mp3制作摘 要：本文对海洋声学目标主动探测技术的研究现状和未来发展趋势进行了阐述。
关键词：海洋声学目标；主动探测技术
0引 言
机器人吸盘海洋声学目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，水下目标隐身技术不断进步，给水声探测技术带来了巨大挑战。主动探测技术所涉及的范围很广，所探测的目标有潜艇、蛙人、无人水下航行器(UUV)、、沉船等，据此所使用的频率有几百赫兹、几千赫兹、几十千赫兹、几百千赫兹等。本文中主要聚焦于工作频率为几百赫兹到几千赫兹的对潜主动探测技术。
1国内外研究现状
过去几十年来，潜艇减振降噪技术的发展，使得潜艇辐射噪声大约以每年平均1dB的速度降低，这给被动探测技术带来了很大挑战，同时促使主动水声探测技术得到了足够的重视和充分的发展。曲嘉瑞
在主动水声探测技术的发展方面，低频大功率探测技术和不断涌现的新式探测技术(双/多基地探测、前向散射探测和多输入多输出(MIMO)探测等)形成了主要的技术发展脉络。 1.1 低频大功率探测技术
主动声呐自诞生以来，就一直向低频大功率方向发展。低频大功率探测技术逐渐成为探潜的主流技术之一，其核心之一是低频大功率发射换能器技术。国际上，低频大功率发射换能器已经运用于美国的监视拖曳阵传感器系统(SURTASS)主被动联合探测系统(见图1)和HELRAS吊放声呐系统(见图2(b))、欧洲Thales公司的CAPTAS系列声呐(见图5)及Atlas公司的LFTAS声呐。 防攀爬网
图1 SURTASS系列探测示意图
SURTASS系统、CAPTAS系列声呐和LFTAS声呐均采用给拖曳线列阵声呐配备低频大功率发射换能器的技术方案，其中SURTASS系统发射频率范围覆盖100～500Hz，声源级可达235dB。CAPTAS系列声呐采用2只或4只的大功率溢流环换能器组成不同的子型号以满足不同需求，工作频段可覆盖900～2000Hz。LFTAS声呐工作频段为1400～2400Hz。这些系统在使用低频大功率发射换能器或换能器基阵的前提下，同时采用大孔径拖曳线列阵声呐进行被动接收，从而获得接收大孔径、深度可变化等优点，显著提高了探测性能。与拖曳的工作方式不同，HELRAS吊放声呐系统由直升机携带，工作频段为1000～2000Hz，可单独进行探测，也可以和浮标等组合，辅以相应的数据共享与联合处理软件，从而拓展成双基地、多基地探测系统，具有灵活的探测方式。这些低频大功率探测声呐代表了目前的国际先进水平。
图2 泰勒斯公司的CAPTAS系列声呐示意图
国内主要由中科院声学所、哈尔滨工程大学、杭州应用声学研究所等机构对低频大功率发射换能器技术进行了深入研究，并已经制作了相应的部分换能器样机。随着低频大功率发射换能器技术逐渐成熟，将其与拖曳线列阵声呐结合以进行主被动联合探潜，是我国低频大功率探测技术未来的发展方向之一。
1.2新体制探测技术
数字家庭影院在新体制探测技术方面，主要包括双/多基地探测技术、前向散射探测技术和MIMO探测技术等。双/多基地探测技术和前向散射探测技术具有一定的类似之处，均可归类为收发分置声呐探测技术。双/多基地声呐探测技术强调声呐发射部分和声呐接收部分相互分离甚至远离，而前向散射探测技术则进一步要求大分置角下对目标进行探测。为了说明其中的相似和区别之处，典型的单基地声呐、双基地声呐、多基地声呐和前向散射声呐的发射与接收配置及目标探测示意图如图6所示，其中T代表声呐发射部分，R代表声呐接收部分。
图3 单基地声呐、双基地声呐、多基地声呐和前向散射声呐探测示意图
国际上，双/多基地探测技术、前向散射探测技术均发轫于欧美等发达国家，取得了长足的进步。国际上双/多基地探测技术研究较早，并已经在部分国家得到应用，如美国的HERALS吊放声呐可以与释放的浮标形成双基地探测模式。加拿大Ultra电子海洋系统公司可以将低频主动拖曳声呐与舰壳声呐、浮标等多种装备进行整合，形成多基地探测模式。在国内，双/多基地探测技术和前向散射探测技术得到了一定的重视，有了初步的技术积累并进行了一定程度的工程验证，但还未形成相关装备。
另一个值得关注的新体制探测技术即MIMO声呐探测技术。MIMO声呐即采用多输入多输出体制的探测声呐，其可分为分布式MIMO声呐(类似于多基地声呐)和密布式MIMO声呐(类似于单基地声呐)2种。分布式MIMO声呐采用与多基地声呐类似的广域布阵方式获得空间分
集增益，从多个不同方向照射、接收目标回波，并通过联合处理抑制目标闪烁。密布式MIMO声呐采用与单基地声呐类似的布阵方式，利用正交发射波形获得波形分集增益，从而在一定条件下改善对目标的探测性能。
国际上，以列的Bekkerman首先给出了MIMO声呐在窄带信号模型下的虚拟阵元坐标解析解，推导了MIMO声呐的克拉美罗界(CRB：Cramér-RaoBound)，指出当发射波形完全正交时可获得最优性能。新加坡的Ma研究了频率分集增益，并设计了最优接收滤波器。在国内，中科院声学研究所的李宇等指出MIMO声呐可利用空时分集技术获得更好的检测性能。王福钋等利用MIMO声呐有效提高了对弱目标的分辨能力。蔡龙等对MIMO声呐的正交波形设计进行了研究。西北工业大学黄建国团队对MIMO声呐DOA估计进行了深入研究。刘雄厚等深入研究了MIMO声呐高分辨成像方法。
浙江大学的郭小虎等详细研究了MIMO声呐的小目标探测性能。哈尔滨工程大学的张友文等利用MIMO技术提高了声呐抗强干扰的能力。滕婷婷等研究了不同发射信号下MIMO声呐的二维扇扫成像性能。此外，与MIMO雷达相关的研究成果也可作为MIMO声呐的研究基础，此处不做过多介绍。
2未来发展趋势
2.1继续发展低频大功率探测技术
保温鸡舍低频大功率探测技术的发展趋势是继续往更小体积、更低频率及更大功率发展。随着探测距离要求的不断提高，现有低频大功率发射换能器频率仍然需要进一步降低。同时，低频大功率探测技术需要聚焦于如何在期望的工作频段上减小发射换能器体积、提高声能辐射效率等。
2.2 继续发展多基地组网探测技术
为了更有效地探测隐身目标，传统的单基地探测模式已经很难满足需求。随着作战环境的恶劣化、作战任务的复杂化，传统的单基地主动水声探测技术正逐步往双/多基地探测模式转变。主要有2种技术方案实现双/多基地探测：①在已有的单基地探测技术上，对相关设备进行改造，对处理技术进行升级，从而使其获得双/多基地探测能力，满足多样化探测的需求；②根据相关的任务需求，研究全新的双/多基地探测技术，并据此研制全新的双/多基地探测系统。
2.3 继续研究新体制主动探测技术
主动声呐技术的发展过程中，新体制探测技术可在较小的代价下获得优于传统探测技术的探测优势，从而成为探测性能提高的倍增器，理应受到未来持续不断的关注。因此，未来需进一步研究新体制主动探测技术，包括具有集成创新特的多基地合成孔径声呐探测技术、MIMO合成孔径声呐探测技术、分布式MIMO声呐组网探测技术，以及发展借鉴海洋生物探测功能的仿生探测技术等。
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