試論我國水聲信號處理領域的最新進展

摘 要：進入到新世紀以來，隨著我國國民經濟實力的不斷增強，我國的社會主義市場經濟體制也應逐步完善，各行各業都取得了空前的進步和發展。水聲信號處理和聲納技術是一門需求推動力較大并且發展的十分迅速的學科，同時其也具有廣闊的應用前景。水聲學的發展受到了戰爭需求的推動，同時卻也為水下戰爭武器裝備的創新和發展注入了新的活力。水聲學并不是一門單純的理論學科，要想保證其發展并得到進一步的完善，那么就必須具備大量有準備的海上實驗作為支持，并且在其基礎的研究工作中，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域的幾大研究進展進行了簡要的回顧，同時也介紹了現階段在這一領域應重點進行研究的前沿課題。

關鍵詞：水聲信號領域；聲納設計；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艦艇上孔徑在1-5m量級范圍內的基陣所有的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。現階段，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被控制在100-500Hz的范圍內，而被動聲納的頻率則是小于100Hz的。要想準確的檢測低頻信號，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。

在上個世紀的九十年代，一批俄羅斯的科學家曾經對低頻信號的傳播進行了一系列的試驗，他們有兩個重要的發現，一是低頻信號的傳播具有非常好的穩定性，二是低頻信號的幅度存在著明顯的衰落現象。美國科學家也指出單頻信號的傳輸效果是比較令人滿意的，并且帶寬在1-2Hz范圍內的濾波器所提取的信息也是可以應用在目標識別工作中的。可見，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進行了深入的研究，他認為作為一門獨立的學科，在上個世紀的五十年代開始對聲學中的信號處理進行研究，而對目標噪聲特性的最佳接收方法的討論就是其重要的研究標志。在ROSS的經典型著作中，我們就可以找到對水下目標輻射噪聲機理的相關研究。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信息，其認為現代潛艇的水下輻射噪聲應分為非常安靜的、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別的，分別為100dB、120dB和140dB。

現階段，對安靜型潛艇輻射噪聲中低頻線譜分量的真實數據并不多，只有在Miasnikov 的文章提到了較多的信息，他認為檢測工作的重點應是帶寬為0.1Hz的線譜，并且對潛艇水下輻射噪聲的表達還建立的相應的模型，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）則代表由潛艇結構振動而引入的一個調制寬帶信號，其實際上就是一個寬帶隨機噪聲，而這一寬帶隨機噪聲通常都是要大于100Hz的，u是一個調制系統，其是大于0小于1的。

從上個世紀的八十年代開始，美國就開始重點研究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1500m，廣泛的應用在遠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

在最近20年中，得到最為廣泛關注和重點研究的問題就是水聲場中的質點振速信息問題。在二十世紀的九十年代，美國專家Nehorai率先發布了與矢量水聽器相關的一系列文章，借助于這一設備便可以測得除了聲壓之外的水聲場中的質點振速信息，并且也逐步的形成了波束的成形技術。而與此同時，我國的部分學科在國內也開始逐步的引入矢量水聽器的相關技術了，并且也非常關注這種非聲傳感器和相關的信號處理技術，大量的信息都發布在了國內的期刊和學術會議上。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的相關文章共有12篇，并且在之后舉辦的水中軍用目標特性學術會議上也有4篇文章與之相關。從信號檢測的角度來看，只要非聲學傳感器或是聲學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。

現階段在聲納的應用工作中，占據主導地位仍是聲學傳感器，而在拖曳線列陣聲納的應用工作中，相關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專門建立了測試拖線陣流噪聲的水池，這樣就可以更加準確地測量不同拖曳速度和不同纜徑下的拖線陣流噪聲了。通常都認為研究聲信道數據的最好方法就是主動聲納，其信號形式都經過仔細選擇，并且是有目的的發送的，其可以有效地提取信道的頻率選擇、頻率擴展以及空變和時變等主要特性，而各個參量也是可以實現相互分離的，這樣就可以得到聲場匹配和信道解耦的相關知識了。如果水深小于10m，那么信號的延遲擴散約為10ms，而如果其深度達到100m，擴散值就會達到100ms，在深海的環境下，通常都會達到300ms。

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

以往，海軍要想與潛艇實現通信，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”的設備，海軍指揮員就可以實時的與潛艇進行通信了，其機理就是利用衛星-無線傳輸-水生通信潛標，這種通信系統現階段已得到了廣泛的應用。我國已經獨立自主的研發成功了蛟龍號7000m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航等具有多種功能的聲納。

4 結束語

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、水下目標輻射的噪聲特性以及新型水聲傳感器及其信號處理技術三個方面的內容進行了詳細的分析和探討。在我國各行各業不斷深化改革的進程中，我國的水聲領域的工作者與國外的同行也進行了深層次的交流和合作，在不斷地吸收國外先進研究經驗的同時，我國的科技人員在水聲信號處理領域也取得了一定的研究成果，并與國際上一些先進單位也建立了一些合作項目，大大地促進了我國水聲學的快速發展，也為水下作戰武器裝備的創新和研發注入了新的活力。

參考文獻

[1]孫超.水聲信號處理技術的研究現狀與展望[J].聲學技術胡，2012.

[2]李啟虎.水聲信號處理領域若干專題研究進展[J].應用聲學，2001.

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