國外聲吶技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

趙培聰

(海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,　南京 210039)

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·總體工程·

國外聲吶技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

趙培聰

(海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,南京 210039)

概述了聲吶從誕生至今的發(fā)展變化，總結(jié)了國外現(xiàn)役主戰(zhàn)聲吶裝備型號、體制、使用國家和平臺。從多功能一體、陣列構(gòu)型、多基地協(xié)同、開放式體系架構(gòu)四個層面分析了國外聲吶技術(shù)研究現(xiàn)狀。結(jié)合任務(wù)需求和基礎(chǔ)技術(shù)支撐，從全自適應(yīng)智能化認(rèn)知、MIMO聲吶、廣域異質(zhì)多傳感器聯(lián)合感知三個維度展望了聲吶技術(shù)的發(fā)展趨勢。

聲吶；多功能；共形；多基地；開放式架構(gòu)；認(rèn)知；MIMO聲吶；協(xié)同探測

0　引　言

聲吶應(yīng)水下目標(biāo)預(yù)警探測而生，因目標(biāo)演變、環(huán)境變化和任務(wù)多元而不斷發(fā)展。從潛艇探測到魚雷、水雷探測，從主動測量到主被動聯(lián)合探測，從中頻到高頻和低頻，從機(jī)械掃描到相控陣，從平面陣到線列陣和共形陣，從常規(guī)脈沖到脈沖壓縮、單脈沖、合成孔徑、逆合成孔徑，從艦載到艇載、機(jī)載，從單基地到雙、多基地，從單獨(dú)作戰(zhàn)到分布式組網(wǎng)，從預(yù)警監(jiān)視到定位識別、跟蹤火控、測深規(guī)避、通信導(dǎo)航、水聲對抗，從聲感知到雷達(dá)、激光、磁異探測異質(zhì)聯(lián)合，從軍用到民用，聲吶技術(shù)裝備不斷演進(jìn)。隨著美國重返亞太、第三次抵消戰(zhàn)略、南海競爭形勢的發(fā)展和空海一體戰(zhàn)水下信息感知的作戰(zhàn)需求，聲吶技術(shù)和裝備將持續(xù)受到高度關(guān)注。同時，在人工智能、信號處理和工藝材料等基礎(chǔ)能力的推動和認(rèn)知、MIMO等新型體系架構(gòu)方式的牽引下，聲吶系統(tǒng)將在功能和性能領(lǐng)域不斷拓展。

1　國外現(xiàn)役主戰(zhàn)聲吶

第一代聲吶從第二次世界大戰(zhàn)到20世紀(jì)50年代末，是艇首陣中頻聲吶；第二代聲吶誕生于20世紀(jì)60年代，以低頻主被動拖曳陣聲吶為代表(圖1)；第三代聲吶出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，以數(shù)字技術(shù)和大孔徑舷側(cè)陣使用為標(biāo)志；第四代聲吶從20世紀(jì)80年代末開始，以多陣列多頻段探測信息綜合處理和一體應(yīng)用為主要特征。近年來，隨著對大區(qū)域水下目標(biāo)探測需求的不斷增大和無人反潛技術(shù)的發(fā)展，開始出現(xiàn)第五代多功能無人操作聲吶，典型代表是美國雷聲公司為DARPA反潛持續(xù)跟蹤無人艇(ACTUV)項(xiàng)目開發(fā)的模塊化可縮放聲吶系統(tǒng)(MS3)，如圖2所示。其中，第三代和第四代是當(dāng)前海軍強(qiáng)國主戰(zhàn)水下作戰(zhàn)信息保障裝備。表1列出了各國的主戰(zhàn)聲吶裝備。

圖1　美“無暇”級反潛監(jiān)視船主被動聲吶系統(tǒng)

2　國外聲吶技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1集主/被動、多頻段、多功能于一體

現(xiàn)代數(shù)字信號處理算法和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展顯著提高了聲吶的信息處理能力，開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化系統(tǒng)架構(gòu)促進(jìn)了聲吶新技術(shù)的快速嵌入，推動聲吶系統(tǒng)功能集成度不斷提高。新一代聲吶系統(tǒng)綜合集成舷側(cè)、艏端、拖曳、主/被動、多頻段聲吶于一體，兼具目標(biāo)探測、跟蹤、識別，水文偵查，水下通信、導(dǎo)航，信息綜合處理和顯示，魚雷控制，水聲對抗等多種功能，大幅提高了潛艇和水面艦艇在深海和淺海中的探測性能和信息作戰(zhàn)能力[1]。

美國AN/BQQ-10型綜合聲吶系統(tǒng)包括艇首大型球形主/被動聲吶、高頻主動聲吶、WAA寬孔徑陣列聲吶，以及由TB-16粗線陣和TB-29A細(xì)長線陣組成的低頻拖曳線陣列聲吶，各傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖通道標(biāo)準(zhǔn)(FCS)技術(shù)分配給處理硬件，具有優(yōu)異的處理、通信能力和操作性，極大地提高了潛艇在淺水和高噪聲背景中探測和定位目標(biāo)的能力。德國214型潛艇中對各種水聲設(shè)備進(jìn)行了高度集成，形成綜合探測、指控和武器接口系統(tǒng)(ISUS 90)，包括被動測距聲吶、寬帶主動聲吶、偵查探測和測距聲吶、艏端柱狀陣聲吶、頭部避雷聲吶、舷側(cè)聲吶、拖曳聲吶以及多功能處理控制系統(tǒng)。各聲吶采用了數(shù)字化基陣技術(shù)，能夠進(jìn)行聲信號的自動檢測、可疑目標(biāo)的自動跟蹤、噪聲信號和脈沖數(shù)據(jù)的交互分類識別以及潛艇自噪聲的連續(xù)監(jiān)測分析，在多個基陣數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動分析。英國“機(jī)敏”級攻擊核潛艇上裝備的2076型聲吶包括艇首共形陣、拖曳線列陣、偵查陣、避碰聲吶、舷側(cè)陣以及處理設(shè)備，具有主被動目標(biāo)探測、跟蹤、識別、定位、通信、導(dǎo)航、偵查等多種功能。雷聲公司為澳大利亞海軍設(shè)計的“科林斯”級潛艇上使用的AN/BYG-1(V)系統(tǒng)也使用了綜合聲吶系統(tǒng)(見圖3)，包括舷側(cè)聲吶、艏端柱狀陣聲吶、被動探測聲吶、偵查聲吶、拖曳聲吶、獵雷和避碰聲吶、白噪聲監(jiān)測儀等。

圖3　雷聲公司為澳大利亞研制的AN/BYG-1(V)潛艇一體化聲吶系統(tǒng)

2.2低頻、大功率、共形陣和自適應(yīng)基陣處理

低頻、大功率、大孔徑聲吶是提高靜音潛艇探測靈敏度和作用距離的最直接方式，而環(huán)境自適應(yīng)基陣信號高速處理則是降低雜波干擾的有效途徑，二者的結(jié)合對提高聲吶的平臺適裝性、戰(zhàn)場感知效能和水下對抗能力具有重要影響。

潛用共形陣陣列沿艇體安裝，外形與艇型一致，具有基陣孔徑大、三維空間增益高等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)全向監(jiān)視。俄羅斯的阿穆爾級(見圖4)、英國的“機(jī)敏”級和美國的“弗吉尼亞”級都致力于開發(fā)艏端大孔徑共形陣聲吶[2]。隨著大孔徑、共形陣的發(fā)展，各種寬孔徑高密度信號處理算法得到發(fā)展，已經(jīng)具備多路徑、多模態(tài)聲傳播解算能力，并綜合應(yīng)用于多線列拖曳陣、大型海底基陣網(wǎng)絡(luò)和垂直基陣簾。聲吶信號處理已從最初采用簡單波束形成技術(shù)到現(xiàn)在普遍采用復(fù)雜全相參、寬帶匹配場處理技術(shù)等實(shí)時環(huán)境自適應(yīng)處理技術(shù)，有效克服海洋環(huán)境對聲吶裝備的影響。

圖4　俄羅斯阿穆爾級潛艇聲吶

2.3多基地協(xié)同探測

隨著潛艇主被動聲隱身技術(shù)的發(fā)展，潛艇自體輻射噪聲與二次反射聲的聲級越來越低，使單基地聲吶和被動聲吶在反潛方面的瓶頸越來越凸顯。主動聲吶由于收發(fā)一體，工作時較易被敵艇發(fā)現(xiàn)而實(shí)施規(guī)避，被動聲吶對安靜型潛艇的探測能力十分有限且虛警率高。多基地聲吶網(wǎng)絡(luò)使用一部或多部大功率聲源照射監(jiān)測海域，多部接收聲吶工作于被動艦艇模式接收回波。發(fā)射基地與接收基地可選擇岸基聲吶、艦載聲吶、聲吶浮標(biāo)、航空吊放聲吶等不同的聲吶載體，通過多站址的信息融合和聲場環(huán)境匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)的精確跟蹤定位。與單基地聲吶相比，多基地聲吶具有更好的探測性能、配置靈活性和水下對抗生存能力。

多基地技術(shù)最早起源并應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域，于20世紀(jì)60年代被引入水下探測。由于水中聲波傳播速度低、水介質(zhì)起伏不均和水聲信道復(fù)雜多變等因素，多基地聲吶探測仍處于試驗(yàn)研究階段。目前國外從事多基地聲吶研究的有美國德克薩斯大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室、華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室、康涅狄格大學(xué)、美國水下戰(zhàn)中心、海軍聲學(xué)研究部，歐洲北約水下研究中心、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織等。2005年，美國、荷蘭、德國、意大利、英國等國共同組建了多基地定位工作組，通過國際間的合作和資源共享，共同推動多基地技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，國外在多基地聲吶開展的重點(diǎn)研究方向包括多基地系統(tǒng)配置與定位性能研究、多址數(shù)據(jù)融合與目標(biāo)跟蹤算法、直達(dá)波干擾抑制、收發(fā)分置下目標(biāo)回波特性、多基地同步技術(shù)。

1995年，北約水下研究中心開始對分置式多基地聲吶系統(tǒng)(DUSS)進(jìn)行論證研制，1998年至今共進(jìn)行了九次海試。DUSS設(shè)計為工作于近岸淺?；祉懎h(huán)境，使用錨地或拖曳聲源和25元星形接收陣，通過衛(wèi)星通信、水聲通信、GPS定位導(dǎo)航的技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊化組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對海域的覆蓋(如圖5所示)。DUSS接收陣內(nèi)部集成板載DSP信號處理機(jī)，由發(fā)射信號觸發(fā)，工作帶寬240 Hz，工作持續(xù)時間50 s。處理機(jī)對接收到的信號進(jìn)行濾波，經(jīng)過調(diào)制后信號經(jīng)由無線電會電纜傳至控制中心。DUSS系統(tǒng)海上試驗(yàn)共進(jìn)行了四種不同的航行軌跡，接收到2 610個目標(biāo)回波脈沖，系統(tǒng)探測范圍一般在10 km左右，最大探測距離22 km。DUSS系列海試得出的結(jié)論是[3]：多基地接收網(wǎng)絡(luò)的接收基地在滿足相同檢測/虛警概率時，系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)；直達(dá)波穩(wěn)定技術(shù)、信息身份確認(rèn)技術(shù)至關(guān)重要；無論是集總式還是分布式多基地網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)融解算中心的設(shè)計十分重要，若設(shè)計不當(dāng)，多基地聲吶網(wǎng)絡(luò)的定位功能可能不如單基地聲吶；選用集總式信息融合處理時，宜選用較低的檢查門限；選用分布式信息融合處理時，宜選用較高的檢測門限。

圖5　分布式多基地聲吶系統(tǒng)DUSS系統(tǒng)25元水聽器陣列

2.4采用開放式體系架構(gòu)和COTS技術(shù)，改善研制周期和成本

通過采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化組件，聲吶開放式架構(gòu)能夠顯著減少專用元器件、專用組件或模塊以及專用軟件的數(shù)量，提高聲吶的通用性、兼容性和維修性，便于重構(gòu)、擴(kuò)充和升級。COTS成熟技術(shù)能夠縮短聲吶研制周期，降低研制風(fēng)險和設(shè)備成本[4]。

20世紀(jì)90年代初，美國提出“商用聲學(xué)技術(shù)快速嵌入”(ARCI)計劃，并逐步在美海軍聲吶系統(tǒng)上應(yīng)用開放式體系架構(gòu)和COTS技術(shù)，如“洛杉磯”級核潛艇上的BQQ-5和BSY-1型、“海狼”級核潛艇上的BSY-2型和“俄亥俄級”核潛艇上的BQQ-6型等聲吶系統(tǒng)。在ARCI計劃中，聲吶信號處理機(jī)已完成五代更新，信號處理能力共提高近200倍，經(jīng)費(fèi)開支降低到原來的1/10。英國也提出了“聲吶COTS技術(shù)快速摻入計劃”(DeRSCI)，在現(xiàn)有聲吶系統(tǒng)中集成COTS技術(shù)，降低成本。美歐聲吶通過采用“多功能處理機(jī)中間件”技術(shù)，將應(yīng)用軟件與底層硬件隔開，保證了COTS硬件的“即插即用”和軟件的可移植性，且潛艇部隊(duì)可在不影響日常訓(xùn)練和戰(zhàn)備行動的情況下定期更新軟硬件。美軍在聲吶軟件開發(fā)中建立了嚴(yán)格的APB流程，基于COTS技術(shù)和開放式體系架構(gòu)，使眾多民用算法與技術(shù)開發(fā)公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、科研院所均可參與到潛艇聲吶系統(tǒng)軟件的開發(fā)，使聲吶信號處理算法開發(fā)和更新周期降低了2/3，更新成本也顯著降低。

3　國外聲吶技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1全自適應(yīng)智能化認(rèn)知

傳統(tǒng)主動聲吶系統(tǒng)在處理目標(biāo)反射回波時，沒有考慮聲吶接收機(jī)感知的環(huán)境信息和目標(biāo)特性的先驗(yàn)知識對發(fā)射機(jī)的影響，發(fā)射信號參數(shù)固定。因此，在傳輸衰減、噪聲、混響、多徑、時變和大多普勒等復(fù)雜水下環(huán)境中很難獲得理想的探測效果?；谥R理論的智能化認(rèn)知聲吶能夠根據(jù)環(huán)境變化和目標(biāo)特性的先驗(yàn)知識對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行聯(lián)合自適應(yīng)控制，提高對水下目標(biāo)信號的探測和識別能力。

受近年認(rèn)知無線電、認(rèn)知雷達(dá)快速發(fā)展的啟發(fā)[5]，通過將先驗(yàn)知識和連續(xù)學(xué)習(xí)引入傳統(tǒng)聲吶系統(tǒng)，建立對發(fā)射端的自適應(yīng)反饋控制，提出了認(rèn)知聲吶，其組成如圖6所示。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)、環(huán)境以及目標(biāo)之間構(gòu)成一個動態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng)，可對發(fā)射波束、功率、頻率、重頻、脈內(nèi)調(diào)制和接收波束、檢測門限以及工作模式根據(jù)環(huán)境變化、性能要求和先驗(yàn)知識動態(tài)調(diào)整。對于傳統(tǒng)聲吶，聲吶接收機(jī)感知的環(huán)境信息和處理結(jié)果對聲吶發(fā)射機(jī)沒有影響，聲吶系統(tǒng)也沒有能夠提供極大得益的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。同時，傳統(tǒng)聲吶設(shè)計假設(shè)的是理想水下環(huán)境，如將隨機(jī)信號設(shè)定為遍歷過程，將不平穩(wěn)背景設(shè)定為平穩(wěn)背景，也不考慮信號多徑、干擾起伏、邊界極限等不確定因素，導(dǎo)致測量結(jié)果與實(shí)際情況明顯不一致。認(rèn)知聲吶將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與環(huán)境自適應(yīng)匹配，根據(jù)對工作環(huán)境和目標(biāo)信息的學(xué)習(xí)，不斷更新接收機(jī)和自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射機(jī)；發(fā)射機(jī)根據(jù)目標(biāo)距離、尺寸，調(diào)整發(fā)射波形參數(shù)，智能地進(jìn)行照射；整個認(rèn)知聲吶系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)射、接收和環(huán)境的閉合反饋環(huán)路；利用環(huán)境和目標(biāo)先驗(yàn)信息提高聲吶系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[6]利用仿真驗(yàn)證了認(rèn)知聲吶相對傳統(tǒng)聲吶的優(yōu)勢。

圖6　認(rèn)知聲吶示意圖

3.2共址和分布式MIMO聲吶

MIMO技術(shù)首先在通信和雷達(dá)領(lǐng)域得到應(yīng)用，分為共址MIMO和分布式MIMO。共址MIMO利用發(fā)射信號的分集特性擴(kuò)展收發(fā)陣列的虛擬孔徑，提高目標(biāo)探測能力。分布式MIMO陣元分開排列，發(fā)射正交信號，從不同角度照射目標(biāo)，減低起伏衰落，提高探測穩(wěn)定性。水下特別是近海航船數(shù)量多、噪聲大、聲場復(fù)雜、多徑和多普勒效應(yīng)嚴(yán)重，對水雷、蛙人、靜音潛艇等弱小目標(biāo)探測難度大，傳統(tǒng)主被動雷達(dá)都難以達(dá)到理想效果，MIMO聲吶為解決這一問題提供了一條新途徑。

2006年I.Bekkerman等人提出了MIMO聲吶目標(biāo)檢測與定位的處理架構(gòu)，證明了通過發(fā)射正交波形引入虛擬陣元可以提高目標(biāo)探測能力，推導(dǎo)了廣義似然比檢測器和側(cè)向的CRB性能極限。W.H.Li等人于2008年提出MIMO聲吶處理模型，并分別與單輸入單輸出、單輸入多輸出以及多輸入單輸出處理進(jìn)行了性能比較。2009年，R.V.Vossen等人通過引入虛擬源信息提高了目標(biāo)檢測能力。2010年，S.L.Zhou等人利用空-時編碼技術(shù)降低了MIMO處理對正交發(fā)射信號間互相關(guān)性要求。國內(nèi)浙江大學(xué)、中科院聲學(xué)所和西北工業(yè)大學(xué)三家單位開展了MIMO測向方式、波形設(shè)計、算法設(shè)計方面的研究。

3.3廣域異質(zhì)多傳感器聯(lián)合感知

單一傳感器探測效率低，難以滿足大范圍、長時間水下信息獲取需求，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將警戒監(jiān)視海域內(nèi)多個不同位置布放的聲吶、雷達(dá)、激光、紅外等傳感器進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換、分發(fā)和匯聚，進(jìn)行集中或分布式數(shù)據(jù)處理，可以形成分布式網(wǎng)絡(luò)化水下警戒探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對覆蓋范圍內(nèi)目標(biāo)的探測、定位、跟蹤和分類識別功能。分布式網(wǎng)絡(luò)化水下預(yù)警探測系統(tǒng)具有機(jī)動靈活、成本低、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效增強(qiáng)水下戰(zhàn)場信息感知能力。

美國早在20世紀(jì)50年代，就開始在其東、西海岸以及原蘇聯(lián)潛艇進(jìn)入各大洋的必經(jīng)之路上布設(shè)岸基聲吶監(jiān)視系統(tǒng)SOSUS，后來又陸續(xù)布設(shè)了FDS和ADS等固定分布式系統(tǒng)。為彌補(bǔ)固定式水生監(jiān)視系統(tǒng)的不足，美國還建立了由專用拖船和戰(zhàn)略型長拖曳陣列構(gòu)成的機(jī)動監(jiān)視系統(tǒng)SURTASS，并具備主被動探測能力[7]。近年來，為對付潛在潛艇威脅和淺海、沿岸水域的水雷威脅，美國進(jìn)一步發(fā)展以海網(wǎng)為代表的水下探測體系，結(jié)合分布式敏捷獵潛DASH、可部署自主分布式系統(tǒng)DADS以及直升機(jī)反潛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域水下感知，并向跨域?qū)１O(jiān)視引導(dǎo)體系CDMaST邁進(jìn)，期望在高對抗環(huán)境中，利用水下、海上、空中等有人、無人系統(tǒng)的雷達(dá)、光電、聲吶探測裝備，構(gòu)建跨域分布式探測、識別、定位、打擊、評估體系，提高作戰(zhàn)效能，見圖7。

圖7　美軍CDMaST平臺、傳感器、武器、通信 、導(dǎo)航協(xié)作戰(zhàn)體系架構(gòu)

4　結(jié)束語

聲波在水中優(yōu)異的傳播性能使聲吶成為水下目標(biāo)預(yù)警探測和火力控制的核心裝備，從聲吶誕生發(fā)展至今，無論從體制、功能、平臺、應(yīng)用，還是探測距離、精度、分辨率和覆蓋范圍，聲吶技術(shù)都得到了跨越式發(fā)展，發(fā)揮了重要的情報保障作用。但受環(huán)境噪聲、多徑效應(yīng)、混響、邊界層等復(fù)雜水下環(huán)境的限制，聲吶一直沒有達(dá)到雷達(dá)類似的威力和戰(zhàn)場影響。MIMO技術(shù)、認(rèn)知技術(shù)為聲吶開辟了新的系統(tǒng)架構(gòu)和處理樣式，跨域異質(zhì)傳感器聯(lián)合感知也為聲吶參與到更廣闊的協(xié)同探測體系提供了機(jī)會，隨著國際形勢的變換和新形勢下任務(wù)需求的牽引以及軟硬件基礎(chǔ)支撐技術(shù)的進(jìn)步，聲吶將引來新一輪變革與發(fā)展。

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趙培聰男，1963年生，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)工程及技術(shù)管理。

Study Status and Development Trend of Foreign Sonar Technology

ZHAO Peicong

(Naval Representative Office for Military Facilities in Nanjing Area,Nanjing 210039, China)

In this paper, development and progress of sonar from its birth to nowadays is outlined. Type, regime, user nations and mounted platform of foreign mainstream sonars in commission are summarized. Study status of foreign sonar technology is analyzed from four aspects, which are multi-function integration, array formation, multi-static cooperation, and open system architecture. Together with operation task requirement and basic support technology, development trend of sonar technology is envisioned from three dimensions, that are fully adaptive intelligent cognitive technology, MIMO technology, and wide domain multi-sensor joint awareness technology.

sonar; multi-function sonar; conformal array; multi-static sonar; open system architecture; cognitive sonar; MIMO sonar; cooperative detection

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.005

趙培聰Email：zhaopcong@126.com

2016-04-19

2016-06-23

TN959.7

A

1004-7859(2016)08-0020-05