聲納系統(tǒng)原理

【知識(shí)】潛艇的“耳目” ― 聲納系統(tǒng)

09-03-23 作者： 編輯：hrbue

利用水下聲波實(shí)現(xiàn)水下信息傳遞和探測的設(shè)備的總稱：其英文sonar 為”sound navigation

and ranging ”的縮寫，音譯為“聲納”，意譯為聲導(dǎo)航和測距。聲納在軍事上可用于對(duì)敵艦

艇的搜索、跟蹤、識(shí)別和定位，實(shí)現(xiàn)水下通信、導(dǎo)航：民用上可用于海底測繪、石油勘探和

探魚等。聲納種類很多，按用途分，有測距聲納、綜合聲納、偵察聲納、識(shí)別聲納、通信聲

納，報(bào)警聲納、探魚聲納、探雷聲納、導(dǎo)航聲納等；按裝載體分，有艦用聲納、潛用聲納、

航空聲納（吊放聲納及浮標(biāo)聲納）、岸用聲納等。按基陣結(jié)構(gòu)和布設(shè)方式分，有吊放式聲納、

拖曳式聲納、合成孔徑聲納、參量陣聲納、艦殼聲納等：按信號(hào)來源分、有主動(dòng)聲納、被動(dòng)

聲納；按波束特征分，有單波束聲納、多波束聲納、掃描聲納、旁視聲納主動(dòng)聲納又稱有源

聲納。通過向水下發(fā)射聲波并利用回聲來獲取水下目標(biāo)信息的聲納。現(xiàn)代的主動(dòng)聲納是大功

率、全景或多波束覆蓋的，并使用多種發(fā)射信號(hào)波形。主動(dòng)聲納通常安裝在潛艇、水面艦艇

以及直升機(jī)或固定翼飛機(jī)上（主動(dòng)式聲納浮標(biāo)）。主動(dòng)聲納是反潛戰(zhàn)裝備的重要組成部分，能

直接給出目標(biāo)距離、方位。水中目標(biāo)向著接近或遠(yuǎn)離聲納的方向運(yùn)動(dòng)將改變接收回波的頻率，

這叫做多普勒效應(yīng)。主動(dòng)聲納可利用多普勒效應(yīng)獲得目標(biāo)的距離變化率，并減小混響的影響。

潛艇通常由若干種聲納組成統(tǒng)一的聲納體系。到目前為止，潛艇聲納體系還是以噪音站為主，

回音站為次，其它為輔助設(shè)備。噪音站是一種被動(dòng)聲納，回音站是一種主動(dòng)聲納。

聲納

聲納的原理 由于電磁波在水中衰減的速率非常的高，無法做為偵測的訊號(hào)來源，以聲

響訊號(hào)探測水面下的人造物體成為運(yùn)用最廣泛的手段。 聲納的英文原名SONAR來自于「音響

導(dǎo)航與測距」（sound navigation and ranging）的縮寫，無論是潛艇或者是水面船只都利用

這項(xiàng)技術(shù)的衍生系統(tǒng)探測水地下的物體或者是做為導(dǎo)航的依據(jù)。 聲納系統(tǒng)可以大致上分為兩

類：主動(dòng)與被動(dòng)。主動(dòng)聲納會(huì)自己發(fā)生音響訊號(hào)，藉由這個(gè)訊號(hào)接觸物體后反射回來的變化，

做為計(jì)算這個(gè)物體的相對(duì)方位與距離的數(shù)據(jù)。被動(dòng)聲納的作用和收聽裝置極為相近，不發(fā)出

任何訊號(hào)，只接收來自于周遭的各種音響訊號(hào)來判斷與識(shí)別不同的物體。 傳統(tǒng)上潛艇安裝聲

納的主要位置是在最前端的位置，由于現(xiàn)代潛艇非常依賴被動(dòng)聲納的探測效果，巨大的收音

裝置不僅僅讓潛艇的直徑水漲船高，原先在這個(gè)位置上的魚雷管也得乖乖讓出位置而退到兩

旁去。 其它安裝在潛艇上的聲納型態(tài)還包括安裝在艇身其它位置的被動(dòng)聲納聽音裝置，利用

不同位置收到的同一訊號(hào)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理和運(yùn)算之后，就可以迅速的進(jìn)行粗淺的定位，對(duì)

于艇身較大的潛艇來說比較有利，因?yàn)闇y量的基線較長，準(zhǔn)確度較高。 另外一種聲納稱為「拖

曳聲納」，因?yàn)檫@種聲納裝置在使用時(shí)，以纜線與潛艇連接，聲納的本體則遠(yuǎn)遠(yuǎn)的拖在潛艇的

后面進(jìn)行探測，拖曳聲納的使用大幅強(qiáng)化 潛艇對(duì)于全方位與不同深度的偵測能力，尤其是潛

艇的尾端。這是因?yàn)闈撏У奈捕送瑫r(shí)也是動(dòng)力輸出的部分，由于水流的聲音的干擾，位于前

方的聲納無法聽到這個(gè) 區(qū)域的訊號(hào)而形成一個(gè)盲區(qū)。使用拖曳聲納之后就能夠消除這個(gè)盲

區(qū)，找出躲在這個(gè)區(qū)域的目標(biāo)。

潛望鏡

潛望鏡使用在潛艇上的歷史比聲納還要久，美國南北戰(zhàn)爭期間使用的龜形人力小潛艇已

經(jīng)使用類似簡單潛望鏡的光學(xué)裝置作為航行時(shí)的導(dǎo)航依據(jù)。 潛望鏡利用光學(xué)鏡 面反射的原

理，在一個(gè)長管子的兩端安裝鏡片，上端的鏡片會(huì)將面對(duì)的影像向下反射，位于底部的鏡片

將反射過來的影像作第二次反射，觀測人員透過底部的反射鏡 就可以看到上方鏡面對(duì)準(zhǔn)的方

向上的影像。透過這個(gè)裝置，潛艇內(nèi)部的人員可以對(duì)周遭的環(huán)境進(jìn)行肉眼的實(shí)際觀測。在作

戰(zhàn)上，潛望鏡也是辨識(shí)目標(biāo)種類與敵我的重 要手段。 潛望鏡通常提供兩種倍率，一種放大

倍率較小但是視野范圍較廣，適合快速的搜索周遭的海域，另外一種倍率較大，提供潛艇識(shí)

別與判斷目標(biāo)動(dòng)向的能力。二 次大戰(zhàn)以后有些公司推出的產(chǎn)品將兩者的功能分開到個(gè)別的搜

索和攻擊潛望鏡上。在肉眼觀測的部分另有刻度協(xié)助觀測者根據(jù)可能的目標(biāo)型態(tài)進(jìn)行粗淺的

距離判斷。 在二次大戰(zhàn)后期美國開始在潛望鏡上搭配測距雷達(dá)，另外一種測距儀是測量水平

線與一個(gè)已知物體高度間的夾角的間距儀（Stadimeter）。近代的另外一 種替代產(chǎn)品則是雷

射測距儀。 潛望鏡在不使用的時(shí)候會(huì)降入潛艇的帆罩（Sail）當(dāng)中以縮小突出的距離，當(dāng)需

要使用的時(shí)候，潛艇首先必須改變深度到較淺的海域，才能夠使?jié)撏R伸出水面進(jìn)行觀測，

這個(gè)操作深度范圍一般稱為潛望鏡操作深度，實(shí)際上的高度則要看每種潛艇與潛望鏡搭配而

定，在這個(gè)深度范圍上潛艇有可能和水面船艦發(fā)生碰撞，因此潛艇通常需要先以被動(dòng)聲納判

斷附近船只的情形，避開可能發(fā)生碰撞或者是被目視發(fā)現(xiàn)的可能。 現(xiàn)代的潛望鏡除了提供更

好的觀測效果以外，也增強(qiáng)在惡劣天后與夜間觀測的能力，配合一般光學(xué)攝影機(jī)、紅外線攝

影機(jī)或者是低光度電視攝影機(jī)等的協(xié)助， 潛艇在操作潛望鏡的彈性上遠(yuǎn)勝于過去，錄制下來

的影像以電子訊號(hào)儲(chǔ)存后，還可以事后的分析與情報(bào)的擷取。近代潛望鏡設(shè)計(jì)上的一個(gè)大挑

戰(zhàn)是操作速度的提升， 由于需要在較高的航行速度下操作，同時(shí)維持影像的穩(wěn)定，各公司以

不同的方式去克服高速下帶來的震動(dòng)與其它的問題，其中一種常見的設(shè)計(jì)為加大潛望鏡尺寸

以提 高對(duì)震動(dòng)的吸收能力。 潛望鏡可以說是造成潛艇失去隱敝性的一大元兇，必須突出海

面操作的先天弱點(diǎn)，在二次世界大戰(zhàn)后期首度被盟軍利用來發(fā)現(xiàn)德國的U-潛艇。 盟軍的巡

邏機(jī)以特殊的雷達(dá)偵測突出海面的潛望鏡產(chǎn)生的回波，加以定位之后迅速發(fā)動(dòng)攻擊，如此一

來讓潛艇利用夜間在水面充電或者是進(jìn)行攻擊受到很大的限制， 德國曾經(jīng)試圖利用一些涂料

降低潛望鏡的雷達(dá)波反射強(qiáng)度，不過效果不高。現(xiàn)代潛艇多半在攻擊潛望鏡上加裝雷達(dá)警告

接收器（Radar Warning Receiver, RWR），提供威脅警告。

雷達(dá)

雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)初期開始出現(xiàn)在水面艦艇上面，潛艇也在稍后開始配備，協(xié)助于

夜間或是不良天候下的搜索。潛艇的雷達(dá)在不使用的時(shí)候和潛望鏡類似，要降低高度貼近帆

罩的位置，或者是具備折迭的天線能夠收進(jìn)船帆當(dāng)中，由于雷達(dá)天線的高度以及大小，搜索

距離不會(huì)很遠(yuǎn)，效果也比不上一般水面艦艇的搜索雷達(dá)，但是這項(xiàng)裝備提供更廣泛的偵測效

果，現(xiàn)代的潛艇上幾乎都看得到。 雷達(dá)雖然好用，然而他發(fā)出訊號(hào)的必然缺點(diǎn)也導(dǎo)致潛艇在

使用雷達(dá)上必須謹(jǐn)慎小心，以免被敵人做反偵測與定位的訊號(hào)來源。 電子偵測設(shè)備 德國在

第二次世界大戰(zhàn)后 期在潛艇上加裝專門探測盟軍巡邏機(jī)上的搜索雷達(dá)的電子設(shè)備，這種電子

支持裝置（Electronic Support Measurment，ESM）算是近代潛艇裝置電子偵測設(shè)備的起源。

除了自衛(wèi)的需求之外，潛艇還可以利用不同的電子支持與偵測裝置進(jìn)行對(duì)敵人的通訊，雷 達(dá)

或者是其它的無線電訊號(hào)的監(jiān)視與搜集。 冷戰(zhàn)開始之后，各國紛紛利用潛艇隱密的特性，配

合各類電子偵測裝置搜集情報(bào)，這又以美國和前蘇聯(lián)之間進(jìn)行的最為激烈，美國不僅僅派遣

潛艇到前蘇聯(lián)的沿海搜集資料，還讓潛艇在前蘇聯(lián)的海底電纜上面放置竊聽錄音系統(tǒng)，獲得

許多重要的情報(bào)。 即使在今日，潛艇依舊是一個(gè)非常重要的電子情報(bào)搜集工具。

法國TSM2633艦殼聲納

反潛低頻主動(dòng)聲納示意圖