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浅谈潜艇声呐

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潜艇声呐是潜艇水下主要的探测工具,由于潜艇较为神秘,很少有详细介绍。本文就来讲讲潜艇声呐。受本人水平的限制,可能存在错误,欢迎指正。本文谢绝一切形式的转载,敬请谅解。

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潜艇在水下航行时,由于电磁波和光在水中衰减很大,传播距离非常有限,对于潜艇来说水声信号是探测目标最有效的方法。根据工作类型声呐可分为主动声呐和被动声呐,前者使用主动搜索的目标回波作为源信号,后者由监听获取目标辐射噪声信号作为源信号。但在实际工程实现中,可以共用接收阵。

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下面以俄制基洛级潜艇为例,介绍下潜艇上究竟有哪些声呐。

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探雷/避碰天线:主动声呐,频段较高,分辨率高,探测距离近,能探测到航道上的一些障碍物,保障潜艇水下航行的安全性,位于艇艏。

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接受阵:单独使用为被动声呐,与发射阵一同使用为主动声呐,频率范围大,是潜艇最主要的声呐,位于艇艏。

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通信天线:水声通信天线,用于水下通信,位于艇艏。

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前侦察阵:被动声呐,当接受阵关闭时,可利用前侦察阵进行监听,也可以补偿接收阵盲区,位于艇艏。

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发射阵:与接收阵一同使用时为主动声呐,位在指挥台前下部。

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高频天线:主动声呐,频段高,分辨率高,可以精确定位距离较近的物体,位于指挥台后部。

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后侦察阵:被动声呐,当接受阵关闭时,可利用后侦察阵进行监听,也可以补偿接收阵盲区,位于指挥台后部。

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拖曳阵:被动声呐,长度长,孔径大,空间增益高,可以探测安静型潜艇低频谱线,可收放,放出后拖在潜艇尾部(拖曳阵仅安装达拉级潜艇,基洛级潜艇并未装备)。

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艇艏环境最安静且视野最开阔,是安装接收阵最理想的位置。基洛级潜艇的接收阵位于艇艏下部,鱼雷发射管位于艇艏上部,常规潜艇中也有相反的布局。

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基洛级潜艇的接收阵,一般而言为了避免干扰,发射阵与接收阵并不安装在一起,但也有安装在一起的情况。接收阵由非常多的阵元组成,每个阵元分别接收信号,再由计算机进行处理。

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基洛级潜艇的发射阵,位于指挥台前下部,拆除外壳后可看到内部的发射阵,发射阵也有数个阵元组成,但阵元数量较少。

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西方的潜艇声呐系统与俄制潜艇相比略有区别,下面以德制 ISUS-100 声呐系统为例,介绍下西方潜艇声呐系统。

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接收阵(CAS,Cylindrical Array Sonar):单独使用为被动声呐,与发射阵一同使用为主动声呐,频率范围大,是潜艇最主要的声呐,位于艇艏,圆柱形阵。

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发射阵(CTA,Cylindrical Transducer Array):与接收阵一同使用时为主动声呐,位在指挥台前下部,圆柱形阵。

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侦察阵(CIA,Cylindrical-intercept Array):被动声呐,当接受阵关闭时,可利用侦察阵进行监听,也可以补偿接收阵盲区,位于指挥台后部顶端,圆柱形阵。

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拖曳阵(TA,Towed Array):被动声呐,长度长,孔径大,空间增益高,可以探测安静型潜艇低频谱线,可收放,放出后拖在潜艇尾部,存在阵形畸变问题。

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舷侧阵(EFAS,Expanded Flank Array Sonar):被动声呐,长度较长,孔径较大,空间增益较高,可以探测安静型潜艇低频谱线,位于艇身两侧,不存在阵形畸变、收放和拖曳问题。

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正在进行测试的 ISUS-100 接收阵,与基洛级潜艇接收阵相比,尺寸较小,安装位置也于基洛相反,位于艇艏上部。

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ISUS-100 舷侧阵,这是一种低频被动声呐,以远程噪声检测、噪声测向和噪声识别为主,可以兼顾噪声测距,分布于艇体两舷较平直的部分,充分利用艇体长度,孔径较大,空间增益较高,与拖曳阵一样可以探测安静型潜艇低频谱线,在艇的左右舷可各布一条阵,不存在空间两重性,是一种较理想的阵结构形式。但是舷侧阵从艇艏起算左右舷各存在一定角度的声呐盲区范围,且侧向的误差较大,实际使用中需要跟平衡木预警机一样走U型路线。

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正是因为舷侧阵充分利用艇体长度、孔径较大、空间增益较高、低频探测能力强等优点,传统的接收阵也在向共形阵发展,图为俄制达拉级潜艇,艇艏装有共形阵,阵列的形状与潜艇外形相同。

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达拉级潜艇共形接收阵侧视图,相当于传统接收阵+舷侧阵。

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美军的核潜艇声呐比较特别,艇艏采用球形接收阵,鼓形发射阵直接安装在球形接收阵下方。

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由于发射阵和接收阵几乎占据了艇艏全部空间,鱼雷发射管只能安装在艇体两侧,并外倾。图为SSN-789攻击核潜艇,两侧的4根管子就是鱼雷发射管,请注意这段已经不是艇艏了。

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最后介绍下声呐怎么用,主动声呐原理较为简单,与雷达类似,下面以被动声呐为例,介绍声呐的使用。

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现代被动声呐早已不是用耳朵听的了,或者说耳朵监听只是一种辅助手段了,主要的手段是信号通过计算机处理后显示在屏幕上,如何显示被动声呐信号,这是一个很有意思的问题。

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我们先看一种最基本的被动声呐显示方式,横坐标为时间,纵坐标为噪音信号频率,灰度的噪音信号强度,由图可以看出被动声呐探测到了1.5k-3.5k的噪声源,间隔不到2秒。

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在上图的显示方式上可以增加噪声源的频谱,由此可以看出被动声呐探测到了3.75k的噪声源,间隔18秒,幅值0.1。

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这种显示方式有一个致命问题,就是不显示目标方位。

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60年代开始出现了Trace-to-Trace的显示方式,横坐标是方位,纵坐标是时间,噪音信号频率用颜色标表示,噪音信号强度用宽窄表示,顶部仍然是噪声源的频谱图(半)。这样就极大的方便了监视。图为基洛级潜艇声呐控制台。

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被动声呐还有一个特点,可以进行目标识别,通过目标噪声信号可以分析其特征参数,包括轴数、螺旋桨叶片数、螺旋桨转速、动力装置类型等,根据特征参数可以判断目标类型。比如,4轴、5叶片、低转速、核动力即可识别为航母。现代被动声呐可以实现自动识别频谱,自动进行分析识别。

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图为基洛级潜艇声呐控制台。

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西方潜艇的声呐显示方式也基本相同,图为英国皇家海军声呐兵训练仪,屏幕显示内容进行了模糊处理。

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经过声呐控制台识别并确认后,目标即可进入火控系统,从显示界面上来看就跟雷达显示屏差不多了,当敌舰进入火力圈后即可开火。图为基洛级潜艇火控控制台。

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感谢阅读。

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瘦竹
活跃在昨天 02:18
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