聲納系統原理

【知識】潛艇的“耳目” ― 聲納系統

09-03-23 作者： 編輯：hrbue

利用水下聲波實現水下信息傳遞和探測的設備的總稱：其英文sonar 為”sound navigation

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

艇的搜索、跟蹤、識別和定位，實現水下通信、導航：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、識別聲納、通信聲

納，報警聲納、探魚聲納、探雷聲納、導航聲納等；按裝載體分，有艦用聲納、潛用聲納、

航空聲納（吊放聲納及浮標聲納）、岸用聲納等。按基陣結構和布設方式分，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：按信號來源分、有主動聲納、被動

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

聲納。通過向水下發射聲波并利用回聲來獲取水下目標信息的聲納。現代的主動聲納是大功

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

以及直升機或固定翼飛機上（主動式聲納浮標）。主動聲納是反潛戰裝備的重要組成部分，能

直接給出目標距離、方位。水中目標向著接近或遠離聲納的方向運動將改變接收回波的頻率，

這叫做多普勒效應。主動聲納可利用多普勒效應獲得目標的距離變化率，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，其它為輔助設備。噪音站是一種被動聲納，回音站是一種主動聲納。

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來源，以聲

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

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

這項技術的衍生系統探測水地下的物體或者是做為導航的依據。 聲納系統可以大致上分為兩

類：主動與被動。主動聲納會自己發生音響訊號，藉由這個訊號接觸物體后反射回來的變化，

做為計算這個物體的相對方位與距離的數據。被動聲納的作用和收聽裝置極為相近，不發出

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

納的主要位置是在最前端的位置，由于現代潛艇非常依賴被動聲納的探測效果，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還包括安裝在艇身其它位置的被動聲納聽音裝置，利用

不同位置收到的同一訊號，經過計算機處理和運算之后，就可以迅速的進行粗淺的定位，對

于艇身較大的潛艇來說比較有利，因為測量的基線較長，準確度較高。 另外一種聲納稱為「拖

曳聲納」，因為這種聲納裝置在使用時，以纜線與潛艇連接，聲納的本體則遠遠的拖在潛艇的

后面進行探測，拖曳聲納的使用大幅強化 潛艇對于全方位與不同深度的偵測能力，尤其是潛

艇的尾端。這是因為潛艇的尾端同時也是動力輸出的部分，由于水流的聲音的干擾，位于前

方的聲納無法聽到這個 區域的訊號而形成一個盲區。使用拖曳聲納之后就能夠消除這個盲

區，找出躲在這個區域的目標。

潛望鏡

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

經使用類似簡單潛望鏡的光學裝置作為航行時的導航依據。 潛望鏡利用光學鏡 面反射的原

理，在一個長管子的兩端安裝鏡片，上端的鏡片會將面對的影像向下反射，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準的方

向上的影像。透過這個裝置，潛艇內部的人員可以對周遭的環境進行肉眼的實際觀測。在作

戰上，潛望鏡也是辨識目標種類與敵我的重 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

別與判斷目標動向的能力。二 次大戰以后有些公司推出的產品將兩者的功能分開到個別的搜

索和攻擊潛望鏡上。在肉眼觀測的部分另有刻度協助觀測者根據可能的目標型態進行粗淺的

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

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

射測距儀。 潛望鏡在不使用的時候會降入潛艇的帆罩（Sail）當中以縮小突出的距離，當需

要使用的時候，潛艇首先必須改變深度到較淺的海域，才能夠使潛望鏡伸出水面進行觀測，

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

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

斷附近船只的情形，避開可能發生碰撞或者是被目視發現的可能。 現代的潛望鏡除了提供更

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

影機或者是低光度電視攝影機等的協助， 潛艇在操作潛望鏡的彈性上遠勝于過去，錄制下來

的影像以電子訊號儲存后，還可以事后的分析與情報的擷取。近代潛望鏡設計上的一個大挑

戰是操作速度的提升， 由于需要在較高的航行速度下操作，同時維持影像的穩定，各公司以

不同的方式去克服高速下帶來的震動與其它的問題，其中一種常見的設計為加大潛望鏡尺寸

以提 高對震動的吸收能力。 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，在二次世界大戰后期首度被盟軍利用來發現德國的U-潛艇。 盟軍的巡

邏機以特殊的雷達偵測突出海面的潛望鏡產生的回波，加以定位之后迅速發動攻擊，如此一

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

降低潛望鏡的雷達波反射強度，不過效果不高。現代潛艇多半在攻擊潛望鏡上加裝雷達警告

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

雷達

雷達在第二次世界大戰初期開始出現在水面艦艇上面，潛艇也在稍后開始配備，協助于

夜間或是不良天候下的搜索。潛艇的雷達在不使用的時候和潛望鏡類似，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船帆當中，由于雷達天線的高度以及大小，搜索

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

果，現代的潛艇上幾乎都看得到。 雷達雖然好用，然而他發出訊號的必然缺點也導致潛艇在

使用雷達上必須謹慎小心，以免被敵人做反偵測與定位的訊號來源。 電子偵測設備 德國在

第二次世界大戰后 期在潛艇上加裝專門探測盟軍巡邏機上的搜索雷達的電子設備，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備的起源。

除了自衛的需求之外，潛艇還可以利用不同的電子支持與偵測裝置進行對敵人的通訊，雷 達

或者是其它的無線電訊號的監視與搜集。 冷戰開始之后，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，這又以美國和前蘇聯之間進行的最為激烈，美國不僅僅派遣

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

許多重要的情報。 即使在今日，潛艇依舊是一個非常重要的電子情報搜集工具。

法國TSM2633艦殼聲納

反潛低頻主動聲納示意圖