他山之石——矢量水聽器測向技術簡介

作者：邢建軍
        隨著海洋開發事業的不斷發展，了解、認識水下目標的感知和傳遞的問題越來越受到人們的重視。同時，第二次世界大戰結束以后，世界各國的軍事專家都認識到:對制海權的控制在未來戰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必須得到飛速的發展，對于低信噪比條件下的信號處理便成為了現代水聲所要解決的主要問題之一。從上世紀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。這些水聽器陣利用增大陣列孔徑來提高陣增益，有效地實現了對低信噪比目標的檢測和定位。
        水下目標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增大陣列孔徑的情況下，才能夠有效地對目標進行估計，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，硬件處理的數據量變大等問題。對于一些要求有自導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用，帶來了很大的困難。同時在工業生產和民用方面，也需要一種既經濟又有效的方法來進行水下目標的探測，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。
        雖然傳統的聲壓水聽器及其成陣技術出現后，解決了科學實踐中的大量問題，但現在水聲領域對聲學現象的描述都是基于聲壓這一標量展開的。眾所周知，描述聲場的物理量不僅有聲壓，還有質點振速、聲強、聲壓梯度、加速度、位移等，傳統的聲壓水聽器只是利用了聲場中的聲壓這個標量信號。試想如果我們應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具有對目標測向的能力并具有抗干擾的空間增益，從而可以利用目標輻射的強的線譜來實現對目標的遠程探測。倘若能用小尺度聲傳感器在低頻實現窄指向性并具有空間增益，就能在魚雷、水雷、海岸預警浮標等小尺度聲納平臺上應用。這樣的水聽器無疑也會在海洋測量和聲遙感領域得到廣泛的應用。
        矢量水聽器的出現，使得以上想法得以實現。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，傳統基陣尺度達到數公里長，而矢量水聽器尺度僅為10cm就可以達到要求。矢量水聽器之所以能獲得比傳統水聽器更高的增益，是因為在各向同性的噪聲場中，水下運動的遠處目標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，是使多陣元構成的基陣經適當處理得到預定方向的指向性。接收系統具有指向性就意味著可以使系統定向接收，從而抑制其他方向的信號和干擾。此外，利用接收系統的指向性可以準確測定目標方位。如果接收系統是多個波束，則可以分辨多個目標。
        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。當矢量水聽器的尺寸遠小于聲波波長時，它具有余弦指向性或“8”字指向性。現有的矢量水聽器信號處理和波束銳化方法，大都把傳統的聲壓水聽器上成熟的方法應用在矢量水聽器上，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點振速的各正交分量。與傳統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進行定向，而且在一定條件下與目標源的頻率范圍無關: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的遠距離探測等優點。可實現小尺度定向，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，在一定頻率范圍內幾乎與頻率無關，這意味著可以在低頻或甚低頻條件下工作。因海水介質對低頻聲波吸收很小，因而利用低頻信一號的處理可實現遠程探測與定向。而對于傳統的聲壓水聽器，如要用幾十赫茲的水聲信號來定向，根據指向性計算公式，為了達到一定的方位估計精度，其組成的基陣尺度要達數千米長，實現十分困難。但矢量水聽器的出現解決了這一問題。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，同時國內外多家單位也開始研制矢量傳感器應用一于聲納的新型技術。但和西方和俄羅斯等國家相比，還只能說是剛剛起步階段。如何更好的應用矢量水聽器進行測向，具有非常大的發展空間。