浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.上篇

静里水声何处觅，流光暗影锁真机（上）
——浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.上篇

2014年9月11日,根据英国《简氏防务周刊》网站报道，美国海军“俄亥俄”级巡航导弹核潜艇“密歇根”号（SSGN 727）指挥官本杰明•皮尔森8月12日曾对一组前来参观的记者说，“密歇根”号在2013年年底就被部署到了亚太地区，并在东海、南海和菲律宾海执行了任务。出于作战安全考虑，他拒绝透露细节，但皮尔森称这些海域“就像我们的后院”。

此话一出，引起了很多军迷对中国反潜能力的担忧。

众所周知，中国海军的传统长项是反舰，以鹰击系列为代表的各种舰（潜）载和机载反舰导弹，林林总总，层出不穷，很早就与世界先进水平一搏短长。更不要说DF21-D陆基反舰导弹的独门绝技，傲视全球。而随着HHQ-9，HHQ-16和FL-3000系列所组成的远中近多层次舰空导弹的广泛装备，海军区域-点防空能力的快速进步，也让人倍感欣慰。随着052D的出现，海基的陆攻、反导、反卫星能力的空白也逐渐开始被填补，为军迷带来了更多的惊喜。

相比之下，反潜能力，成为目前中国海军最大、也是最重要的一块短板。特别是在周边国家大量装备静音潜艇的情况下，这块短板更显得格外刺眼。不要说美国，就是日本，也一直都在公开嘲笑中国的反潜能力。

所以，我们今天的话题，就是围绕着与反潜声呐技术密切相关的一个领域展开——光纤水听器。

兵器迷咽口唾沫，这个话题，真不好讲啊。流体力学巨难，水声学更是高大上。业余苦读了一阵，还是连一知半解都算不上，再给大家讲什么原理，那真叫不靠谱啊。

但只讲应用，完全不介绍原理，不是咱的风格。况且如果不对原理稍加解释，就很难看出应用的奥妙。帖子写完，犹豫了很久。硬着头皮上吧，也许能引出真正的专家，点评一二，就是咱的福气了。各位拍砖吧，俺顶着锅呢。

一 水听器的ABC
大家知道，对空、对地侦查的各种技术，其信息传递的无线载体，主要是各种电磁波（包括红外、紫外、可见光、微波、激光和各种无线电波）。而在水中，电磁波的传播损耗却非常大，有效传播距离大受影响。最直观的是可见光，无论阳光多么灿烂，在海平面200米以下就完全漆黑一片了。科学测量表明，电磁波在水中的传输损耗比声波约高3个数量级。也就是说,以功率计算，二者相差30dB；以幅值计算，二者相差达60dB。因而电磁波很难成为水下远距离信息传递的有效手段。迄今为止,声波依然是海洋中远距离传输的最有效载体。很自然的，水声学也就成为反潜探测技术最重要的研究领域之一。

1 压电式水听器

水听器，就是通过接收声波对水下目标进行探测、定位与识别的传感器，是水声学最重要的声学测量仪器。传统水听器一般都是压电式水听器，即在水下的设备前端有一个压电传感器。如果潜艇经过某水域，引起水的振动，并通过声波传递开来，压电传感器感受到这样的声波压力，就将压力信号转变为电信号，并通过电缆传递到飞机或者舰艇的信号处理平台，进行信号处理。根据上述原理，它也被称为“声压”水声器。

压电水听器，在数十年的实际运用中得到很大的发展，同时也暴露出很多问题，主要有三个。

第一个问题：“左右舷模糊”

这位晕倒：兵器迷，打住！ “左右舷模糊”？我听得左右脑袋都模糊了！

客官莫急，容俺细细回禀。

首先，水听器一般可以分为无指向性和有指向性两大类. 无指向性指的是水听器对来自于声场空间各方向的声波具有相同的响应,不存在空间选择性；而有指向性，意思是水听器只对空间某些特定方向的声波有响应。直到上个世纪末，大多数声纳系统，包括浮漂声呐和水下拖曳声阵的水听器，基本上都是无指向性的压电传感器。这种传感器组成的单线阵声呐的波束具有圆锥对称性，所以无法判断目标方位指向在舰艇的哪一侧，这就是所谓的“左右舷”模糊问题。

只知道有潜艇，但不知道在反潜测量船的左边还是右边，这样的反潜探测当然大打折扣。

办法呢？有了。

既然单线阵分不清左船舷，那就采用双线阵。双线阵不仅具有轴向孔径，而且沿着阵的法向（横向）也具有横向孔径。因此，利用两根线阵各自指向目标波束的时延差即可判断目标的左右舷。

别高兴太早，刚刚解决了老问题，新问题又来了——兵器迷的帖子，拐弯抹角是少不了的，呵呵。

第二个问题：重量过大，维护困难

拖曳声呐的战术型阵列长100米左右，供战术反潜使用，拖曳最大航速可达30节；监视型阵长1000米左右（美国双体水声探测船拖曳线列阵长度高达1800米)。这样长的拖曳声呐阵列需要布置水下电子元件，还要提供双线阵的信道复用和数据传输电缆和供电电缆，因而价格昂贵,重量较大，维护成本高。如果水下密封出现问题，将导致水下电子设备失效，影响探测效果。

比如美国西屋电气公司、古尔德公司和通用电气公司协作研制的的AN/SQR-19拖曳声纳，1985年交付使用。它承担了大范围远距离初始探测潜艇的任务，并引导舰载反潜直升机SH-60B飞往目标区域，使用机载探潜设备对潜艇实施精确定位。全系统由水下系统和舰载电子设备两部分组成。其水下系统包括线列阵和1700米长的拖缆。线列阵由8个声学组件、3个隔振组件、1个遥测驱动组件和尾部稳定结构件组成。在8个声学组件中，有4个低频、3个中频和1个高频声组件。每一组件长12米，由48个等间距的水听器构成。水听器基阵内设有前放、滤波、多路复合、数/模变换等电子器件以及监测基阵方向、深度和环境温度的传感器。遥测驱动组件是用遥测发送器，把基阵采集的数据经电缆送舰上处理，并接收舰上的指令。仅仅后甲板收放线列阵的操纵设备，就重达7620公斤，中小型舰艇的安装和操纵大型拖曳声呐的困难可见一斑。

第三个问题：压电水听器得到的声场信息不完整

目前广泛应用的压电式声压水听器，只能得到声场的声压标量。

流体力学告诉我们，在流体类连续介质（如海水）中，任意一点附近的运动状态可用压强、密度及流体运动速度表述。相对应的，描述声场的声学量声压、压缩量和质点振速，都是时间和空间的函数。其中，声压为标量（标量，英文scalar，亦称“无向量”，即只有数值大小或幅值高低，而没有方向的物理量。比如质量、密度），质点振速为矢量（矢量，英文vector,既有大小又有方向的物理量，在数学中称作向量。比如速度、力）。标量信息和矢量信息二者合起来才是声场的完整信息。而压电式水听器只能测量声压标量信息，单纯声压信息处理系统也只能分析这样的不完整信息，因此反潜目标测量的能力受限。

这位问了，能不能设计同时测量标量信息和矢量信息的水听器呢？

您说得对。这就是——

2 矢量水听器

矢量水听器作为一种新型的水声测量设备, 采用组合传感器，不但可以测量声场中最常见的标量物理量———声压,而且还可以直接和同步测量声场同一点处流体介质质点的振速矢量。系统后端，则采用联合信息处理系统进行目标方位的声压、振速联合估计。矢量水听器对各向同性噪声的抗相干干扰能力和线谱检测能力大幅度提高，并可实现远场多目标的识别等。

1950年代中期,美国学者发表了有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文。但是此后很长时间，矢量声学基本停滞在概念层面。

在矢量水听器的理论研究方面，真正具有突破性的先驱者，应当说是苏联学者。

1970-80年代，苏联研制成功了声矢量传感器开展海洋环境噪声研究，但仅仅是实验室研究阶段，而且依然是冷门，研究既缺乏体系化的理论，更缺乏有实质意义的工程应用。幸运之神对苏联科学家的锲而不舍发出微笑是在1989年，苏联出版了世界上第一部声矢量传感技术的专著《声学矢量-相位方法》，真正全面的论述了声矢量传感器技术的原理和应用。2003年又出版了《海洋矢量声学》，提出了基于声矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整套方法，声矢量传感器技术研究和应用热潮终于逐渐兴起。

理论上苏联一马当先，而矢量水听器在工程应用方面，应当说美苏是并驾齐驱。

苏联：在1980年代开始研制拖曳矢量线列阵声纳，先后有БГА11-9-17/5、БГА10-4、БГА5-3/2、БГА24-9-6/4等型号的矢量线列阵。俄罗斯的矢量水听器在海岸预警声纳、海洋环境噪声测量和水雷引信等方面得到应用。

美国：1970年代，矢量水听器成功应用于远程浮标声纳AN/SSQ-53系统和DIFAR定向浮标中，以及拖曳声阵SURTASS。目前美国的研究主要集中在新型矢量传感器、矢量舷侧阵声纳、矢量舰壳声纳以及矢量水雷声引信方面，开发了矢量信号处理专用的DSP模块。

矢量水听器当然好。人们可以将声压水听器经过改进成为声压矢量水听器。不过，这对水下传感器提出了更高的要求。工程测量上一般来说，在同一环境中，探测矢量比探测标量难得多。何况电子元器件在数百米深海的环境中，要达到测量声场矢量所需要的高灵敏度，工作参数要非常稳定,对材料、结构和制作工艺的要求也极高。不是美苏这样的工业强国和海洋工程强国，就很难达到这样的水准。因此，矢量水听器的大规模工程应用也受到了诸多限制。

测量参数越来越多-传感器越来越多-声线阵越来越大-设备越来越贵，怎么办呢？

“千呼万唤始出来”，兵器迷唠叨这半天，我们今天的主角，光纤水听器，终于该露面了。


预知后事如何，且听下回——《光纤水听器》分解。

注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢

更多文章，请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html
静里水声何处觅，流光暗影锁真机（上）
——浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.上篇

2014年9月11日,根据英国《简氏防务周刊》网站报道，美国海军“俄亥俄”级巡航导弹核潜艇“密歇根”号（SSGN 727）指挥官本杰明•皮尔森8月12日曾对一组前来参观的记者说，“密歇根”号在2013年年底就被部署到了亚太地区，并在东海、南海和菲律宾海执行了任务。出于作战安全考虑，他拒绝透露细节，但皮尔森称这些海域“就像我们的后院”。

此话一出，引起了很多军迷对中国反潜能力的担忧。

众所周知，中国海军的传统长项是反舰，以鹰击系列为代表的各种舰（潜）载和机载反舰导弹，林林总总，层出不穷，很早就与世界先进水平一搏短长。更不要说DF21-D陆基反舰导弹的独门绝技，傲视全球。而随着HHQ-9，HHQ-16和FL-3000系列所组成的远中近多层次舰空导弹的广泛装备，海军区域-点防空能力的快速进步，也让人倍感欣慰。随着052D的出现，海基的陆攻、反导、反卫星能力的空白也逐渐开始被填补，为军迷带来了更多的惊喜。

相比之下，反潜能力，成为目前中国海军最大、也是最重要的一块短板。特别是在周边国家大量装备静音潜艇的情况下，这块短板更显得格外刺眼。不要说美国，就是日本，也一直都在公开嘲笑中国的反潜能力。

所以，我们今天的话题，就是围绕着与反潜声呐技术密切相关的一个领域展开——光纤水听器。

兵器迷咽口唾沫，这个话题，真不好讲啊。流体力学巨难，水声学更是高大上。业余苦读了一阵，还是连一知半解都算不上，再给大家讲什么原理，那真叫不靠谱啊。

但只讲应用，完全不介绍原理，不是咱的风格。况且如果不对原理稍加解释，就很难看出应用的奥妙。帖子写完，犹豫了很久。硬着头皮上吧，也许能引出真正的专家，点评一二，就是咱的福气了。各位拍砖吧，俺顶着锅呢。

一 水听器的ABC
大家知道，对空、对地侦查的各种技术，其信息传递的无线载体，主要是各种电磁波（包括红外、紫外、可见光、微波、激光和各种无线电波）。而在水中，电磁波的传播损耗却非常大，有效传播距离大受影响。最直观的是可见光，无论阳光多么灿烂，在海平面200米以下就完全漆黑一片了。科学测量表明，电磁波在水中的传输损耗比声波约高3个数量级。也就是说,以功率计算，二者相差30dB；以幅值计算，二者相差达60dB。因而电磁波很难成为水下远距离信息传递的有效手段。迄今为止,声波依然是海洋中远距离传输的最有效载体。很自然的，水声学也就成为反潜探测技术最重要的研究领域之一。

1 压电式水听器

水听器，就是通过接收声波对水下目标进行探测、定位与识别的传感器，是水声学最重要的声学测量仪器。传统水听器一般都是压电式水听器，即在水下的设备前端有一个压电传感器。如果潜艇经过某水域，引起水的振动，并通过声波传递开来，压电传感器感受到这样的声波压力，就将压力信号转变为电信号，并通过电缆传递到飞机或者舰艇的信号处理平台，进行信号处理。根据上述原理，它也被称为“声压”水声器。

压电水听器，在数十年的实际运用中得到很大的发展，同时也暴露出很多问题，主要有三个。

第一个问题：“左右舷模糊”

这位晕倒：兵器迷，打住！ “左右舷模糊”？我听得左右脑袋都模糊了！

客官莫急，容俺细细回禀。

首先，水听器一般可以分为无指向性和有指向性两大类. 无指向性指的是水听器对来自于声场空间各方向的声波具有相同的响应,不存在空间选择性；而有指向性，意思是水听器只对空间某些特定方向的声波有响应。直到上个世纪末，大多数声纳系统，包括浮漂声呐和水下拖曳声阵的水听器，基本上都是无指向性的压电传感器。这种传感器组成的单线阵声呐的波束具有圆锥对称性，所以无法判断目标方位指向在舰艇的哪一侧，这就是所谓的“左右舷”模糊问题。

只知道有潜艇，但不知道在反潜测量船的左边还是右边，这样的反潜探测当然大打折扣。

办法呢？有了。

既然单线阵分不清左船舷，那就采用双线阵。双线阵不仅具有轴向孔径，而且沿着阵的法向（横向）也具有横向孔径。因此，利用两根线阵各自指向目标波束的时延差即可判断目标的左右舷。

别高兴太早，刚刚解决了老问题，新问题又来了——兵器迷的帖子，拐弯抹角是少不了的，呵呵。

第二个问题：重量过大，维护困难

拖曳声呐的战术型阵列长100米左右，供战术反潜使用，拖曳最大航速可达30节；监视型阵长1000米左右（美国双体水声探测船拖曳线列阵长度高达1800米)。这样长的拖曳声呐阵列需要布置水下电子元件，还要提供双线阵的信道复用和数据传输电缆和供电电缆，因而价格昂贵,重量较大，维护成本高。如果水下密封出现问题，将导致水下电子设备失效，影响探测效果。

比如美国西屋电气公司、古尔德公司和通用电气公司协作研制的的AN/SQR-19拖曳声纳，1985年交付使用。它承担了大范围远距离初始探测潜艇的任务，并引导舰载反潜直升机SH-60B飞往目标区域，使用机载探潜设备对潜艇实施精确定位。全系统由水下系统和舰载电子设备两部分组成。其水下系统包括线列阵和1700米长的拖缆。线列阵由8个声学组件、3个隔振组件、1个遥测驱动组件和尾部稳定结构件组成。在8个声学组件中，有4个低频、3个中频和1个高频声组件。每一组件长12米，由48个等间距的水听器构成。水听器基阵内设有前放、滤波、多路复合、数/模变换等电子器件以及监测基阵方向、深度和环境温度的传感器。遥测驱动组件是用遥测发送器，把基阵采集的数据经电缆送舰上处理，并接收舰上的指令。仅仅后甲板收放线列阵的操纵设备，就重达7620公斤，中小型舰艇的安装和操纵大型拖曳声呐的困难可见一斑。

第三个问题：压电水听器得到的声场信息不完整

目前广泛应用的压电式声压水听器，只能得到声场的声压标量。

流体力学告诉我们，在流体类连续介质（如海水）中，任意一点附近的运动状态可用压强、密度及流体运动速度表述。相对应的，描述声场的声学量声压、压缩量和质点振速，都是时间和空间的函数。其中，声压为标量（标量，英文scalar，亦称“无向量”，即只有数值大小或幅值高低，而没有方向的物理量。比如质量、密度），质点振速为矢量（矢量，英文vector,既有大小又有方向的物理量，在数学中称作向量。比如速度、力）。标量信息和矢量信息二者合起来才是声场的完整信息。而压电式水听器只能测量声压标量信息，单纯声压信息处理系统也只能分析这样的不完整信息，因此反潜目标测量的能力受限。

这位问了，能不能设计同时测量标量信息和矢量信息的水听器呢？

您说得对。这就是——

2 矢量水听器

矢量水听器作为一种新型的水声测量设备, 采用组合传感器，不但可以测量声场中最常见的标量物理量———声压,而且还可以直接和同步测量声场同一点处流体介质质点的振速矢量。系统后端，则采用联合信息处理系统进行目标方位的声压、振速联合估计。矢量水听器对各向同性噪声的抗相干干扰能力和线谱检测能力大幅度提高，并可实现远场多目标的识别等。

1950年代中期,美国学者发表了有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文。但是此后很长时间，矢量声学基本停滞在概念层面。

在矢量水听器的理论研究方面，真正具有突破性的先驱者，应当说是苏联学者。

1970-80年代，苏联研制成功了声矢量传感器开展海洋环境噪声研究，但仅仅是实验室研究阶段，而且依然是冷门，研究既缺乏体系化的理论，更缺乏有实质意义的工程应用。幸运之神对苏联科学家的锲而不舍发出微笑是在1989年，苏联出版了世界上第一部声矢量传感技术的专著《声学矢量-相位方法》，真正全面的论述了声矢量传感器技术的原理和应用。2003年又出版了《海洋矢量声学》，提出了基于声矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整套方法，声矢量传感器技术研究和应用热潮终于逐渐兴起。

理论上苏联一马当先，而矢量水听器在工程应用方面，应当说美苏是并驾齐驱。

苏联：在1980年代开始研制拖曳矢量线列阵声纳，先后有БГА11-9-17/5、БГА10-4、БГА5-3/2、БГА24-9-6/4等型号的矢量线列阵。俄罗斯的矢量水听器在海岸预警声纳、海洋环境噪声测量和水雷引信等方面得到应用。

美国：1970年代，矢量水听器成功应用于远程浮标声纳AN/SSQ-53系统和DIFAR定向浮标中，以及拖曳声阵SURTASS。目前美国的研究主要集中在新型矢量传感器、矢量舷侧阵声纳、矢量舰壳声纳以及矢量水雷声引信方面，开发了矢量信号处理专用的DSP模块。

矢量水听器当然好。人们可以将声压水听器经过改进成为声压矢量水听器。不过，这对水下传感器提出了更高的要求。工程测量上一般来说，在同一环境中，探测矢量比探测标量难得多。何况电子元器件在数百米深海的环境中，要达到测量声场矢量所需要的高灵敏度，工作参数要非常稳定,对材料、结构和制作工艺的要求也极高。不是美苏这样的工业强国和海洋工程强国，就很难达到这样的水准。因此，矢量水听器的大规模工程应用也受到了诸多限制。

测量参数越来越多-传感器越来越多-声线阵越来越大-设备越来越贵，怎么办呢？

“千呼万唤始出来”，兵器迷唠叨这半天，我们今天的主角，光纤水听器，终于该露面了。


预知后事如何，且听下回——《光纤水听器》分解。

注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢

更多文章，请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html