朱輝慶 張海生

(1.海裝駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023；2.第七一五研究所，杭州，310023)

隨著潛艇靜音技術(shù)的不斷發(fā)展，各國紛紛投入大量人力和物力研發(fā)拖曳線列陣聲吶用于探測敵方潛艇的輻射噪聲和特征線譜[1]。拖曳線列陣具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）工作頻率低，具備探測潛艇輻射噪聲中低頻線譜的能力；（2）聲基陣長度受拖曳平臺尺寸限制小，易于擴(kuò)展聲學(xué)孔徑；（3）聲基陣遠(yuǎn)離拖曳平臺，通過合理設(shè)計(jì)拖纜長度，可大幅度降低拖曳平臺噪聲對聲吶探測性能的影響。

拖曳線列陣的研究最早始于一戰(zhàn)期間，現(xiàn)階段理論研究基本成熟，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向解決實(shí)際裝備中遇到的技術(shù)和工程問題[2]。拖曳線列陣根據(jù)直徑可分為細(xì)線陣和粗線陣兩大類。細(xì)線陣方面，美國于1991年開始研制用于水面艦拖曳監(jiān)視系統(tǒng)（Surveillance Towed Array Sensor System，SURTASS）的TB-29A型細(xì)線陣，并于2005年宣布通過驗(yàn)收，裝備于洛杉磯級、海狼級和弗吉尼亞級攻擊型核潛艇[3,4]。2006年，美國海軍授權(quán)Chesapeake Science 公司生產(chǎn)兩套TB-33型潛用拖曳陣聲吶系統(tǒng)，TB-33將逐漸替代 TB-29A。粗線陣方面，美海軍于2018年授予Chesapeake Science公司生產(chǎn) TB-34X拖曳線列陣聲吶。TB-34X與TB-34具有相同的外形尺寸，但探測性能、可靠性、抗老化性能均有所提高。

現(xiàn)階段，拖曳線列陣發(fā)展較快是壓電陣和光纖陣。本文對這兩類線陣的三個技術(shù)方向進(jìn)行綜述研究，分別為水聽器及基陣、拖曳噪聲抑制和左右舷分辨。

1 水聽器及基陣技術(shù)

水聽器是拖曳線列陣的核心傳感器件之一，常見類型為壓電水聽器和光纖水聽器，分別將聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號和光相位差信號。

1.1 壓電水聽器及壓電陣

該技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已基本成熟，但在可靠性設(shè)計(jì)、前放電路設(shè)計(jì)、小型化設(shè)計(jì)等方面依舊有很大的提升空間。

1.1.1 前放電路設(shè)計(jì)

拖曳線列陣具備檢測潛艇輻射噪聲等弱信號的能力，因此前放電路中不得引入電路噪聲和干擾。為實(shí)現(xiàn)主被動聯(lián)合探測，拖曳陣中水聽器需具有較大的動態(tài)范圍?，F(xiàn)階段，低噪聲前放與大動態(tài)范圍的矛盾并未完全解決。由于低頻水聽器下限頻率低至幾赫茲、內(nèi)阻高達(dá)幾百兆歐，前放電路與壓電傳感器的阻抗匹配也是技術(shù)難點(diǎn)[5]。

1.1.2 小型化

壓電水聽器小型化和超細(xì)徑壓電陣是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，已經(jīng)有研究表明壓電陣具備超細(xì)孔徑、輕小型化的發(fā)展?jié)摿6]?；谖㈦娮訖C(jī)械制造技術(shù)的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）壓電水聽器具備小型化能力，通過多個壓電換能器串聯(lián)可提高靈敏度[7]。AlN（Aluminum nitride）薄膜MEMS壓電水聽器靈敏度達(dá)到-182 dB，低頻信號檢測帶寬10～100 Hz，滿足潛艇線譜檢測需求[8]。國內(nèi)也有關(guān)于AlN薄膜MEMS壓電水聽器的研究報(bào)道[9]。

1.1.3 可靠性

為提高線列陣使用過程中的可靠性，研究人員在陣段內(nèi)填充阻水固體材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體，降低了因外護(hù)套破損導(dǎo)致的內(nèi)部電子器件短路失效的風(fēng)險(xiǎn)[10]。濕端陣段具備故障隔離能力也是實(shí)際使用中的迫切需求。

1.2 光纖水聽器及光纖陣

光纖水聽器通過解算兩個干涉臂間的光相位差得到聲波強(qiáng)度信息，具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、濕端無電子器件、可靠性高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、易于大規(guī)模成陣等優(yōu)點(diǎn)[11]。

光纖水聽器經(jīng)過近 50年的發(fā)展，逐漸從原理樣機(jī)走向艦艇裝備。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Bucaro J A等人于1977年首次報(bào)道了利用光纖傳感水聲信號[12]。1981年，美國首次封裝了Mach-Zehnder干涉型光纖水聽器，靈敏度指標(biāo)達(dá)到了-140 dB（re 1 rad/μPa）。隨著光纖水聽器性能不斷提升，1984年美國提出全光拖曳線列陣計(jì)劃（All Optical Towed Array，AOTA），并對基于波分復(fù)用的8元和48元拖曳線列陣進(jìn)行了海試，結(jié)果表明光纖拖曳陣性能滿足海軍要求[13]。1990年，美國Litton公司研制的芯軸型光纖拖曳線列陣裝備于 668級攻擊型潛艇，演示了光纖陣在惡劣條件下穩(wěn)定工作的能力[14]。此后，光纖陣聲孔徑擴(kuò)展技術(shù)成為研究重點(diǎn)，美國海軍實(shí)驗(yàn)室在 1996年通過時(shí)分波分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了256元光纖拖曳陣[15]。

1.2.1 增敏封裝技術(shù)

光纖本身的材料性質(zhì)決定了其對聲波的響應(yīng)較低，為了提高光纖水聽器的靈敏度，需對光纖傳感單元進(jìn)行增敏封裝，放大聲波引起的光纖軸向應(yīng)變。光纖水聽器除了需要具備高靈敏度外，還需克服外界環(huán)境波動造成的輸出信號低頻漂移。為此，研究人員在增敏結(jié)構(gòu)中采用 PMMA材料制作溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，使水聽器在海洋溫度變化范圍（-2～30℃）內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長漂移＜0.010 06 nm[16]。在高航速拖曳下拖纜和線列陣尾部迅速抖動，水聽器工作在隨機(jī)振動的惡劣工況下，故水聽器加速度靈敏度應(yīng)盡可能低，以減小水聽器對振動的響應(yīng)。

1.2.2 調(diào)制與解調(diào)技術(shù)

調(diào)制與解調(diào)技術(shù)可降低因環(huán)境變化導(dǎo)致的光纖中光相位隨機(jī)波動對輸出信號質(zhì)量的影響。常用的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)是相位生成載波（Phase Generated Carrier，PGC），通過在干涉儀其中一個干涉臂引入周期性的相位差，并在干端采用相應(yīng)的信號處理方法，有效消除相位隨機(jī)波動的不利影響。

1.2.3 復(fù)用技術(shù)

光纖拖線陣采用波分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用技術(shù)，將數(shù)十個水聽器信號通過一根傳輸光纖與干端連接[17]，因此僅需增加少量傳輸光纖即可迅速擴(kuò)展光纖陣聲學(xué)孔徑，并且光纖作為信號傳輸載體，特別適合信號的遠(yuǎn)距離傳輸，沒有壓電陣在遠(yuǎn)距離傳輸供電方面的技術(shù)瓶頸。但是，光纖陣復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_會造成水聽器性能損失，即成陣后的水聽器性能較單個水聽器差，因此研究復(fù)用系統(tǒng)串?dāng)_的產(chǎn)生機(jī)理和降低串?dāng)_的方法對光纖拖線陣性能提升至關(guān)重要[18]。國內(nèi)研究人員利用波分時(shí)分復(fù)用技術(shù)研制了直徑16 mm的 32元分布反饋式光纖激光水聽器陣列，在10～200 Hz頻段內(nèi)，靈敏度達(dá)到-142.7±2 dB（re 1 rad/μPa），各陣元間、各通道間串?dāng)_小于-40 dB[19]。

1.3 壓電陣和光纖陣對比

壓電陣發(fā)展歷史較光纖陣悠久，在一定陣規(guī)模條件下，壓電陣制作工藝更成熟，試驗(yàn)和裝備使用經(jīng)驗(yàn)更豐富。而光纖陣在規(guī)模擴(kuò)展性、濕端抗電磁干擾性等方面具有優(yōu)勢。

2 拖曳噪聲抑制技術(shù)

隨著拖曳航速逐漸增加，拖曳噪聲隨之迅速增大，成為限制高航速下線列陣探測性能的主要因素之一。并且，隨著UUV和USV等海上無人航行器的發(fā)展，開發(fā)適裝小型拖曳平臺的超細(xì)拖曳線列陣迫在眉睫。相較于粗直徑拖曳線列陣，細(xì)直徑拖曳線列陣中的水聽器距離護(hù)套更近，受到拖曳噪聲的影響更大。此外，深海環(huán)境噪聲較淺海低，即使拖線陣工作在較低航速時(shí)，拖曳噪聲也可能是影響拖線陣探測性能的主要噪聲源。綜上所述，拖曳噪聲抑制技術(shù)的研究對提高拖曳線列陣性能、擴(kuò)展使用航速范圍、拓展拖線陣使用場景至關(guān)重要。

拖曳噪聲成因主要有兩種[20]：（1）拖曳線列陣護(hù)套外表面的湍流邊界層中的脈動壓力起伏通過護(hù)套直接傳遞至水聽器，或者經(jīng)護(hù)套耦合激勵產(chǎn)生再輻射；（2）拖船尾流等引起的拖纜和拖曳線列陣尾部抖動，這兩種振動經(jīng)首尾隔振段后，仍然會有部分振動能量傳遞到線陣中的水聽器，引起水聽器輸出自噪聲變大。

拖曳噪聲的抑制主要從線列陣設(shè)計(jì)和成陣技術(shù)、護(hù)套材料選擇、信號處理等方面展開。利用波束-頻率譜方法分析線列陣參數(shù)與拖曳噪聲的關(guān)系，表明拖曳速度和護(hù)套直徑對拖曳噪聲影響較大。在滿足拖曳線列陣性能的前提下，降低水聽器加速度靈敏度，可有效減小纜陣抖動對水聽器信號質(zhì)量的影響。通過將多個水聽器串聯(lián)成組和在護(hù)套內(nèi)部適當(dāng)位置放置海綿等阻尼結(jié)構(gòu)可降低水聽器處拖曳噪聲強(qiáng)度[21]。護(hù)套材料應(yīng)盡量用柔軟黏彈材料，材料的切變波衰減因子應(yīng)盡可能大，以提高護(hù)套材料對拖曳噪聲的吸收衰減能力[22]。針對低頻段拖曳噪聲譜級高的問題，研究者提出最小均方最優(yōu)濾波和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解聯(lián)合算法，提升了線列陣甚低頻線譜檢測能力[23]。通過設(shè)計(jì)尾部組件增加拖曳時(shí)的纜陣張力，可有效降低20 Hz以內(nèi)的低頻拖曳噪聲，提高線列陣探測潛艇低頻線譜的能力[24]。

3 左右舷分辨

常規(guī)拖曳線列陣由線性排列的全向水聽器構(gòu)成，其指向性具有圓錐對稱性，不能區(qū)分目標(biāo)的左右舷方位，造成目標(biāo)左右舷模糊現(xiàn)象，并且一側(cè)強(qiáng)噪聲干擾可能淹沒對側(cè)目標(biāo)信號。為解決左右舷模糊問題常用的方法包括：本艇機(jī)動、多線陣、矢量陣和多元陣。

3.1 本艇機(jī)動

本艇機(jī)動過程中通過目標(biāo)方位角的變化趨勢或者利用陣形畸變條件下的信號處理技術(shù)，可以在不改變傳統(tǒng)拖曳線列陣濕端結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)左右舷分辨。該方法中確定實(shí)現(xiàn)左右舷分辨所需的機(jī)動角度，有助于指揮員科學(xué)合理的控制本艇機(jī)動的方式[25]。利用拖曳過程中陣形畸變，根據(jù)水聽器實(shí)際陣形進(jìn)行波束形成，可實(shí)現(xiàn)單根普通拖線陣的左右舷分辨[26]。

3.2 多線陣

另一種打破軸對稱的方法是額外增加一條或數(shù)條拖曳線列陣，構(gòu)成雙線陣或多線陣。通過多線陣信號處理方法，使得一側(cè)入射的目標(biāo)聲波在左右舷形成波束中表現(xiàn)不同，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的左右舷分辨。

研究人員利用本艇干擾和目標(biāo)輻射噪聲信號傳播途徑的不同，發(fā)明了同時(shí)實(shí)現(xiàn)拖曳平臺噪聲抑制和左右舷分辨的雙線陣映像波束相減方法。該方法利用目標(biāo)從拖曳線列陣兩側(cè)入射，而本艇干擾從垂直面入射的特點(diǎn)，目標(biāo)在左右舷形成波束中會有不同輸出，而拖船輻射噪聲具有相似的輸出。通過波束相減，可以較好地消除本艇干擾，同時(shí)保留雙線陣左右舷分辨的能力。但是這種方法對端射方向入射的目標(biāo)信號有一定損失。

雙線陣獲得最佳左右舷分辨能力的條件是兩條陣平行且首陣元對齊。通過建立雙線陣模型，并利用Cramer-Rao下限分析其性能極限，得到以下兩個結(jié)論：（1）雙線陣等效聲學(xué)孔徑大于其中的單根線陣；（2）陣形畸變時(shí)雙線陣探測性能下降。首陣元未對齊，或者兩陣不平行等均會削弱雙線陣左右舷分辨能力，嚴(yán)重時(shí)完全喪失左右舷分辨的能力[27,28]。為了解決陣形畸變對雙線陣左右舷分辨能力的影響，研究人員做了大量工作。通過對其中一條陣進(jìn)行相位矯正，合成一個與另一條陣首陣元位置對齊的虛擬陣，可提高陣形畸變條件下線列陣的左右舷分辨能力[27]。

多線陣成本高、陣形控制難度大、費(fèi)效比較低，并且實(shí)際使用過程中需解決收放及拖曳過程中互相纏繞的問題。

3.3 矢量陣

矢量拖曳線列陣由矢量水聽器組成，矢量水聽器可同時(shí)測量一點(diǎn)的聲壓標(biāo)量和質(zhì)點(diǎn)振速矢量。科研人員已經(jīng)研制出位移型光纖矢量水聽器和加速度型光纖矢量水聽器[29]。通過研究矢量陣的波束形成方法可知，矢量陣的波束形成具有左右舷分辨的能力[30]。但是矢量拖曳陣對拖曳噪聲的軸向分量尤其敏感，若不對拖曳噪聲進(jìn)行有效控制，矢量陣甚至?xí)耆珕适ё笥蚁戏直婺芰31]。

3.4 多元陣

通過設(shè)計(jì)陣內(nèi)傳感單元的空間結(jié)構(gòu)，研究人員開發(fā)出三元陣等多元陣，使一個水聽器單元自身具有指向性。但是該方法水聽器數(shù)量和成本成倍增加，且每個水聽器單元內(nèi)有限的空間中水聽器數(shù)量從 1個增加到數(shù)個，使得水聽器距離護(hù)套更近，因此受到拖曳噪聲的干擾更大。此外，由于直徑的變大，使得多元陣在聲孔徑擴(kuò)展方面不具有優(yōu)勢[32]。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，未來拖曳線列陣關(guān)鍵技術(shù)研究主要內(nèi)容如下：

（1）壓電陣的低噪聲大動態(tài)范圍前放技術(shù)、小型化技術(shù)和可靠性設(shè)計(jì)是提升拖線陣探測能力和適裝性的關(guān)鍵技術(shù)，此外，分布式供電、遠(yuǎn)距離信號傳輸也是其聲擴(kuò)展孔徑的關(guān)鍵技術(shù)；通過光纖水聽器技術(shù)、增敏封裝技術(shù)、調(diào)制與解調(diào)技術(shù)和大規(guī)模復(fù)用技術(shù)的攻關(guān)，光纖陣將從原理樣機(jī)走向作戰(zhàn)裝備。

（2）拖曳噪聲抑制技術(shù)方面：現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求水面艦和潛艇具有高機(jī)動能力，這就要求拖曳線列陣可以在高航速下穩(wěn)定可靠提供目標(biāo)信息。拖曳噪聲抑制技術(shù)將是研究重點(diǎn)內(nèi)容之一，通過護(hù)套材料選擇、陣內(nèi)器件布局、低頻減隔振技術(shù)、仿生減阻技術(shù)、自適應(yīng)降噪技術(shù)等，降低或消除拖曳噪聲對線列陣探測性能的不利影響。

（3）左右舷分辨技術(shù)方面：利用低頻大孔徑拖線陣單條線陣的自身畸變進(jìn)行左右舷分辨的技術(shù)方案，無需對現(xiàn)有線列陣進(jìn)行較大修改，便可實(shí)現(xiàn)左右舷目標(biāo)分辨，具有極大的實(shí)用價(jià)值；矢量水聽器線列陣或結(jié)合其他目標(biāo)進(jìn)行左右舷分辨技術(shù)也是研究的熱點(diǎn)。