声学技术海洋声学目标探测技术研究现状

声学技术I海洋声学目标探测技术研究现状

海洋声学LI标探测技术对于维护国家主权，保障国家海洋环境安

全，促进海洋探索与开发至关重要。近年来，水下口标隐身技术不断进步，给水声探测技术带来了巨大挑战。针对这一挑战，低频、移动、多节点水声探测技术日益受到重视，同时，探测隐身LI标的多源声学网络也应运而生。山此可见，通过水声通信组网技术将主被动探测节点连接成水声探测网络，并对获取的多源信息进行融合，是海洋声学LI标探测技术发展的一个重要途径。

被动探测技术

海洋声学H标被动探测是应用最为广泛的技术之一，其主要利用水听器及其阵列接收U标自身辐射噪声或信号，如潜艇辐射的螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的流噪声、以及各种发动机机械振动引起的辐射噪声等，同时结合信号处理技术以提取有用信息，如口标信号特征、方位、距离和深度等。山于被动探测系统本身并不发射信号，所以口标不易察觉其存在，具有较强的隐蔽性。

水听器及其阵列构成了被动探测的硬件基础，而被动声呐系统则是水听器及其阵列的主要安装平台，其形式、尺寸及安装形式等都对信号接收产生直接影响；信号处理部分则构成了软件基础，决定了信息提取的有效性，是被动声呐系统的大脑。硬件和软件基础共同决定了被动探测技术的性能。

1•典型被动声呐平台

典型被动声呐平台主要包括岸基平台、舰船与潜艇平台以及航空飞行器平台，其包含的水听器主要有标量的声压水听器和矢量水听器2种，阵列形式可分为线

型、面型和体积型，实际中可依据不同的应用环境选择不同的阵型。

岸基声呐是固定式水声监听系统的一种，一般以海岸为基地，在大陆架或者海岛周边大型布放水下基阵，用于警戒和监视海峡、港口、航道以及敬感水域的敌方

水下潜艇活动，是反潜预警系统的重要组成部分。一般山线性水听器基阵、海底电(光)缆、岸上终端电子设备以及电源系统等组成。岸基声呐中较为典型的是美国在

冷战时期部署的声音监控系统(SOSUS),该系统釆用子阵技术，将一条长线阵分成2〜3个子阵单独处理，再结合起来进行波束形成，从而得到较窄的波束和更好的指向性。

图1洛克希徳-马丁公司生产的TB-29系列细长线阵

船用被动声呐主要包括拖曳阵声呐和舷侧阵声呐等。其中拖曳阵声呐具有2个显著的特点：基阵孔径不受舰（艇）空间尺度的限制，可比一般的舰（艇）载声呐基阵孔径大1个数量级以上，因而它在极低频段仍有较高的空间增益，适合在低频工作：基阵远离其拖曳平台，并可选择在最有利的深度工作，背景干扰大为减小，传播条件

相对有利。基于这两大特点，拖曳阵声呐与其他常规声呐相比，探测能力大为提高。拖曳阵声呐作为平台声呐中工作频率最低、作用距离最远的设备，已经成为舰船的主要声呐装备之一，典型的有美国潜用粗线拖曳阵声呐TB-16（相对于直径小于40mm 的细线阵而言），以及后续改进的细线型TB-29A,如图1所示。

航空声呐是海军反潜直升机和反潜巡逻机的主要反潜探测设备。用于搜索、识别和跟踪潜艇，保障机载反潜武器的使用或引导其他反潜兵力实施对潜攻击，主要分为吊放式声呐和声呐浮标系统2种。

吊放式声呐装备于反潜直升机，一般釆取跳跃式逐点搜索。当直升机飞临某一探测点，低空悬停，将换能器基阵吊放入水至最佳深度，以主动或被动方式全向搜索：对某一点搜索完毕后，即将基阵提出海面飞向另一探测点搜索。典型的吊放声呐有法国的FLASH和美国的HELRAS系统，其被动接收水听器基阵均是体积型阵列，如图2所示。

(b) HELRAS

(a) FLASH

图2典型的航空吊放声吶

声呐浮标是一种抛弃式航空声呐系统，一般装备于固定翼反潜飞机上，包含浮标投放装置、无线电信号接收机和信号处理显示设备等。使用时，反潜机先将浮标组按一定的阵式投布于搜索海区，然后在海区上空盘旋以接收山不同浮标经无线电调制发射的口标信息。典型的声呐浮标有澳大利亚的BARRA和美国的ADAR系统，前者包含的水听器阵列是一个5X 5 的多环平面阵（见图3）,后者则包含一个40元的体积型水听器基阵。

图3 BARRA声呐浮标

2.被动信号处理技术

被动探测中，信号处理技术的主要任务是利用各种技术手段提高输出信噪比，将LI标信号从噪声和干扰中区分开来，进而实现水下LI标的检测、定位和识别。现阶段，提高信噪比主要有时域、空域处理和后置处理等技术途径。限于篇幅，文中将主要从空域处理的角度进行介绍。

⑴波束形成技术

波束形成是被动声呐系统中的重要部分，其功能主要有：抑制环境噪声，提高输出信噪比；实现对LI标信号波达方向的估计；检测和分辨多个不同方位到达的平面波信号。波束形成技术主要包括数据独立和自适应波束形成两大类。

①据独立波束形成技术

数据独立波束形成方法的权值向量是固定的，不随接收数据的变化而变化，其形成的波束响应同样是固定的。延迟求和方法以及各种加窗处理技术都是具有代表性的固定权值波束形成方法，如Chebyshev窗、Hanning窗和Hamming窗等。在数据独立波束形成方法中，获取更高的指向性，以提高检测微弱信号和分辨紧邻LI标的能力，一直是其主要的研究方向，由此催生出了 "超指向性”方法。

②自适应波束形成技术

自适应波束形成技术，也可称之为数据驱动波束形成技术，其权值向量随接收数据的变化而自适应调整，所获得的波束响应也随之变化。自适应波束形成器可以在干扰方位自适应产生凹槽，从而提高信干噪比

(SINR),其中最典型的是Capon于1969年提出的最小方差无失真响应

(MYDR)波束形成技术。该技术在保持波束指向方向信号无失真的条件下，通过使基

阵输出功率最小来实现对干扰的有效抑制，有较好的方位分辨能力和较强的干扰抑制能力。然而，MVDR方法的稳健性较差，当出现阵列流形误差时，如波达角(A0A)误差、阵形校准误差、平面波假设的失配等，其性能会急剧下降。为了减小MVDR方法对各种误差失配引起的性能下降，人们提出了各种稳健算法，而对角加载类方法是最常用的一种。

Cox等最早通过增加白噪声增益的方法推导出对角加载算法的表达式，提高了MVDR波束形成器对阵列流形误差的稳健性。口噪声增益约束方法和巧一种常见的加权值范数约束方法，均可等效为对角加载方法。然而，对角加载算法很难给出合适的对角加载量的值，从而给该方法的实用带来一定的限制。

⑵方位估计技术

基于传感器阵列的方位佔计(D0A)技术是被动声呐的遼要研究内容，目前主要的方位佔计方法可以分为以下3类：波束扫描类算法、子空间类算法和稀疏信号处理类算法。

①波束扫描类方位估计算法

常用的方位估计技术主要有波束形成方法和高分辨方位佔计方法。最早的基于阵列的DOA算法为常规方法，也称为Bartlett方法。山于常规方法易于实现、稳健性好及对信号之间的相干性不敬感，很多声呐系统均釆用此种技术预成多波束来实现对L1标方位的估讣。但常规方法的角度分辨能力受瑞利极限的限制，无法分辨2个在方位上翥得较近的信号源。

②子空间类方位估计算法

自20世纪70年代以来，空间谱估计研究方面涌现出大量文献，这些理论克服了