国防科普加油站（10）智能声呐系统：洞察海底世界于“秋毫”

“你只有探索才知道答案。”这是科幻小说《海底两万里》中的一句名言。海洋浩瀚无垠，海底世界无比丰富，如何探索其中的奥秘，得到答案呢？

说到这里，许多人马上就会想到“声呐”。没错，这是一种利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理探测各类水下目标的位置、类型、运动方向等属性的技术。对海底世界的测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段，声呐也就成为了海洋技术装备中应用最广泛的一种装置。

声呐技术的发展至今已有100多年的历史。自第一次世界大战被用来侦测潜藏在水下的潜水艇开始，声呐就一直是各国海军进行水下监视、侦测、攻防的主要技术手段，如对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信、导航；保障各类水面舰艇、水下潜艇、以及反潜飞机的战术机动和水中武器的使用等。在民用方面，它用于探测鱼群、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌勘测等。由此可以看出，声呐技术不仅在海洋军事行动和海战中有着至关重要的作用，在经略海洋、发展国民经济等方面同样不可或缺。

随着人类对海洋的认知与探测技术的进步，从最初“水听器”发展而来的被动声呐，到有目的发射声波的主动声呐，再到两者相结合的声呐系统，尽管技术不断进步，但传统声呐系统仍然难以满足探索的需要。因为，海底世界实在是太复杂了，潜艇等水下武器与各种反潜手段更是上演着“魔高一尺，道高一丈”的对抗戏本。

然而，科技的进步是无止境的，随着计算机技术、人工智能等现代科技的发展，新一代的智能声呐系统已成为集声学、海洋科学、电子科学、计算机科学等众多学科于一身的水下信息处理系统。这种基于学科交叉的新型声呐技术，不仅比传统声呐更加“耳聪目明”，而且拥有聪慧的“大脑”。那么，它是如何实现的呢？

人工智能，赋予声呐智慧“大脑”

人工智能诞生于1956年，它的实质是模拟人的思维过程。人的大脑在日常生活中，对不同的事物或信息，会产生不同的体验，并留下自己的印象或者记忆，形成经验。当再次遇到类似的事物或信息时，先前的经验会被再次唤起，并产生一系列相应的判断与处理方式。以机器学习为代表的人工智能模拟了这一过程，它借鉴人脑的神经系统，并将其抽象化为数学模型，然后使用不同类型的数据，让计算机发掘它们的差异，形成不同的“体验”，并通过调整计算方法，形成“记忆”，当未知类型的数据输入时，调整后的计算方法会凭借自己的“记忆”，给出自己的处理结果。

近年来，随着人工智能技术的快速发展，海洋科学家开始将声音信号的识别与人脑思维规律结合起来。那么，通过模拟人脑对声音的处理过程，赋予声呐“大脑”，是否可以实现声呐技术的新突破呢？

一般情况下，只有同时掌握了海域的海面、海体和海底的具体情况，才能比较准确的掌握某一海域的声学环境。然而，在现实情况下，由于海洋时空的变换，完整获取以上三方面信息往往很困难，这就极大的限制了人们探索未知海域的能力。但是，困难没有阻挡往科学家探索求知世界的步伐。近年来，科学家已成功将人工智能引入声呐系统，运用其中的机器学习技术设计出了多种声呐定位算法，并结合海试数据验证了智能声呐算法的性能优势和应用潜力。未来，装备了人造“大脑”的智能声呐系统，就如同一位经验丰富的老水手，具备很强的环境适应能力。如果将其应用于海战系统时，可以帮助战斗人员增强对未知环境的适应性，它既可以使海上作战系统绕开环境信息缺乏的阻碍，利用有限的声学数据还原目标的声学特征，有效的实现水下目标定位，又能在声学情报与实际环境出现差异时，通过智能声呐定位技术能够修正先验信息中出现的误差，使海上作战系统逐渐回归正常的轨道。如今，在机器学习与声呐技术这一新兴学科交叉方向，其研究呈现出方兴未艾之势，推动智能声呐研究进入了快速发展的新阶段。

高分辨水下成像，让声呐“明察秋毫”

智能声呐系统要在大海中明察秋毫，仅有聪慧的“大脑”不够，还要有一双看得清、辨得明的“慧眼”，实现对水下目标的高分辨成像。于是，科学家将具有高分辨成像的合成孔径雷达技术引入到声呐系统中，并将侧扫声呐及合成孔径声呐结合在一起，这样就使智能声呐系统拥有了一双明察秋毫的“慧眼”，具有了水下高分辨成像的本领。

为什么要将侧扫声呐及合成孔径声呐结合在一起，才能实现快速高效的成像呢？这就是人们常说的“各取所长”和“强强联合”。

侧扫声呐技术采用传统的回声测深原理，具有探测速度快，能够快速定位目标的优势。与普通声呐不同的是，它向海底发射的探测声波呈扇形，并在海底形成长条形投射区。随着声呐设备在探测过程中的不断移动，海底的目标就能像拼图一样被细分成许多块，能将目标的细节特征以及高度信息一一捕捉，在这张“拼图”上，既有捕获的海底不同物体的形貌特征，还能帮助人们识别探测目标的种类，如同阳光洒在大地上所呈现的色彩缤纷的光学世界一样。不仅如此，它过可根据不同的探测目的，选择不同频率的发射波束，通过对不同的物质对不同频率的声波的散射强度，使漆黑的海底也能变得“五彩斑斓”。相比之下，合成孔径声呐则具备更清晰的成像能力。它利用小孔径基阵的移动来获得方位方向的高分辨力，能实现更宽的探测范围，还能利用低频段的声波探测到被泥沙掩埋的目标，就如同给海底探测器装上了一副X光机，帮助人们探测到大洋中更多的奥秘。

利用侧扫声呐获得的水底飞机残骸的像

目前，以侧扫声呐与合成孔径声呐为代表的高空间分辨智能声呐系统，在海洋测绘、勘探领域已经得到成熟的应用，如用来钻探发现海底的“可燃冰”资源，协助潜水员执行水下搜寻救助作业，国外研究机构还将合成孔径声呐技术与水下潜航器相结合构建新型水下成像系统，促进水下无人作战能力的增强。总之，拥有高分辨成像能力的智能声呐，让各类水下目标“显露于形”已不再是神话。

多方位融合，打造声呐“多面手”

大家知道，传统声呐系统的工作方式有主动式和被动式两种。主动式声呐像是正在探路的蝙蝠，一边自主发射声波，一边接收回波，以此刻画目标区域的基本特征；被动式声呐像是“顺风耳”一样的倾听者，将目标区域发出的所有声学信号收入囊中，从嘈杂的声音中发现目标的“蛛丝马迹”。随着现代科技的发展，但这两种声呐的缺点也越来越突显出来，特别是在潜艇降噪技术和潜艇战术不断进步的背景下，单一工作方式的声呐的局限性更是显而易见：主动式声呐由于收发合置（声波的发射与回波的接收均在同一处），工作时容易暴露自身方位，而被动式声呐在面对安静型潜艇时，探测能力捉襟见肘。

面对日趋复杂的海战环境，现代智能声呐系统一大优势是，能够利用多平台融合技术实现声呐平台的“联动”。以目前常用的声呐平台如岸基式、舰载固定式、舰载拖曳式和航空式为例，它们各具优势，也各有不足。岸基式声呐机动性差，一旦暴露即失去存在价值；舰载固定式声呐极易受到舰艇自身噪声的干扰，且尺寸有限，探测能力受限；舰载拖曳式声呐机动性差；航空式声呐在使用时容易受天气影响，探测区域和探测深度均受限。如今，科学家借鉴参照物联网的思路，将主被动声呐系统、多平台声学传感器整合进一个互联网络，使网络中的主动式声呐、被动式声呐可以随时切换，舰载声呐、岸基固定阵声呐、航空式声呐等同时作用，相互补充，对海面、海底和海体全海域空间实施全面覆盖，通过内部互联网络实现水下声学数据的共享，就打造出一套具有多种功能的智能声呐系统。

智能声呐系统概念图

这种多基地、多方位相融合的智能声呐系统，国外军事强国自冷战结束后一直在进行研究和探索，在“海网”、“近海水下持续监视网”等水下网络项目取得长足进展。以国外“海网”为例，该系统由岸基固定式节点和潜艇、潜航器、海底爬行车等移动节点组成，各节点之间通过水声通信链路相连，可以实现不同节点之间的数据实时共享。借助该网络，潜艇便不用大费周章地获取水下的声学信息，并能与其它海陆空天平台共享，提高反潜作战能力。而“近海水下持续监视网”则通过潜艇释放多个无人潜航器构建一个临时的动态水下网络来获取周遭海域的声学信息，并诱使敌人提前暴露以抢占先机。据报道，国外的“近海水下持续监视网”已经基本具备作战能力。(作者：王握文、毛元昊、王疆一 来源：国防科技大学“科普中国”共建基地)