号，电信号经接收机放大和各种处理，再将处理结果反馈至控制器或显示系统，最后根据这些处理的信息可测出目标的位置并判断出目标的性质等，从而完成声呐的使命。
声纳技术按工作方式可分为主动声呐和被动声呐两类。主动声呐发射脉冲声波，通过目标回波获取信息，由声呐基阵、收发转换器、接收机、指示器、发射器、定时中心以及控制同步设备等七个部分组成；被动声呐只收不发，是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离，它由简单的水听器演变而来，收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，其系统的核心部件是用来测听目标声波的水听器，有很强的隐蔽性。
早期潜艇上只有简单的步距式或探照灯式主动声呐，发射“砰砰”的单波束脉冲。现代主动声呐就复杂多了，波束也改成多种频率和模式，还可以多扇面同时收发。主动声呐精度高，能准确计算目标方位、距离、速度、航向；一般来说，主动声呐相对测距精度约1%～5%，被动声呐只有5%～10%。
潜艇是重要的水下作战平台，在各国海军中扮演着极其重要的角色，其功能包括侦察水下目标、攻击敌方军舰、沿海反潜作战、协同对陆作战等。潜艇声呐主要种类有：艇艏多功能声呐、拖曳线列阵声呐、舷侧阵声呐、探雷/避碰声呐、海底导航声呐等。下面就来介绍一下。
⒈艇艏主/被动多功能声呐
潜艇艏部是安装声呐基阵的最佳位置，相对潜艇其它位置，艇艏空间大、噪声低、视野开阔，因此艇艏阵声呐又被称为“主战声呐”，是潜艇声呐系统中最重要的设备之一。艇艏尺寸大、位置好，远离动力系统和螺旋桨，环境最安静，非常适合声呐安装。包括发射阵、接收阵和信号处理机等。发射阵、接收阵要分开安装，以免互相干扰。
苏联维克托级潜艇的巨大艇艏空间
艇艏声呐的声学孔径大，覆盖频率广，垂直水平方向分辨率都很强。接收阵单独工作是被动声呐，与发射阵一起工作就变成主动声呐。艇艏阵声呐一般分为圆柱阵声呐、球阵声呐和共形阵声呐。
美国发展声呐装备已有近100年的历史，美国海军的声呐装备代表了世界最先进水平，其谱系最广、规模最大、技术最先进，而其他国家海军的声呐装备发展相对缓慢、规模较小。20世纪50年代，美国潜艇普遍配备WFA或BQS-3（WFA改进型）主动声呐，以应对水下潜艇的作战需求。WFA属于探照声呐，可实现水声测距、水下通信以及探测鱼雷等功能。WFA搜索效率低，为提高搜索效率，美国海军研制出QHB声呐用于装备在“鹦鹉螺号”核潜艇上。“鹦鹉螺号”核潜艇是供美国海军使用的第一艘核动力潜艇，也是世界上第一艘核潜艇，于1954年下水，该潜艇配备2台QHB-1声呐，分别装于甲板上和艇底部。
二次大战末期，美国把战时德国最先进的U-XXⅠ型潜艇及大量相关资料带回国内进行深入分析研究，并以该艇上配备的GHG基阵为原型设计改良了被动声呐，研制出了20世纪50年代装备性能最好的AN/BQR-2声呐。BQR声呐基阵采用半径为1.22m、高约为1m的圆柱形布阵方式，其包括48个垂直阵元，可实现定向扫描以及360°全方向扫描，工作频带为150Hz～15KHz。
美国潜艇喜欢球面阵，从1958年的AN/BQS-6就开始，早期是极其复杂的模拟波束成形，后改成数字计算机控制；BQS-6A后来改称AN/BQS-11，6B改称AN/BQS-12，1965年升级到AN/BQS-13装备到洛杉矶级核潜艇上。
海狼级潜艇的球面阵，下为鼓形发射阵
“海狼级”潜艇堪称为21世纪攻击核潜艇，能长时间在大西洋靠近苏联海域反潜巡逻，有绝佳的声呐探测能力。“海狼级”潜艇艇艏部配备了球形声呐基阵，由上、下2个球体组成，上球体为被动接收阵，下球体为主动发射阵，约有2870个阵元。被动接收阵附近布放了3层共形阵，阵元间距约为0.75m，共96阵元。此外，为了提高阵增益，“海狼级”潜艇在艇体左侧压力壳内安装TB-29细线拖线声呐基阵，右侧则延续“洛杉矶级”潜艇在艇体导管中安装了TB-16粗线拖线声呐基阵，两阵都是经由导管释放出去。TB-23细线拖线阵声呐声学孔径长度是TB-16的4倍，但流噪声相对较高。
“弗吉尼亚级”核潜艇成本低、性能高，既能远洋反潜又能近海作战，因而被批量生产服役于美国海军至今。“弗吉尼亚级”核潜艇于2004年正式服役，截至2018年已有16艘下水，其配有AN/BQQ-10(V)4声呐系统，系统包括BQQ-10艇艏阵声呐、轻型宽孔径舷侧阵（LWWAA）声呐、TB-16粗线拖线阵声呐、TB-29A细线拖线阵声呐、BQS-2导航测冰声呐等。BQQ-10声呐可以主动方式对水下目标定位，经计算机将目标定位信息连续地传送给火控系统，便于对目标实施精准打击。此外，它还可用作被动声呐实现目标的探测、追踪及水下通信等。
苏联潜艇偏爱柱面阵，同等尺寸下性能与球面阵差不多，只是在垂直方向搜索时，柱面阵受形状影响波束宽度会随俯仰角加大，导致分辨率降低。相对而言，球面阵可以一直保持宽度不变，垂直分辨率较柱面阵更好。
柱面阵
应该说，柱面阵空间利用率相对好一些，鱼雷发射管能从上下方伸出来。球面阵容易遮挡发射管位置，所以有些潜艇不得不将鱼雷管后移，改从肩部斜向发射。苏联时期的维克托级（MTK300）、基洛877型（MTK400）、塞拉级、阿库拉级（MTK540）等都是柱面阵。如今俄罗斯也开始改用球面阵，如亚森级核潜艇上的“阿雅克斯”球面阵直径超过6米，性能也很强。
如今这两种基阵正在被更先进的共形阵取代，第7-10艘弗吉尼亚级核潜艇已开始用诺·格公司的轻型宽孔径共形阵（LWWAA）代替球面阵，俄罗斯拉达级常规潜艇也是如此。
弗吉尼亚级改造方案，上为宽孔径共形阵
共形阵声呐较圆柱阵声呐、球阵声呐的工程实现简单、观察范围大、声学孔径大。安装在潜艇壳体表面，能增大孔径尺寸提高性能，也不影响潜艇运动。它和柱面阵一样也有垂直方向波束变宽的问题，但不影响它成为未来发展方向。
拉达级潜艇上巨大的共形阵
艇艏阵声呐可覆盖低频、中频、高频甚至是超高频，其垂直和水平方向两维的大孔径大幅度提升了声呐性能，尤其是通过垂直孔径的提高，有效提高了声呐的作用距离和垂直分辨率。
⒉拖曳线列阵声呐
拖曳线列阵声呐也称“拖曳阵声呐”。它是将水听器镶嵌在电缆上形成线列阵，由拖曳电缆拖在舰艇尾后水中探测目标的声呐。主要用于听测潜艇辐射噪声，进行远程监视、测向和识别，有的也可用于测距，由线列基阵、拖曳电缆、收放装置和绞盘、电子机柜等组成。由于远离螺旋桨不受噪音干扰，尺寸又长达数百米，声学孔径大增频率降低，所以探测距离远达上百千米，可以探测安静型潜艇。
柔性管内有很多水听器
如美国主力装备TB-16粗线阵，总长约800多米，工作频率在3KHZ以下，最远探测距离达180千米，此外英国2046、法国DSUV-61/62等也都是世界一流的拖曳线列阵声呐。但线列阵体是一条长线，缺少垂直孔径，所以无法分辨左右对称目标，全都当成同一个目标处理，需要潜艇机动或两条拖线阵来解决。
美国核潜艇上装备TB-16和TB-29两条拖线阵，TB-16是粗线阵，高航速时使用；TB-29是细线阵，探测距离更远，只能在慢速下使用。
拖缆与声呐阵列组成
尽管拖线阵设计成较小负浮力，但在静止时就会自然下沉，故只能适合在长时间连续行驶的核潜艇上使用；而常规潜艇常常坐底停车，因此拖线阵不太适合常规潜艇，但为了增强性能很多国家也在常规潜艇上装备。
TB-16拖曳声呐安装在艇身侧上部
⒊探雷/避碰声呐
潜艇在水下可不是一马平川，狭窄航道中有礁石、沉船、水雷等各种障碍物，浮冰下更是处处危险，所以要用探雷/避碰声呐探测。不久前美国“康涅狄格”号核潜艇在中国南海海域出事，导致该艇撞上海底受损，引起了许多猜测。南海海底地形情况本身复杂，而且南海嘈杂的水声干扰也可能有影响，此时探雷/避碰声呐应该就可以发挥作用。“康涅狄格”号核潜艇到底为什么出事，美军不可能公布事故详情，这里就不做分析了。
海狼围壳上的避碰声呐
探雷/避碰声呐是主动声呐，工作频率在几十到几百千赫之间，因此精度很高。也因为频率高功率小，水中穿透距离只有几百米，所以并不担心被敌方发现，缺点是在潜艇高速航行时往往会来不及判断远方目标。
⒋舷侧阵声呐
舷侧阵声呐属于被动声呐，位于艇身两侧。基阵通常沿艇体纵向排列，工作频率低、空间增益大，探测角度大于120°，有较大的工作范围。一般潜艇两侧相对平整，为安装大型声呐阵列提供了良好空间，有些舷侧阵长达60米。
现代潜艇装备的舷侧阵声呐主要有两种类型：一种是呈条带形，位于艇左右两侧；一种是三元式平面基阵，位于艇左右两侧。由于舷侧阵声呐位于艇体两侧，相对于艇艏阵声呐，其探测距离更远，监测范围更大，可用于探雷、规避以及高、低速航行远程警戒。
弗吉尼亚级的三元平面基阵
海狼级、弗吉尼亚级潜艇就是三元平面基阵，利用三个间断子阵接收信号的时间差测算距离，德国212型潜艇是连续线阵，法国铀鱼级是舷侧阵等。舷侧阵声呐水听器可以做得更大，以加大声学孔径提高空间增益，工作频段也可以降低到500～2000HZ，甚至更低，所以探测距离可以远达40～50公里。
法国鲉鱼级潜艇上连续面阵
法国DUUX-5型声呐采用三元式布阵方式（艇左右两侧分布被动三元式平面基阵）。法国泰利斯公司开发出TSM-2233声呐综合系统，采用模块化结构，将舷侧阵的适配性提高，可满足各种需求；TSM-2233声呐系统可对窄带、宽带信号以及瞬时噪声进行被动自适应信号处理，抗干扰能力强。该声呐系统的舷侧阵装备在法国“不屈级”、“凯旋级”、“红宝石级”攻击型核潜艇上，以及阿根廷的“圣克鲁斯级”潜艇、印度的“希沙玛级”潜艇、巴基斯坦的“阿戈斯塔90B级”潜艇上。另外该公司还研制了TSM-2233舷侧阵声呐，两条平面阵分布于潜艇两侧，可实现低频被动声呐，目前装配在挪威的“乌拉级”潜艇、澳大利亚的“科林斯级”潜艇以及智利的“天蝎座级”潜艇上。
俄罗斯阿库拉级潜艇上的鲨鱼腮共形阵
俄罗斯潜艇比较特殊，舷侧阵多是大型共形阵，如阿库拉级潜艇上的鲨鱼腮共形阵就是如此。被动声呐既能测向也能测距，但测距距离短。实际应用中还是会经常用到传统的目标运动分析法（TMA）。通过记录一段时间内本艇与目标的运动方向，利用三角函数计算出目标距离。
目标运动分析TMA
德国阿特拉斯公司的FAS-3两条舷侧阵声呐装备在德国和意大利的212A型潜艇、韩国的214型潜艇以及20多个国家购置的209型潜艇上，工作频带为10Hz～2.5Hz，可实现对水下目标的远程被动探测能力。
德国212潜艇上的连续线阵
⒌海底导航声呐
水下航行具体实施起来比较复杂，识别方位和判定方向要依靠各种设备，不单纯使用一种方式，而是复合导航，除了被动的罗盘定位，还有惯性导航和主动的回声定位系统。有些潜艇底部安装海底导航声呐，拥有回声定位系统，潜艇可以直接在水下回避障碍物，并且可以对照海图进行导航，也叫水下地形匹配技术。
地形匹配导航的原理是利用测深仪、导航声呐等水下地形探测设备，提取水下航行器下方地形特征值，把该特征值与事先存储在计算机里已知的高分辨率的地形图进行匹配，从而确定位置信息。与惯性导航系统一样，具有自主性强、隐蔽性好的优点，基于已知水下地形信息，可以获得不亚于GPS的导航精度。美国音响测量船平时总到我国南海晃悠，就是为了测量详细海底地形，以备战时之需。
音响测量船
长期以来，美方打着“航行和飞越自由”的旗号，频繁派遣航母、战略轰炸机、核潜艇等先进武器平台在南海炫耀武力、兴风作浪，严重威胁地区国家安全，加剧地区紧张局势，这也正是我军要加强对反潜声呐研究的理由之所在。
反潜一直是各国海军作战的重点，到目前为止，声呐仍是实现水下远程探测的唯一有效手段，是各国海军掌握水下监视和控制的首要手段。近年来随着隐身降噪技术、水声对抗技术的提升，传统声呐已经不能满足探潜需要，需要不断提高声呐性能，扩大阵列规模，发展新型水听器，已经成为各国海军的当务之急。
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