水声信号处理领域若干专题研究进展

水声信号处理领域若干专题研究进展

李启虎

（中田科学院声学研究所１

摘要本文介绍了当前水声信号处理顿域中的一些最新研究成果。其中主要涉及水声通信、台成孔径声纳（曼ＡＳ）、数据融台问矗，大洋声层折、水下ＧＰＳ系统和安静型潜艇辐射臻声的翻量等．可供我田高技术跟踪技术决蘸怍参考．、ｊ关键词：水声信号处理？专题研究进展

中豳分类号：ＴＢ５６

１前言

水声信号处理是海洋领域乃至信息领域最为活跃的学科之一。随着２１世纪的到来，海

洋开发和信息科学的快速发展对水声信号处理技术提出了越来越高的要求。同时，巨大的

需求牵引又强有力地拉动水声信号处理技术的发展．国民经济和国家安全迫切需要水声信号处理技术提供新的更先进的手段，以便解决日益增长的需求．

美国ＩＥＥＥ协会为纪念信号处理领域发展５０年来的成就，组织了一批批专家编写了一系列的综述文章．其中就有水声信号处理（见中科院声学所编译的文集“水声信号处理的

过去、现在和未来”，１９９５年５月，北京）。本报告不准备涉及水声信号处理的各个课题．

而是有选择地介绍当前的几个热点问题，其目的是为我国海洋８６３和国防预研项目提供原

始资料．为２１世纪初水声信号领域课题的选择提供一些背景资料．这些专题包括水声通信、

水下ＧＰＳ系统、合成孔径声呐（ＳＡＳ）、水声信号处理中的数据融台问愿、大洋声层折和安

静型潜艇辐射噪声的测量等等．水声信号处理所涉及的问题非常多，要在～份报告中作全面．系统的阐述是十分困难的．我们试图介绍一些最新研究成果，为我国的高技术跟踪计

划提供决策参考。

２水声通信

由于电磁波在海水中传播时衰减严重，所以在海洋中的检测、通信、定位和导航主要

利用声被．声波是目前人类己知的水中信息传输的主要载体．随着海洋开发的迅速发展，对水下声通信的要求越来越迫切，从技术原理来说，水声

通信可以看作是主被动声呐技术的结合．比如要选择合适的发射信号向水中发射（主动声

．，·呐），又要有适合的接收机接收信号（被动声呐）．但是水声通信又有自己许多独特的特点，如长脉宽的编码序列、解码技术等．

水声信道远远不如电磁波的升质大气或真空那样，允许非常多的信号通道。水声信号

可以利用的频率范围非常窄，这使得水声通信声呐和定位声呐联合工作非常困难，水下远

距离传输的水声信号频率通常在１０ｋＨｚ以下．如果把要求放宽．水声通信可以用的频率也不超过５０ｋＨｚ．

西方国家对水下数字迥信的频率有一个大致的规定，即水下声音通信的带宽为２００—

３４００Ｈｚ·采样频率为８ｋＨｚ，这与艋地上ＡＴ＆Ｔ规定的数字音频通信是～致的。此外，对其它种类所使用的频宰规定如下：

水声信标（浮标）：１０ｋＨｚ紧急救援：１３ｋＨｚ潜水钟：３７．５ｋＨｚ北约（ＮＡＴＯ）水声通信载频：１８．０８７５ｋＨｚ商用水下载体：２５ｋＨｚ英田皇家海军：４０．２ｋＨｚ

北约海军：４２ｋＨｚ

美国海军实验室（ＯＮＲ）从１９９７年开始．资助水下通信研究项目（Ａｃｏｍｍｓ）．军事应

用包括：潜艇一水面舰艇；潜艇一潜艇；潜艇ｕｕｖ（水下无人载体）；潜艇和分布式传感器

的敷据联络．

第一个水下电话是ＡＮ／ＵＱＣ－２，１９４０年开始使用，工怍于８－１２ｋＨｚ，单边带调制。１９９７年美国科技需求导引ＳＴＲＧ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＮａｖｙ，ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＧｕｉｄａｎｃｅ）指出．和平时期加强发展有效的水声通信至关重要。ＯＮＴ的Ａｃｏｍｍｓ计划包括以下课恩：数据压缩，编码，调制，变换。渡柬成形，同步，

均衡，检测，解调制，解码，解压缩．数据显示．该计划的研究工作分为三阶段．即：

基础研究编号６．１；应用研究编号６．２：先期开发编号６＿３

目前已经取得的阶段性成果有：

＋美嗣东北大学和Ｄａｔａｓｏｎｉｃ公司联合开发的调制器．用Ｈａｄａｍａｒｄ码，ＡＴＭ－８７５水声

调制解调器，最大声源级１７５ｄＢ．８－４ｋＨｚ．最大传输率１２００ｂｉｒ／ｓ．

＋Ｓｐａｃｅ＆ＮａｖａｌＷａｒｆａｒｅ系统中心．ＭＦＳＫ调制．当ＳＮＲ为８ｄＢ时．误码率为１０＂５。

·ＬｏｃｋｈｉｌｌＭａｒｔｉｎ公司，研究跳频、频谱扩张和自适应信道均衡技术．

，水下图象压缩技术，ＦｌｏｒｉｄａＵｎｉｖ．压缩比４００：］。

＋ＷｏｏｄｓＨｏｌｅ研究所．声学Ｍｏｄｅｍ，有两种调制方式，ＭＦＳＫ（１０－１０００ｂｐｓ）及ＰＳＫ

一３一（２５００－１００００ｂｐｓ）载频为３０ｋＨｚ．接收机声功率４Ｗ，休眠状态只需０．０５ｒｏｗ。

ＯＮＲ还支持一个“先进技术演示”计划（ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ）．１９９６年ｌＯ月开始。主要用于潜艇和水面舰艇之间的宽容性、实时声音与ＦＡＸ通信，频率２－４ｋＨｚ，

距离可达３７·１２４ＫＭ；视频通信．距离３．７．５．６ＫＭ，频率２０－４０１０ｔｚ．声音和文本传输为

２４００ｂｐｓ，视频传输率为１００００ｂｐｓ，所用的算法是９０年代中期由ＭＹＩ＂，ＮＥＵ，ＷＨＯＴ开发

的。它的特点是传输的信号形式是打包的，先有一个ｐｗｂｅ信号用于同步。接着是一个训练

序列，然后才是实际信号。

３合成孔径声呐（ＳＡＳ）

ＳＡＳ的研究是近年来水声信号处理领域中非常活跃的课题（见“台成孔径声呐（ＳＡＳ）发展

战略研究”，声学所技术报告。１９９９年１月）．但是我们难得见到美田研究情况的报导，前

几年的有关报导丈部分来自ＮＡＴＯ的西欧成员宙或新西兰。今年．美固专家终于公布了他

们白１９９５年以来的研究成果．从报告中可以看出．他们所达到的指标已相当惊人。

美国ＳＡＳ的主要研究部门有两个，一个是ＲＳＣ（ＲａｙｔｈｅｏｎＳｙｓｔｅｍｓｃｏ．）另一个是ＤＴＩ

（ＤｙｎａｍｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［ｎｏ．），他们在１９９５年末和美国国防先进计划署（ＤＡＲＰＡ，Ｄｅｆｅｎｓｅ

ＡｄｖａｎｃｅｄＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓＡｇｅｎｃｙ）签订合同，要研制沿轨（Ａｌｏｎｇ－ｔｒａｃｋ）分辨为１００ｍ，

作用距离１０００米的ｇＡＳ，ＤＡＲＰＡ系统的直接目的是猪雷．所用频率为５０ｋＨｚ，此外美国

国家防务中心海洋科学重点研究计划（ＣＥＲＯＳ）还安排了夏威夷渊的一个ＳＡＳ计划，用于

探测水下不明武器（ＵＸＯ，ＵｎｅｘｐｌｏｄｅｄＯｒｄｎａｎｃｅ），所用频率为１２．５ｋＨｚ·

这两个系统的技术系数如下表：

频率

带宽

波速宽

Ｄｏｐｐｌｅｒ声呐拖体

实时通道

深度

拖曳速度

重量

基阵ＤＡＲＰＡ

５０ｋＨｚ

２ｖ１０Ｈ

ＲＤ｛

重型

１６ＣＥＲＯＳ

１２．５ｋＨｚ

８ｋＨｚ

６４ｖ，８４Ｈ无

重型＆零浮力

６４５０米

２．ＩＯ节

１５００ｋｇ３２基元ＰＶＤＦ

．９．信号处理机ＰＣ，ＬＩＮＵＸ系统

拖体长５．５米，高１．５米．拖体有翼可以在０－９０。内调整工作方式。ＲＳＣ用的是时域波束成形，ＤＴ！用的是频域波束成形。

猎雷ＳＡＳ和ＵＸＯ搜索ＳＡＳ系统，在ＷａｓｈＬｎｇｔｏｎ湖（水深６０米）作实验，基阵用５０ｋＨｚ

猎霄ＳＡＳ基阵．３个直径为２０ｃｍ的球．分开２０ｃｒａ及４０ｃｍ，放在混底，可以清楚区分开。

另一次实验．在Ｄａｂｏｂ湾，探测ＭＫ６浮雷，分辨率为１０ｃｍ．

实验证明，ＳＡＳ与常规侧扫声呐相比，在同样分辨率下，作用距离大约是后者１０倍，

在Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ湖，一架沉没的ＰＢＹ－－４飞机，用ＳＡＳ可以成像．虽然该飞机的图像已被其它类型的声呐在１００米距离成像，但ＳＡＳ却可以在１０００米远处获得图象（ＳＡＳ可阻看到飞机

内部的横粱和外部结构）。

在研究成果上可以与ＲＳＣ６、ＤＴＩ相媲美的是ＳＡＭＩ计划（ＳｙｎｔｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＭａｐｐｈＩｇａｎｄ

Ｉｍａｇｉｎｇ），用于研制宽带合成孔径声呐，由欧洲委员会支持·计划实施时间为１９９３年９月至１９９６年８月．欧洲有两个大学实验室（法国ＬｙＯｎ大学，英田新堡大学），两个研究中心

（法国ＩＦＲＥＭＥＲＲ，丹麦海洋研究所）和一个工业企业（丹麦ＥＳＯＮ公司）参加．

ＳＡＭＩ的前身为Ｅｃ支持的ＡＣＩＤ（ＡｃｏｕｓｔｉｃａｌＩｍａｇｉｎｇＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）计划．ＳＡＭＩ利用

一种自聚焦动态波束成形算法．使母船的运动引起的误差不致影响拖体－

样机的主要参数如下：

中心频率：Ｌ２ｋＨｚ

带宽：５－１０ｋＨｚ（－６ｄＢ点）

发射电平：２１８ｄＢ

信号形式：ＬＰＭｌ０－１００ｍｓ

周期：Ｏ．３４０－６．８ｓ

ＴＶＧ律：３０１０９Ｒ＋１．２Ｒ或２０１０９Ｒ＋２．２Ｒ

拖体长：４ｍ

最大深度：＜２５０ｍ

拖速：３节

工作距离：１００．２５００ｍ（典型７５０ｍ）

发射／接收阵高：ｏ．２６ｍ

中心距离：０，２５ｍ４

沿轨分辨力：ｌｍ

截轨分辨力：ｏ．３ｍ

·１０·扫描覆盖率：２，７ＫＭＶｈ

ＳＡＭＩ信号处理机基于Ｔｎｍｓｐｕｔｅｒ．可合成阵长为７５ｍ的基阵．

１９９５年夏－１９９６年夏曾在地中海进行过两次海试，深度１００．２５００ｍ，试验地点为尼斯

外海，就是ＩＦＲＥＭＥＲ研究所进行新声呐试验的ＣａｎｙｏｎｄｕＶａｔ海区．在该海区ＳＡＭＩ所得

结果太体相同。其分辨率比常规声呐高出２０００倍。

ＳＡＭｌ与其它旁侧声呐性能对比见下表．

ＧＬＯＲ＾ＳＥＡＭＡＲＣＳＩＭＲＡＤｌ丑ＥⅢＳＡＭｌ’ｒ０ＢＪＳＹＳ０９ＨＩＩＭＳ９９２ＨＳ阵长（米）２，２’Ｉ５．３３３８３３０７９０．６６１

频率（ｋＨｚ）５－１０６．６１Ｉｔｌ２３０９，１０１２们３０５００脉冲重复率０．７２¨０１．１６４０．１６．１９０．７＂．５

（秒）

速度（节）３１２９１．５·２．５８ｊ２．５１６

波速宽（弧度）０．０９４０．０４３０．０３６０．０１９００４４０．０１３．００５０．００３

斜距ｆ米）５００３００００１００００３０００２００００５００／２００１００

扫描覆盖率ｌ如０３６００００８０００６０００１７００００１２５０／５００１６００

（州ｓ）

分辨力（牢）１１０．５１２９０Ｊ８０２８．５８舳７／０．７０．３

ＡＣＰ，／分辨力１５００，３００２７９４４４２１０１９３１７８，７１４５３３３

（ｍ／ｓ）

４水声数据融合

水声信号处理中的数据融合问题是早已存在的，但是直到近２０年才变得引人注目起来。其原因是，对于比较简单的信号系统，输出信息比较单一，数据融合工作由声呐员来承担，

但是．随着声呐系统日趋复杂，输出信息量大幅度增加，单靠人类大脑进行融合已属不可

能，于是由信号处理系统自身进行融合就非常必要了．这种情况有点类似于后置处理中的

自动判决．当声呐系统关于目标是否存在或目标类型、方位的信息较少时，由声呐员进行

判别是可以的，但是当分辨单元超过一定数量之后，只能由机器进行自动判决了·

数据融台也称信息融台，它是把来自多传黪器、多基阵（或同一基阵不同层次）的信

息进行同化、分类、归并、拟合从而作出判断的一种技术．

在海洋领域早就开始对来自卫星测量数据和浮标测量数据的融合。用得较多的方法是