聲納識別系統(tǒng)性能提升途徑

文/孫鵬程

水聲學是一門聲學分支學科，主要研究的是水下聲波的產(chǎn)生、輻射、傳播、接收和量度，掌握水聲學就可以解決與水下目標探測及信息傳輸有關(guān)的各種問題。由于海洋水環(huán)境的獨特性質(zhì)光波以及無線電波的傳播在其中的衰減都極其嚴重，無法在海水中進行遠距離有效的傳播，更無法滿足對水下環(huán)境及目標的檢測、水下通訊等方面的應用。在已發(fā)現(xiàn)的傳輸介質(zhì)中，唯一一種能夠在海水中作遠距離傳輸?shù)哪芰啃问骄褪锹暡ā?/p>

聲納是通過聲波信號來對水下目標進行探測、定位的常見設備，其原理是模仿視力極低的蝙蝠通過聲波實現(xiàn)視覺功能的特性。在水下資源勘查，水下通信、海洋軍事領(lǐng)域中起著決定性作用。聲納的軍事戰(zhàn)略地位已被擁有海洋資源的各海洋國家廣泛重視。

1 聲納技術(shù)的分類及現(xiàn)狀

聲納從工作原理來分可分為主動聲納和被動聲納兩類。

主動聲納又稱回聲聲納，原理框圖如圖1所示。

主動聲納的工作方式為發(fā)射機發(fā)射出特定頻率的聲波信號，觸及到目標物后接收反射波中的信息來測算出目標的各項參數(shù)，包括方位、距離、速度等。具體來講，距離可以通過折返的聲波信號與發(fā)射出的聲波信號之間的時間差計算出來，目標的方位可以通過測算回聲弧形波線，再制出其法向量方向就是目標的方向，而目標的徑向速度可根據(jù)多普勒效應測算回波信號與發(fā)射信號之間的頻率之差得知。

同理，目標的其他性質(zhì)可通過比對回波信號與發(fā)射信號的變化規(guī)律來推測。主動聲納主要用于水下勘測，例如暗礁、冰山、沉船等靜止且無聲的目標，其優(yōu)勢也在于此，能夠較精確的測量方位以及距離等參數(shù)，缺點是主動聲納工作時需發(fā)射聲波信號采集回聲，更易被地方偵查，且探測距離有限。

被動聲納的工作原理（如圖2）是通過接受目標自身發(fā)出的聲波信號來探測目標，因此也被稱為噪聲聲納，這一功能是通過接收換能器基陣來實現(xiàn)的。

被動聲納主要用來搜索、檢測來自目標的聲信號和噪音優(yōu)點是擁有良好的隱蔽性，更遠的偵察距離以及更強的識別能力。缺點是由于其需要目標物自身產(chǎn)生“噪聲”，所以對靜止無聲的目標無法探測，僅僅可以發(fā)現(xiàn)目標但無法測出目標距離。其次，被動聲納只接收目標自身產(chǎn)生的信號，聲納本身并不發(fā)射信號，因而沒有其他反射噪聲造成的干擾。

圖1：主動聲納原理框圖

圖2：被動聲納原理框圖

實際應用中多數(shù)聲納都采用主動被動兩種方式結(jié)合使用，充分發(fā)揮出兩種聲納的優(yōu)點揚長避短。在一般勘察使用時，為了在探測的同時不使自身信息被敵方率先偵查到，工作在被動聲納方式下。當發(fā)現(xiàn)目標并分析出了目標的大概方位，聲納的工作方式改為主動聲納模式來獲得目標進一步的精確信息。這種工作方式靈活的適應戰(zhàn)場勘察的需要，在獲取信息的過程中又能保證不提早暴露自身。

聲納技術(shù)的發(fā)展已有一百多年的歷史，聲納目標自動識別技術(shù)也取得了極其重大的進展。但同時，也應該充分認識到，聲納目標由于種類多樣環(huán)境復雜，識別本身具有十分復雜的特性，當前取得的成就還只是比較基礎的。目標識別技術(shù)的發(fā)展需要理論結(jié)合實際的試驗，但由于海洋環(huán)境的復雜性一些處理結(jié)果是在樣本的種類和數(shù)量不足的前提下得出的，具有片面性，新型目標日新月異樣本尤為缺乏。這樣的前提下導致一些分類方法即使樣本增加的同時性能也無法提升。另一方面世界各國在軍事中也大面積采用了船艦減噪的技術(shù)，也出現(xiàn)了類似安靜型的水下目標。研究低信噪比條件下怎樣提高目標識別技術(shù)的性能就變的非常重要;對于聲納的探測能力、識別能力的要求將變得愈來愈高，對于目標識別技術(shù)的準確程度要求也是極高的。但是，當前的聲納目標自動識別系統(tǒng)還只能作為聲納決策的輔助系統(tǒng)來使用，這些問題的解決將變得永無止境，探測與反探測的競賽將一直進行下去，促進目標識別技術(shù)不斷提高不斷發(fā)展。

未來的聲納目標識別技術(shù)可預見的將會在現(xiàn)有的方法理論基礎上進一步拓展，結(jié)合多學科，多方向，多領(lǐng)域進行延伸。只有將分類技術(shù)當做重點來研究才有可能將分類系統(tǒng)的學習、識別能力提高，進而提高系統(tǒng)的可靠性和準確率。分幾點來講，一方面要提高聲納裝備各部分技術(shù)的性能吸收新理論、新成果精簡技術(shù)精要，豐富適應性，提高識別度;另一方面將各分技術(shù)進行整合研究，將各部分組合為一個有機整體，充分挖掘各部分結(jié)構(gòu)間的工作潛力。

2 聲納目標識別技術(shù)的發(fā)展方向

2.1 模塊化提高可靠性

將系統(tǒng)模塊化可以通過將整體細分來縮短研制的周期同時也減少了研究經(jīng)費、更使設備擁有了良好的互換性和擴展性。現(xiàn)有的聲納裝備以及未來聲納裝備的設計中，采用大量的標準化的模塊式結(jié)構(gòu)將成為勢不可擋的趨勢。

而評估聲納裝備性能的重要因素可靠性以及在使用過程中故障的可維修性是相得益彰的。隨著聲納裝備制作工藝的進一步提高，各模塊的合理配置，模塊化后的識別系統(tǒng)將具有更高的可靠性和模塊替換性，進一步增加單次使用壽命，縮短維修時間。

2.2 系統(tǒng)化、綜合化發(fā)揮優(yōu)勢

在軍事應用中，軍艦與潛艇基本都由數(shù)個聲納配合工作組成聲納系統(tǒng)。對多組聲納裝備進行統(tǒng)一的操控、管制、再將所有設備采集到的集中處理、顯示是當今聲納發(fā)展的主要方向。在現(xiàn)代化海戰(zhàn)中，發(fā)揮出聲納系統(tǒng)的整體優(yōu)勢，多信號、多方式、多途徑、所有傳感器探頭、終端以及各種輔助手段協(xié)調(diào)配合綜合協(xié)作，已經(jīng)可以構(gòu)成具有探測、跟蹤、偵察、導航等多功能全方位的作戰(zhàn)系統(tǒng)。聲納裝備的性能將會繼續(xù)朝著系統(tǒng)化、綜合化和自適應化的方向逐步發(fā)展。

2.3 新材料水聽器

傳統(tǒng)的聲納基陣水聽器采用壓電陶瓷作為主要材料，每次新型材料高性能的材料出現(xiàn)勢必會大幅度提升聲納的工作性能，目前較為新型的材料是壓電聚合物及光纖。壓電聚合物又稱有機壓電材料，其材質(zhì)柔韌密度和阻抗低的優(yōu)良特性，使其在水聲測量中獲得廣泛應用。光纖材料充當水聽器的試驗研究有著較完備的研究，技術(shù)逐步成熟，已在水下固定式水聽器和拖曳線列陣聲納的水聽器上有廣泛的應用。

2.4 識別控制智能化

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展芯片技術(shù)的突飛猛進，人工智能的研究已經(jīng)成為最前沿，最先進的科技發(fā)展方向。聲納的相關(guān)研究也得了很多突破性進展。用計算機模擬聲納工作的全流程，不斷優(yōu)化其各項功能和流程，使其性能得到大幅度提高。尤其是如今各先進海軍國家配備的聲納設備中，計算機控制的數(shù)字化聲納被廣泛應用。取得了令世人矚目的進展的神經(jīng)網(wǎng)絡研究，將計算機技術(shù)和信號處理相結(jié)合，使得聲納智能化存在在不久的將來即迎來突破性進展的可能，屆時多聲納系統(tǒng)不僅將實現(xiàn)智能化信息處理、決策、資源分配，諸如樣本信息收集存貯等現(xiàn)階段存在局限性的功能研究將可能實現(xiàn)自動化智能化，聲納目標識別由于智能系統(tǒng)的不斷自我學習自我進化，性能也將有翻天覆地的提升。

3 總結(jié)

世界各強海上軍事國家為提高聲納技術(shù)和裝備性能都投入了大量的人力、財力和物力，更突顯了聲納在海軍裝備技術(shù)中的戰(zhàn)略高度和重要地位。現(xiàn)代聲納技術(shù)不斷吸取各學科、各種理論、各領(lǐng)域的最新研究及最新成果，才能更精確的掌握海洋聲學環(huán)境的物理特征，將已有聲納系統(tǒng)知識和基礎進一步的提高。聲納識別系統(tǒng)性能的提升才會指日可待。