世界潜艇综合声呐系统发展现状及趋势

【摘要】阐述世界各国海军潜艇自二战以来装备的声呐系统的发展历程。重点介绍美、俄、英、法、德等国现役海军潜艇上装备的综合声呐系统发展现状，包括其技术特点、性能指标和装备情况。并分析世界各国海军潜艇声呐技术的发展方向和发展趋势，提出国外潜艇声呐技术发展对我国的启示。【关键词】 潜艇;声呐;综合声呐系统

0.引言

现代潜艇综合声呐系统是由多部声呐和水声测量设备组成的、具有综合化功能的水声探测系统，通常由被动测距基阵、艇首阵、侦察水听器阵、探雷阵、通信阵、舷侧线列阵、拖曳线列阵、本艇噪声监测水听器、通用信号处理机、通用多功能显控台等组成。潜艇综合声呐系统内各声呐之间可进行数据传递，共享某些声呐基阵或信号处理部件，共同完成任务。潜艇综合声呐系统具有以下功能:1)对目标进行搜索、跟踪、测向、测距和识别;2)对声呐脉冲源实施侦察、定位和波形参数测定;3)主动发射脉冲对目标进行定位;4)完成潜艇之间以及潜艇与水面舰艇之间的通信、测距与敌我识别;5)探测水雷;6)监测声呐导流罩内、螺旋桨附近和其他典型部位的本艇噪声，并对其异常情况进行报警;7)测量声速随深度的变化，提供现场海洋条件下声能传播的直观图像，为指挥员和声呐操作员选择最佳战术机动和声呐使用方式提供依据;8)综合处理和显示各种声呐的信息，将有关数据输入指挥与控制系统。潜艇的综合声呐系统可以在复杂的多目标环境下，或者突然出现危险的情况下，快速准确地获得战术态势以及敌方的有关数据，以最大限度地减小本艇风险，提高潜艇作战任务的成功率。因此，先进的综合声呐系统应该具有以下特征:1)系统功能尽可能由软件控制，除少量的人工干预和决策外，系统应该具有计算机辅助决策功能。2)将所有潜艇声呐的功能进行综合，实现信息的分布式处理与信息融合以及信息管理的自动化。3)软硬件采用模块化设计，使系统易于进行现代化改进和升级。采用通用的多功能显控台和信号处理机，实现系统的标准化。4)系统采用高速冗余数据传输，满足大容量的数据交换和高速、高可靠性传输的要求，对于重要的数据实现分布式冗余存储[1]。

1.国外潜艇综合声呐系统的发展现状

从第二次世界大战开始到现在，潜艇声呐系统进入高速发展时期。导致潜艇声呐系统高速发展的因素主要有2点:第一，由于潜艇特别是核潜艇的性能、攻击力和隐蔽性大大提高，致使各国海军对声呐探测潜艇的能力不断提出新的要求，促进了声呐的快速发展;第二，由于电子技术、水声技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，为声呐的发展提供了技术保证。从第二次世界大战开始，潜艇声呐的发展经历了三代，现在正向第四代发展。第一代潜艇声呐发展时间从第二次世界大战后期到20世纪50年代末。从20世纪60年代到70年代初期潜艇装备的声呐为第二代。第三代潜艇声呐出现在20世纪70年代中期到80年代后期。第四代潜艇声呐是从20世纪80年代末90年代初开始出现的，这一代声呐具有更高的综合控制、综合管理、集中处理、集中显示的特点[2]。1.1 美国美国的AN/BQQ-5综合声呐系统是美国海军第一部潜艇用数字化综合声呐系统，于20世纪60年代后期开发，在1972年和1973年期间经过了全面的测试，1973年8月批准生产，并于1974年装备在美国海军“洛杉矶”级攻击型核潜艇上。AN/BQQ-5型声呐系统的主要用途是为“鱼叉”导弹、“沙布洛克”潜射反潜导弹和MK48鱼雷的发射提供水下目标定位数据，承担水下目标的探测、跟踪、分类、识别、噪声测向、被动测距、侦察和水下通信等使命。AN/BQQ-5综合声呐系统由AN/BQS-13艇壳式主动/被动球形声呐、AN/BQR-20首部共形声呐和AN/BQR-25拖曳声学水听器阵列组成。AN/BQR-25拖曳声学水听器阵列最初使用TB-16粗线型拖曳阵，聚乙烯覆盖着的拖曳线缆最大长度约800m，直径9.5mm，基阵在线缆的末端，布置有水听器和电子设备，基阵直径8.25mm。基阵由首向尾逐渐变细，以便将流噪声降到最低。AN/BQQ-5型声呐系统从1974年至今已经发展了5个型号，后续型号分别是AN/BQQ-5B、AN/BQQ-5C(V)、AN/BQQ-5D和AN/BQQ-5E。AN/BQQ-5D使用1个TB-23型细线拖曳基阵，于1988年装艇运行。它是一种重量较轻的系统，安装在耐压艇体外部从首部通向尾部的压力管中，带有电缆绞车，能盘卷进入潜艇的首部主压载水舱之内。AN/BQQ-5E低频首部球形基阵采用了一种被动测距的新型细线拖曳基阵TB-29，于1993年左右投入海上运行。AN/BQQ-5E可提供先进的低频数据探测、跟踪和分类。该系统能够提供低频主动抗干扰能力、双重拖曳基阵处理和全光谱处理能力。AN/BQQ-5采用了数字多波束控制(digital multibeam steering，DIMUS)技术，仅1名声呐操作员即可同时观察360°方位，通过改进的显示装置提供被动分类。
到目前为止，已经交付了100套AN/BQQ-5系列声呐系统，其中91套用于潜艇，4套用于维护训练器，5套用于工程模型[2-3]。目前所有“洛杉矶”级和“海狼”级攻击型核潜艇都装备AN/BQQ-5系统。“洛杉矶”级核潜艇安装的是AN/BQQ-5D和AN/BQQ-5E型。“海狼”级核潜艇装备了AN/BQQ-5D型[2-4]。美国AN/BQQ-5综合声呐系统既可进行主动定位，又可进行被动定位。主动目标定位通过AN/BQS-13DNA主动声呐实现。除利用主动声呐外，快速被动测距声呐也能起到对目标进行测距和定位的作用。该声呐系统在潜艇每舷侧设首、中、尾3个基阵，以艇中基阵为参考点，结合首、尾基阵收到目标信号的时间差，便能计算出目标的距离和方位[2]。AN/BQQ-5系列声呐经过进一步升级，发展为声学快速COTS嵌入(acoustic rapid COTS insertion,ARCI) AN/BQQ-10声呐系统。AN/BQQ-10计划分多个阶段进行，目的是为潜艇提供性能更强、更加灵活的通用型声呐系统。计划的第1阶段是为2艘“洛杉矶”级核潜艇上的拖曳基阵声呐提供增强的窄带和空间游标处理器;第2阶段是对这2艘核潜艇上的拖曳基阵处理器实现全面的重大升级;第3阶段将改进球形和艇壳基阵处理器;第4阶段将解决高频声呐处理能力。目前，第1和第2阶段的设备已经安装到2艘“洛杉矶”级核潜艇上。第3和第4阶段的工作将随后展开[2-3]。2008年9月，洛克希德·马丁公司被授予一份价值890万美元的合同，为美国海军潜艇生产低成本共形基阵(lowcost conformal array，LCCA)并支持其在艇上的使用。LCCA是一种安装在潜艇指挥室围壳后部的被动平面阵列，与ARCIAN/BQQ-10声呐系统集成在一起。它可在高密度航运环境中为改进的战术控制提供环境探测和避碰能力。LCCA能够提高在拥挤的近海环境中的环境探测能力。该基阵与AN/BQQ-10声呐系统集成，安装到改进的“洛杉矶”级核潜艇上[5]。此外，由美国海军和国防高级研究计划局共同发起的Tango-Bravo计划，致力于5个关键的潜艇技术领域。其中一个关键技术领域是研究适应艇壳的声呐阵，使其能全艇布置。这样的阵列可使声呐进行全方位监控。现已实施一些共形基阵发展计划，如先进共形潜艇水声传感器计划和共形声速传感器计划[6]。1.2 俄罗斯俄罗斯基本上继承了苏联的潜艇声呐技术，是世界上少数能自行研制拖曳阵声呐的国家之一。现在俄罗斯潜艇上普遍装备了艇壳式基阵声呐和拖曳变深声呐。MGK-540综合声呐系统装备在俄罗斯海军现役的所有主战潜艇上，其中包括“阿库拉”Ⅰ、Ⅱ型，“塞拉”Ⅰ、Ⅱ型核潜艇等。该系统主要用于连续监视潜艇所在水域的水面和水下状况，以被动监听方式对目标进行探测、定向和跟踪。其监听方式分为宽带和窄带，工作频率为声频、低声频和次声频。以主动方式对目标进行探测，可测定目标距离和相对方位的变化。对主动声呐发射的窄带和宽带信号进行分析，能测定其方位参数。该系统还可对所探测的目标进行自动分类识别，其综合性能较为先进。MGK-540综合声呐系统主要由艇壳基阵声呐、低/中频、主/被动搜索跟踪声呐和被动拖曳阵变深声呐组成。其中低频艇壳声呐以被动方式进行搜索警戒，换能器基阵装贴于艇首壳体上，基阵布置在首部鱼雷管下方，对水面舰艇被动作用距离为60km，对潜艇作用距离为20km;拖曳阵声呐用于远程被动警戒，作用距离大于90km[2]。俄罗斯的671RTMV-Ⅲ级攻击型核潜艇上加装的综合声呐系统包括低频被动搜索声呐、主动高频攻击声呐和被动低频声呐舷侧基阵。该级核潜艇还装备了被动甚低频拖曳阵列声呐，探测范围超过100km，在垂直尾翼上安装了1个纺锤形回收装置，非常引人注目。“阿库拉”-Ⅱ型核潜艇使用新型综合声呐系统，包括用于搜索和攻击的被动低频声呐球形基阵，舷侧噪声测距声呐和被动甚低频拖曳基阵声呐以及其他线列阵[7]。俄罗斯的Irtysh/Amfora综合声呐系统由大型MGK-500“鲨鱼腮”低频被动/主动搜索和攻击球形首部基阵、MouseRoar超低频舷侧噪声测距声呐和Skat3拖曳基阵等组成。该系统装备在新型“亚森”级攻击型核潜艇和“北风之神”级弹道导弹核潜艇上[3,8-9]。虽然俄罗斯在声呐技术的整体发展水平上与美国相差不多，但其电子设备多采用中、小规模的集成电路，所以体积通常较为庞大，整个声呐的元器件很多，可靠性差，可维护性能通常较差。为解决上述问题，俄罗斯不惜花大力气提高声呐的使用性能，形成了以下特点:1)重视声呐设计工艺、制造工艺、材料等方面的研究，因此俄罗斯声呐的水声换能器、声呐基阵和导流罩的综合性能都相当好，其系统不突出某一性能而是重视整体搭配后的综合性能;2)重视潜艇自身的减振降噪，使声呐的性能尽可能得到发挥;3)十分重视对海洋环境条件和海洋波导声传输特性等基础科学方面的研究，经过几十年的积累，俄罗斯已经建立起世界各大洋的水声传播参数和海底特征软件，这些软件已成为指导声呐操作人员正确选择使用参数，有效发挥声呐性能不可缺少的一部分;创建了新的水下声道传播理论，为新的信号处理开辟了方向。4)此外，俄罗斯还在声呐系统配置上与英、美等国有着不同之处。其中最大的特点是俄罗斯潜艇很少装备被动测距声呐，这并不是因为俄罗斯没有研究被动测距技术，而是用起来达不到实用要求，进而转向其他途径来解决潜艇隐蔽攻击的问题。另外，俄罗斯的拖线阵声呐只装备核潜艇，而不装备常规动力潜艇[2]。1.3 英国1983年，英国着手开发2054型被动/主动侦察和拖曳基阵声呐设备。2054型声呐是英国皇家海军“前卫”级弹道导弹核潜艇上的声呐系统，由2043主动/被动声呐、2046拖曳声呐、2082侦察声呐和183水下电话声呐基阵组成。2054声呐系统采用数字式处理器，整个系统包含18个机柜和7个控制台(2个宽频控制台、2个窄频控制台、1个被动基阵控制台、1个侦察声呐控制台和1个声呐控制器控制台，而主动基阵既可使用宽频控制台又可使用窄频控制台)。各机柜由1个1553标准数据通路相互连接，该数据通路也提供向外的接口。英国皇家海军总共订购了6套2054声呐系统，其中4套用于“前卫”级弹道导弹核潜艇，2套作为岸基系统，目前已经全部交付使用[3,10]。2076声呐是泰利斯公司为英国皇家海军设计的一种潜艇声呐探测系统，是世界上最先进的全综合被动/主动搜索和攻击声呐系统[11-12]。2076声呐的开发工作始于1990年。2002年在英国皇家海军“托贝”号核潜艇上进行了2076声呐系统宽孔径舷侧噪声测距声呐部件的海试。“托贝”号和“锋利”号分别于2003年和2004年完成2076声呐改换装工作。“机敏”级核潜艇从建造开始就把2076声呐装备在艇上[3,13-14]。2076综合声呐设备采用了重要的商用成熟技术，被称为第5阶段的一个提高计划将用COTS产品部分替代过去的结构。这种“开放”结构能够迅速嵌入新的软件功能。一旦所有的工作完成，2076第5阶段的系统将完全部署在整个英国皇家海军的攻击型核潜艇舰队中[3,15-16]。
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2076声呐系统由主动和被动声呐系统综合设备组成，包括首部、围壳、舷侧和拖曳基阵，其组成部分包括:2077型Parian避障声呐、2081型环境监示器、2094型海洋学声呐、2079型主动/被动首部声呐、2078型火控首部元件、2065型拖曳基阵和舷侧噪声测距声呐。其支持系统包括指控台、升级了的无线电通信、升级了的信号降低和减少自噪声的新型弹性联接器[11]。“天才”号核潜艇是2076型声呐第5阶段工作的首个测试平台，2009年9月开始进行码头试验，2010年第2季度进行海试[13]。2076声呐还被集成到“快速”级和“特拉法尔加”级核潜艇最后阶段升级计划之中。它为“特拉法尔加”级核潜艇提供了一种无可匹敌的能力，并使“机敏”级核潜艇在服役时成为英国皇家海军技术最先进的潜艇[18-21]。
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1.4 法国TSM2233是众所周知的“埃莱当”系列声呐的最新一代产品，是模块化的综合声呐系统，适合任何排水量的潜艇，满足任何操作需求。基于一个开放式系统的COTS结构，TSM2233包括下列声学传感器:线性拖曳基阵、舷侧噪声测距声呐、首部基阵(圆柱形或共形的)、侦察基阵、分布式基阵、主动基阵和避障基阵。TSM2233声呐系统的关键特性是:模块化的信号处理器使其有可能适合于各种外形形式，从而适合新的潜艇设计和现代化改装;由于探测、跟踪和定位功能的高度自动化减少了操作人员的工作量;同时具有灵活性和易于适合潜艇尺寸和任务要求的特性。
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该系统使用TMS320，C30和68040微处理机在MiMD型主机系统进行信号处理，与内部交叉高速环形网络和外部标准VME型数据总线进行通信[3,22]。法国的TSM2233型声呐系统采用先进的算法，其首部、舷侧和拖曳基阵具有如下优点:旁瓣抑制;束宽减小;方位测量准确性大幅度提高;降低安静目标附近的噪声干扰效应以及排除潜艇自噪声;提高并保持声呐系统在高航速时的探测能力[18]。
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TSM2233声呐系统提供以下功能:1)被动探测;2)自动反干扰;3)被动自适应处理;4)自动探测和跟踪;5)探测;6)主动能力7)目标分类;8)敌方武器警报器;9)目标运动分析。TSM2233潜艇被动和主动声呐系统安装在巴基斯坦海军“阿戈斯塔”90B型潜艇上，也被选择用来装备马来西亚海军2艘新型“鲉鱼”级潜艇。在印度购买的“鲉鱼”级常规潜艇上，选定安装的也是TSM2233型声呐系统。其衍生产品装备在澳大利亚皇家海军的“柯林斯”级和法国海军“红宝石”级核潜艇上[3,18,22]。1.5 德国CSU90是一种技术非常尖端且成本效力高的潜艇综合声呐系统，由阿特拉斯电子股份有限公司开发，可用于各种尺寸和各种任务能力的潜艇。它将传感器的主要功能集成到一个以同一技术为基础的系统中，无论什么情况下都恰当适用。CSU90声呐技术也是ISUS90潜艇作战管理系统一个重要的组成部分。CSU90可配备频带大约从10kHz～100kHz的传感器系统，在这个范围内能够探测到辐射噪声和重要的脉冲信号。不同的声呐传感器能够在任何用户定义的配置下进行组合。CSU90包括圆柱形或共形基阵声呐(cylindrical or conformal array sonar, CAS)、侦察测距声呐(intercept detection and ranging sonar, IDRS)、主动式宽频操作声呐(broad band active operating sonar,  BAOS)、被动测距声呐(passive ranging sonar, PRS)、侧翼声呐阵(flank array sonar, FAS)、带有绞盘系统的拖曳声呐(towed array sonar, TAS)、避雷声呐(mine avoidance sonar, MAS)和支持潜艇地形导航的海底导航声呐(bottom navigation sonar, BNS)等。已经过海上测试的CSU90/ISUS90系统及其前身正在全球20多个国家海军不同级别的潜艇上使用，如土耳其和南非海军的209级潜艇以及希腊和韩国海军的214型潜艇。另外，瑞典“哥特兰”级(A19型)“哥特兰”号、“哈兰德”号和“乌普兰”号潜艇均装备了阿特拉斯电子公司生产的CSU90-2综合声呐传感器设备[3,23-24]。最近CSU90项目开发的DBQS-40系统包括有:被动中频探测圆柱基阵;TAS-3低频拖曳阵声呐;FAS-3舷侧噪声测距低频/中频探测声呐;被动测距声呐和敌方声呐侦察系统。其主动高频探雷声呐是阿特拉斯电子公司的MOA3070型[3,25]。德国和意大利海军的212A级潜艇和印度海军升级的209级潜艇，以及德国的新型214型潜艇均装备了DBQS综合声呐系统。除此以外，德国阿特拉斯电子公司为德国海军提供了DBQS-40声呐系统，安装在德国4艘212A型AIP潜艇上。德国及其向以色列、印度出售的具有“二次打击”能力的U212型潜艇也采用了最新型的DBQS-40综合声呐系统[26-28]。德国的CSU90综合声呐系统的开放式系统结构与模块化设计相结合，考虑到未来的增长潜力，并且在经济条件下合并新技术和系统更新方面产生高度的灵活性。对第三方应用程序的结合提供支持。此外，CSU90的模块化设计能够定制任何所需的设备配置以便适合客户的特定需求[3]。阿特拉斯电子公司的综合传感器水下系统能确保对操作人员和指挥团队提供最佳支持，其中包括传感器管理、火力和武器控制、导航和支持功能。公司还为水面舰艇研发了低频主动拖曳阵列声呐。它是充分综合的反潜战声呐，可以满足远程搜索探测任务，并对最安静的潜艇威胁进行探测和分类[19]。通过对美、俄、英、法、德等国现役最先进的声呐系统对比，可以看出，各国的综合声呐系统各有特点，但是究竟哪一个国家的声呐性能更胜一筹，这需要在以后的实践中去进行检验。

2.潜艇声呐技术的发展方向和趋势

现代潜艇的艇首声呐系统一般以圆柱状声呐基阵和球形声呐基阵为主，但艇首空间毕竟有限，首基阵尺寸难以有大幅扩大。美、俄等国的潜艇已使基阵的孔径几乎接近艇壳直径，基阵增益达到最大。目前，全艇共形阵就成为潜艇艇首声呐提升性能、降低成本的突破口，是潜艇声呐阵未来的发展方向。但是，全艇共形阵技术远未成熟，短期内很难实现。美国海军在发展“弗吉尼亚”级潜艇声呐时更多采用“螺旋式”的发展，由于潜艇舷侧较艇首形状更规则，声呐阵的部署相对容易。因此，首先实现了舷侧共形阵，目前舷侧共形阵技术发展得越来越完善和成熟，普遍装备于各种潜艇，是目前最成熟的潜艇共形阵[29]。此外，鉴于潜艇平台的空间有限，制约了声呐性能的提高，同时，潜艇平台的自噪声也是声呐工作的重要干扰源。而拖曳声呐能够部分地突破上述局限，扩大声呐阵列的孔径，提高声呐的探测距离。因此，拖曳声呐也是声呐系统未来发展的一个重要方向[30]。随着安静型潜艇的出现，对声呐探测性能的要求越来越高，要求能够保证远距离探测和识别水下目标，声呐技术的发展趋势包括以下几个方面:1)向低频、大功率、大基阵方向发展;2)向系统性、综合性发展;3)向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展;4)向信息化、智能化方向发展[31];5)新型材料的应用与加工工艺的应用[30];6)共形水听器减隔振降噪技术的应用[29]。

3.国外潜艇声呐技术发展对我国的启示

1)重视试验在声呐发展过程中发挥的巨大作用。海上试验是声呐基本原理研究和装备性能测试验证最直接和最真实的试验方式，水声新理论和新方法的提出，都离不开海上试验中现象的发现和数据的积累及验证，包括大型球形阵声呐在内的所有声呐系统的发展，都是一个不断试验完善的过程。从当前发展趋势来看，随着新型声呐技术和装备的发展，声呐装备的研制和使用、声呐技术的进步将更加离不开海洋环境和海洋声信道的知识，海上试验将发挥更大的作用。2)从总体上考虑声呐系统的设计。大型球形阵声呐阵自诞生起，就对艇首设计产生了重要影响。美国在潜艇设计的开始，肯定了声呐的地位，从总体上就考虑了大型球形阵声呐带来的影响。从球形阵诞生对艇首鱼雷发射管的影响到第三批“弗吉尼亚”级核潜艇艇首声呐的变化，都导致了整个艇首设计产生重大变化。作为水下活动的主要探测工具，声呐在艇内享有占用最佳位置的优先权，而且对工作环境噪声，甚至艇体形状都有要求，但同时也要考虑水动力等其他方面的影响。所以，声呐系统必须上升到总体高度进行统筹设计。3)注重先进数字技术和信息融合技术的应用，推动声呐系统向一体化发展。目前，声呐系统较最初的声呐已发生了很大变化，但其基本物理性能改变很小，声呐性能的提高主要依靠更可靠的电子设备与更强大的信号处理能力，并进一步向综合化、自动化和一体化方向发展，新型的大孔径声呐及最新信号处理算法更是对信息处理能力和信息融合提出了更高的要求[6]。声呐的主要作用是搜索、发现、跟踪以及对目标进行识别。目前在目标运动分析研究时，多通过声呐测得的目标方位从而对纯方位进行求解，最小二乘估计以及卡尔曼滤波等是最常采用的方法。但是通过大量的研究发现，单纯的利用纯方位算法对目标运动要素加以求解，收敛时间往往较长，并且不能被实际运用。实际上，通过舰艇被动声呐所获取得到的大量目标噪声信息中，包含有如距离以及速度等目标运动的特征信息。如果对噪声的频谱分析以及特征提取等方法加以利用，便可以将目标的概略距离以及速度提取出来，然后将其进行信息融合，这样便可以减少解算时间，提高计算精度[32]。4)加强全艇共形阵声呐和拖曳阵声呐的研发。从艇首球形阵的发展来看，球形阵的性能已经难以满足未来海军的作战要求，艇首共形阵乃至全艇共形阵才是未来潜艇声呐的发展方向。需要注意的是，在开发全艇共形阵声呐构型时要考虑计算系统和新型阵元材料的发展水平[6]。拖曳阵声呐具有基阵尺寸大、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，维修方便等优点。拖曳声呐能够在更远的距离上尽早发现敌方潜艇，能够在一定程度上缓减由于潜艇噪声越来越低以及潜射鱼雷、导弹航速不断加快、航程越来越远所带来的威胁[30]。

4.结语

随着安静型潜艇的出现以及核潜艇发射远程弹道导弹的能力增强，短距离主动声呐和传统被动声呐已不能满足探测潜艇的要求，各国海军转而发展更先进的被动声呐以保证远距离探测与识别水下目标。低频和大孔径成为远距离探测声呐的发展方向。在未来海上战场信息战中，声呐及综合声呐系统将扮演越来越重要的角色。
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