他山之石——矢量水聽器測向技術(shù)簡介

作者：邢建軍
        隨著海洋開發(fā)事業(yè)的不斷發(fā)展，了解、認(rèn)識水下目標(biāo)的感知和傳遞的問題越來越受到人們的重視。同時，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后，世界各國的軍事專家都認(rèn)識到:對制海權(quán)的控制在未來戰(zhàn)爭中起到了舉足輕重的作用;潛艇等一些艦船的隱身降噪技術(shù)必須得到飛速的發(fā)展，對于低信噪比條件下的信號處理便成為了現(xiàn)代水聲所要解決的主要問題之一。從上世紀(jì)五十年代以來的五十多年中，潛艇的輻射噪聲級大約降低了35分貝，潛艇的目標(biāo)強度也由于吸聲材料和消聲瓦的使用降低了大約10分貝。這就對聲納設(shè)備提出了更高的要求。由于聲壓水聽器陣能夠直接有效地提高水聲系統(tǒng)對微弱信號的檢測能力，六十年代初期國外開始使用的拖曳陣便是其成功的典范。這些水聽器陣?yán)迷龃箨嚵锌讖絹硖岣哧囋鲆妫行У貙崿F(xiàn)了對低信噪比目標(biāo)的檢測和定位。
        水下目標(biāo)檢測距離要求的不斷提高，信號工作頻率還在不斷的降低，這使得聲壓水聽器只能在繼續(xù)增大陣列孔徑的情況下，才能夠有效地對目標(biāo)進(jìn)行估計，然而陣列孔徑的增大又帶來了一系列的問題，比如實際工程的限制，成本的加大，硬件處理的數(shù)據(jù)量變大等問題。對于一些要求有自導(dǎo)能力的體積有限的魚雷，深水炸彈等對體積有要求的工程應(yīng)用，帶來了很大的困難。同時在工業(yè)生產(chǎn)和民用方面，也需要一種既經(jīng)濟又有效的方法來進(jìn)行水下目標(biāo)的探測，而一般的線列陣孔徑較大、成本高，而且還存在左右舷模糊問題。這些問題的存在就需要我們選擇更好的處理方法解決這些困難。
        雖然傳統(tǒng)的聲壓水聽器及其成陣技術(shù)出現(xiàn)后，解決了科學(xué)實踐中的大量問題，但現(xiàn)在水聲領(lǐng)域?qū)β晫W(xué)現(xiàn)象的描述都是基于聲壓這一標(biāo)量展開的。眾所周知，描述聲場的物理量不僅有聲壓，還有質(zhì)點振速、聲強、聲壓梯度、加速度、位移等，傳統(tǒng)的聲壓水聽器只是利用了聲場中的聲壓這個標(biāo)量信號。試想如果我們應(yīng)用到聲場中的一個或多個矢量信一號，如振速、聲壓梯度等，便可以在水聲信號處理中得到更多的聲場信息，可以對聲場進(jìn)行更好的處理。
        能否用小尺度聲傳感器在低頻的條件F形成窄的指向性以使系統(tǒng)具有對目標(biāo)測向的能力并具有抗干擾的空間增益，從而可以利用目標(biāo)輻射的強的線譜來實現(xiàn)對目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測。倘若能用小尺度聲傳感器在低頻實現(xiàn)窄指向性并具有空間增益，就能在魚雷、水雷、海岸預(yù)警浮標(biāo)等小尺度聲納平臺上應(yīng)用。這樣的水聽器無疑也會在海洋測量和聲遙感領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
        矢量水聽器的出現(xiàn)，使得以上想法得以實現(xiàn)。矢量水聽器是一種不但能夠測量聲場中的聲壓信號還能測量聲場中質(zhì)點振速信號的接收換能器。矢量水聽器可以在低頻輻射噪聲中形成尖銳的指向性，并且使陣的尺度小型化成為了可能。例如，若要利用20Hz的線譜輻射，傳統(tǒng)基陣尺度達(dá)到數(shù)公里長，而矢量水聽器尺度僅為10cm就可以達(dá)到要求。矢量水聽器之所以能獲得比傳統(tǒng)水聽器更高的增益，是因為在各向同性的噪聲場中，水下運動的遠(yuǎn)處目標(biāo)輻射的噪聲是一個與背景噪聲不同，具有一定的傳播方向，而由于矢量水聽器的矢量性，使得它可以完全消除掉各向同性的噪聲干擾，而日標(biāo)輻射噪聲則不會抵消，對于普通的聲壓水聽器，各向同性的噪聲會全部疊加到水聽器上，而不能夠消除。矢量水聽器的另一個特點在一于它可以同時測量聲場中的聲壓和質(zhì)點振速這兩個物理量，可以提供更多的聲場信息。
        聲納的波束形成的目的，是使多陣元構(gòu)成的基陣經(jīng)適當(dāng)處理得到預(yù)定方向的指向性。接收系統(tǒng)具有指向性就意味著可以使系統(tǒng)定向接收，從而抑制其他方向的信號和干擾。此外，利用接收系統(tǒng)的指向性可以準(zhǔn)確測定目標(biāo)方位。如果接收系統(tǒng)是多個波束，則可以分辨多個目標(biāo)。
        單矢量傳感器的四個輸出分量的各種線性組合可形成富有想象力的雙邊(對稱的兩個主極大)或單邊(一個主極大)的指向性。尤其是它的單邊指向性將使透聲體積陣克服散射聲場破壞聲“透明”的困難減小。當(dāng)矢量水聽器的尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長時，它具有余弦指向性或“8”字指向性。現(xiàn)有的矢量水聽器信號處理和波束銳化方法，大都把傳統(tǒng)的聲壓水聽器上成熟的方法應(yīng)用在矢量水聽器上，并沒有完全利用矢量水聽器的矢量性和指向性特點，也沒有很好利用矢量水聽器所提供的聲場的多種信息。
        矢量水聽器一般由聲壓水聽器和振速水聽器復(fù)合而成，可以共點、同步、獨立地測量聲場空間一點處的聲壓和質(zhì)點振速的各正交分量。與傳統(tǒng)的聲壓水聽器相比矢量水聽器能夠只利用單個水聽器對目標(biāo)進(jìn)行定向，而且在一定條件下與目標(biāo)源的頻率范圍無關(guān):具有很高的抗干擾性;在小功率輻射時，采用低頻即可獲得水下目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測等優(yōu)點。可實現(xiàn)小尺度定向，使水聲基陣走向小型化成為可能。
        矢量傳感器具有偶極子型指向性，在一定頻率范圍內(nèi)幾乎與頻率無關(guān)，這意味著可以在低頻或甚低頻條件下工作。因海水介質(zhì)對低頻聲波吸收很小，因而利用低頻信一號的處理可實現(xiàn)遠(yuǎn)程探測與定向。而對于傳統(tǒng)的聲壓水聽器，如要用幾十赫茲的水聲信號來定向，根據(jù)指向性計算公式，為了達(dá)到一定的方位估計精度，其組成的基陣尺度要達(dá)數(shù)千米長，實現(xiàn)十分困難。但矢量水聽器的出現(xiàn)解決了這一問題。同時矢量水聽器可以在不削弱性能的情況下，去除常規(guī)均勻線陣的左右舷模糊問題。我國雖然早在“八五”期間便開始了壓力梯度式振速水聽器的研制，在1997年又引入了俄羅斯的矢量水聽器技術(shù)，同時國內(nèi)外多家單位也開始研制矢量傳感器應(yīng)用一于聲納的新型技術(shù)。但和西方和俄羅斯等國家相比，還只能說是剛剛起步階段。如何更好的應(yīng)用矢量水聽器進(jìn)行測向，具有非常大的發(fā)展空間。