作者：曹涛 （海装装备项目管理中心，北京，100071）
摘要：主动声呐因已知信号形式、能获取匹配增益等优势，具有比被动声呐更远的探测距离。文章分别从主动拖曳声呐、主动舰壳声呐、吊放声呐、主动浮标声呐、主动小目标探测声呐等类别梳理了国外主动声呐装备现状；最后，总结了主动声呐自主探测、人工智能探测、信息融合等关键技术，探讨了主动声呐隐蔽探测、体系协同探测、与无人平台结合等发展趋势。文章内容对研究主动声呐技术发展有一定的参考价值。
关键：主动拖曳声呐；主动舰壳声呐；吊放声呐；主动浮标声呐；主动小目标探测声呐；发展综述
主动声呐装备可从基阵携带方式、战术用途、技术特点和装备对象等方面进行分类。以基阵携带方式可分为主动拖曳声呐、主动舰壳声呐、吊放声呐和主动浮标声呐等；以战术用途可分为主动反潜声呐、主动小目标探测声呐等，其中主动小目标探测声呐又可细分为主动探雷声呐、主动反蛙人声呐和主动反 UUV 声呐等。此外，上述每一类声呐按装备对象又可以分为有人平台主动声呐和无人平台主动声呐。
拖曳线列阵突破了声呐基阵尺寸受船体大小的限制，大幅降低了工作频率，提高了对潜艇的探测距离，因此，越来越多的国家将低频主动拖曳声呐作为水面舰艇反潜的主战装备。
美国洛克希德•马丁公司自 2008 年开始研制的新型多功能拖曳阵声呐 AN/SQR-20 ， 是SQQ-89A(V)15 和 SQQ-90 反潜作战体系中的主要探测声呐装备，可用于对潜探测、跟踪和识别。2014年，其拖曳阵 TB-37 在“自由号”濒海战斗舰完成与法国 CAPTAS-4 声呐的集成性能检验，并完成深海条件下对潜主动探测性能测试[1]。同时，为实现大范围机动水下预警能力，美国海军还研制了SURTASS/LFA 声呐，在监视拖曳阵传感系统（ Surveillance Towed Array Sensor System ，SURTASS）基础上增加了发射频率 150 Hz 左右、声源级 235 dB 的低频主动发射声源。此外，美国哈里斯（Harris）公司还推出了 Model 980 主动低频拖曳声呐（ALFOTS）系统[2]，该系统可发射 FM、CW 和 FM/CW 组合波形信号，发射频率小于 2 kHz，声源级达到 219 dB，同时该系统应用 COTS技术和组件，便于实现硬件和软件的快速升级，大幅缩短信号处理算法更新周期。
自上世纪 90 年代中期，法国泰勒斯（Thales）公司陆续开发的 CAPTAS（Combined Active And Passive Towed Array Sonar）系列声呐，是目前装备国家最广、舰艇数量最多的低频主动拖曳声呐[1]，如图 2 所示。该系列产品包括 CAPTAS-4、CAPTAS-2 和 CAPTAS-1，分别适用于 3500 t 以上、1800 t 以下和小型水面舰艇，其中 CAPTAS-4 可提供最大探测能力，对潜探测距离最远超过 150 km，CAPTAS-1 采用发射阵和接收阵共缆的方式提供最紧凑的解决方案，CAPTAS-2 提供了探测能力和平台需求最折中的方案[3]。
德国阿特拉斯（Atlas）公司自 20 世纪 90 年代开始研制低频拖曳阵声呐（Low Frequency Towed Active Sonar, LFTAS）系统，在 2013 年的一次海上试验中证实，该系统样机的探潜能力大于50 km[2]。ACTAS 是 LFTAS 的出口型产品，发射工作频率 1.4~2.4 kHz，拖体可发射垂直束控波束。此外，ACTAS 还采用了移动任务模块设计，ACTAS-C 可放置在 2 个标准集装箱内，如图 3 所示，ACTAS-SC 更是可安装在小于 300 t 的船只上。
俄罗斯海洋物理仪器中央研究所、水声仪器研究所和船舶机械制造中央研究所共同研制了“维尼耶特卡 ЭМ”系列拖曳阵声呐，其中“维尼耶特卡ЭМ”为带长柔性拖曳线列阵的大型舰用主动拖曳声呐，“维尼耶特卡 ЭМ-M”为带短柔性拖曳线列阵的小型舰用主动拖曳声呐，前者对潜探测距离可达 15~20 km。
近年来，各国将传统水面舰艇拖曳阵小型化后用于 USV 平台探潜。德国的 ARCIMS-SeaSense是在 ACTAS 基础上设计专用于 USV 的声呐，可安装于 10-15 t 级 USV，对潜探测距离 15~25 km。加拿大 GeoSpectrum 技术公司开发的 TRAPS 是一套结合高性能被动拖曳阵和垂直主动发射阵的可变深拖曳系统，如图 4 所示，体积小、重量轻，为“海鸥”USV 模块化载荷之一，可在反潜战中探测、分类、定位和跟踪潜艇目标[4]。
美国 AN/SQS-53 舰壳主被动声呐具有对水下目标探测、跟踪、分类、识别、定位等功能，是AN/SQQ-89(A)综合反潜作战系统的重要组成部分。声基阵采用圆柱阵阵型，直径 4.8 m，高 1.7 m，主动工作频段 2.5~4.5 kHz，具有全向发射、定向发射或旋转定向发射三种功能，并且有表面声道、海底反射和深海汇聚区方式等 3 种传播途径可供选择。
美国雷神公司还开发了AN/SQS-56第5代中频舰壳声呐，是一款小体积中频声呐，圆柱声基阵直径 1.22 m，高 0.97 m，主动工作频率包含 6.6、7.5和 8.4 kHz.。工作频率高于 AN/SQS-53 声呐，更适用于浅海近距离探测。其最新型号 MS3 安装于反潜持续跟踪无人艇（ Anti-submarine warfare Continuous Trail Unmanned Vessel，ACTUV），基阵部分可伸缩[5]，工作频率为 7.5 kHz，具备主被动搜索、过滤小目标、定位和跟踪潜艇能力。
航空吊放声呐一般装备于反潜直升机，在直升机悬停状态时将吊放声呐水下分机吊入水中，发射主动信号并接收目标回波，实现对目标的探测、定位、跟踪和识别等。
AN/AQS-22 声呐是美国最新型低频扩展阵吊放声呐，如图 5 所示，目前已全面装备 SH-60F“海鹰”和 MH-60R“攻击鹰”反潜直升机[6]。该型声呐具有 12 条折叠臂，展开阵列直径达 2.6 m，预成波束 24 个，具有大功率低频主动发射和调频波、等幅波全功率单脉冲发射能力，声源级>212 dB，工作频段 1.2～5.6 kHz，最大工作深度 700 m，探测距离>25 km，利用深海汇聚区探测时可以达 50 km，对全方位目标具有快速感知和定向能力，并可对低速目标甚至静止目标进行准确识别[7]。
美国 L3 公司研制的 HELRAS 吊放声呐，2002年开始陆续装备于意大利、荷兰、德国、土耳其、希腊等国的 EH101、NH90 和 S-70B 反潜直升机。该型声呐发射阵由 8 个换能器串联而成，接收阵有 8 个扩展臂，16 根接收换能器条，展开阵列直径达 2.6 m，工作频率 1.38 kHz，采用长脉冲工作体制，最长发射脉冲达 5～10 s，最大工作深度500 m。该型声呐能兼顾深海和浅海环境，在地中海深海条件下，直达波探测达到 14 n mile，汇聚区探测达到 20 n mile，在澳大利亚海域浅海探测达 30 n mile [6]。
近年来，吊放声呐也被装备于水面无人艇，实现对潜自主探测。美国 L3 公司改装了航空吊放声呐 HELRAS（Helicopter Long-Range Active Sonar），使其能够搭载以色列海军“海鸥”无人艇[8]。泰勒斯公司也为美国海军“斯巴达侦察兵”USV 舰艏部分装备了折叠式主动吊放声呐（Folding Light Acoustic System for Helicopters，FLASH）。
主动浮标包含主动定向浮标（DICASS）和声源浮标。美国 AN/SSQ-62 系列浮标是一种指令控制型主动定向浮标，受控发射主动脉冲后，利用矢量水听器接收回波，对目标实现测向、测距，单枚浮标即可对目标进行定位，相比主动全向浮标，使用效能更高[9]。
声源浮标又可分为爆炸声源浮标和低频声源浮标，二者均可与扩展阵浮标配合使用，形成多基地主动探测。AN/SSQ-110B 是一款爆炸声源浮标，使用 2 kg TNT 炸药作为爆炸声源，在 30 m 深度爆炸，在 500～1000 Hz 带宽内的总声级同大型水面舰艇主动声呐的声源级相当。AN/SSQ-125 为航空布放低频声源浮标，采用多个压电陶瓷换能器构成线列发射阵，基频 950 Hz，声源级 213 dB[10]。
5.1 主动探雷声呐
5.1.1 多波束侧扫声呐
美国 Klein Marine Systems 公司研制了多型多波束侧扫声呐，其中 Klein UUV-3500 可双频（455/ 900 kHz）同时工作，可自主或半自主执行浅海水雷探测任务，美国海军已将其安装于新一代多用途无人水面艇 MANTAS T12 上；Klein 5900 单侧波束数达 20 个，具有动态聚焦和动态孔径技术特点，能够保持 100%海底覆盖，在恶劣海况、高速（10~12 kn）航行状态下，依然能够保持高分辨率。
5.1.2 合成孔径声呐
合成孔径声呐因其超高分辨率的小目标成像能力而被用于反水雷任务。美国诺格公司的AN/AQS-24C 合成孔径猎雷拖曳声呐，见图 7（a），在图像处理组件基础上融入机器学习算法，具备自动目标辨识能力。美国雷神公司研制的AN/AQS-20C，见图 7（b），由 4 个独立声呐组成，其中包括一套远距离合成孔径声呐。Ultra Sonar Systems 公司与 Kraken 公司合作为丹麦皇家海军无人艇研制的 SeaScout 系统，集成了 KATFISH 合成孔径声呐，见图 7（c），可标记潜在目标并对其进一步检查。法国 ECA 集团开发的 T18-M 合成孔径声呐，见图 7（d），配备 Inspector 120 无人艇，具备执行反水雷游击战和常规反水雷任务能力，同时也能够执行水下勘测、水文调查等一般任务。
5.2 主动反蛙人声呐
目前各国反蛙人声呐以主动声呐为主，一般可探测、跟踪、识别游泳者、蛙人、蛙人运载器等入侵者，为高价值设施提供安全保障，如运河、港口、石油和天然气海上平台、水下管道和电缆、核电设施等，既可单节点独立使用，又可多节点联合使用。英国、以色列、加拿大、土耳其、挪威等国的主动反蛙人声呐系统参数如表 1 [11,12]所示。
5.3 主动反 UUV 声呐
目前各国正在开展利用蛙人探测声呐进行UUV 探测工作。美国 AN/WQX-2 声呐安装了新一代声呐头 DDS 9000/9001 与 Defender II 自动探测跟踪软件，可对 UUV、蛙人等目标进行有效探测和识别。2022 年，以色列 DSIT 公司推出了KnightShield 机动特遣部队水下安全系统，该系统可检测蛙人、蛙人运载器、UUV 等目标，虚警率低，定位精度高，并可装于一个标准集装箱进行快速部署[13]。
（1）自主探测技术
自主探测技术不仅可以减轻有人平台声呐操作人员的工作强度，提高判情效率，还可以更大限度地发挥无人平台优势，减少对“人在回路”的依赖。
（2）人工智能探测技术
将人工智能技术与主动探测声呐装备结合，可实现信息域和认知域两个维度的智能化。前者利用智能方法感知、获取目标信息，提高获取目标信息的准确性和快速性；后者形成类似人脑的分析、判断、决策域学习机制，提升情况判断、辅助决策能力。
（3）信息融合技术
研究基于融合理论的水声目标探测与识别技术，可实现对水声目标更准确的状态估计和属性判别，进而提高水下探测预警能力。现有用于水声探测中的融合方法基本可分为两大类：一类是包含经典推理、贝叶斯推理和证据理论等的推理方法，一类是包含支持向量机、神经网络、机器学习和智能学习等的人工智能方法。
（1）隐蔽探测
主动声呐与被动声呐相比，具有易暴露的缺点，敌潜艇、蛙人等高威胁目标在侦察到我主动脉冲信号后，会采取规避措施，造成无法持续跟踪。为提高实战情况下的目标探测能力，应开展隐蔽探测技术研究和装备研制。
（2）体系协同探测
在单部声呐的探测能力出现跨代式提升前，发展体系协同探测可更好地发挥整体作战效能。单部主动声呐获取的目标信息是在时域、空域、特征域采样后的数据，信息碎片化导致稳定探测难度极大，通过多传感器综合感知、多节点信息融合、立体态势生成等技术，可将碎片化的信息重新拼接，形成体系协同探测能力。
（3）与无人平台结合
无人平台可执行有人平台无法执行的任务，是有人平台的重要补充，目前得到快速发展。一方面，声呐装备需要针对无人平台特点进行小型化、自主化、协同化改进，提升无人平台实战能力；另一方面，针对无人平台形成的新型威胁，同步开展现有声呐装备新功能拓展和新型声呐装备研制。
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本文整理自《声学与电子工程》2023年第四期，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。
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