声纳识别系统性能提升途径

文/孙鹏程

水声学是一门声学分支学科，主要研究的是水下声波的产生、辐射、传播、接收和量度，掌握水声学就可以解决与水下目标探测及信息传输有关的各种问题。由于海洋水环境的独特性质光波以及无线电波的传播在其中的衰减都极其严重，无法在海水中进行远距离有效的传播，更无法满足对水下环境及目标的检测、水下通讯等方面的应用。在已发现的传输介质中，唯一一种能够在海水中作远距离传输的能量形式就是声波。

声纳是通过声波信号来对水下目标进行探测、定位的常见设备，其原理是模仿视力极低的蝙蝠通过声波实现视觉功能的特性。在水下资源勘查，水下通信、海洋军事领域中起着决定性作用。声纳的军事战略地位已被拥有海洋资源的各海洋国家广泛重视。

1 声纳技术的分类及现状

声纳从工作原理来分可分为主动声纳和被动声纳两类。

主动声纳又称回声声纳，原理框图如图1所示。

主动声纳的工作方式为发射机发射出特定频率的声波信号，触及到目标物后接收反射波中的信息来测算出目标的各项参数，包括方位、距离、速度等。具体来讲，距离可以通过折返的声波信号与发射出的声波信号之间的时间差计算出来，目标的方位可以通过测算回声弧形波线，再制出其法向量方向就是目标的方向，而目标的径向速度可根据多普勒效应测算回波信号与发射信号之间的频率之差得知。

同理，目标的其他性质可通过比对回波信号与发射信号的变化规律来推测。主动声纳主要用于水下勘测，例如暗礁、冰山、沉船等静止且无声的目标，其优势也在于此，能够较精确的测量方位以及距离等参数，缺点是主动声纳工作时需发射声波信号采集回声，更易被地方侦查，且探测距离有限。

被动声纳的工作原理（如图2）是通过接受目标自身发出的声波信号来探测目标，因此也被称为噪声声纳，这一功能是通过接收换能器基阵来实现的。

被动声纳主要用来搜索、检测来自目标的声信号和噪音优点是拥有良好的隐蔽性，更远的侦察距离以及更强的识别能力。缺点是由于其需要目标物自身产生“噪声”，所以对静止无声的目标无法探测，仅仅可以发现目标但无法测出目标距离。其次，被动声纳只接收目标自身产生的信号，声纳本身并不发射信号，因而没有其他反射噪声造成的干扰。

图1：主动声纳原理框图

图2：被动声纳原理框图

实际应用中多数声纳都采用主动被动两种方式结合使用，充分发挥出两种声纳的优点扬长避短。在一般勘察使用时，为了在探测的同时不使自身信息被敌方率先侦查到，工作在被动声纳方式下。当发现目标并分析出了目标的大概方位，声纳的工作方式改为主动声纳模式来获得目标进一步的精确信息。这种工作方式灵活的适应战场勘察的需要，在获取信息的过程中又能保证不提早暴露自身。

声纳技术的发展已有一百多年的历史，声纳目标自动识别技术也取得了极其重大的进展。但同时，也应该充分认识到，声纳目标由于种类多样环境复杂，识别本身具有十分复杂的特性，当前取得的成就还只是比较基础的。目标识别技术的发展需要理论结合实际的试验，但由于海洋环境的复杂性一些处理结果是在样本的种类和数量不足的前提下得出的，具有片面性，新型目标日新月异样本尤为缺乏。这样的前提下导致一些分类方法即使样本增加的同时性能也无法提升。另一方面世界各国在军事中也大面积采用了船舰减噪的技术，也出现了类似安静型的水下目标。研究低信噪比条件下怎样提高目标识别技术的性能就变的非常重要;对于声纳的探测能力、识别能力的要求将变得愈来愈高，对于目标识别技术的准确程度要求也是极高的。但是，当前的声纳目标自动识别系统还只能作为声纳决策的辅助系统来使用，这些问题的解决将变得永无止境，探测与反探测的竞赛将一直进行下去，促进目标识别技术不断提高不断发展。

未来的声纳目标识别技术可预见的将会在现有的方法理论基础上进一步拓展，结合多学科，多方向，多领域进行延伸。只有将分类技术当做重点来研究才有可能将分类系统的学习、识别能力提高，进而提高系统的可靠性和准确率。分几点来讲，一方面要提高声纳装备各部分技术的性能吸收新理论、新成果精简技术精要，丰富适应性，提高识别度;另一方面将各分技术进行整合研究，将各部分组合为一个有机整体，充分挖掘各部分结构间的工作潜力。

2 声纳目标识别技术的发展方向

2.1 模块化提高可靠性

将系统模块化可以通过将整体细分来缩短研制的周期同时也减少了研究经费、更使设备拥有了良好的互换性和扩展性。现有的声纳装备以及未来声纳装备的设计中，采用大量的标准化的模块式结构将成为势不可挡的趋势。

而评估声纳装备性能的重要因素可靠性以及在使用过程中故障的可维修性是相得益彰的。随着声纳装备制作工艺的进一步提高，各模块的合理配置，模块化后的识别系统将具有更高的可靠性和模块替换性，进一步增加单次使用寿命，缩短维修时间。

2.2 系统化、综合化发挥优势

在军事应用中，军舰与潜艇基本都由数个声纳配合工作组成声纳系统。对多组声纳装备进行统一的操控、管制、再将所有设备采集到的集中处理、显示是当今声纳发展的主要方向。在现代化海战中，发挥出声纳系统的整体优势，多信号、多方式、多途径、所有传感器探头、终端以及各种辅助手段协调配合综合协作，已经可以构成具有探测、跟踪、侦察、导航等多功能全方位的作战系统。声纳装备的性能将会继续朝着系统化、综合化和自适应化的方向逐步发展。

2.3 新材料水听器

传统的声纳基阵水听器采用压电陶瓷作为主要材料，每次新型材料高性能的材料出现势必会大幅度提升声纳的工作性能，目前较为新型的材料是压电聚合物及光纤。压电聚合物又称有机压电材料，其材质柔韧密度和阻抗低的优良特性，使其在水声测量中获得广泛应用。光纤材料充当水听器的试验研究有着较完备的研究，技术逐步成熟，已在水下固定式水听器和拖曳线列阵声纳的水听器上有广泛的应用。

2.4 识别控制智能化

计算机技术的飞速发展芯片技术的突飞猛进，人工智能的研究已经成为最前沿，最先进的科技发展方向。声纳的相关研究也得了很多突破性进展。用计算机模拟声纳工作的全流程，不断优化其各项功能和流程，使其性能得到大幅度提高。尤其是如今各先进海军国家配备的声纳设备中，计算机控制的数字化声纳被广泛应用。取得了令世人瞩目的进展的神经网络研究，将计算机技术和信号处理相结合，使得声纳智能化存在在不久的将来即迎来突破性进展的可能，届时多声纳系统不仅将实现智能化信息处理、决策、资源分配，诸如样本信息收集存贮等现阶段存在局限性的功能研究将可能实现自动化智能化，声纳目标识别由于智能系统的不断自我学习自我进化，性能也将有翻天覆地的提升。

3 总结

世界各强海上军事国家为提高声纳技术和装备性能都投入了大量的人力、财力和物力，更突显了声纳在海军装备技术中的战略高度和重要地位。现代声纳技术不断吸取各学科、各种理论、各领域的最新研究及最新成果，才能更精确的掌握海洋声学环境的物理特征，将已有声纳系统知识和基础进一步的提高。声纳识别系统性能的提升才会指日可待。