第4节 水声探测技术

第四节水声探测技术1912年，英国大商船“泰坦尼克”号在赴美途中发生了与冰山相撞沉没的悲剧。这次大的海难事件引起了全世界的关注，为了寻找沉船，美国科学家设计并制造出第一台测量水下目标的回声探测仪，用它在船上发出声波，然后用仪器接收障碍物反射回来的声波信号。测量发出信号和接收信号之间的时间，根据水中的声速就可以计算出障碍物的距离和海的深浅。第一台回声探测仪于1914年成功地发现了3km以外的冰山。实际上这就是现在被广泛应用于国防、海洋开发事业的声呐装置的雏形。第一次世界大战时，德国潜水艇击沉了协约国大量战舰、船只，几乎中断了横跨大西洋的海上运输线。当时潜水艇潜在水下，看不见，摸不着，一时横行无敌。于是利用水声设备搜寻潜艇和水雷就成了关键的问题。法国著名物理学家郎之万等人研究并造出了第一部主动式声呐，1918年在地中海首次接收到(2～3)km以外的潜艇回波。这种声呐可以向水中发射各种形式的声信号，碰到需要定位的目标时产生反射回波，接收回来后进行信号分析、处理，除掉干扰，从而显示出目标所在的方位和距离。第二次世界大战期间，由于战争需要，声呐装置更趋完善。战后，人们开始实验使用军舰上的声呐探测鱼群。不但测到了鱼群，而且还能分辨出鱼的种类和大小。人们在此基础上研制出各种鱼探机，极大地促进了渔业的发展。回声在地质勘探中也有广泛的应用。例如在石油勘探时，常采用人工地震的方法，即在地面上埋好炸药包，放上一列探头，把炸药引爆，探头就可以接收到地下不同层间界面反射回来的声波，声波是观察和测量的重要手段。有趣的是，英文“sound”一词作为名词是“声”的意思，作为动词就有“探测”的意思，可见声与探测关系之紧密。声呐是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是SONAR一词的“义音两顾”的译称（旧译为声纳），SONAR是SoundNavigationandRanging（声音导航测距）的缩写。在水中进行观察和测量，得天独厚的更只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。声呐就是利用声波对水下目标进行探测和定位的装置，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是SONAR一词的“义音两顾”的译称，而SONAR是SoundNavigationandRanging（声音导航测距）的缩写。声呐分为主动声呐和被动声呐。主动声呐由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇；而被动声呐则由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。换能器是声呐中的重要器件，它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途：一是在水下发射声波，称为“发射换能器”，相当于空气中的扬声器；二是在水下接收声波，称为“接收换能器”，相当于空气中的传声器（俗称“麦克风”或“话筒”）。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波，专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。水声技术具体可分两个方面：一是设计声呐的技术，二是处理声呐信号的技术。从运载声呐的载体来分，可分为舰壳声呐，拖曳声呐，直升飞机吊放式声呐，海底固定声呐及声呐浮标等，从其功能上可以分为远距离警戒声呐，中距离瞄准声呐，近距离高分辨力的探雷声呐，鱼探仪，测深仪以及用于海洋勘探及导航用的多卜勒声呐等；按其工作方式可以分为主动式或被动式两大类声呐。如何根据使用海区的特点，根据战术指标及技术指标设计新型的声呐，这是水声技术所要解决的问题。同时由于声信号在海中传播及从目标反射的过程中，从频率、波形到脉冲宽度都会有畸变，而且回波信号是在强大的干扰背景上接收的，因此如何提高信噪比，从强干扰中检测弱信号，发现和识别目标，这就是水声信号处理的任务。AN-AQS-20A拖曳声呐AQS-13吊放声呐SH-60F直升机吊放声呐旁扫声呐海底成像装置中俄联合军演直升飞机释放声呐搜寻潜艇(图)2005年08月23日二十三日,“和平使命——2005”中俄联合军事演习第三阶段——实施交战的海上封锁演练在中国黄海海域进行。图为直升飞机释放声呐，搜寻潜艇，与舰艇联合反潜。根据美国国防部的说法，这些事件情况如下：2009年3月4日，一艘中国渔业局巡逻艇数度利用强力探照灯照射美国海洋观测船“无瑕号”整个船身。当时无瑕号在距中国海岸231公里的黄海上作业。这般巡逻艇随后在没有知会或警告的情况下，在无瑕号正前方约1280公尺处横向通过。第二天，一架中国Y-12海上侦察机12次以大约122公尺高度、457公尺的距离飞行经过胜利号。3月5日，一艘中国巡防舰无预警接近美国“无瑕号”，并在距船首约91公尺处穿越，不到两小时之后，一艘中国Y-12侦察机以183公尺高度、30到90公尺的距离11度飞行经过无瑕号。然后巡防舰再次从无瑕号前方通过，这次距离约366到457公尺，既未礼让，也不表明意图。3月7日，一艘中国情搜船利用船上无线电向无瑕号发出挑战，指控无瑕号非法作业，并要求无瑕号离开那个海域，否则就“承担后果”。美国国防部3月9日以控诉的口吻指出，五艘中国船只跟踪并危险地接近美国海军船只，显然企图“骚扰”美军船员。美国测量船在中国海域违规活动无瑕号事件“无暇”号海洋侦测船是用来侦听水下潜艇音响的专用船只，其实际用途只有侦察水下潜艇。在中国南海，美国海军称美海军潜艇监测船“无瑕”号(USNSImpeccable)遭到5艘中国船只对峙，随后美国五角大楼一匿名官员承认，该船确实是在中国南海进行情报搜集工作。俄观察家认为，这表明在中国南海和黄海地区中美之间的资源和战略要地争夺战进入新阶段。视频：海军高层称我军舰接近测量船行为正当.flv美国军方“无暇”号间谍船的主要间谍工具是拖曳式高性能水下阵列声呐，拖缆长约1800米，可以在150到450米深的水中进行音响作业，以探测和判断水下潜艇的方位及类型。其声呐的具体情况被美国列入最高度机密，真实工作情况美军决不会公开。但可以肯定的是，其声呐是当今世界上最先进的，其功率也是世界上最大的。美国学者的研究证明，美国海军的普通中频声呐便可以发出高于235分贝的强大声波，这样的强度和火箭发射升空差不多，可以使数百英里的海面下为之震荡。而“无暇”号间谍船上声呐种类更多，功率更大，对海洋生态的危害也更严重。无暇号事件-对海洋生态的威胁无暇号事件“胜利”号携带有先进的拖曳声呐，可以探测潜艇动向。据5月7日出版的《环球时报》报道美国媒体昨天纷纷报道了美中船只在黄海发生的对峙，五角大楼在声明中没有详细说明被中国渔船靠近的“胜利”号是什么船，对其活动以“例行任务”轻轻带过。路透社说，“胜利号”监测船原本就是为反潜战和水下测绘而设计的，当时在中国与朝鲜半岛间的海域活动。中国海军战略研究学者郭亚东6日对《环球时报》记者说，“胜利”号属于美国“胜利”级海洋监测船，同级舰船还包括“效率”号、“忠诚”号等4艘军舰，隶属美国海军军事海运司令部特殊任务船队。“胜利”号是胜利级的第一艘，1991年下水。设在华盛顿的全球安全组织网站资料显示，在与战术部队配合行动时，“胜利”号上搭载的军方人员负责向舰队传送分析和报告数据。执行一次任务一般持续60天，利用拖曳线列阵声呐收集水声数据。这些舰可以在全世界范围内执行任务，确保美海军5支舰队的水下作战、反潜作战行动。“胜利”号的主要任务是在两洋区域进行水下潜艇音响情报收集工作。近年来，对中国华东、华南沿海和南沙群岛附近海区测量活动频繁。美国海军胜利号监测船频繁现身我国附近海区_新浪军事_新浪网.flv美国防部官员称，这是过去两个月内第5次同类事件。五角大楼声称，3月4日，“胜利”号在中国黄海海域执行任务时，遭中国渔政部门巡逻艇用大光灯照射并且在没有预警的情况下从“胜利”号船头1400码处穿过。翌日，一架中国Y-12水面侦察机在“胜利”号上空400英尺处掠过12次。3月6日，一艘中国驱逐舰迫近美国海军另外一艘监测船“无瑕”号，并试图在大约100码的距离内穿越“无瑕”号船头。2小时后，一架中国Y-12水面侦察机在“无瑕”号上方600英尺处掠过11次。3月8日，“无瑕”号事件发生。此外，美国一名国防官员5日私下透露，上周五的事件之前，中美船只还于上周四、4月7日、4月8日发生过对峙，挂有中国国旗的渔船非常接近“胜利”号和“忠诚”号(USNSLoyal)，事发地点分别在距离中国140、185和200海里的水域。他们评论说，这样的“对峙”举动不仅仅对船只自身有危险，也可能导致事件的升级。“胜利”号：美军监测船的劳斯莱斯美国海军第一艘大型小水线面双体船型(SWATH)水声监听船的设计于1986年完成，被命名“胜利”号(Victorious)，代号为T-AGOS19。该船适航性极佳，可在冬季高纬度恶劣天气条件下低速航行，自由操纵。胜利级共4艘船(代号从T-AGOS19到T-AGOS22)，于1991年8月至1993年7月交付使用。该级船安装了范围广泛的中央数据采集系统(CDAS)，用以支持耐波性，船舶运动，水动力，结构以及声学试验，是一艘在“任何时间、任何海况都可航行的船”。胜利级设计上最显著的特征就是采用小水线面船型，也就是水下有两个相互平行且对称的角雷状船体，提供的浮力约占船休总浮力的60%-75%。该级舰主要担负收集水下潜艇音响情报的任务，同时进行声学试验。T-AGOS19的成功可以反映在下面一段话中——“胜利”号第一任船长巴拉德写道：“胜利”号的运动与舒适同我指挥过的任何单体船相比，正如高速公路上的劳斯莱斯车与公路上的大篷车差别一样——“胜利”号就是劳斯莱斯车。2002年09月：美国声称，在国际海域作业的无武装美军侦察船“波迪奇”号，在黄海遭中国海军驱逐。2006年10月26日：中国一艘潜艇，在未被美军察觉下，在日本冲绳附近海域跟踪小鹰号，直到两舰相距不过8公里、小鹰号进入其鱼雷和飞弹射程范围内，才主动浮出水面。美军大吃一惊，惊慌失措！这一尴尬事件促使美国检讨其反潜防御系统。2007年11月22日：中国突禁原计划在香港度过感恩节假期的美国“小鹰”号母舰进入香港，敌舰遂穿越台湾海峡以示报复。2009年3月9日：美军侦测船“无瑕号”闯入中国在南海专属经济水域，怀疑对榆林海军基地进行刺探工作，遭5艘中国船只包围美国AN/SQR-19型被动拖曳线列阵声呐拖曳线列阵声呐一开始是在民用部门发展起来的。美国西方石油公司、物探公司先后使用拖曳线列阵来接收地震回波，寻找海底石油，当然使用的频率是非常低的，一般在120Hz以下。在实际使用中，发现这种被动拖曳线列阵具有远程听测潜艇低频辐射噪声的能力，所以美国海军在70年代开始致力于把它移植到军舰上的研究：1975年6月首先研制出AN/SQR-14，不久又研制出AN/SQR-18，均为过渡型号。AN/SQR-19被动拖曳线列阵声呐是在AN/SQR-18的基础上开发的，工作始于1976年。它是由美国西屋电气公司、古尔德公司和通用电气公司协作研制的。到1982年把第一部AN/SQR-19试验样机首次安装于美国海军DD-980(Moosbmgger)号导弹驱逐舰上，经试验鉴定后，自1983年开始正式批准生产。1985年7月AN/SQR-19第一套生产样机正式交付使用。该声呐的主要使命是对潜远距离被动探测、噪声测向、跟踪和识别，对水