试论我国水声信号处理领域的最新进展

试论我国水声信号处理领域的最新进展

进入到新世纪以来，随着我国国民经济实力的不断增强，我国的社会主义市场经济体制也应逐步完善，各行各业都取得了空前的进步和发展。水声信号处理和声纳技术是一门需求推动力较大并且发展的十分迅速的学科，同时其也具有广阔的应用前景。水声学的发展受到了战争需求的推动，同时却也为水下战争武器装备的创新和发展注入了新的活力。水声学并不是一门单纯的理论学科，要想保证其发展并得到进一步的完善，那么就必须具备大量有准备的海上实验作为支持，并且在其基础的研究工作中，还必须不断的投入大量的财力、物力和人力。文章便对近些年来水声信号处理领域的几大研究进展进行了简要的回顾，同时也介绍了现阶段在这一领域应重点进行研究的前沿课题。

标签：水声信号领域；声纳设计；研究成果

1 低频和甚低频水声信道的传输特性

在检测安静型潜艇的工作中，被动声纳和主动声纳所采用的频率都是在向低端移动的，通常情况下，中频声纳就是指传统舰艇上孔径在1-5m量级范围内的基阵所有的1000Hz的声纳，而低频声纳就是指频率在100-1000Hz范围内的声纳，至于频率小于100Hz的声纳，我们就管其叫做甚低频声纳。现阶段，主动声纳和被动声纳所使用的频率都在向着低频和甚低频的方向发展，其中有几个典型的代表，它们分别为Surtass和LFA。其中，以Surtass为例，其主动声纳的工作频率已经被控制在100-500Hz的范围内，而被动声纳的频率则是小于100Hz 的。要想准确的检测低频信号，那么首要的工作就是要解决其在海洋中的传播问题，全面的掌握其传播特性，才能做好对低频信号的检测工作。

在上个世纪的九十年代，一批俄罗斯的科学家曾经对低频信号的传播进行了一系列的试验，他们有两个重要的发现，一是低频信号的传播具有非常好的稳定性，二是低频信号的幅度存在着明显的衰落现象。美国科学家也指出单频信号的传输效果是比较令人满意的，并且带宽在1-2Hz范围内的滤波器所提取的信息也是可以应用在目标识别工作中的。可见，检测甚低频信号的工作还是有着乐观的前景的。

2 水下目标辐射的噪声特性

美国的专家V.C.Anderson对水生信号处理工作曾经进行了深入的研究，他认为作为一门独立的学科，在上个世纪的五十年代开始对声学中的信号处理进行研究，而对目标噪声特性的最佳接收方法的讨论就是其重要的研究标志。在ROSS的经典型著作中，我们就可以找到对水下目标辐射噪声机理的相关研究。近些年来，俄罗斯专家Miasnikov的著作中则提到了安静型潜艇水下辐射噪声的相关信息，其认为现代潜艇的水下辐射噪声应分为非常安静的、安静的和嘈杂的三级，并且它们在30Hz出的谱级是有着明显区别的，分别为100dB、120dB和140dB。

现阶段，对安静型潜艇辐射噪声中低频线谱分量的真实数据并不多，只有在Miasnikov 的文章提到了较多的信息，他认为检测工作的重点应是带宽为0.1Hz 的线谱，并且对潜艇水下辐射噪声的表达还建立的相应的模型，具体为s（t）=m （t）+[1+um（t）]p（t），其中m（t）为辐射噪声中的低频线谱分量，p（t）则代表由潜艇结构振动而引入的一个调制宽带信号，其实际上就是一个宽带随机噪声，而这一宽带随机噪声通常都是要大于100Hz的，u是一个调制系统，其是大于0小于1的。

从上个世纪的八十年代开始，美国就开始重点研究Surtass LFA这一低频主动和被动的拖线阵声纳，其主要是用于探测低噪声潜艇的，其工作的频率最低可以小于100Hz，主动发射的功率是大于230dB，作用距离超过100km，被动检测时所采用的两条声阵可达1500m，广泛的应用在远程警戒低噪声潜艇的声纳工作中。

3 新型水声传感器及其信号处理技术

在最近20年中，得到最为广泛关注和重点研究的问题就是水声场中的质点振速信息问题。在二十世纪的九十年代，美国专家Nehorai率先发布了与矢量水听器相关的一系列文章，借助于这一设备便可以测得除了声压之外的水声场中的质点振速信息，并且也逐步的形成了波束的成形技术。而与此同时，我国的部分学科在国内也开始逐步的引入矢量水听器的相关技术了，并且也非常关注这种非声传感器和相关的信号处理技术，大量的信息都发布在了国内的期刊和学术会议上。举例来说，在我国2004年的水声会议上，与矢量水听器和信号处理技术的相关文章共有12篇，并且在之后举办的水中军用目标特性学术会议上也有4篇文章与之相关。从信号检测的角度来看，只要非声学传感器或是声学传感器的自噪声是小于海洋噪声的，那么就可以感知到微弱的信号。光纤水听器和矢量水听器不仅仅在灵敏度上具有优势，同时其还具有一些特性，如众多周知的波束光信号不受电干扰以及单水听器具有指向性等。

现阶段在声纳的应用工作中，占据主导地位仍是声学传感器，而在拖曳线列阵声纳的应用工作中，相关的研究人员主要在寻求一种加速度和灵敏度较低、电压灵敏度较高，并且频率较低的宽带水听器，并且欧洲的一些国家已经专门建立了测试拖线阵流噪声的水池，这样就可以更加准确地测量不同拖曳速度和不同缆径下的拖线阵流噪声了。通常都认为研究声信道数据的最好方法就是主动声纳，其信号形式都经过仔细选择，并且是有目的的发送的，其可以有效地提取信道的频率选择、频率扩展以及空变和时变等主要特性，而各个参量也是可以实现相互分离的，这样就可以得到声场匹配和信道解耦的相关知识了。如果水深小于10m，那么信号的延迟扩散约为10ms，而如果其深度达到100m，扩散值就会达到100ms，在深海的环境下，通常都会达到300ms。

在深入的研究了声纳平台的运动特性后，便可以知道基阵的孔径，而近些年来，在我国水声领域中被广泛关注的就是主动合成的孔径声纳技术。作为水声信号处理领域中的一个重要应用，水声通信技术与网络中心站的相关理论也是有着

密切的关系的，作为近100年来世界军事领域中的一次最重要革命，网络中心站的概念已经不仅仅是停留在理论上了，其已经扩大到了整个军事领域中，网络中心站的概念极大地改变了海军的战争模式，而这也对声纳技术提出了更高的要求，各种水下通讯网络在海军大国中也将发挥更重要的作用。

以往，海军要想与潜艇实现通信，都是要通过长波无线电台并且要事先约好时间，而随着美军研制出的一种被叫做“深海传呼机”的设备，海军指挥员就可以实时的与潜艇进行通信了，其机理就是利用卫星-无线传输-水生通信潜标，这种通信系统现阶段已得到了广泛的应用。我国已经独立自主的研发成功了蛟龙号7000m载人潜器，在这一潜器上安有测速、水声通信、前视声纳、图像信号传输以及导航等具有多种功能的声纳。

4 结束语

通过以上的论述，我们对低频和甚低频水声信道的传输特性、水下目标辐射的噪声特性以及新型水声传感器及其信号处理技术三个方面的内容进行了详细的分析和探讨。在我国各行各业不断深化改革的进程中，我国的水声领域的工作者与国外的同行也进行了深层次的交流和合作，在不断地吸收国外先进研究经验的同时，我国的科技人员在水声信号处理领域也取得了一定的研究成果，并与国际上一些先进单位也建立了一些合作项目，大大地促进了我国水声学的快速发展，也为水下作战武器装备的创新和研发注入了新的活力。

参考文献

[1]孙超.水声信号处理技术的研究现状与展望[J].声学技术胡，2012.

[2]李启虎.水声信号处理领域若干专题研究进展[J].应用声学，2001.

[3]李启虎.相关观测资料的最佳线性数据融合[J].声学学报，2010.