他山之石——矢量水聽(tīng)器測(cè)向技術(shù)簡(jiǎn)介

作者：邢建軍
        隨著海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)的不斷發(fā)展，了解、認(rèn)識(shí)水下目標(biāo)的感知和傳遞的問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。同時(shí)，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后，世界各國(guó)的軍事專家都認(rèn)識(shí)到:對(duì)制海權(quán)的控制在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)于低信噪比條件下的信號(hào)處理便成為了現(xiàn)代水聲所要解決的主要問(wèn)題之一。從上世紀(jì)五十年代以來(lái)的五十多年中，潛艇的輻射噪聲級(jí)大約降低了35分貝，潛艇的目標(biāo)強(qiáng)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(duì)聲納設(shè)備提出了更高的要求。由于聲壓水聽(tīng)器陣能夠直接有效地提高水聲系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，六十年代初期國(guó)外開(kāi)始使用的拖曳陣便是其成功的典范。這些水聽(tīng)器陣?yán)迷龃箨嚵锌讖絹?lái)提高陣增益，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)低信噪比目標(biāo)的檢測(cè)和定位。
        水下目標(biāo)檢測(cè)距離要求的不斷提高，信號(hào)工作頻率還在不斷的降低，這使得聲壓水聽(tīng)器只能在繼續(xù)增大陣列孔徑的情況下，才能夠有效地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行估計(jì)，然而陣列孔徑的增大又帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，比如實(shí)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(wèn)題。對(duì)于一些要求有自導(dǎo)能力的體積有限的魚(yú)雷，深水炸彈等對(duì)體積有要求的工程應(yīng)用，帶來(lái)了很大的困難。同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)和民用方面，也需要一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法來(lái)進(jìn)行水下目標(biāo)的探測(cè)，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(wèn)題。這些問(wèn)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(tīng)器及其成陣技術(shù)出現(xiàn)后，解決了科學(xué)實(shí)踐中的大量問(wèn)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(kāi)的。眾所周知，描述聲場(chǎng)的物理量不僅有聲壓，還有質(zhì)點(diǎn)振速、聲強(qiáng)、聲壓梯度、加速度、位移等，傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器只是利用了聲場(chǎng)中的聲壓這個(gè)標(biāo)量信號(hào)。試想如果我們應(yīng)用到聲場(chǎng)中的一個(gè)或多個(gè)矢量信一號(hào)，如振速、聲壓梯度等，便可以在水聲信號(hào)處理中得到更多的聲場(chǎng)信息，可以對(duì)聲場(chǎng)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(duì)目標(biāo)測(cè)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(qiáng)的線譜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)。倘若能用小尺度聲傳感器在低頻實(shí)現(xiàn)窄指向性并具有空間增益，就能在魚(yú)雷、水雷、海岸預(yù)警浮標(biāo)等小尺度聲納平臺(tái)上應(yīng)用。這樣的水聽(tīng)器無(wú)疑也會(huì)在海洋測(cè)量和聲遙感領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
        矢量水聽(tīng)器的出現(xiàn)，使得以上想法得以實(shí)現(xiàn)。矢量水聽(tīng)器是一種不但能夠測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓信號(hào)還能測(cè)量聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速信號(hào)的接收換能器。矢量水聽(tīng)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(zhǎng)，而矢量水聽(tīng)器尺度僅為10cm就可以達(dá)到要求。矢量水聽(tīng)器之所以能獲得比傳統(tǒng)水聽(tīng)器更高的增益，是因?yàn)樵诟飨蛲缘脑肼晥?chǎng)中，水下運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)處目標(biāo)輻射的噪聲是一個(gè)與背景噪聲不同，具有一定的傳播方向，而由于矢量水聽(tīng)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(huì)抵消，對(duì)于普通的聲壓水聽(tīng)器，各向同性的噪聲會(huì)全部疊加到水聽(tīng)器上，而不能夠消除。矢量水聽(tīng)器的另一個(gè)特點(diǎn)在一于它可以同時(shí)測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速這兩個(gè)物理量，可以提供更多的聲場(chǎng)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(hào)和干擾。此外，利用接收系統(tǒng)的指向性可以準(zhǔn)確測(cè)定目標(biāo)方位。如果接收系統(tǒng)是多個(gè)波束，則可以分辨多個(gè)目標(biāo)。
        單矢量傳感器的四個(gè)輸出分量的各種線性組合可形成富有想象力的雙邊(對(duì)稱的兩個(gè)主極大)或單邊(一個(gè)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(chǎng)破壞聲“透明”的困難減小。當(dāng)矢量水聽(tīng)器的尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)時(shí)，它具有余弦指向性或“8”字指向性。現(xiàn)有的矢量水聽(tīng)器信號(hào)處理和波束銳化方法，大都把傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器上成熟的方法應(yīng)用在矢量水聽(tīng)器上，并沒(méi)有完全利用矢量水聽(tīng)器的矢量性和指向性特點(diǎn)，也沒(méi)有很好利用矢量水聽(tīng)器所提供的聲場(chǎng)的多種信息。
        矢量水聽(tīng)器一般由聲壓水聽(tīng)器和振速水聽(tīng)器復(fù)合而成，可以共點(diǎn)、同步、獨(dú)立地測(cè)量聲場(chǎng)空間一點(diǎn)處的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速的各正交分量。與傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器相比矢量水聽(tīng)器能夠只利用單個(gè)水聽(tīng)器對(duì)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(wú)關(guān):具有很高的抗干擾性;在小功率輻射時(shí)，采用低頻即可獲得水下目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)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(wú)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(duì)低頻聲波吸收很小，因而利用低頻信一號(hào)的處理可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)與定向。而對(duì)于傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器，如要用幾十赫茲的水聲信號(hào)來(lái)定向，根據(jù)指向性計(jì)算公式，為了達(dá)到一定的方位估計(jì)精度，其組成的基陣尺度要達(dá)數(shù)千米長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)十分困難。但矢量水聽(tīng)器的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題。同時(shí)矢量水聽(tīng)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(wèn)題。我國(guó)雖然早在“八五”期間便開(kāi)始了壓力梯度式振速水聽(tīng)器的研制，在1997年又引入了俄羅斯的矢量水聽(tīng)器技術(shù)，同時(shí)國(guó)內(nèi)外多家單位也開(kāi)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(guó)家相比，還只能說(shuō)是剛剛起步階段。如何更好的應(yīng)用矢量水聽(tīng)器進(jìn)行測(cè)向，具有非常大的發(fā)展空間。