聲吶技術(shù)助推海洋強國夢
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水下信號檢測與目標(biāo)識別
聲音在水中的傳播在某些方面類似于光在空氣中的傳播，在傳播過程中會發(fā)生折射、反射、衍射、聚焦等現(xiàn)象。只不過聲波是機械振動，傳播時需要介質(zhì)，而光可以在真空中傳播。圖?2?是一艘潛艇在聲影區(qū)躲避水面艦艇探測的示意圖。
圖 2 潛艇隱蔽在聲影區(qū)躲避水面艦艇的探測
美國斯克利普斯（Scripps）研究所水聲學(xué)專家Anderson在討論水聲信號處理時，認(rèn)為聲學(xué)中的信號處理作為一門獨立學(xué)科，始于?1952?年對目標(biāo)噪聲特性最佳接收法的討論。特別是一些早期的數(shù)字化處理技術(shù)，如數(shù)字多波束（DIMUS）聲吶等。Ross?在其經(jīng)典著作中對有關(guān)水下目標(biāo)輻射噪聲機理進行了研究。近年來俄羅斯學(xué)者?Miasnikov對于安靜型潛艇水下輻射噪聲也有涉及。Miasnikov?把現(xiàn)代潛艇的水下輻射噪聲分為3級：“嘈雜的”“安靜的”和“非常安靜的”，并指出這?3?種噪聲在?30?Hz?處的譜級分別為?140?dB、120?dB?和?100?dB。
對于安靜型潛艇的檢測，無論是現(xiàn)代的主動聲吶還是被動聲吶，所使用的頻率都在向低端移動。如果將傳統(tǒng)艦艇上孔徑在?1—5?m?量級基陣所使用的?1?000?Hz?左右的聲吶稱為中頻聲吶，頻率在?100—1?000?Hz?為低頻聲吶，頻率范圍低于?100?Hz?為甚低頻聲吶。美國從?20?世紀(jì)?80?年代開始研制用于探測低噪聲、安靜型潛艇的低頻主被動拖線陣聲吶?（surveillance towed array sonar system，low frequency array，SURTASS LFA）。這是一種專門用于遠(yuǎn)程警戒低噪聲、安靜型潛艇的甚低頻聲吶，工作頻率可低至?100?Hz?以下。其主動發(fā)射聲功率可超過?230?dB，被動檢測時使用?2?條長達?1?500?m?的聲陣，作用距離可達?100?km?以上。
低頻信號的傳播特性研究需要理論與實踐結(jié)合，從而為低頻信號的檢測提供依據(jù)。Burenkov?等俄羅斯科學(xué)家在?20?世紀(jì)?90?年代對?228?Hz?低頻信號的傳播進行過試驗，其接收距離大于?9?000?km。美國?Worcester?和?Spindel?在一份?ATOC（Acoustic Thermometry of Ocean Climate）計劃執(zhí)行情況報告中提到，美國在?1995—1999?年利用美國海軍的?14?個??SOSUS（Sound Surveillance System）接收陣，記錄?57?Hz、75?Hz?信號的傳播數(shù)據(jù)，最遠(yuǎn)距離為?3?900?km。
對水聲信道傳輸特性的深入研究，導(dǎo)致了一些新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，如內(nèi)波、波導(dǎo)、深海會聚區(qū)等；同時，也催生了一批具有重要應(yīng)用價值的新的信號處理技術(shù)的誕生，特別值得指出的是模基聲吶、寬容性信號處理技術(shù)、匹配場過濾技術(shù)、多輸入/輸出（MIMO）系統(tǒng)、聲時反聚焦理論和技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、人工智能目標(biāo)分類識別等。這些新的信號處理技術(shù)中一部分是基于近年來以美國?Scripps?研究所?Kuperman、APL?實驗室?Spindel?等所帶領(lǐng)的研究組對于水聲時反聚焦、相軛現(xiàn)象的研究。同時，俄羅斯專家?Lysanov?等有關(guān)海洋聲傳播中的波導(dǎo)理論的研究也成為近年來引人注目的熱點問題。淺海中的聲波導(dǎo)現(xiàn)象有可能成為信號檢測和目標(biāo)識別的新途徑。特別是，如果產(chǎn)生干涉條紋的頻率正好和目標(biāo)輻射噪聲線譜分量相近或重合，對微弱信號的檢測作用距離有望大幅提高。