声纳系统原理

【知识】潜艇的“耳目” ― 声纳系统

09-03-23 作者： 编辑：hrbue

利用水下声波实现水下信息传递和探测的设备的总称：其英文sonar 为”sound navigation

and ranging ”的缩写，音译为“声纳”，意译为声导航和测距。声纳在军事上可用于对敌舰

艇的搜索、跟踪、识别和定位，实现水下通信、导航：民用上可用于海底测绘、石油勘探和

探鱼等。声纳种类很多，按用途分，有测距声纳、综合声纳、侦察声纳、识别声纳、通信声

纳，报警声纳、探鱼声纳、探雷声纳、导航声纳等；按装载体分，有舰用声纳、潜用声纳、

航空声纳（吊放声纳及浮标声纳）、岸用声纳等。按基阵结构和布设方式分，有吊放式声纳、

拖曳式声纳、合成孔径声纳、参量阵声纳、舰壳声纳等：按信号来源分、有主动声纳、被动

声纳；按波束特征分，有单波束声纳、多波束声纳、扫描声纳、旁视声纳主动声纳又称有源

声纳。通过向水下发射声波并利用回声来获取水下目标信息的声纳。现代的主动声纳是大功

率、全景或多波束覆盖的，并使用多种发射信号波形。主动声纳通常安装在潜艇、水面舰艇

以及直升机或固定翼飞机上（主动式声纳浮标）。主动声纳是反潜战装备的重要组成部分，能

直接给出目标距离、方位。水中目标向着接近或远离声纳的方向运动将改变接收回波的频率，

这叫做多普勒效应。主动声纳可利用多普勒效应获得目标的距离变化率，并减小混响的影响。

潜艇通常由若干种声纳组成统一的声纳体系。到目前为止，潜艇声纳体系还是以噪音站为主，

回音站为次，其它为辅助设备。噪音站是一种被动声纳，回音站是一种主动声纳。

声纳

声纳的原理 由于电磁波在水中衰减的速率非常的高，无法做为侦测的讯号来源，以声

响讯号探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。 声纳的英文原名SONAR来自于「音响

导航与测距」（sound navigation and ranging）的缩写，无论是潜艇或者是水面船只都利用

这项技术的衍生系统探测水地下的物体或者是做为导航的依据。 声纳系统可以大致上分为两

类：主动与被动。主动声纳会自己发生音响讯号，藉由这个讯号接触物体后反射回来的变化，

做为计算这个物体的相对方位与距离的数据。被动声纳的作用和收听装置极为相近，不发出

任何讯号，只接收来自于周遭的各种音响讯号来判断与识别不同的物体。 传统上潜艇安装声

纳的主要位置是在最前端的位置，由于现代潜艇非常依赖被动声纳的探测效果，巨大的收音

装置不仅仅让潜艇的直径水涨船高，原先在这个位置上的鱼雷管也得乖乖让出位置而退到两

旁去。 其它安装在潜艇上的声纳型态还包括安装在艇身其它位置的被动声纳听音装置，利用

不同位置收到的同一讯号，经过计算机处理和运算之后，就可以迅速的进行粗浅的定位，对

于艇身较大的潜艇来说比较有利，因为测量的基线较长，准确度较高。 另外一种声纳称为「拖

曳声纳」，因为这种声纳装置在使用时，以缆线与潜艇连接，声纳的本体则远远的拖在潜艇的

后面进行探测，拖曳声纳的使用大幅强化 潜艇对于全方位与不同深度的侦测能力，尤其是潜

艇的尾端。这是因为潜艇的尾端同时也是动力输出的部分，由于水流的声音的干扰，位于前

方的声纳无法听到这个 区域的讯号而形成一个盲区。使用拖曳声纳之后就能够消除这个盲

区，找出躲在这个区域的目标。

潜望镜

潜望镜使用在潜艇上的历史比声纳还要久，美国南北战争期间使用的龟形人力小潜艇已

经使用类似简单潜望镜的光学装置作为航行时的导航依据。 潜望镜利用光学镜 面反射的原

理，在一个长管子的两端安装镜片，上端的镜片会将面对的影像向下反射，位于底部的镜片

将反射过来的影像作第二次反射，观测人员透过底部的反射镜 就可以看到上方镜面对准的方

向上的影像。透过这个装置，潜艇内部的人员可以对周遭的环境进行肉眼的实际观测。在作

战上，潜望镜也是辨识目标种类与敌我的重 要手段。 潜望镜通常提供两种倍率，一种放大

倍率较小但是视野范围较广，适合快速的搜索周遭的海域，另外一种倍率较大，提供潜艇识

别与判断目标动向的能力。二 次大战以后有些公司推出的产品将两者的功能分开到个别的搜

索和攻击潜望镜上。在肉眼观测的部分另有刻度协助观测者根据可能的目标型态进行粗浅的

距离判断。 在二次大战后期美国开始在潜望镜上搭配测距雷达，另外一种测距仪是测量水平

线与一个已知物体高度间的夹角的间距仪（Stadimeter）。近代的另外一 种替代产品则是雷

射测距仪。 潜望镜在不使用的时候会降入潜艇的帆罩（Sail）当中以缩小突出的距离，当需

要使用的时候，潜艇首先必须改变深度到较浅的海域，才能够使潜望镜伸出水面进行观测，

这个操作深度范围一般称为潜望镜操作深度，实际上的高度则要看每种潜艇与潜望镜搭配而

定，在这个深度范围上潜艇有可能和水面船舰发生碰撞，因此潜艇通常需要先以被动声纳判

断附近船只的情形，避开可能发生碰撞或者是被目视发现的可能。 现代的潜望镜除了提供更

好的观测效果以外，也增强在恶劣天后与夜间观测的能力，配合一般光学摄影机、红外线摄

影机或者是低光度电视摄影机等的协助， 潜艇在操作潜望镜的弹性上远胜于过去，录制下来

的影像以电子讯号储存后，还可以事后的分析与情报的撷取。近代潜望镜设计上的一个大挑

战是操作速度的提升， 由于需要在较高的航行速度下操作，同时维持影像的稳定，各公司以

不同的方式去克服高速下带来的震动与其它的问题，其中一种常见的设计为加大潜望镜尺寸

以提 高对震动的吸收能力。 潜望镜可以说是造成潜艇失去隐敝性的一大元凶，必须突出海

面操作的先天弱点，在二次世界大战后期首度被盟军利用来发现德国的U-潜艇。 盟军的巡

逻机以特殊的雷达侦测突出海面的潜望镜产生的回波，加以定位之后迅速发动攻击，如此一

来让潜艇利用夜间在水面充电或者是进行攻击受到很大的限制， 德国曾经试图利用一些涂料

降低潜望镜的雷达波反射强度，不过效果不高。现代潜艇多半在攻击潜望镜上加装雷达警告

接收器（Radar Warning Receiver, RWR），提供威胁警告。

雷达

雷达在第二次世界大战初期开始出现在水面舰艇上面，潜艇也在稍后开始配备，协助于

夜间或是不良天候下的搜索。潜艇的雷达在不使用的时候和潜望镜类似，要降低高度贴近帆

罩的位置，或者是具备折迭的天线能够收进船帆当中，由于雷达天线的高度以及大小，搜索

距离不会很远，效果也比不上一般水面舰艇的搜索雷达，但是这项装备提供更广泛的侦测效

果，现代的潜艇上几乎都看得到。 雷达虽然好用，然而他发出讯号的必然缺点也导致潜艇在

使用雷达上必须谨慎小心，以免被敌人做反侦测与定位的讯号来源。 电子侦测设备 德国在

第二次世界大战后 期在潜艇上加装专门探测盟军巡逻机上的搜索雷达的电子设备，这种电子

支持装置（Electronic Support Measurment，ESM）算是近代潜艇装置电子侦测设备的起源。

除了自卫的需求之外，潜艇还可以利用不同的电子支持与侦测装置进行对敌人的通讯，雷 达

或者是其它的无线电讯号的监视与搜集。 冷战开始之后，各国纷纷利用潜艇隐密的特性，配

合各类电子侦测装置搜集情报，这又以美国和前苏联之间进行的最为激烈，美国不仅仅派遣

潜艇到前苏联的沿海搜集资料，还让潜艇在前苏联的海底电缆上面放置窃听录音系统，获得

许多重要的情报。 即使在今日，潜艇依旧是一个非常重要的电子情报搜集工具。

法国TSM2633舰壳声纳

反潜低频主动声纳示意图