美國海軍聲納系統(潛艦)

 

一張1960年代大鯧鰺級(Permit class)核能攻擊潛艦的AN/BQQ-2整合聲納系統布置示意圖。

球型物體是AN/BQS-6主/被動球型陣列聲納,而排列在艦首的則是AN/BQR-7低頻被動陣列聲納的聽音陣列。

之後美國海軍鱘魚級、洛杉磯級等核能攻擊潛艦的艦首聲納佈局都與此類似。

建造中的維鱘魚級核子攻擊潛艦USS Trepang (SSN-674)曾經使用的AN/BQQ-5聲納的顯控台。

AN/BQQ-5是美國海軍第一種全數位化的整合式潛艦聲納。

進入乾塢維修的洛杉磯級核子攻擊潛艦拉霍亞號(USS La Jolla SSN-701)的艦尾,此時螺旋槳和後部水平翼兩側

尖端的垂直安定面都已經拆除。水平翼兩側尖端頂部可以看到拖曳陣列聲納施放口,左邊為

TB-23/29細線拖曳聲納,右邊為TB-16粗線聲納。注意艦殼右側突起的就是收容TB-16纜線的管狀結構。

 


建造中的維吉尼亞級核能攻擊潛艦維吉尼亞號(USS Virginia SSN-774)艦首,

用黑色塑膠布包起的是BQQ-10聲納系統的大型球型陣列音鼓。


──By Captain Picard


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潛艦用聲納系統:

自從1960年代服役的 白鲑魚號(USS Tullibee SSN-597)與大鯧鰺級核能攻擊潛艦開始,美國攻擊潛艦都採用完整的聲納套件,包含艦首球型主/被動陣列聲納、艦首等角低頻被動陣列聲納、拖曳陣列聲納等等。由於球型聲納佔滿了艦首,美國現代化核能潛艦的魚雷管便向後移至兩側,從側面以十度斜向伸出。

BQQ-1/2/3潛艦用聲納系統

AN/BQQ-1是美國海軍第一種整合式聲納系統,配備在實驗性的白鲑魚號(USS Tullibee SSN-597)核能攻擊潛艦上(1957年簽約,1958年安放龍骨,1960年服役),包含BQS-6球型主/被動陣列聲納以及環繞在球型陣列外的BQR-7低頻被動陣列聲納 。美國海軍也在1958年啟動「潛艦整合控制」(SUBmarine Integrated Control,SUBIC)系統計畫,透過數位計算機整合艦上所有聲納以及射控處理系統,成為一個全數位化的整合式潛艦戰術指揮處理系統,奠定美國海軍潛艦用整合聲納系統的技術基礎。

BQR-7採用帶狀的聲納陣列,最早期的型號使用類比信號處理(波束成形等)技術,操作頻率下限是150Hz,探測距離至少達第一匯聚區(約25海里),某些特殊情況下能偵測到100海里外的訊號。配備於大鯧鰺核能攻擊潛艦與鱘魚級上的AN/BQQ-2整合聲納系統是BQQ-1的延續,包括BQR-7被動陣列聲納、BQS-6球型主/被動陣列聲納、BQA-2水下保密通信系統(Secure Underwater Communications System,SESCO)以及後端的 MK-112類比式射控計算機等,日後改良時以半數位化的MK-113計算機取代MK-112,並且加裝了TB-16被動式拖曳陣列聲納(見下文) 。MK-113射控計算機的核心是MK-130數位電腦,具有自動化的目標動態分析(Target Motion Analysis,TMA)能力。值得一提的是,經過改良的BQQ-2(改用MK-113數位化計算機等)是美國海軍第一種具備低頻分析和測距(LOw Frequency Analysis and Ranging,LOFAR)與窄頻帶分析能力的潛艦用聲納系統 ,BQR-7也具備甚低頻的LOFAR能力。

LOFAR是一種信號頻譜分析技術,利用快速傅利葉轉換等信號處理方式,可過濾特定的信號來鎖定特定目標的聲噪(例如目標噪信中最明顯的頻段), 這使得潛艦能以自動化的方式尋找特定目標的頻段(而不是只能依照人工聆聽識別),大幅增加在海洋背景噪音中搜索特定潛艦的能力,甚至能識別同一型潛艦每一 艘之間聲噪信號的些微差異,這對於掌握敵方潛艦技術特徵以及調動部署等極具價值。LOFAR技術結合拖曳陣列聲納的低頻、窄頻監聽能力,使得美國海軍潛艦 部隊能夠開始為蘇聯潛艦建立起數位化聲紋資料庫(而不是依靠聲納人員的個人經驗),記錄每一艘潛艦獨一無二的聲紋信號;隨時維護、更新聲紋資料庫對於反潛 作戰至關重要,因為LOFAR音頻分析要處理的資料量極大,最先進的信號處理器在同時間也只能處理少數幾個頻譜線,這意味著平時必須盡量蒐集敵方每一艘潛 艦的聲紋信息並建檔,進行LOFAR分析作業時才能根據可能出現的目標形式,對某個特定頻譜進行搜索,如此才能將LOFAR的作業效率提升到最大。類似 地,為了最有效地進行LOFAR作業,也必須預測自身的被動聲納系統對特定目標噪信的響應情況。而行蹤隱密、配備精良聲學裝備的核能攻擊潛艦如鱘魚級,就 成為蒐集並維持敵方潛艦聲紋資料庫的最佳平台。

長尾鯊號(USS Thresher SSN-593)核能攻擊潛艦的被動聲納顯控台,由左而又是BQG-1被動

水下射控聲納系統(PUFFS)的顯控台、BQR-7被動陣列聲納顯控台(方向盤是用來控制被動陣列

波束方向)、BQQ-3 LOFAR分析的紙袋輸出終端。

 

BQR-7的機械式陣列可提供兩個波束,第一個由操作人員手動控制指向(透過顯控台的方向盤來控制指向),第二個則持續進行掃描,探測結果分析結果列印到連續紙帶上;1965年推出的BQR-7A則改用數位化的信號處理技術,可將結果輸出到顯示器上。裝備於鱘魚級的改良型BQQ-2聲納系統開始具有LOFAR分析能力。1970年代推出的BQQ-3基本上是將BQQ-2數位化的版本,大鯧鰺級、早期鱘魚級的BQQ-2後來都升級為BQQ-3。

BQS-6從1958年開始研製,是全世界第一種潛艦用球型陣列聲納,直徑約4.6m的巨大音鼓佔滿潛艦的艦首,整個球型陣列共有1241個換能器。此種設計能讓聲納音鼓的尺寸達到 艦體所容許的最大值,因而獲致更遠的偵測距離 ;此外,球型聲納陣列有利於精確地合成與接收各種波束。此外,球型音鼓陣面上各組件到球心等距,可在水平與垂直方位任意形成波束,而且任何角度的波束都不 會產生畸變,而傳統柱型陣列在垂直向並非與中心等距,偏離中心軸線的波束比水平的波束更寬,需要靠更複雜的方式來處理。因此,球型陣列聲納賦予美國核能攻 擊潛艦很廣泛的水平與垂直向聲納搜索範圍,能更自由地偷偷接近缺乏拖曳陣列聲納而在艦尾留下70至90度偵測盲區的早期蘇聯潛艦 。1950年代後期美國海軍測試當時BQR-4/SQS-4等圓柱型陣列聲納的效能時,就發現高速航行的核子潛艇進入聲納探測範圍之後,經常在潛艦來得及完成射控計算並發射武器之前就能脫離聲納探測範圍,而BQS-6球型陣列聲納擁有更廣的涵蓋面,能在更大範圍內於三度空間追蹤水下目標。BQS-6具備以海底反 射操作模式下提供精確射控等級偵測的能力,並能在直接通道到第一匯聚區的範圍提供可靠的射控能力。

綜合以上 ,球型聲納對於聲納偵測效能而言堪稱是最佳化設計,不過球型聲納陣列生產成本很高,需要使用精密電腦控制、動用複雜的五軸切割機才能製造球型音鼓;此外, 由於球型陣列聲納佔滿了艦首空間,導致魚雷管必須設置於聲納室後方,並朝著艦首外側傾斜 ,使得這個部位的壓力殼需要開好幾個橢圓形的孔,技術難度高;此外,採用側向魚雷管的潛艦,只能在較低的航速才能打開魚雷管外門並發射武器 (早期必須在10節以下,洛杉磯級的改進設計則放寬到18節以下)。美國海軍認為潛艦在遂行反潛作戰或伏擊水面艦隊時,首重於本身的靜音能力,才能在敵人 未察覺的情況下逼近並開火,因此潛艦是否能在高速時發射武器就顯得沒那麼重要;因此,美國的核能潛艦從長尾鯊級開始,全部都配置球型的艦首聲納系統 。長期以來,球型陣列聲納都是美國核能潛艦的專利;俄羅斯直到1990年代開工建造的最新型Project 885核子動力攻擊潛艦(由於經費短缺,1993年開工建造的首艘本級艦直到2010年才下水,2013年服役),才首度引進艦首球型聲納設計,顯示技術有所突破。 BQQ-2裝備於大鯧鰺、鱘魚級等核能攻擊潛艦上,但後來被BQQ-5取代。

長尾鯊號(USS Thresher SSN-593)的BQS-6球型陣列聲納顯控台,由左而又三個區域分別是

被動功能顯控台(方向盤是用來控制被動波束方向)、主動功能顯控台以及一個BQA-3圖形指示器。

BQS-6球型聲納系統後端顯控台包括主動與被動模式顯控台,以及一個BQA-3圖形指示器(用來測量回波的都卜勒效應),這些都是類比式設備。BQS-6的被動聽音結果由一個放大掃描器(amplifier-scanner)形成波束,並顯示在方形的被動模式顯示器上,操作人員由一個方向盤手動控制被動聲納方向;而主動聲納接收器則處理聲納影響,從中擷取主動拍發的回波,並輸入主動顯控台以及BQA-3圖形指示器。此外,主動顯控台也能從獨立的接收掃描器(receiver-scanner)接收主動拍發的回波。主動聲納顯控台上前方面板有兩個示波器,左側為區段掃描指示器( Sector-Scan Indicator,SSI,倒三角形),右側是圓形的PPI顯示器,兩個顯示器可讓操作人員比較左側與右側的波束並進行精密測量,以及可分析聲下壓(depression)/上升(elevation)角度;而主PPI顯示器上方還有兩個指示器,分別是指向性以及下壓/上升指示器,用來顯示單一拍發、筆狀波束(single-ping pencil-beam)的回波。

日後BQS-6升級為更新型的BQS-11/12/13聲納時(在大鯧鰺級上是第三階段改裝,Retrofit III),增加了一個新的主動聲納接收器(位於先前BQS-2的接收掃描器上)。經Retrofit III升級(BQS-11/13)後,前述主動顯控台上的四個SSI/PPI顯示器都移到下層面板,被兩個陰極射線管(CRT)顯示器取代,其中下方的CRT直徑較大,用於A-scan,而上方的CRT直徑較小,用於顯示主動模式。由於BQS-11/13是自動追蹤,因此就不再設置SSI顯示器。對於BQS-11、12,主動聲納的接收信號可選擇顯示在原本的BQA-3圖形指示器,或經由新設置的數位資料電腦/處理器處理,顯示在新增的輔助主動顯控台(auxiliary active console)上;而更新型的BQS-13系統則完全取消BQA-3圖形指示器的顯示器與電子機櫃,主動聲納信號一律送至資料電腦/處理器並顯示在輔助主動顯控台上。此外,BQS-12聲納也更改了被動聲納顯控台介面,取消了原本的方向盤 。BQS-11/12/13由位於羅德島州朴次茅茲的雷松潛艦信號部門(Raytheon Submarine Signal Division, Portsmouth, Rhode Island)製造。

BQQ-5潛艦用聲納系統

一艘美國核能攻擊潛艦的AN/BQQ-5整合聲納系統的顯控台。與上圖AN/BQQ-2的後端顯控台

相較,全數位化的AN/BQQ-5都採用CRT顯示器的顯控台,而沒有PPI、SSI等類比示波器。

BQQ-5是繼BQQ-3之後的新一代潛艦聲納系統,除了最早的A型外 ,有D/E等改良型。BQQ-5在1972至1973年進行測試,1973年8月開始生產,首先配備於1974年服役的 林普斯康號 (USS Glenard P. Lipscomb  SSN-685)核能攻擊潛艦上,隨後裝備於 最後九艘改良型鱘魚級核能攻擊潛艦以及隨後的洛杉磯級核能攻擊潛艦上,隨後早期型鱘魚級與大鯧鰺在接受改良時都以BQQ-5取代BQQ-2。 BQQ-5的主承包商包括IBM(International Business Machines Corporation)、雷松(Raytheon)、古爾德(Gould lncorporation)和班迪克斯公司(Bendix Corporation)等。

BQQ-5是美國海軍第一種全數位化聲納系統 ,無論聲納信號處理或資料處理都實現數位化。BQQ-5配合具備低頻分析測距(LOFAR)能力的TB-16拖曳陣列聲納,使美國海軍核能攻擊潛艦擁有了 以窄頻數據分析而為每一艘個別蘇離潛艦建立聲紋識別資料的能力。BQQ-5是一種數位化聲納系統,使用數位多聲波操控模式(Digital Multi-Beam Steering,DIMUS),由多個數位處理器分別處理各不同音鼓接收的信號,傳輸給UYK-7電腦進行追蹤處理與顯示;而追蹤軟體則能根據聲納資料 預測目標運動, 進而在螢幕上獲得較平滑的目標軌跡,這種技術使得BQQ-5成為全世界第一種追蹤品質接近雷達的潛艦用聲納。 由於使用數位化技術,BQQ-5聲納系統的內部聲噪遠比先前機械式的AN/BQQ-2少(BQQ-2仍需要使用機械式開關)。

BQQ-5聲納系統的後端 結合MK-117數位化聲納指揮射控系統,,這是美國海軍第一種全數位化的潛艦射控系統,可說是為了配合BQQ-5而誕生。MK-117將過去需要耗費大量人力時間的目標動態追蹤(TMA) 完全自動化,並利用BQQ-5被動模式的多波束控制能力,能同時以被動監聽方式追蹤40個目標,目標處理能力是上一代半數位化的MK-113潛艦射控計算機的兩倍。MK-117整合有三座MK-81追蹤用顯控台以及一具用於發射武 器的MK-92攻擊顯控台;MK-92採用數位電路,能控制使用數位化電路的MK-48線導魚雷以及UGM-84魚叉反艦飛彈,但無法控制先前1966年7月服役、使用類比電路的UUM-44潛射反潛火箭(SUBmarine ROCket,SUBROC ,使用核子深水炸彈作為戰鬥部)。MK-117的設計工作在1975財年展開,1977年8月完成測試,而首先裝備的潛艦是1981年7月服役的洛杉磯級達拉斯號(USS Dallas SSN-700),隨後較早服役的洛杉磯級、鱘魚級、大鯧鰺級核能攻擊潛艦也陸續以MK-117取代原有的MK-113。 在1983年,MK-117經過改良,增加為UUM-44A-2潛射反潛火箭進行射控的能力。

不過值得一提的是,雖然1970年代以後美國海軍逐漸裝備了具有自動TMA能力的被動聲納或數位水下射控系統,然而美國海軍核能潛艦部隊作業時,始終維持 一個人數不少的TMA小組隨時用人工進行解算,與自動的TMA進行交互比對,到冷戰結束都沒有改變;美國海軍核能潛艦需要編制相對較多人力的重要原因,就 是作戰時在控制中心需要的人力較多,其中就包含人工TMA作業。TMA只是一個隨時判斷目標潛艦與自身相對方位、距離的程序(敵我雙方隨時都在移動,而魚 雷需要航行一段時間才能抵近目標所在的位置),讓潛艦指揮官判斷是否時機成熟可以發動魚雷攻擊,確保魚雷朝該方位航行一段時間後能夠順利將目標納入魚雷尋 標器有效攻擊的包絡區間內。以被動聽音手段獲得的目標動態參數相當複雜,對於方位、距離的精確度也遠不足以作為直接射控的依據;TMA的運算結果不僅取決 於演算法的好壞,輸入參數的品質更有決定性的影響,例如被動聲納會接收到海洋、海底地形背景雜音,而且需要瞭解現地周遭水文環境(溫度、 洋流、水層、深度等)來瞭解該水域的聲波傳遞的模型(包含聲速、傳播路徑等),甚至需要預先知道目標潛艦的聲學特性,尤其是某艘特定潛艦的螺旋槳每分鐘轉速(RPM)與航速的對應關係(Turn Per Knot,TPK)。由以上可之,以被動聽音進行TMA的相關難題甚多,如果單純交給自動化系統,誤判機率就比較高(早年的計算機處理能力有限,而且可能 沒有夠好的演算法或足夠的水文資料)。例如在一次北約演習中,一艘德製潛艦在與美國核能攻擊潛艦攻防時,該艦自動化的目標追蹤程序嚴重誤判美國潛艦的距 離,導致這艘潛艦在完全不正確的距離上決定發起攻擊(可能使用了主動聲納做最後標定)而暴露位置,最後被美國潛艦擊敗;這艘潛艦誤判距離的原因,很可能是 艦上的自動化系統的聲學演算法是針對德國周遭的淺海,在當時演習的開闊深水域中就完全不適用。不僅是海洋背景環境的噪音干擾,敵方潛艦也可能利用聲學特性 進行反TMA機動或其他反制措施,這在自動化TMA技術不夠成熟時,都還只能靠有經驗的人員以人工作業來彌補。當然,相較於全人工作業,自動化TMA可以 更快獲得概略解算,有助於讓潛艦搶佔先機先發射;英國皇家海軍的潛艦部隊就較早實施全部以自動化TMA接戰。

BQQ-5由九部聲納系統構成,分別是AN/BQS-11/12/13球形主/被動陣列聲納(後期統一為BQS-13DNA)、AN/BQR- 20艦/24首適型被動測向 聲納、TB-16/23/29被動拖曳陣列聲納、快速被動測距聲納、目標識別聲納、AN/BQS-15探雷與避障聲納、AN/WLR-9A聲納警告器、AN/WQC-5通信聲納與AN/BQN-17回聲測深聲納等 ,以下便分別介紹:

 

1.BQS -13艦首球型陣列聲納 :這是堪稱BQQ-5最重要的感測系統, 係由先前AN/BQQ-2型聲納系統中的AN/BQS-6型球型聲納演進而來;最初先是由AN/BQS-6A與6B分別發展出AN/BQS-11與12 型,雷松潛艦信號部門(Submarine Signal Division)以此為基礎開發出AN/BQS-13型, 首先用來換裝鱘魚級核能攻擊潛艦。在1971年底,IBM、雷松潛艦信號部門合作對AN/BQS-13進行進一步改良,包括提高聲納探測能力、可靠性、可 維修性, 以及後端系統的數位化與電腦化程度,改進後的型號為AN/BQS-13DNA,DNA代表「數位化多波束寬/窄頻加速主動搜索聲納」 (D:數位化,N:可選擇寬/窄頻信號處理,A:加速主動探測技術) 。BQS-13DNA是全世界第一種發射、接收端信號與資料處理都實現數位化的聲納系統,具有窄帶寬帶雙檢測頻道,大大提高了深海大深度下的主動聲納搜索 效率。BQS-13DNA的聲納接收、信號處理、顯示、電腦由雷松潛艦信號研發,而 聲納陣列的換能器則由漢緯(Honeywell lnc)開發。 BQS-13DNA的主要功用是以主動拍發方式對水下目標進行定位,後端電腦計算出目標距離、方位和深度等資訊後,便輸入MK-ll7型射控系統, 作為MK-48魚雷、魚叉反艦飛彈等武器的射控資料;而與AN/WQC-5水下通信聲納結合時,則可利用BQS-13DNA的球型音鼓進行水下通信。 平時BQS-13DNA只以主動方式工作,然而如果艦上專門的被動聲納(如AN/BQB-20或被動拖曳陣列聲納等)失效時,才利用BQS-13DNA進 行被動監聽 。AN/BQS-13DNA廣泛使用數位化控制,包括聲納的多波束成形、寬窄頻帶信號處理、聲納發射控制、信號調節和集中顯示等功能,因此性能靈敏而良 好;系統配備四個顯控台,每個顯控台裝有一個30個按鈕的面板,能指揮運用720個系統指令;而後端軟體則撰寫了30000條指令。AN/BQS-13大 量使用固體電路組件、整合電路以及採用模組化結構的標準組件,具有體積小、重量輕、容量大、工作穩定可靠、工作壽命長等優點,而且便於日後的功能擴充。 AN/BQS-13的控制電腦也具有自我檢測功能,能及時指示發生故障的部位,並可現場立即維修抽換,大幅增加了可維修性。AN/BQS-13DNA也預 留許多資料傳輸接口,能與其他聲納系統的後端結合,進行共同運用與資料交換。AN/BQS-13DNA的球型音鼓直徑4.57m(15呎),安裝於艦首壓 力殼外部,以降低艦體內部噪音的干擾,聲納陣列由1241具換能器構成 (與BQS-6、11、12仍相同),信號處理器為CV-3011(主動信號) 與CV-3010(被動信號)。在主動工作模式下,AN/BQS-13DNA的工作頻率為3.5KHz,波束俯仰範圍-15~+45度, 連續發射功率高於75KW;採用被動模式時,聽音頻率為1~3KHz,俯仰範圍-52~+36度;波束俯角大於仰角,在於充分應用海底反射匯聚區的特性。 AN/BQS-13DNA能同時產生600道波束,同時分佈在60個水平方位。AN/BQS-13DNA可利用三種傳播模式來探測目標:利用表面反射模式 時,偵測距離 10~15海里(18.2~27.4km);利用海底一次反射模式時,偵測距離高於15海里;利用深海一次匯聚區效應時,真測距離為30至35海里 (54.8~64km) ;而利用深海聲道彙聚區效應時,BQS-13最大探測距離可達90km以上。

2: AN/BQR- 20/24被動測向 聲納,這是一部低頻被動偵測聲納,由美國伊多公司(Edo Corporatio)與雷松公司在先前AN/BQR-7A為基礎發展而來,具有窄頻帶偵測與追蹤低速目標的能力。BQR-20的SHAB適型聲納陣列安 裝在艦首,沿著艦首兩側的半橢圓形部位向左右兩側延伸,呈馬蹄狀,由104個水聲聽音器構成, 分別可在艦首左右兩側產生24道偵測波束以及2道測量自身噪音的波束。此型聲納採用積體電路元件,具有數位化控制的多波束能力、窄頻偵測、追蹤和識別能 力、數位化信號處理、 真時頻譜分析等先進能力,,基於各感測器截收的特定窄頻信號進行頻率線性整合追蹤(Frequency Line Integration Tracking,FLIT),並使用都卜勒頻移原理(Doppler principle),操作時可用自動控制或人工控制兩種方式進行追蹤,聽音頻帶範圍0.4~1.4kHz,偵測距離可達25~50海里 (46~91km)。此一聲納主要用於監視以及遠程警戒 ,並協助進行射控解算;由於採用波長較長、鑑別度較差的低頻操作,所以方位測定精度相對較差,無法分辨俯仰角,而且聽音範圍只能涵蓋艦首前半球。

3.TB-16拖曳陣列聲納:在1970年代初,美國西方電氣公司(Western Electric Company)研製推出AN/BQR-15拖曳陣列聲納(陣列長800m,直徑12mm,後端使用AN/BQR-23信號處理器),從1974年起安裝於四艘 拉法葉級(Lafayette class)核能彈道飛彈潛艦(SSBN-685、609、610、659)上。隨後,西方電 器緊接著研發TB-12(後來改為TB-16)拖曳陣列聲納,並在1974年5月首度安裝於首艘洛杉磯級核能攻擊潛艦上進行測試,此後便成為AN/BQQ-5聲納系統的一部份。此套拖曳陣列聲納由TB-16型水下拖曳聽音陣列、拖曳纜繩、收放絞車與後端處理控制設備組成,聽音陣列透過拖曳纜繩從潛艦尾部水 平翼尖端的管口施放入海中。 由於當時已服役或正在建造的美國潛艦內部空間無法容納,早期TB-16遂直接外掛於艦體外;後來發現這種設計在高速運動時容易損壞,所以洛杉磯、鱘魚級 、大鯧鰺在艦體右側加裝一個額外的管狀結構來收容纜線;收放絞車安裝在潛艦的前部壓載水櫃內,絞車上設有緊急剪纜裝置,當潛艦處於危急狀態時能緊急放棄聲 納陣列。拖曳陣列聲納施放在艦尾時,截收到的信號以發送器透過拖纜內的同軸電纜傳送到艦上的電子設備進行處理,並送入MK-117射控系統中。TB-16 主要用於遠程早期偵測與目標分類,並且確保艦尾「檔音區」的安全。TB-16的工作頻率 在3KHz以下,最低可達10~20Hz,有效探測距離高達50至100海里(90~180km),是BQQ-5聲納系統中,作用距離最遠、偵測頻率最低 的感測器;由於是拖曳在艦體後方,故可遠離船艦的自身噪音干擾,並且可以選擇部署的深度,拖曳在與艦體不同的溫層之下,故能避免信號折射,探測到潛艦本身 感測器無法接收的信號;不過,TB-16採用低頻操作,鑑別度差,難以迅速判斷目標的左右方位 。

TB-16聽音基陣由50個接收單元構成,直徑8.25公分 (3.5吋),基陣本身總長度73.15m(240呎),有效孔徑56.7m(186呎),基陣由前端逐漸變粗,至中段再一路變細至後端,以改善流體特 性,減少噪音;至於拖曳基陣用的鋼纜全長約792.5m(2600呎),直徑9.5mm。拖曳陣列聲納系統的後端採用AN/UYK-20數位電腦作為信號 處理與儲存裝置。施放拖曳陣列聲納時,將影響艦體的操縱與運動能力;根據統計,潛艦向上、向下運動時,拖曳陣列聲納會使航速減少0.5km左右;而拖曳陣 列在拖曳過程中的抗張強度為32 kN(3266 kgf),如果超過就會使纜線斷裂。 雖然日後更新型、偵測距離更遠的TB-23/29拖曳陣列聲納相繼推出,但由於TB-23/29的線性陣列直徑細,在 較高的拖曳速度下,比較容易出現類似彈吉他弦擾動,進而干擾聽音作業,而直徑較粗的TB-16情況則比較好;因此美國從改良型洛杉磯級、海狼級乃至維吉尼 亞級,在配備TB-23/29之餘都繼續保留TB-16, 在較高航速 仍能作業(據信可達10節以上);而在更慢速的戰略情報蒐集、遠距離聲頻分析作業時,才會放出TB-23/29(適合的作業航速約在7節以內)。 美國潛艦為了加快接近目標時間而採取交替的低速傾聽/高速衝刺戰術,在低速階段可以使用較長的TB-23/29拖曳陣列聲納取得較佳的聽音效果,而期間較 高速航行階段則仍能使用TB-16來彌補艦尾盲區。為了適應在較高航速下的拖曳作業,美國進一步改良較早期的TB-16,陣列單元具有更粗更厚實的減震防 護層。

4.快速被動測距聲納:此聲納以1970年代初期美國Sperry陀螺儀公司進行的水下被動射控可行性研究計畫(Passive Underwater Firecontrol Feasibility Study,PUFFS)的基礎發展而來,在1975年5月首先裝備於洛杉磯級核能攻擊潛艦的首艦上進行測試。此聲納由兩組線列聽音器陣列組成,分別位於 潛艦兩舷,每組各有三個聽音器基陣,分為艦首陣、中間陣與艦尾陣,沿艇艦體縱向以一定間距排列成一條基線,艦尾陣裝在潛艦尾水平舵的兩側,整個基線長度佔 全艦長度的2/3;基線長度(等效孔徑)決定了定位的精度,基線越長,則定位精度越高。此型聲納的測距原理係以中間陣作為基準點,計算同一聲納信號抵達艦 首陣與艦尾陣的時間差,再根據基線長度,就能計算出目標方位和距離。 此一測距聲納具有數位計算機,能瞬時或連續提供目標資訊(距離、方位等)給MK-117聲納指揮系統。此種測距聲納接收頻率約2.8KHz,可在艦體兩側 45x135度的扇面內對水下目標進行測距,方位測量精度約為正負0.2度,探測距離約10海里(18.25km),能大致滿足魚雷射控的需求。 此種聲納基陣係貼附在艦殼外部不佔用艦內空間,並採用泡沫合成橡膠聲障板與艦體隔開,以降低受到潛艦自身噪音的干擾。此一測距聲納的最大優勢在於陣列基線 長,因此不需要發出足以暴露自身方位的主動聲納訊號,或者如傳統被動聲納般仰賴艦體移動, 就能大致提供魚雷射控所需的目標資訊;然而此系統的制也不少,首先是其方位精度取決於各聽音基陣安裝的精確度以及服役期間保持的精確程度,而各聽音基陣之 間的相對位置也難以完全精確地測量;此外,此一聲納雖然與艦體之間採用橡膠聲障板隔絕,然而實際效果卻不如預期,潛艦本身噪音仍嚴重影響了測距性能。雖然 如此,由於此型長基線測距聲納能幫助被動拖曳陣列聲納判斷目標的左右方位,並完成對水下目標的被動測距,所以仍是艦上重要的感測裝備。

5.目標識別聲納:此聲納系統本身的專用陣列位於帆罩上,此外還共用AN/BQS-13DNA的球型陣面與AN/BQR-20的適形陣列,輸入各聲納陣列接收的目標信號來轉換成分析頻譜,透過電腦比對資料庫中儲存的既有目標特定頻譜,自動識別出目標類型。

6.AN/BQS-15探雷與避障聲納:此聲納由Ametek lncorporation公司研製,從1974年開始裝備於新造的洛杉磯級核能攻擊潛艦上,設置於帆罩前端。此聲納採用超高頻工作,專門用於探測潛艦附近的水域,檢查是 否有障礙物或水雷的存在,以保證潛艦航行的安全。AN/BQS-15由DT-365聽音器、TR-215與TR-217換能器及OD-84顯控台構成。在 1980年,為了進一步提高探測水雷與避障能力,又研發了新的波束形成器和信號處理器設備,在1985年完成。

7.AN/WLR-9A聲納警告器:主要工作是接收敵方主動聲納或魚雷主動尋標器的參數(方位、發射頻率、脈衝寬度、脈衝回復率等),其專屬聽音器陣列安 裝於艦首與帆罩上,並且能共用艦上的BQS-13DNA球型陣、BQR-20適形陣、拖曳陣列與被動測距陣列;除了警告艦上人員遭受攻擊、採取迴避措施 外,並取得敵方聲納參數作為干擾措施的依據。WLR-9的工作頻段涵蓋 1~1000kHz,偵測距離高達50海里以上。

8.AN/WQC-5通信聲納:作為水下通信之用,通常以BQS-13DNA的球型陣列當作收發陣列,如進行超遠距離通信時則還可利用拖曳陣列聲納當作接收器。 WQC-5本身還有專用陣列,安裝於帆照內,用於和己方潛艦或水面艦之間的喊話,確保之間的協同作戰與指揮工作;不過這個專用陣的功率與使用距離不大,平常並不使用。

9.AN/BQN-17回聲測深聲納:此一聲納由雷松公司研製,在1972至1973年進行一系列海上測試;第一台原型於1976年完成,裝備於首艘洛杉 磯級核能攻擊潛艦上。此聲納的主要功能,是供潛艦在深海和淺海中潛航時,在可靠深度上進行深度測量所用。在1980年,美海軍電子系統指揮部(Naval Electronic Systems Command)把高度可靠的標準電子組件引入此型聲納,此種標準電子組件每工作1萬小時僅有0.05%的故障率。

從洛杉磯級的達拉斯號(USS Dallas SSN-700)開始,BQQ-5增加了可操控的艦體陣列波束成形(Steerable Hull-Array Beamformer ,SHAB)。AN/BQQ-5C增加了指向頻率分析與紀錄(Directional Frequency Analysis and Recording,DIFAR)能力,這是透過後端三部AN/UYK-44中型電腦完成。洛杉磯級的鹽湖城號(USS Salt Lake City SSN-716)首次裝備AN/BQQ-5C,日後AN/BQQ-5A/B也陸續升級到AN/BQQ-5C的水平。

改良後的BQQ-5D上用於海狼級、改良型洛杉磯級(688-I)與鱘魚級 上(據說海狼級的艦首球型主/被動陣列聲納音鼓直徑高達6m)。BQQ-5D更新了波束塑形與訊號處理電腦,以提高波束指向能力與目標偵測的正確性;聲納次系統部分, 將原本艦首兩側BQR-20的適型陣列聲納換成三條線性陣列聲納,能形成更多的波束,此外還增加新型TB-23「細線版」拖曳陣列聲納。TB-23採用先進的科技, 目標是提供四倍於TB-16的聲納孔徑,聲納陣列由98個聽音單元構成,長度305m,直徑僅1.1~1.2吋(約2.9cm),拖曳在一條長914m(1000呎)的光纖纜線後。然而,TB-23的測試結果未如理想,所以美國海軍 遂以洛馬研發的TB-29取而代之。TB-29一開始的編號為TB-12X,意即「孔徑12倍於TB-16」;早期的TB-29總共串連了13組聽音陣列,每個陣列 長48.8m,由32組聽音單元構成(因此總共有416個單元),直徑1.9吋,總長度高達634m,甚至比拖曳用的纜線(580m或1902呎)還長 ;而之後進一步改良的TB-29A的聽音陣列進一步加長至825m。由於TB-29A是如此之長,不同的聽音陣列能直接以三角定位方式準確測量目標距離,聽音距離是TB-23的四至五倍。 由於TB-29A直徑細,佔用空間較小,因此整套系統與纜線收容於潛艦壓力殼內,不像先前TB-16需要在艦體外部增設一個收容管。 經過ARCI信號處理技術的提升,TB-29A的性能接近上一代的拖曳式感應監視聽音系統(SURTASS)。美國海軍T-AGOS音響探測船的AN/UQQ-2 SURTASS系統,一開始就由兩條TB-29A構成聽音陣列,總長度高達1500m。 隨著俄羅斯潛艦日益靜音化,在低速時的推進器幾乎沒有空蝕噪音,可能被偵測的信號除了反應器冷卻迴路、空調系統與液壓操舵系統之外,連續噪音幾乎只剩車葉運轉的甚低頻噪音,因此TB-29這樣長基陣、低頻的拖曳陣列聲納就更顯重要。 2000年代以後,隨著TB-29逐漸被廣泛部署在美國海軍核能攻擊潛艦上,在背景雜訊干擾嚴重的淺水域(例如鄰近中國的東海、南海等)的偵測能力遂大幅增加 ,而對於日趨靜音化的敵方潛艦(例如俄羅斯新型核能潛艦)的偵測效能也有改善。 不過如同前述,配備TB-23/29等更長的「細線拖曳聲納」時,美國潛艦仍保留較短而粗的TB-16,用於較高航速下的作業。

BQQ-5最新的改良是1998年完成的BQQ-5E,搭配CCS MK-2作戰控制系統; 除了以TB-29拖曳陣列聲納取代TB-23之外,還加裝TARP被動測距系統,並以UYK-43電腦取代UYK-7。 鱘魚級核能攻擊潛艦除役前都已經將聲納升級到BQQ-5D的水平,洛杉磯級也早已統一為BQQ-5D以上(之後陸續升級為BQQ-5E),而新一代維吉尼亞級核能攻擊潛艦也 使用TB-29拖曳陣列聲納。

建造中的潛艦艦首球型陣列聲納。

 

BQQ-6潛艦用聲納系統

這 是俄亥俄級彈道飛彈潛艦使用的聲納系統,除了取消BQS-13球型陣列聲納的主動模式之外,其餘都與BQQ-5類似。BQQ-6包含BQS-13球形被動陣列聲納 (包含944個聲學換能器)、BQR-25艦首等角被動陣列聲納TB-16拖曳陣列聲納*1等,射控系統是衍生自MK-117的MK-118,這是為俄亥俄級的衍生版。未來 美國海軍計畫改良BQQ-6,增加新開發的TB-29拖曳陣列聲納,以提升俄亥俄級的偵測能力。

 

BQQ-10潛艦用聲納系統

1980年代後期,美國海軍開始對AN/BSY-1潛艦戰鬥系統、AN/BQQ-5與AN/BQQ-6聲納系統等進行 四階段的升級轉換,核心是聲學快速插 入套件(Acoustic Rapid Commercial Off-The-Shelf Insertion,A-RCI),改良完成後型號訂為AN/BQQ-10。A-RCI以商規貨價產品(COTS)、開放式系統架構(Open System Architecture,OSA) 取代原本的軍規硬體架構,使得全系統在壽期生涯中能輕易頻繁地進行軟硬體升級,跟上商業計算機市場的換代速率。以採用新的A-RCI技術的多用途信號處理器(Multi-Purpose Processor,MMP)為例,一個MMP的運算能力就超過美國海軍所有洛杉磯級潛艦上(包含早期型與688-I)舊系統計算能力的總和, 因此能支持引進更複雜的新演算法來改進水下信號處理能力。AN/BQQ-10 A-RCI首先在1987年裝在洛杉磯級的奧古斯特號(USS Augusta SSN-710)進行測試,一同整合的還包括BQG-5D寬孔徑被動陣列聲納(Wide Aperture Array,WAA);這些技術日後逐漸普及應用於洛杉磯級、海狼級核能攻擊潛艦上。到2010年代後期,海狼級、俄亥俄級彈道飛彈潛艦的聲納系統升級到AN/BQQ-10 ARCI (V)5,維吉尼亞級的聲納系統是在AN/BQQ-10 ARCI (V)5及以上,洛杉磯級核能攻擊潛艦的聲納系統則是AN/BQQ-10 ARCI (V)4或5,俄亥俄級巡航飛彈潛艦(SSGN)的聲納系統則為AN/BQQ-10 ARCI (V)4

BQQ-10也成為2000年代服役的維吉尼亞級(Virginia class)核能攻擊潛艦的基礎系統,包括艦首大型球形主/被動陣列聲納 (陣面由超過1000個水聲換能器構成)、Chin高頻主動聲納、AN/BQG-5A輕量化寬孔徑側面被動陣列聲納(Light Weight, Wide-Aperture Array,LWWAA,見下文),並配備TB-16D粗線型拖曳陣列聲納與洛馬的TB-29A細線拖曳陣列聲納各一 。維吉尼亞級核能攻擊潛艦從第三批(Vigirnia class Batch 3)起,以適形的大孔徑艦首聲納(Large Aperture Bow Array,LAB,見下文)取代原本的艦首球型陣列。

此外,更新一代的TB-33/34拖曳陣列聲納也已經推出,將用於取代現有的TB-16/TB-29;其中,TB-33為細線型,而TB-34可能是粗線型。與TB-16/29相較,TB-33/34最重要的改進是以光纖纜線取代 傳統傳統電纜,性能差異不大,但可靠度顯著提升。在2006財年,美國海軍訂購了兩套TB-33進行測試。

 

寬孔徑被動陣列聲納(WAA)

根據先前對於適形被動陣列聲納與前述快速被動測距聲納的研製與使用經驗,美國海軍在1980年代開始研發新的寬孔徑被動陣列聲納(Wide Aperture Array,WAA) , 目標是研製一種長距離警戒用的艦側被動陣列聲納,可最大範圍地涵蓋艦體兩側方位,並解決低頻拖曳陣列聲納難以判斷左右方位的先天弱點;有時候WAA又稱為 快速定位聲納((Rapid Passive Localization,RAPLOC)。 相較於傳統位於艦首的被動陣列聲納,側舷寬孔徑聲納可以涵蓋艦體縱幅,等效聽音基陣大得多,操作頻率可降低(一般可到500~2000Hz,某些基陣較大 的系統甚至可達200Hz),延長了聽音距離 ,並且彌補了艦首聲納無法涵蓋的方位;此外由於基陣夠長,足以判斷聲源抵達聽音陣各處的時間差,因此潛艦本身不需 配合機動即可進行快速目標動態追蹤(TMA),並可測量目標的姿態(bearing)和姿態變化率(bearing rate), 其波束設計能同時有效追蹤多個目標並保持相當高的精確度 ,效能直追一些基陣數十公尺長的輕型拖曳陣列聲納。雖然受限於艦體尺寸,側面寬孔徑聲納的基陣長度終究比不過新一代細線型拖曳陣列聲納,也無法完全免於自 身噪音干擾或避免艦尾音擋區死角,但由於固定於艦體上,不像釋放出去的拖曳陣列聲納,對艦艇航速戰術機動造成嚴重影響,以及柔性基陣因拖曳而扭曲晃動而造 成信號失真,也不存在左右方位判斷的問題,因此兩者可以互補長短,相輔相成。

WAA之類的大型側面陣列聲納對於填補拖曳陣列聲納和艦首聲納操作頻段頗具意義,拖曳陣列聲納孔徑頗大,能有效截獲傳遞較遠的低頻信號, 並針對特定的低頻分立頻譜(例如某些已知的靜音型潛艦的音響特徵)進行窄頻分析;但拖曳陣列聲納缺乏指向性使其精確度無法達到射控等級 ,而且一旦部署聲納就會使潛艦的戰術運動受到許多限制。艦首聲陣列納雖然具有高精確度,但由於先天孔徑比拖曳陣列差太多,無法接觸拖曳陣列聲納所獲得的聲納信號。而大型艦體側面陣列聲納的孔徑高於艦首聲納,精確度 則高於在水中漂浮擺動的拖曳陣列,因此能在4至7海里、視情況最多可能達10海里的距離上,獲得拖曳陣列聲納所接觸的低頻窄頻信號而完成聲納交班,隨後在一般連續頻譜操作下完成射控解算,大幅增強了接戰靜音潛艦的能力 ,並有效發揮MK-48魚雷的射程。而對於日趨靜音化的俄羅斯潛艦,WAA之類的聲納系統也有其必要,以盡量彌補失去的偵測距離。在美國海軍實際使用時,在淺水環境下,WAA在艦首球型聲納接觸之前,就已經能建立對目標的動態分析。

值得一提的是,美國海軍在1950年代後期曾研究被動式水下射控聲納系統(Passive Underwater Fire Control Feasibility System,PUFFS,詳見刺尾魚級柴電攻擊潛艦一文),在1960年代推出實用化的BQG-4,安裝在Guppy III柴電攻擊潛艦、刺尾魚級(Tang class)柴電攻擊潛艦上,此種聲納包括三個安裝在艦體上的水聲聽音器;然而,PUFFS在採用淚滴船型的長尾鯊級(Thresher class)核能潛艦上的測試結果並不理想,效能比安裝在柴電潛艦上的版本有一大段落差,因此美國海軍放棄原訂在之後核能攻擊潛艦上部署BUFFS的計畫。直到WAA出現,才成為第一種適用於淚滴型核能潛艦的被動射控聲納系統。

寬孔徑陣列聲納計畫原由美國伊多公司政府系統部門(Edo Corporation,Government Systems Division)研發,後來與GE潛艦信號部門(原RCA)合併成馬丁.馬里塔(Martin Marietta)公司,該公司的型號為1000型系列;原型系統首先於1986年裝備於洛杉磯級核能潛艦的奧古斯特號(USS Augusta SSN-710)上進行測試,編號為AN/BQG-5。WAA被最後六艘改良型洛杉磯級(SSN-768~773) 核能攻擊潛艦所採用(從哥倫比亞號(USS Columbia SSN-771)起安裝),稱為AN/BQG-5分立式寬孔徑被動陣列聲納(Stand-Alone Wide-Aperture Array,SWAA);而隨後1990年代推出的海狼級 (Sea Wolf class)核能攻擊潛艦也裝備AN/BQG-5 WAA,並與AN/BSY-2潛艦戰鬥系統整合。 多年後,美國國防部也批准此類聲納的外銷,可安裝於柴電潛艦上。

WAA 聲納由布置於艦體兩側的聲傳感測器陣列、 操作顯控台、處理器機櫃、信號調節器構成;每艘潛艦配備六個聽音陣面,兩舷各三個;每個子陣列長4m,共有八個單元,由404個水聲單元組成,每單元間距 0.5m,採用模組化結構;追蹤裝置包括16個幅度內插裝置 (寬、窄頻結合)與3個高精度追蹤裝置(寬、窄頻和信號調制譜(DEMON)相結合),頻譜分辨率為0.32-1.30Hz,方位精度為0.4度。每個WAA陣面的長度與寬度都比較大,較大的寬度(垂直向)允許聽音波束做更大的垂直向調整,可提高聽音涵蓋面、對準海水匯聚的特定方向或者避免噪音干擾。WAA聽音陣列安裝在舷外電子艙(Outboard Eelectronic Canister)內,這是一種附加在艦體外部的耐壓艙結構,一邊連接聲納的水下聲感組件,另一邊則是與艦內作戰系統連接的電力/信號纜線介面(穿透壓力 艙)。 1110型聲聲納利用方位測定技術和頻率分析來實現遠距離同時多目標偵測,並利用寬頻、窄頻信號處理內插法來進行目標追蹤。 1110聲納系統的寬頻搜索範圍為300~1500Hz,窄頻搜索為300~1000Hz,頻譜調制分析為0~250Hz,聲納聽音涵蓋面為潛艦左右兩側 各135度, 能形成94個寬頻波束與48個窄頻波束。運作時,左、右兩舷陣列的模擬信號送到信號調節器上,信號調節器裝在兩個相同的小型裝置內, 其中有前放、濾波和增益控制;數據經過放大和濾波後,再送到處理器單元,以大於30kHz的頻率進行採樣,成為12位元的數位信號; 信號處理器內裝有自適應聲噪抵消器的接口。數位波束形成器為真時延遲設計,左右兩舷側陣列各自形成獨立波束,其中窄頻搜索的預成波束為48個,彼 此等間隔7.5度,覆蓋頻率可到1KHz;而寬頻預成形波束為94個,具有良好的方位精度,可在幾個頻帶內處理資料,可用的頻率範圍達1.5kHz。 由於左右兩舷的陣列分別進行波束形成,因此能輕易判斷左右方位,彌補低頻拖曳陣列聲納在這方面的弱點。WAA也兼具以往被動測距聲納的功能:一般被動測距 聲納使用三個子陣列,透過估算同一聲源信號抵達三個子陣列的時間差,再經過球面波或柱面波的波形曲率變化,進而測量各子陣列之間的相對時延,來估算目標的 距離;由於美國核能潛艦艦體較長,WAA的三個側舷追蹤陣列遂可構成較大的基陣,基陣越長則測距越準確。WAA等效孔徑大 ,靈敏度高, 可增加使用低頻的精確度,偵測敵方靜音潛艦的特定低頻窄頻噪音;其換能器陣列單元布置在艦體外部,不佔用艦內空間,同時又能減低艦內噪音的干擾。

此型聲納的所有搜索、追蹤與目標分類功能,都可在一個輕量化顯控台上完成;顯控台能顯示寬頻、窄頻、調制譜和聲監聽數據, 並利用兩個48.2cm(19英寸)高解析度彩色陰極射線管顯示器來各自以寬頻、窄頻方式顯示。操作人員可選擇使用五種基本顯示模式, 包括寬頻搜索、窄頻搜索、窄頻低頻譜(LOFAR)搜索、高質量追蹤分析和聲監聽接收分析。WAA聲納的後端系統內建自我撿測裝置, 能進行全範圍的系統監視與故障不為標定,便於迅速維修與排除故障,此外也內建訓練功能。WAA聲納系統也設有數據接口,能與其他聲納 、作戰系統整合,例如在顯控台上顯示艦首聲納系統的數據。

2000年代以後的潛艦聲納系統

 

輕量平面陣列聲納

在1990年6月,美國海軍水下系統中心(Naval Underwater System Center,NUSC)發出一個關於低成本光纖平面陣列聲納(Low-cost fiber-optic planer array,LCPA)或輕型平面陣列聲納(Lightweight planner array),在28個月的合約期間建造兩個由49單元構成的聲納陣列,獲得合約的利頓(Litton)最後完成了具有56個頻道的光纖平面陣列。這項技術隨後可能應用來改良海狼級與洛杉磯級的聲納系統,此外 可能也為之後的輕量寬孔陣列聲納(LQQAA)奠定了基礎。

 

輕量寬孔陣列聲納(LWWAA)/適形聲速聲納(CAVES)

2000年代服役的維吉尼亞級核能攻擊潛艦以進一步改良的AN/BQG-5A輕量化寬孔徑被動陣列聲納(Light Weight, Wide-Aperture Array,LWWAA)來取代原本的WAA,其聽音系統全面更新,又稱為適形聲速聲納(Conformal Acoustic Velocity Sonar,CAVES)。LWWAA在1998財年展開1/4原型系統測試,在2000財年於洛杉磯級核能攻擊潛艦的普洛維斯頓號(USS Providence SSN-719)展開測試。

第一代WAA的聽音器 與一般傳統的聲納一樣,主要測量聲壓(Acoustic Pressure),而CAVES不僅以採用光纖技術、壓電單晶組件的輕量化聲壓換能器來取代原本WAA笨重的陶瓷壓電組件,另外還裝設三維向量感測器, 以正交平面排列來計算聲波 振速(Acoustic Velocity)的向量(稱為acoustic vector),能獲得的信噪比遠高於偵測聲壓;結合聲壓與聲速這兩種感測器提供的信號,搭配後端先進信號處理系統,CAVES就能合成比傳統聲納陣列更 窄而的接收波束,能達到更高的「訊號/噪音」比值與測向精確度,可精確判斷目標聲源的上、下、左、右。以往的聲納陣列若欲達到更大的接收孔徑、更窄的接收 波束以及更高的測向精度,唯一的方法就是加大陣列硬體來達到更大的孔徑。而新的三維向量感測信號處理技術就能突破傳統的限制,讓更小型的聲納也能達到等同 於更大接收孔徑聲納的效果。 此外,LWWAA的陣面也比第一代WAA更大,除了測距定向之外,也提供了更好的聽音性能。

CAVES不僅性能比WAA更好,而且輕量化聽音陣列不僅體積重量低得多,且對艦體結構影響較小,安裝施工更為簡易,能安裝在潛艦外部隔音瓦層裡面,降低衍生的流體阻力。 相較於原有的聲納技術,CAVES理論上能節省2/3的購買/安裝成本以及減少10%的壽命週期成本。
 

適形陣列聲納

從1960年服役的白鲑魚號(USS Tullibee SSN-597)以來,美 國核能潛艦都一律配備佔據整個艦首空間的球型陣列聲納,此種聲納有利於精確地合成與接收波束,並能獲得最佳的聲納涵蓋面;不過球型聲納陣列的生產成本很 高,需要使用精密電腦控制、動用複雜的五軸切割機才能製造,而且需在球型陣列上鑽幾百個孔,以配合安裝用於連接聲納單元及艦內信號處理系統的電子線路,為 此球型陣列需要保持水密,這些都需要高精密度的生產與品管,也是高價的代名詞。為此,美國又開發出「適形陣列」(Conformal Array)技術,能達到與球型陣列聲納類似的效能,但體積、重量、施工複雜度與成本都顯著降低,因此又稱為低成本適形陣列(Low-Cost Conformal Array,LCCA) 。

簡而言之,這種適形聲納以一個附貼在艦首外部的半圓形適形陣列,來取代球型陣列聲納。相較於球型陣列的音鼓,適形陣列不可能純正的圓形;貼在艦首正面的陣列外觀接近球型,但向後延伸就比較貼近平板狀 ,而艦首外型的曲率變化是全艦比較大的。因此,如果要維持與過去類似球型陣列聲納相當的波束指向性與追蹤精確度,波束合成的演算法就比較複雜。正是因為美國在相關領域取得重大突破,適形陣列遂得以實用化。

此種適型陣列聲納第一種實用化的型號,是首裝於第三批維吉尼亞級(Vigirnia class Batch 3)的大孔徑艦首聲納(Large Aperture Bow Array,LAB)聲納;第三批維吉尼亞級總數八艘,2008年12月簽署建造合約,在2009至2013年陸續開工建造。第三批維吉尼亞級的LAB是一個由1800個聲納收發單元組成的適形陣列,緊貼於整個艦首 的外部,能獲得類似傳統球型陣列的空間增益,並可預先形成波束,發射、接收等波束成形信號處理都是數位化。LAB陣列使用了類似於前述LWWAA/CAVES的技術,結合了接收音響信號的聲壓換能器 以及測量聲波振度的三維向量感測器,合成更窄而更精確的接收波束,可直接判斷目標聲源的上、下、左、右。值得一提的是,英國在特拉法加級(Trafalgar class)核能攻擊潛艦上就曾應用較早期的艦首適形陣列聲納技術(只有被動聽音部分),雖然當時性能不如美國的球型聲納,但整體而言仍相當不錯;由於英國有這方面的工程經驗,因此美國遂找英國BAE System作為第三批維吉尼亞級潛艦上包含適形聲納系統的整合式艦體前段的主承包商。

除了提高性能之外,LAB聲納省卻了精密昂貴又費工的球型陣 列;由於採用新的電子連線技術,LAB聲納陣列不需如球型陣列聲納般為電子線束鑽孔,而且 是直接設置在艦首外部浸泡在海水裡(新線路能長期在這樣的環境操作),不需如同球型陣列般保持水密,避免了不少施工與品管的麻煩。完全位於艦體外部的 LAB陣列,也不需要過去連接球型陣列聲納的與艦體耐壓艙區的耐壓通道(過去艦首聲納區域為非水密區),可以節省一些艦內空間並降低施工複雜度,而第三批 維吉尼亞級的艦首模組也因此重新設計。相較於BQQ-10聲納每個接收單元要價5000美元,LAB聲納每個接收單元的成本只有600美元,此外在施工上 也能節省11000美元。

繼LAB之後,美國海軍也進一步發展整合艦首聲納陣列(Integrated Bow Conformal Array,IBCA),這是一種結合高頻( HF)、中頻(MF)的適形陣列,能一併取代美國核能潛艦上的中頻球形聲納、位於帆罩前端與艦首下方(維吉尼亞級)的高頻陣列聲納。

向量感應拖曳陣列聲納(VSTA)

繼TB-29/33/34之後,美國海軍拖曳陣列聲納在2010年代的進一步發展,是向量感應拖曳陣列聲納(Vector Sensing Towed Array,VSTA),結合與前述CAVES相同的同時測量聲壓(acoustic pressure )與聲波振速向量(acoustic vector)的技術, 使用光纖技術、壓電單晶組件的改良型水中聽音器單元,以及採用正交平面排列計算聲波振速的三維向量感測器,能在不改變 陣列方向的情況下,直接分辨目標在上、下、左、右的方向(法國在1990年代末推出的CAPTAS三元聽音陣列拖曳陣列聲納仍為傳統的聲壓感測式,只能在 較高的頻率做到分辨左右)。VSTA聽音器的最低工作頻率可達10Hz,能在小體積內達到極高的接收靈敏度與信噪比。綜合以上新技術,雖然VSTA的拖曳 陣列直徑只有半英吋,但一條的效果就等於美國海軍T-AGOS音響探測船的UQQ-2 SURTASS(雙TB-29陣列)的性能。第一套VSTA原型陣列在2011年由水面船艦進行海中測試。

   

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