号航空母舰阿什维尔
领导的方式
在
高频声纳

作者:LTJG Leonard Moreavek, USS Asheville
以及应用研究中心的T.J.布鲁德纳
德克萨斯大学实验室

高频声纳-浅水区专用
与中频系统相比，高频声纳的频率更高、波长更短，产生更大的距离和方位分辨率，从而能够更好地区分海底目标和海底和水面混响。除了促进沿海地区的避雷和主动ASW，高距离和方位分辨率使精确的冰冠和海底剖面能够用于冰下和浅水导航和绘图。在更高频率上增加的带宽和水中高频信号的更大吸收允许有源操作，降低反探测能力，高频系统的大带宽也可以用于进行高数据速率声通信。

高频声音的快速吸收不允许低频系统在深水中长被动探测范围。然而，在浅水环境中，被动探测范围往往受到环境噪声和有害传播的限制，而不是吸收。在这些噪声受限的环境中，高频无源监视模式可实现的窄波束宽度允许在多个接触点和生物之间进行出色的区分，这是在沿海条件下成功的关键。

阿什维尔在干船坞，下巴接收器和
在弓形穹顶下可以看到投影仪阵列。

阿什维尔的安装
HFSP是由水下作战项目执行办公室(PEO USW)的先进系统和技术办公室发起的。该项目由一个包括工业、海军和大学实验室的团队实施。最初的安装由海军水下系统中心(NUWC)协调，包括由诺斯鲁普·格鲁曼公司开发的大直径下巴安装接收器阵列，安装在帆上的发射器阵列和由德克萨斯大学奥斯汀应用研究实验室(ARL-UT)开发的下巴，以及洛克希德·马丁公司的内部处理硬件和软件。该装置被称为先进水雷探测系统(AMDS)，提供的功能包括主动体积搜索海底和系泊水雷、ASW和海底轮廓。在1997年11月安装的进一步升级包括在ARL-UT开发的大型高频帆接收机阵列和先进处理算法和显示器，以及在NUWC开发和由洛克希德·马丁公司实施的升级AMDS处理。阿什维尔在海上追踪期间收集的数据已被用于改进和增强高频声纳能力和处理算法，以过渡到未来的高频系统。

阿什维尔的高级发展模型(ADM)阵列包括下巴和帆上的投影仪阵列和接收器阵列。每个阵列提供特定的孔径特性，以支持多个任务。颏接收阵列的大水平孔径产生非常窄的方位角波束，显著抑制混响和改善浅水性能。因此，颏阵是理想的主动水雷和反潜武器探测，其被动能力开辟了新的作战可能性。下巴投影仪可以在不受船头干扰的情况下对潜艇下面的区域进行声纳，并且在船体上下巴阵列的低位置使它们能够在水面或附近与船一起操作。

帆帆接收器阵列的大垂直孔径在仰角产生狭窄的波束宽度，再次减少了多路径混响，使其适合于探测反射光和水雷目标——特别是当后者是紧密系缆时——再加上海底和冠层剖面和冰下导航。帆阵的位置也允许它们在浮出水面和冰下操作时为潜艇提供无阻碍的避障。

COTS:新功能的快速开发
结合新的投影仪和接收阵列，基于商用现货(COTS)的信号处理硬件和相关软件支持先进的计算机算法来执行上述多个声纳功能。这种模块化的COTS方法允许通过简单地更换计算机芯片或安装新的软件来扩展处理能力和添加新功能，就像通过安装新的CPU、增加内存或更新操作系统来升级个人计算机一样。处理设备位于整个船的几个区域，一个单独的设备机架用于配置和驱动投影仪阵列。该系统由声纳室控制和操作，使用两个彩色显示屏和一个触摸面板的工作站。操作员可以选择特定任务的模式，自动确定投影仪和接收器传感器的组合。

火山口的三维透视图
就像在HFSP显示屏上显示的那样。

为了证明模块化方法的灵活性，在最初的海上测试中，Asheville舰载声纳人员建议创建高频无源宽带(HFPBB)功能，以补充现有的有源特性，进行了关键的改变。大多数水手都熟悉开发和安装传统硬件系统的主要变化所涉及的时间和精力。整个设备库被拆除或拆除，新的设备由供应商安装，安装时间通常以周为单位计算。利用Asheville公司COTS高频系统的模块化优势，HFPBB的开发、安装和测试历时三天。“这太不可思议了，”STSCS(SS)的唐纳德·杰尼根(Donald Jernigan)说。“这些软件工程师思考了一分钟，然后说，‘是的，我们认为这是可行的。’接下来我们知道的是，我们拥有了舰队中唯一的HFPBB系统!”

一个水手操作HFSP系统显示
显示底部的平面图和透视图。

在阿什维尔的案例中，升级是由一个工程变更团队执行的，该团队由一名技术人员和两名程序员组成。这种小团队的概念是操作灵活性的关键，因为它允许在世界任何地方进行修改和修正。团队可以带着零部件和软件(一种新的预编程硬盘驱动器或用于装载的CD-ROM)飞到飞船当前的位置，然后开始工作。安装和测试通常需要不到两天的时间。Asheville的HFSP专家、STS3(SS) Neal Bedersen说:“维护COTS硬件和独特的软件存在很多挑战，但有了NUWC和ARL的支持，以及他们提供软件和硬件支持的能力，我们的工作非常出色。”获得的能力是惊人的!”对于微小的系统更新，舰艇部队的声纳人员可以直接从邮寄到舰上的软盘下载更改到系统的硬盘驱动器。在未来，主要的研发升级很可能通过调制解调器和安全电话线远程安装。

在海上测试
每一个高频声纳功能的基线性能在两次海试中被演示，一次在1995年在华盛顿海岸外进行，另一次在1997年在夏威夷海岸外进行。颏阵性能基线是在1995年的测试中建立的，帆阵在最近的测试中分两个阶段进行了评估。帆阵测试的第一阶段演示了系统的海底剖面和水雷探测能力。在雷区测试中，即使对底部地雷，也能在很少的错误调用情况下实现高探测概率和长距离探测。这些出色的结果主要归功于一种三维计算机辅助检测(CAD)算法，该算法提醒操作员注意类似地雷的目标。据作战测试和评估部队(OPTEVFOR)的STSC Steven Graham称，他在夏威夷浅水训练雷区的测试期间提供了操作协助，新的阵列和处理算法“有潜力大幅提高地雷探测和躲避能力，以及精确的海底测绘和导航。”

一位电子技术员正在修理
安装阿什维尔的船帆投影阵列。

第二阶段的测试是在深水中进行的，以确定两个阵列的有源和无源ASW性能。主动探测范围达到了环境预测的极限。此外，下巴阵列的被动探测范围显著。由于夏威夷附近的实际海冰供应不足，演习的目标船也被放置在模拟冰龙骨的位置，以验证帆阵在该场景下的冰下性能。

运营经验
自1995年以来，HFSP设备也在阿什维尔的作战部署中成功使用，其性能从一开始就超出了预期。在许多情况下，经常是在浅水区，潜艇的被动探测范围已经达到或超过了AN/BSY-1。典型的高频传播特性产生了明确的最大探测距离。当穿越西太平洋某些众所周知的“拖网渔船出没”水域时，这个切断范围为避免接触提供了有价值的“绊线”，因为在HFPBB上检测到的任何东西都足够近，足以构成碰撞威胁。高频极高的方位分辨率甚至可以早期探测到拖网渔船。“将HF宽带与我们的BSY-1系统结合使用，可以显著减少跨轨TMA机动，”Asheville公司的机长CDR Bruce Grooms说。“我们能够显著提高搜索效率，更容易发现可能有碰撞威胁的安静拖网渔船。”

在ASW模式下，高频主动不仅能探测和跟踪实际目标，还能偶尔探测到水面舰船和潜艇的尾迹。这些尾迹探测不仅提供接触方位和距离，而且还提供良好的航向和速度指示，所有这些都在一个ping中。许多模式使用的传输被设计成现代声学拦截设备无法探测到，从而保持了船的固有隐身，同时提高了声纳能力。阿什维尔的战斗系统军官LT . Jack Shriver说:“ASW仍然是我们最重要的任务，在浅水区对抗安静的接触，HFSP给了我们优势。”"不管主动还是被动，只要吸一口HFSP，他就会成为活靶子"

剖面模式使用来自海底特征的主动混响来“绘制”船体前方底部轮廓的三维地图，这是Asheville在1996年WESTPAC部署期间首次演示的一种特征。在1998年的部署过程中，尽管在绘制得很差的极浅水域作业，Asheville还是广泛地使用了这种实时数据来保证航行安全。阿什维尔的助理领航员拉里·伍德说:“使用侧面模式就像在一个晴朗的日子飞行，而不是使用仪器。”“你可以清楚地看到自己陷入了什么。当然，我仍然会带着我那可靠的测深仪，但我可以预见未来沿海航行的潮流。”另一个快速周转的COTS开发是实时记录分析数据的系统。该记录仪是在1998年西太平洋航空公司部署前几周根据该船的要求开发的，该记录仪以电子方式将船上的导航数据标记在海底，这样观察到的数据就可以用于校正海图。

未来的高频工作
升级后的Asheville帆投影仪和接收器阵列将安装在所有688i级潜艇上，作为高频升级的一部分，该升级将与声学快速COTS插入(ARCI)计划的第四阶段一起完成。除了帆阵列，下一代版本的下巴投影仪和接收器阵列都计划用于弗吉尼亚级的传感器套件。这两个应用程序的处理基线将使用在Asheville上测试的算法的改进版本，并在ARCI硬件上实现。

精密水下测绘(PUMA)能力的增加将作为通过高级处理建造(APB)框架的未来升级。PUMA算法依靠高精度、声纳导航仪、精确剖面和先进的CAD算法实时生成高分辨率的海底地形和目标地图。APB也将提供主动和被动反潜武器能力的改进，初步作战能力目前计划在2002年。

结论
高频声纳计划成功了吗?如果有人认为AMDS最初安装在Asheville只是作为一个临时系统，以测试可行性和功能，答案是明确的。该船将AMDS和HFSP完全集成到操作的各个方面。该系统易于适应和更新，以满足新的需求，这证明了基于cots的模块化的价值和多功能性。HFSP系统的建造和安装成本相对较低，而且易于升级，具有显著的操作优势。如上所述，它计划集成到弗吉尼亚级的新建筑中，并安装在选定的洛杉矶级船上。HFSP正以一种创新的系统开发方法和不断增长的海上经验将潜艇战转移到沿海地区——阿什维尔是第一个这样做的。