聲吶技術助推海洋強國夢
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水下信號檢測與目標識別
聲音在水中的傳播在某些方面類似于光在空氣中的傳播，在傳播過程中會發生折射、反射、衍射、聚焦等現象。只不過聲波是機械振動，傳播時需要介質，而光可以在真空中傳播。圖?2?是一艘潛艇在聲影區躲避水面艦艇探測的示意圖。
圖 2 潛艇隱蔽在聲影區躲避水面艦艇的探測
美國斯克利普斯（Scripps）研究所水聲學專家Anderson在討論水聲信號處理時，認為聲學中的信號處理作為一門獨立學科，始于?1952?年對目標噪聲特性最佳接收法的討論。特別是一些早期的數字化處理技術，如數字多波束（DIMUS）聲吶等。Ross?在其經典著作中對有關水下目標輻射噪聲機理進行了研究。近年來俄羅斯學者?Miasnikov對于安靜型潛艇水下輻射噪聲也有涉及。Miasnikov?把現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?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合，從而為低頻信號的檢測提供依據。Burenkov?等俄羅斯科學家在?20?世紀?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?信號的傳播數據，最遠距離為?3?900?km。
對水聲信道傳輸特性的深入研究，導致了一些新現象的發現，如內波、波導、深海會聚區等；同時，也催生了一批具有重要應用價值的新的信號處理技術的誕生，特別值得指出的是?；晠?、寬容性信號處理技術、匹配場過濾技術、多輸入/輸出（MIMO）系統、聲時反聚焦理論和技術、數據融合、人工智能目標分類識別等。這些新的信號處理技術中一部分是基于近年來以美國?Scripps?研究所?Kuperman、APL?實驗室?Spindel?等所帶領的研究組對于水聲時反聚焦、相軛現象的研究。同時，俄羅斯專家?Lysanov?等有關海洋聲傳播中的波導理論的研究也成為近年來引人注目的熱點問題。淺海中的聲波導現象有可能成為信號檢測和目標識別的新途徑。特別是，如果產生干涉條紋的頻率正好和目標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。