試論我國水聲信號處理領(lǐng)域的最新進(jìn)展

摘 要：進(jìn)入到新世紀(jì)以來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，我國的社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制也應(yīng)逐步完善，各行各業(yè)都取得了空前的進(jìn)步和發(fā)展。水聲信號處理和聲納技術(shù)是一門需求推動力較大并且發(fā)展的十分迅速的學(xué)科，同時其也具有廣闊的應(yīng)用前景。水聲學(xué)的發(fā)展受到了戰(zhàn)爭需求的推動，同時卻也為水下戰(zhàn)爭武器裝備的創(chuàng)新和發(fā)展注入了新的活力。水聲學(xué)并不是一門單純的理論學(xué)科，要想保證其發(fā)展并得到進(jìn)一步的完善，那么就必須具備大量有準(zhǔn)備的海上實(shí)驗作為支持，并且在其基礎(chǔ)的研究工作中，還必須不斷的投入大量的財力、物力和人力。文章便對近些年來水聲信號處理領(lǐng)域的幾大研究進(jìn)展進(jìn)行了簡要的回顧，同時也介紹了現(xiàn)階段在這一領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行研究的前沿課題。

關(guān)鍵詞：水聲信號領(lǐng)域；聲納設(shè)計；研究成果

1 低頻和甚低頻水聲信道的傳輸特性

在檢測安靜型潛艇的工作中，被動聲納和主動聲納所采用的頻率都是在向低端移動的，通常情況下，中頻聲納就是指傳統(tǒng)艦艇上孔徑在1-5m量級范圍內(nèi)的基陣所有的1000Hz的聲納，而低頻聲納就是指頻率在100-1000Hz范圍內(nèi)的聲納，至于頻率小于100Hz的聲納，我們就管其叫做甚低頻聲納?，F(xiàn)階段，主動聲納和被動聲納所使用的頻率都在向著低頻和甚低頻的方向發(fā)展，其中有幾個典型的代表，它們分別為Surtass和LFA。其中，以Surtass為例，其主動聲納的工作頻率已經(jīng)被控制在100-500Hz的范圍內(nèi)，而被動聲納的頻率則是小于100Hz的。要想準(zhǔn)確的檢測低頻信號，那么首要的工作就是要解決其在海洋中的傳播問題，全面的掌握其傳播特性，才能做好對低頻信號的檢測工作。

在上個世紀(jì)的九十年代，一批俄羅斯的科學(xué)家曾經(jīng)對低頻信號的傳播進(jìn)行了一系列的試驗，他們有兩個重要的發(fā)現(xiàn)，一是低頻信號的傳播具有非常好的穩(wěn)定性，二是低頻信號的幅度存在著明顯的衰落現(xiàn)象。美國科學(xué)家也指出單頻信號的傳輸效果是比較令人滿意的，并且?guī)捲?-2Hz范圍內(nèi)的濾波器所提取的信息也是可以應(yīng)用在目標(biāo)識別工作中的?？梢?，檢測甚低頻信號的工作還是有著樂觀的前景的。

2 水下目標(biāo)輻射的噪聲特性

美國的專家V.C.Anderson對水生信號處理工作曾經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，他認(rèn)為作為一門獨(dú)立的學(xué)科，在上個世紀(jì)的五十年代開始對聲學(xué)中的信號處理進(jìn)行研究，而對目標(biāo)噪聲特性的最佳接收方法的討論就是其重要的研究標(biāo)志。在ROSS的經(jīng)典型著作中，我們就可以找到對水下目標(biāo)輻射噪聲機(jī)理的相關(guān)研究。近些年來，俄羅斯專家Miasnikov的著作中則提到了安靜型潛艇水下輻射噪聲的相關(guān)信息，其認(rèn)為現(xiàn)代潛艇的水下輻射噪聲應(yīng)分為非常安靜的、安靜的和嘈雜的三級，并且它們在30Hz出的譜級是有著明顯區(qū)別的，分別為100dB、120dB和140dB。

現(xiàn)階段，對安靜型潛艇輻射噪聲中低頻線譜分量的真實(shí)數(shù)據(jù)并不多，只有在Miasnikov 的文章提到了較多的信息，他認(rèn)為檢測工作的重點(diǎn)應(yīng)是帶寬為0.1Hz的線譜，并且對潛艇水下輻射噪聲的表達(dá)還建立的相應(yīng)的模型，具體為s（t）=m（t）+[1+um（t）]p（t），其中m（t）為輻射噪聲中的低頻線譜分量，p（t）則代表由潛艇結(jié)構(gòu)振動而引入的一個調(diào)制寬帶信號，其實(shí)際上就是一個寬帶隨機(jī)噪聲，而這一寬帶隨機(jī)噪聲通常都是要大于100Hz的，u是一個調(diào)制系統(tǒng)，其是大于0小于1的。

從上個世紀(jì)的八十年代開始，美國就開始重點(diǎn)研究Surtass LFA這一低頻主動和被動的拖線陣聲納，其主要是用于探測低噪聲潛艇的，其工作的頻率最低可以小于100Hz，主動發(fā)射的功率是大于230dB，作用距離超過100km，被動檢測時所采用的兩條聲陣可達(dá)1500m，廣泛的應(yīng)用在遠(yuǎn)程警戒低噪聲潛艇的聲納工作中。

3 新型水聲傳感器及其信號處理技術(shù)

在最近20年中，得到最為廣泛關(guān)注和重點(diǎn)研究的問題就是水聲場中的質(zhì)點(diǎn)振速信息問題。在二十世紀(jì)的九十年代，美國專家Nehorai率先發(fā)布了與矢量水聽器相關(guān)的一系列文章，借助于這一設(shè)備便可以測得除了聲壓之外的水聲場中的質(zhì)點(diǎn)振速信息，并且也逐步的形成了波束的成形技術(shù)。而與此同時，我國的部分學(xué)科在國內(nèi)也開始逐步的引入矢量水聽器的相關(guān)技術(shù)了，并且也非常關(guān)注這種非聲傳感器和相關(guān)的信號處理技術(shù)，大量的信息都發(fā)布在了國內(nèi)的期刊和學(xué)術(shù)會議上。舉例來說，在我國2004年的水聲會議上，與矢量水聽器和信號處理技術(shù)的相關(guān)文章共有12篇，并且在之后舉辦的水中軍用目標(biāo)特性學(xué)術(shù)會議上也有4篇文章與之相關(guān)。從信號檢測的角度來看，只要非聲學(xué)傳感器或是聲學(xué)傳感器的自噪聲是小于海洋噪聲的，那么就可以感知到微弱的信號。光纖水聽器和矢量水聽器不僅僅在靈敏度上具有優(yōu)勢，同時其還具有一些特性，如眾多周知的波束光信號不受電干擾以及單水聽器具有指向性等。

現(xiàn)階段在聲納的應(yīng)用工作中，占據(jù)主導(dǎo)地位仍是聲學(xué)傳感器，而在拖曳線列陣聲納的應(yīng)用工作中，相關(guān)的研究人員主要在尋求一種加速度和靈敏度較低、電壓靈敏度較高，并且頻率較低的寬帶水聽器，并且歐洲的一些國家已經(jīng)專門建立了測試拖線陣流噪聲的水池，這樣就可以更加準(zhǔn)確地測量不同拖曳速度和不同纜徑下的拖線陣流噪聲了。通常都認(rèn)為研究聲信道數(shù)據(jù)的最好方法就是主動聲納，其信號形式都經(jīng)過仔細(xì)選擇，并且是有目的的發(fā)送的，其可以有效地提取信道的頻率選擇、頻率擴(kuò)展以及空變和時變等主要特性，而各個參量也是可以實(shí)現(xiàn)相互分離的，這樣就可以得到聲場匹配和信道解耦的相關(guān)知識了。如果水深小于10m，那么信號的延遲擴(kuò)散約為10ms，而如果其深度達(dá)到100m，擴(kuò)散值就會達(dá)到100ms，在深海的環(huán)境下，通常都會達(dá)到300ms。

在深入的研究了聲納平臺的運(yùn)動特性后，便可以知道基陣的孔徑，而近些年來，在我國水聲領(lǐng)域中被廣泛關(guān)注的就是主動合成的孔徑聲納技術(shù)。作為水聲信號處理領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用，水聲通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)中心站的相關(guān)理論也是有著密切的關(guān)系的，作為近100年來世界軍事領(lǐng)域中的一次最重要革命，網(wǎng)絡(luò)中心站的概念已經(jīng)不僅僅是停留在理論上了，其已經(jīng)擴(kuò)大到了整個軍事領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)中心站的概念極大地改變了海軍的戰(zhàn)爭模式，而這也對聲納技術(shù)提出了更高的要求，各種水下通訊網(wǎng)絡(luò)在海軍大國中也將發(fā)揮更重要的作用。

以往，海軍要想與潛艇實(shí)現(xiàn)通信，都是要通過長波無線電臺并且要事先約好時間，而隨著美軍研制出的一種被叫做“深海傳呼機(jī)”的設(shè)備，海軍指揮員就可以實(shí)時的與潛艇進(jìn)行通信了，其機(jī)理就是利用衛(wèi)星-無線傳輸-水生通信潛標(biāo)，這種通信系統(tǒng)現(xiàn)階段已得到了廣泛的應(yīng)用。我國已經(jīng)獨(dú)立自主的研發(fā)成功了蛟龍?zhí)?000m載人潛器，在這一潛器上安有測速、水聲通信、前視聲納、圖像信號傳輸以及導(dǎo)航等具有多種功能的聲納。

4 結(jié)束語

通過以上的論述，我們對低頻和甚低頻水聲信道的傳輸特性、水下目標(biāo)輻射的噪聲特性以及新型水聲傳感器及其信號處理技術(shù)三個方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討。在我國各行各業(yè)不斷深化改革的進(jìn)程中，我國的水聲領(lǐng)域的工作者與國外的同行也進(jìn)行了深層次的交流和合作，在不斷地吸收國外先進(jìn)研究經(jīng)驗的同時，我國的科技人員在水聲信號處理領(lǐng)域也取得了一定的研究成果，并與國際上一些先進(jìn)單位也建立了一些合作項目，大大地促進(jìn)了我國水聲學(xué)的快速發(fā)展，也為水下作戰(zhàn)武器裝備的創(chuàng)新和研發(fā)注入了新的活力。

參考文獻(xiàn)

[1]孫超.水聲信號處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].聲學(xué)技術(shù)胡，2012.

[2]李啟虎.水聲信號處理領(lǐng)域若干專題研究進(jìn)展[J].應(yīng)用聲學(xué)，2001.

[3]李啟虎.相關(guān)觀測資料的最佳線性數(shù)據(jù)融合[J].聲學(xué)學(xué)報，2010.