低頻聲納

聲納是利用在海洋中傳播的聲波來探測目標並對目標進行定位、識別和跟蹤的。聲納技術是指各國海軍為提高聲納的探測效能而開發和套用的技術。

發展概述

人類社會兩次殘酷的世界大戰都發生在20世紀。一戰期間為了對付德國人的潛艇攻擊，各國海軍考慮了許多方法探測水下潛艇。其中包括熱、磁、電磁以及聲的方法，只有聲探測方法有效。從此，聲信息進入了海戰場最雛形的信息戰。最早出現的聲納是達?芬奇管式的被動艦殼聲納和拖曳聲納，具有對目標的估距能力。為了適應武器設計高精度定位的需要，一戰末期開發了主動回聲測距聲納（戰後投入使用），所用的電聲換能器是朗之萬式壓電晶體換能器。聲納裝備至今已有八十年以上的發展史。

一戰之後，各國加緊了聲納的研究進程。其中美、英等國重點發展主動聲納，德國則主要發展被動聲納。在此期間，對聲納設計有重要關係的傳播介質的認識（主要是聲速梯度）及假設檢驗與估計理論的套用提到了各國海軍的議事日程之上。

二戰和戰後冷戰時期的迫切需求進一步促進了聲納裝備的發展。美國人把水聲與雷達、核子彈並列為三大發展計畫。水聲傳播、噪音、混響、反射的理論和實驗研究工作廣泛展開，特別是在用計算機解聲傳播方程方面的研究成果解決了聲納系統設計的水聲建模難題。包括主動輻射器和被動水聽器在內的水下電聲換能器技術取得長足的進步，大大促進了聲納裝備的發展。

在聲納開發的起步階段先後研製成功了電晶體材料和磁致伸縮（利用電磁效應）材料的換能器，後來又開發了壓電陶瓷材料的換能器，至今仍廣泛使用。近年來又湧現出各種新材料和新概念，如新磁致伸縮材料（稀土－鐵磁致伸縮等）、複合材料、壓電聚合物、光纖水聽器等。60年代末到70年代初誕生了全數字聲納處理系統。

核潛艇的出現及其發射遠程彈道飛彈的能力，使得短距離主動聲納已不能滿足探測潛艇的要求，各國海軍轉而發展被動聲納以保證遠距離探測與識別水下目標。低頻和大孔徑成為這一時期研製遠距離探測聲納的發展方向。各國海軍先後研製成功了艦（艇）殼安裝的共形陣和連續的舷側陣列聲納、長拖曳線陣列聲納、低頻大孔徑被動聲納等。與此同時，艦載直升機/岸基巡邏機搜潛系統（包括被動浮標聲納和主動吊放聲納）和岸基被/主動聲納站也相繼發展起來。

由於聲隱身技術的迅猛發展，核潛艇雖然產生的總能量可觀，但只有極少的一部分以聲能的形式向外輻射，使聲納探測面臨嚴重挑戰。為適應這種形勢，人們又把部分注意力轉向主動拖曳線陣列聲納為代表的低頻主動聲納，特別是面向淺海工作的，對付更為安靜的柴－電潛艇的低頻主動聲納。

歷年研究

傳統的聲納都要依託艦艇平台，因而受到許多限制：1、空間有限，特別是容納陣列聲納的空間有限，制約了聲納性能的提高；2、來自艦艇平台的自噪聲（包括航行水噪聲）是聲納工作的重要干擾源；3、對水面艦艇來說，聲納不能根據水文條件（聲速分布情況）的變化而改變聲納深度，因此不能隨時接收最佳的水聲信號。拖曳變深聲納的出現，部分地突破了上述局限。為擴展陣列聲納孔徑，變深聲納的拖體逐漸演變成數百米的長線陣列，形成了拖曳線陣列聲納。這種陣列聲納拖於航行中的艦艇後面，艦艇上安裝的設備對來自水聽器陣列的信號進行前置調節、處理和終端顯示，進而將水下探測信息經衛星發往岸上設備，與其它數據一起進行綜合分析。

除此之外，已開發國家更為普遍地發展了戰術拖曳線陣列聲納，如美國當前裝備海軍艦艇的AN/SQR-19聲納，它是在AN/SQR-15和AN/SQR-18的基礎上開發而成的。該陣列聲納長800英尺，拖纜長5600英尺，拖曳深度可達1200英尺。

被動拖曳線陣列聲納是以檢測目標航行時的水下噪聲為手段探測目標的，隨著潛艇技術的發展，潛艇噪聲越來越小，用被動拖曳線陣列聲納探測目標越來越困難。為此，各國海軍又把目標投向了主動式探測聲納，開始研製低頻主動拖曳線陣列聲納。北約水下研究中心於80年代開始研究工作，1992年其研製的主動拖曳線陣列聲納首次參加軍事演習。1991年荷蘭和德國聯合研製低頻主動拖曳線陣列聲納，94~97年之間分別進行了海上研究實驗。

其它的工作體制聲納還有：潛艇用舷側陣列聲納，該聲納布設聲接收陣列於艇體兩舷側，充分利用艇體船舷側面，可增大陣列聲納的孔徑，提高空間增益，改善聲納探測性能。合成孔徑聲納，利用聲納載體平台的運動，將尺度有限的陣列聲納物理孔徑所接收到的信號沿運動軌跡作延時補償，使信號相干疊加，從而合成一"虛擬"的增大數倍甚至數十倍的聲學孔徑，以提高陣列聲納的空間增益，改善對目標的方位分辨能力。

發展趨勢

冷戰結束之後的海戰場已進入了信息戰時代。聲納的發展也邁向了知識和資訊時代，主要表現在以下方面：

1、繼續向低頻、大功率、大基陣方向發展。鑒於聲波在海水中的傳播特性以及低頻大功率與基陣的關係，開發大孔徑低頻聲納技術是解決遠程探潛、進行有效反潛的前提。

2、向系統性、綜合性發展。艦艇聲納系統將由單項功能的單部聲納逐步發展為由多部聲納組成的收-發分置、多基地、多感測器的綜合聲納系統，並進而構成潛艇戰和反潛戰聲知識基作戰系統。如美國水面艦艇裝備的AN/SQQ-89反潛綜合作戰系統，它是由艦殼主動聲納、戰術拖曳線陣列聲納、艦載直升機搜潛系統和聲納信號處理機、反潛火控系統和聲納狀態方式評估系統等組成。該系統於1991年開始裝備"阿利?伯克"級驅逐艦。

3、向系列化、模組化、標準化、高可靠性和可維修性發展。現代聲納設備，無論是換能器基陣、還是信號處理機櫃及顯控台，都趨向採用標準化的模組式結構。這種結構具有擴展性好、互換性強、便於維修、可靠性強、研製周期短、研製經費少的優點。

4、計算機的套用使聲納向智慧型化方向發展。用計算機進行聲納波束形成、信號處理、目標跟蹤與識別、系統控制、性能監測、故障檢測等。可大大提高聲納的性能。隨著第五代計算機（即人工智慧計算機）的問世，聲納也正在向智慧型化方向發展。目前神經網路的研究取得了令人矚目的進展，它與計算機技術和信號處理技術相結合，使聲納智慧型化成為可能。

5、由均勻傳播介質、各向同性噪聲場和單個平面波信號條件下的聲納設計發展為開發和利用非平面波、非高斯、非平穩信號和噪聲實際特性的環境處理的聲納設計，以獲取和占有更多的信息和知識，大幅度提高聲納檢測距離、定位精度、識別正確率和目標運動分析/跟蹤能力。

支撐技術

艦載聲納系統是艦艇探測水面艦艇、水中武器、潛艇的主要手段。國外海軍不惜投入大量人力物里，開發研究聲納技術和裝備。在未來海戰場信息戰中，聲納及綜合聲納系統將扮演越來越重要的角色。20世紀形成的初級知識型聲納和綜合聲納系統，在21世紀必將得到進一步的發展和提高。21世紀聲納技術將套用海洋聲學、電子學、計算機學、材料學、通信理論等領域的最新成果，用更精緻的模型表征海洋聲環境物理特徵，從而創造出高級知識型聲納和聲納系統。