声呐技术助推海洋强国梦
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水下信号检测与目标识别
声音在水中的传播在某些方面类似于光在空气中的传播，在传播过程中会发生折射、反射、衍射、聚焦等现象。只不过声波是机械振动，传播时需要介质，而光可以在真空中传播。图 2 是一艘潜艇在声影区躲避水面舰艇探测的示意图。
图 2 潜艇隐蔽在声影区躲避水面舰艇的探测
美国斯克利普斯（Scripps）研究所水声学专家Anderson在讨论水声信号处理时，认为声学中的信号处理作为一门独立学科，始于 1952 年对目标噪声特性最佳接收法的讨论。特别是一些早期的数字化处理技术，如数字多波束（DIMUS）声呐等。Ross 在其经典著作中对有关水下目标辐射噪声机理进行了研究。近年来俄罗斯学者 Miasnikov对于安静型潜艇水下辐射噪声也有涉及。Miasnikov 把现代潜艇的水下辐射噪声分为3级：“嘈杂的”“安静的”和“非常安静的”，并指出这 3 种噪声在 30 Hz 处的谱级分别为 140 dB、120 dB 和 100 dB。
对于安静型潜艇的检测，无论是现代的主动声呐还是被动声呐，所使用的频率都在向低端移动。如果将传统舰艇上孔径在 1—5 m 量级基阵所使用的 1 000 Hz 左右的声呐称为中频声呐，频率在 100—1 000 Hz 为低频声呐，频率范围低于 100 Hz 为甚低频声呐。美国从 20 世纪 80 年代开始研制用于探测低噪声、安静型潜艇的低频主被动拖线阵声呐 （surveillance towed array sonar system，low frequency array，SURTASS LFA）。这是一种专门用于远程警戒低噪声、安静型潜艇的甚低频声呐，工作频率可低至 100 Hz 以下。其主动发射声功率可超过 230 dB，被动检测时使用 2 条长达 1 500 m 的声阵，作用距离可达 100 km 以上。
低频信号的传播特性研究需要理论与实践结合，从而为低频信号的检测提供依据。Burenkov 等俄罗斯科学家在 20 世纪 90 年代对 228 Hz 低频信号的传播进行过试验，其接收距离大于 9 000 km。美国 Worcester 和 Spindel 在一份 ATOC（Acoustic Thermometry of Ocean Climate）计划执行情况报告中提到，美国在 1995—1999 年利用美国海军的 14 个 SOSUS（Sound Surveillance System）接收阵，记录 57 Hz、75 Hz 信号的传播数据，最远距离为 3 900 km。
对水声信道传输特性的深入研究，导致了一些新现象的发现，如内波、波导、深海会聚区等；同时，也催生了一批具有重要应用价值的新的信号处理技术的诞生，特别值得指出的是模基声呐、宽容性信号处理技术、匹配场过滤技术、多输入/输出（MIMO）系统、声时反聚焦理论和技术、数据融合、人工智能目标分类识别等。这些新的信号处理技术中一部分是基于近年来以美国 Scripps 研究所 Kuperman、APL 实验室 Spindel 等所带领的研究组对于水声时反聚焦、相轭现象的研究。同时，俄罗斯专家 Lysanov 等有关海洋声传播中的波导理论的研究也成为近年来引人注目的热点问题。浅海中的声波导现象有可能成为信号检测和目标识别的新途径。特别是，如果产生干涉条纹的频率正好和目标辐射噪声线谱分量相近或重合，对微弱信号的检测作用距离有望大幅提高。