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1776年7月4日，美国人戴维特.布什内尔利用自己制造的“海龟号”对企图侵占纽约的英国水面舰艇成功地进行了袭击，从而揭开了水下战斗的序幕。这是潜艇，它可以在需要的时候沉入水面以下。目前，下沉最深的潜艇可以潜入水下600米，由于它的隐秘性，令对手防不胜防。第一次世界大战，潜艇得到了广泛地应用，并取得了辉煌的战绩。 据统计，大战期间，各国潜艇共击沉192艘战斗舰艇，运输船约6000艘。特别是德国在1917年2月发动的无限制潜艇战中，德国海军投入了大约100多艘潜艇，仅英国就损失了169艘商船，而造船厂补充的船只远远跟不上被德国潜艇击沉的船只的数量，这一点几乎使英国被迫求和。 第二次世界大战，潜艇在技术性能和海战战术等方面均有了很大的改进和发展。战争初期，德国潜艇不仅袭击军舰，而且还疯狂地攻击商船。仅1939年9月，德国潜艇共击沉同盟国和中立国的船只41艘，15.4万吨。到年底，德国潜艇击沉的船只已达114艘，总吨位达42万吨以上。对盟国的海上运输生命线构成了极大的威胁。 为了使航行在生命线上的舰艇和商船不受德国潜艇的攻击，从一战开始，英国人就绞尽脑汁，研制发现潜艇的设备，并在1917年研制出可以接收1500米处潜艇反射信号的新仪器。这可以说是现代主动式声纳的雏形。 用于探测的声纳一般分为二类：一类叫做主动声纳，也叫做回声声纳。它由发射器发射具有特定波形的声信号，声音在水体中进行传播，遇到目标产生反射回波，接收器接收回波信号并进行处理，就可以得到这个目标的信息；另一类叫做被动声纳，也称做噪声声纳。它本身不发射声波，只是接收水中目标所辐射的噪声信号，并通过处理来得到这个目标的信息。 30年代，为了对付潜艇的攻击，盟国海军已经大量地装备了声纳。在第二次世界大战中，随着战争的进行，各海军强国在声纳方面的研究投入了大量的人力物力，使声纳的质量有了明显的提高，并最终成为盟国海军攻击德国潜艇的一张王牌。 1943年5月第一个周末，德军派出36艘潜艇，企图截杀盟国东行的HX—237快速护航运输队和SC—129慢速护航运输队。英军则派出“赫斯佩鲁斯”号驱逐舰等舰艇进行护航，舰队司令是唐纳德.麦金太尔海军上校。5月11日，“赫斯佩鲁斯”号驱逐舰的声纳首先发现了目标——德军潜艇U—223号，并向U—223号投放了深水炸弹。巨大的爆炸声中，德军潜艇U—223号受到重创，潜艇激烈地震荡起来。为了摆脱声纳的搜索，德军潜艇U—223号迅速下潜，并低速行驶，以求降低潜艇螺旋桨转动发出的微弱声响。然而，一切都太晚了，英军驱逐舰已经用声纳将德军潜艇U—223号牢牢“盯”住，并进行了第二轮攻击。在两天的反潜战斗中，唐纳德.麦金太尔的“赫斯佩鲁斯”号驱逐舰借助声纳的帮助，准确出击，取得了辉煌的战绩。而德军潜艇却迫于损失惨重的压力，只好垂头丧气地撤出了战斗。 声纳的出现，对潜艇构成极大的威胁，成为潜艇最大的克星之一。为了提高潜艇的生存能力，二战中各国都想方设法制约对方声纳的探测，这就产生了（水声）对抗。 水声对抗就类似于空间的电子战，实际上是海洋空间中的一种声学战，主要利用水声学原理，在海洋环境中用水声对抗装备以及隐身、降噪等手段，来欺骗、干扰、破坏和削弱敌方声纳的探测、跟踪以及水中声制导兵器的攻击。水声对抗的装备主要有：水声侦察设备、声诱饵、潜艇模拟器、声干扰器以及气幕弹。随着潜艇、鱼雷、水雷等水下武器装备的发展，电子战的领域从空中扩展到水下，由于声纳是利用舰船自身发出的声波或者反射的声波来探测和识别目标的，因此，降低潜艇在水中运行的噪音是早期水声对抗的主要内容。 二次大战期间，美国海军根据实际潜艇噪声测量结果，有针对性地采取降噪措施，降低潜艇辐射噪声。而德国发展了一种不反声的潜艇覆盖材料，它是一层穿了孔的像皮，这层橡皮贴在潜艇的外壳上，外面再贴上一层薄的硬橡皮，使海水和空气隔开，起到了很好的降噪作用。 二战后，随着科技的发展，隐身降噪技术得到了飞速发展。1968年的一天，英国某军港，一艘新型核潜艇正在下水。岸上的人群和潜艇上的官兵兴高采烈。而前苏联海底声纳网的监控人员却急得满头大汗。前苏联一直依靠强大的声纳网通过监听美国、英国战略导弹核潜艇水下运行的噪音来监视它们的行动。可这次眼看着这艘英国核潜艇下水，却怎么也搜寻不到它的信号。原来英国科学家们使用减震合金来研制这艘核潜艇的螺旋浆，使其水下运行的噪音大为降低，从而大大提高了核潜艇的生存能力。 从六十年代起到目前为止，潜艇的噪声降低了有35dB，致使对潜艇的检测距离由数百公里缩到不到几公里，甚至出现前苏联潜艇与美国潜艇相撞的事件。 水声对抗的另一种方式就是使用对抗装备，二战后期诞生了潜艇模拟器。潜艇模拟器主要利用模拟潜艇的声、磁一些机动特性来形成一个假目标，欺骗敌声纳和声制导兵器的探测、攻击，从而可以隐蔽我方的作战意图。二战期间，德国潜艇进出基地必须经过比斯开湾，同盟国为了保证其海上交通运输线的安全，阻止德国潜艇进入大西洋，加强了航空兵对比斯开湾的封锁。一时间，比斯开湾成了潜艇与反潜斗争激烈的场所。为了保证潜艇能顺利通过，德国潜艇司令官邓尼兹费尽了心机，想出一个办法，把作战潜艇改装成“诱饵”潜艇，用这艘诱饵潜艇专门吸引同盟国的飞机与之交战，从而到达掩护其他潜艇通过比斯开湾海区的目的。 1943年5月22日，“诱饵”潜艇投入使用，并于24日与英军飞机进行了激烈的对空战斗，尽管“诱饵”潜艇受到重创，但是却成功地掩护了其它潜艇的作战意图。一种诱骗式的潜艇，可以说是现代潜艇模拟器的前身。随着科学技术的发展，潜艇模拟器得到了飞速的发展，现在的潜艇模拟器不仅可以模拟声场，还可以模拟磁场，从而可以对敌方的声探测设备和磁检测设备进行欺骗干扰，以达到隐真示假的目的。 1982年5月2日，阿根廷最大的水面战舰“贝尔格拉诺将军”号巡洋舰自持有护航舰保驾护航，在马岛以西英国海军宣布的200海里的海上禁区边缘30海里处，观察英国舰队的动静。一切似乎平安无事，但是正当“贝尔格拉诺将军”号缓缓航行时，在马岛西南244海里处英国海军的“征服者”号攻击型核潜艇早已悄悄地跟踪上了它。不久，两枚鱼雷破壳而出，将阿根廷唯一的一艘13600吨的重型巡洋舰“贝尔格拉诺将军”号击沉海底。 几乎与此同时，阿根廷的“圣露易斯”号护卫艇也对英国舰船发射了三枚制导鱼雷，但阿根廷发射的三枚鱼雷全部像瞎了眼睛一样，在英国舰船的船尾附近绕起了圈子，并最终自毁身亡，而英国舰艇却安然无恙。同样是鱼雷进攻，而结果却大相径庭，主要原因就是英国舰艇都装备有拖曳式声诱饵，而且几艘大型辅助船也临时加装了这些拖曳式诱饵。正是这些声诱饵的帮助，才使得阿根廷的三次鱼雷攻击无一命中目标。 除了声诱饵之外，水声对抗的设备还有声干扰器、气幕弹等。 声干扰器主要通过发射强噪声来干扰敌方声纳和鱼雷的正常工作，降低其探测和跟踪能力，甚至可使声纳或声制导兵器丢失目标，从而提高本舰艇的生存能力。 气幕弹也可以叫做气体发生器，它主要是一种化学物质，到了海里以后，跟海水起化学反应，产生大量的气泡，形成具有一定几何层次的气泡幕，这种汽泡幕对声纳和鱼雷的声探测和跟踪具有声屏蔽、声反射能力。从而可以掩护舰艇迅速规避声纳探测和鱼雷攻击的目的。 主动声纳很难被干扰，但开启主动声纳会暴露自身位置，结果就是受到被动声纳制导鱼雷的攻击，不过主动声纳往往是确定潜艇目标的最常用手段，往往是在准备好发射反潜武器后才短时间开启，一旦确认目标完成定位就立即发射武器攻击。 对付主动声纳有主动与被动手段，主动手段除了发射声纳制导鱼雷回击之外还可以发射气泡幕，在潜艇表面形成气泡包围，气泡可以产生大量噪音有效隔绝淹没主动声纳信号，使其不能精确定位，但会暴露大致方位，有一种反鱼雷武器干扰雷是在遭到主动声纳制导鱼雷攻击时与诱饵雷一起发射，诱饵雷模仿母艇的声响特征，而干扰雷则在攻击鱼雷前方产生大量气泡成为小气泡墙，一旦攻击鱼雷陷入气泡墙就会产生声纳迷茫丢失目标方向，穿过气泡墙后往往诱饵雷会成为最近的理想目标。 被动手段就是利用事前了解的水文资料将潜艇潜到一定深度利用不同深度的水的密度盐度的差异产生的声波折射层使主动声纳信号产生折射和散射,从而干扰对方的接收效果。 被动声纳收听的是单点目标发出的声响信号，由于水下单点目标运动速度不会很快，而声响信号往往是连续的，被动声纳可以通过将多次收听的信号叠加形成强信号特征，拖拽声纳更可以用较长的天线阵列收听同一个声波信号，接收性能更强大。 美国与俄罗斯潜艇碰撞,特别是俄罗斯潜艇的噪音大大减少之后，潜艇水下对抗有其独特的战术方式, 战时和冷战时期都很不一样，其中大有文章。详细的这里不多说，就只说压迫战术。敌我潜艇在水下对抗也讲阵位，一般要尽量避免被敌艇占据后方位置，因为这样会使本艇主动还击的机会少而敌艇主动攻击的机会大，螺旋桨在后也会成为敌鱼雷最好的目标导引，本艇后置的鱼雷发射管少且再装填困难,发射机会没有敌艇的前发射管多，因此一旦被敌艇占领后半球阵位就要改变本艇姿态改善战术态势，如果敌艇是双艇巡逻,其中一艇静漂侦听，另一艇频繁追逐甚至高速逼近威胁冲撞就会迫使本艇作出相应机动，这时候本艇的机动声响特征信号就会被静止侦听的潜艇所记录，这种记录经分析过滤后证实目标艇的种类型号甚至艇号之后会被存档分发到所有反潜部队，以后就可以侦察同一潜艇的出没记录，在战时也可以第一时间分辨攻击，例如美军就有前苏联几乎所有弹道导弹核潜艇的声纹资料，这是冷战期间长期高针对性抵近侦察的成果。 潜艇高速前进时是没有办法从声纳得知外部环境信号的,因为其声纳信号天线都被自身的信号淹没了,但有高性能计算机的话可以从目标以前的声响速度轨迹预测其以后的轨迹位置。从而实施针对性的重启动侦察或干扰 随着科技的不断发展和完善，各国在大力发展“软杀伤”武器的同时，也在抓紧研制反鱼雷鱼雷，反鱼雷深弹，反鱼雷网，电磁加速鱼雷摧弹等“硬杀伤”装备。这一系列新技术装备，主要用於对鱼雷进行拦截摧毁。另外，声信引爆技术、磁异常引爆技术等“软”、“硬”兼施的杀伤手段，各国也在积极研制当中。总之，21世纪的水下攻防技术将实现现代信息探测，水下通信，隐身、规避决策技术，系统对抗和快速反应，多点干扰和诱骗、杀伤等多种方案的优化选择和多种关键技术的突破。可以预见，未来的海底世界，必将成为各国竞相争夺的重要军事领域。占地球表面积极70.8%的蔚蓝色海洋里，将更加变幻莫测和不平静！ 早期的特征分析主要利用信号的自相关函数或功率谱估计或AR模型等。基本上是基于对噪声的平稳过程和线性过程的假设。而实际的水声目标辐射噪声不仅发声机理十分复杂，而且成分多样，如舰船的辐射噪声中既有机械噪声、螺旋桨噪声还有水动力噪声，既有宽带连续谱分量、较强的窄带线谱分量又有明显的幅度调制成分。水声信道受声速分布、海面波浪、海底底质、海底的凸凹不平、海水介质不均匀、内波及声源运动等的影响表现得十分复杂，是时变空变的信道。在海洋中，存在着海面、海底和声速剖面，这使得水声信号的传播是多途径的。受这些复杂因素的影响，实际的水声信号具有较强的时变特性和非高斯特性。不论时域特征还是频域特征都不能准确地描述水声信号特性。 为突破以往研究中平稳性的假设，人们又采用时一频分析方法来分析水声信号，并提取一些时频联合域特征。得到广泛研究的时一频分析方法有短时傅立叶变换(STFT)和wigner一Ville分布。小波分析技术本质上也可以归属于时一频分析范畴，所不同的是把传统的频率概念换成等Q因子的概念。但是，无论是功率谱、时一频分析还是小波分析，它们都只利用了信号的二阶统计特性，因此它们只能对己知均值的高斯过程进行分析。 为突破高斯性的假设，人们又开始研究信号的高阶统计特性分析—高阶矩、高阶累积量以及它们所对应的高阶矩谱和高阶累积量谱分析方法。虽然早在60年代初研究人员就开始了对高阶统计量的研究，但限于当时的科技水平，高阶谱的研究和应用受到很大限制。80年代后期，高阶统计量、高阶谱分析技术和应用的研究受到雷达、声纳、通信等各研究领域所重视并得到了广泛应用。 水声学主要研究声波在水下的产生、传播和接收过程，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题,它是声学的一个分支学科。声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好，水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。 1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。1912年“泰坦尼克”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。 美国的费森登设计制造了电动式水声换能器，1914年就能探测到两海里远的冰山。1918年，朗之万制成压电式换能器，产生了超声波，并应用了当时刚出现的真空管放大技术，进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声纳。 随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声纳得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。 第二次世界大战以后，为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力，水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如：水声制导鱼雷，音响水雷主、被动扫描声纳，水声通信仪，声浮标，声航速仪，回声探测仪，鱼群探测仪，声导航信标，地貌仪，深、浅诲底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。 水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。 现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：新型水声换能器；水中非线性声学；水声场的时空结构；水声信号处理技术；海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；海洋媒质的声学特性等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。 水声换能器是发射和接收水中声信号的装置，应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。水是声阻抗率较高的媒质，因此要发射较大声功率就必须有较大的力。 常用的水声换能器按其基本换能机理分为可逆式和不可逆式两大类。可逆式(可作接收器)的有：电动、静电、可变磁阻(电磁)、磁致伸缩和压电水声换能器。不可逆式(不可作接收器)的有：调制流体(流体动力)、气动(如气枪)、化学能(如信号弹)、机声(如扫水雷声源)等。 20世纪60年代以来，为了实现声纳的远程探测，发展了不少新的换能材料、结构振动方式和换能机理；发展了工作在低频、宽带、大功率和深水中的发射器，具有高灵敏度、宽带、低噪声等性能的水听器；出现了新型的水声换能器，如复合压电陶瓷水听器、凹型弯张换能器、利用亥姆霍兹共鸣器原理制成的低频水听器、应用射流开关技术的调制流体式换能器、声光换能器等。 水声参量阵分为参量发射阵和参量接收阵两类。它利用声波在水内传播时产生的非线性相互作用。如发射器同时发出两个频率相近的高频波(又称原波)，由于非线性相互作用，则还产生差频波及和频波，这也可看作为一种新的转换概念，参量发射阵利用的就是差频波。 参量发射阵可分为原波饱和与无饱和两种情况(饱和是当声波的振幅足够大时产生的，这时，近场原波的振幅不再随声源振幅的增大而增大)，有四种典型模式：无饱和近场吸收限制、无饱和远场球面扩展限制、饱和近场限制、饱和远场限制。对这四种典型模式的理论研究结果与实验符合得很好。对无饱和的两种模式，差频波的声压都正比于两原波声压的乘积。 参量阵的主要缺点是效率很低，它的独特优点是可以利用小尺寸换能器获得低频、宽频带、低旁瓣或无旁瓣、探照灯式的尖锐波束，应用于需要低频高分辨率探测中。参量阵已进入实用阶段，特别适用于海底浅层地质的勘探、水下埋藏物的探测、浅海特定简正波的激励等。 参量接收阵近来也受到注意，其工作原理与参量发射阵相同，非线性相互作用在高声强的泵波和待接收的声波之间发生，在泵波的声轴上接收差频或和频信号。不过，参量接收阵的技术实现难度更大，实际应用为时尚早。 海洋及其边界(海面和海底)组成复杂多变的水声传播媒质，它的复杂多变性主要表现在随海区和季节而变化，从而有不同的传播规律。 从声源发出的声信号在传播过程中逐渐损失能量，这种传播损失分为扩展和衰减。扩展损失表示声波的波阵面从声源向外不断扩展的简单几何效应。但实际上声波经常是在类似于波导中的传播，可以在这种波导(称为声道)中定向性地传播很长距离。衰减损失包括吸收、散射和声能漏出声道的效应。造成吸收的原因是海水的粘滞性、热传导性、海水中硫酸镁和硼酸-硼酸盐离子的弛豫机构。吸收使声强以指数形式随距离下降，吸收系数一般正比于频率二次方，因此远程声纳都选用较低频率。造成散射的原因包括海中气泡、悬浮粒子、不均匀水团、浮游生物以及边界的不平整性，散射一般远小于吸收所引起的衰减。声能漏出声道的效应则因具体声道而异。 产生海洋传播声道的条件是海洋边界及特定声速剖面。声速剖面就是海洋的声速分层结构。海水中的声速是温度、盐度和静压力(深度)的函数。它大致分为三层：表面层、主跃变层和深海等温层。 表面层中的声速对温度和风的作用很敏感，有明显的季节变化和日变化。在表面层以下约千米深度内，温度随深度而下降，使声速也随深度下降，具有较强的负声速梯度，称为主跃变层。最下面的称为深海等温层，层中海水处于冷而均匀的稳定状态，声速随着深度的增加而增加。在主跃变层的负声速梯度和深海等温层的正声速梯度之间存在一个定速极小值(声道轴)，形成较稳定的深海声道——声发声道。 在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变异性和短时间不稳定性。但平均而言，仍有比较明显的季节特征。在冬季的典型声速剖面是等温层，在夏季往往是负跃层或负梯度。 在浅海，由海面和海底构成浅海声道，声波在声道中由海面和海底不断反射而传播。海底的声反射特性，特别是小掠射角的海底反射损失，是浅海声场分析和声纳作用距离预报的重要参量，它决定于海底的底质和结构。 当声传播水平距离不特别远(几百千米以内)时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段。 海洋中存在着大量散射体以及起伏不平的界面。当声源发射声波以后，碰到这些散射体，就会引起声能在各个方向上重新分配，即产生散射波。其中返回到接收点的散射波的总和称为混响。混响是主动式声纳的主要干扰。由产生混响的散射体不同性质，可分为体积混响、海面混响和海底混响。 对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面。混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。 随着声纳信号处理技术的发展，接收机输出数据率不断提高，靠声纳员来辨认出目标并测定其参量是很困难的，这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。 虽然水声信号处理的理论与雷达很相似，但由于水声信道的复杂性，仍有许多不同之处。 海豚也有这种声纳，那是由一位叫麦克布赖顿的人发现的。他为了捕获得海豚进行展出，在一个很狭长的水道上张网截击海豚，他先用细网目的网捕捉海豚，海豚总是捕不到，距网３０米远海豚就掉头而逃，他换大网目的网后，海豚就纷纷落网。他推测海豚也一定像蝙蝠一样有回声定位的能力，细网目的网会在网眼之间网络空气，使整个网形成一个空气层，海豚能探测得出；而大网目的网对声音无反向作用，所以它探测不出。可惜他的推测只写在“野外日记”里，直到他死后才被人发现。这引起了许多科学家的兴趣，谢维尔和凯洛格等开展了广泛研究，进行了多种实验，首先证实了海豚确有回声定位的能力。人们把海豚的眼罩起来，使它看不见任何东西，它仍然能在水里如天马行空，自由地游来游去。人们再在池里插上许多铁杆，杆上都有电铃，一碰到铁杆电铃就响，它仍然能绕来绕去，而且速度很快，尽管有时身体弯得很厉害，但从不会碰到铁杆；在夜间往饲养池里丢进它爱吃的鱼，它从相距２０多米远外立即扑过去准确地擒而食之，但用手拍击水面发出像投鱼落水相似的溅水声，它却无动于衷。它能从相距6-8米远处，分辨出哪是一条１厘米长的鱼，哪是一个同样大小的胶囊。 科学家发现，海豚能发出180千赫的超声波，也能听到并分辨这样高的超声波，频率越高分辨率也越高。海豚利用其灵敏度很高的“声纳”能精确地辨别方位，测定水深，识别海底性质、沉没物体的大小和性质，测量离岸距离，并能分出鱼、软体动物、甲壳类等各种食物。它能在蒙住眼的情况下在同样大小的玻璃、塑料、铝和铜板中把铜板找出来，它还能识别装在粗麻布袋里的各种几何图形，甚至把活塞装在金属筒里，它能探测出活塞在里面的不同状态，知道它是横躺着，还是斜歪着等。 海豚还可用这信号互相联系，因为在海里可视距离总是有限的，一旦分开来就只能靠这种信号联络。例如，母海豚召唤因调皮而离散的小海豚及小海豚寻找焦急的妈妈都用这种信号。它们也可以以此互相交谈，能探测出对方的身体状况，追逐到意中情侣，遇有危险或身处绝增时发出求救信号。 它们还能发出低声波，用于个体间长距离的通讯联络，这种声波在水中传播的速度约为在空气中的５倍，但衰减很慢，可以沿着海中的声道传播数百千米甚至上千千米远，可以和远在异地的个体互通消息。 海豚这种卓越的水下通讯的本领，很值得人们好好去研究，去学习，去仿效。 探测水声目标的设备主要分为两种。一种是主动声呐，一种是被动声呐。主动声呐是通过发射某种波形的声脉冲并接收由目标反射的回波来探测目标的。主动声呐很明显的缺点是可能会暴露自己，尤其是对水下航行器，主动探测不是一个好的方法。被动声呐的目标声源主要是水下物体辐射的噪声。目标噪声大致分为三大类。第一类是机械噪声，第二类是螺旋桨噪声，第三类是水动力噪声。 现代各项技术的应用，降低了目标辐射噪声，因此我们寻求目标其它的有效特征，改进探测目标的方法。目标除了辐射稳定的信号，还会发出瞬态信号。例如：水下航行器在深度改变时壳体发出的声音、目标发射声、水下爆炸声等等。 瞬态信号多被当作稳定信号的干扰，没有引起研究者的重视。然而，瞬态信号一般很难被抑制，可以在远距离被探测到，在对日趋安静的目标的探测和识别中，瞬态信号可以提供一些重要信息。 产生瞬态信号的平台有很多种，主要有水下航行器、水面舰船、发射目标、民用船只、生物和环境等等。 几种水声瞬态信号介绍 此类瞬态噪声包括两种形式，一是目标在水下被某种专用发射装置发射至水中产生的瞬态声（以下简称“类型一”），二是目标从空中投入水中所产生的瞬态击水声（以下简称“类型二”）。 类型一信号的特征如下：目标被压缩空气送出发射装置，所以首先会有大量气泡破裂产生的气泡脉动声，它的包络形状是先迅速变大，后逐渐消失的过程。经过一段时间，会出现目标启动航行，即目标开始航行、声强由小到大的过程。 最后是稳定的目标航行声。实际信号波形如图1。 类型二信号的特征如下：首先产生目标击水的声音，这是目标撞击水面的瞬间产生的，持续时间非常短，随后是气泡脉动声，它是由目标潜入水中形成的入水空泡破裂的声音。经过一段时间，出现与类型一同样的启动声和稳定的航行声音。实际信号波形如图1。
类型一信号波形
类型二信号波形 水声瞬态的种类有很多。除了提到的类型一、类型二信号，还有船体的撞击声，海洋生物发出的声音，船只前进状态的改变带来辐射噪声的变化等。瞬态信号表示一种突发的状态，它可以是任何物体发出的，产生的原理也是复杂多样的。 以撞击声为例，它是水下/水面目标受到外力碰撞时的振动引起的声波。这也是一类常见的水声瞬态信号。下图为某船体撞击声的时域波形。可以看出，撞击声上升沿的上升速度非常快，另外撞击声的出现往往以航行体的航行噪声为背景。而且，这类信号的出现是孤立的，它本身是一个偶然事件，并没有伴随信号，后续的信号也不会提供更多的信息量。
船体撞击声 通过对目标信号的描述，我们知道类型一、类型二目标的能量变化有阶段性，都是在出现瞬态信号后，在一段时间后会出现缓慢变大，渐趋稳定的信号。如图4-74所示，目标的这两个阶段关联性强，如果在扫描波束中记录到如图所示的能量变化趋势，将会对信号的识别提供重要的判据。
目标发射过程示意图
随着水声探测、识别和跟踪技术在各种作战平台探测器和鱼雷制导技术装备中的广泛应用，现代舰艇不仅在进攻手段上有了极大的提高，而且在防御手段上也得到了日益完善。具体表现在过去那种单靠机动摆脱敌方探测、跟踪或规避来袭鱼雷的办法在今天已经不能奏效，取而代之的是利用各种水声对抗器材对其进行干扰、迷惑和诱骗。 由于鱼雷作为攻击方的一种致命水下杀伤性武器，必然会激起防御方对鱼雷及其发射平台竭尽全力的防御；当前，各国海军都把海上作战中消除鱼雷的威胁集中在对鱼雷及其发射平台的水声对抗上，从而促使各种水声对抗器材的应运而生和迅速发展，因此，潜用水声对抗器材的种类也越来越多，性能越来越优越，并且正朝着监视、防御、对抗、反击一体化的方向发展。 潜艇水声对抗及其战术特点 现代海上作战中，对立的双方都希望在防御和对抗中设法变防御为攻击，变被动为主动。因此，随着战斗进程的延伸，攻防角色随时可能转换。为此，无论是攻击方还是防御方，既要研究攻击，也要研究防御和对抗，而这一切都必须首先研究自身的客观条件和攻防特点。 潜艇水声对抗的地位和作用 探测和跟踪技术与干扰和诱骗技术是一对矛盾。前者是用于攻击平台对敌方目标实施探测和跟踪，实现对敌使用武器的目的，而后者则是用于干扰或欺骗对方的探测，达到自身防御的目的。所以，电子战在现代舰艇上得到了广泛的应用。 由于潜艇作战处在海水这种特殊的介质中，其航行、探测以及使用武器都需要利用水声物理场；同样，反潜兵力对潜艇进行探测，跟踪以及鱼雷攻击也需要利用水声物理场。对于潜艇来说，电子战的手段主要是水声对抗；随着鱼雷航行速度越来越快，这必然导致潜艇在遭受来袭鱼雷攻击时，其自身反应的时间将大大缩短，因此，在这种情况下，合理有效地使用水 声对抗器材对来袭鱼雷实施干扰、迷惑和诱骗，将给潜艇提供更多宝贵的机动时间，进而，达到规避来袭鱼雷的目的；此时，如果仅靠自身的机动，很明显，由于潜艇的航行速度远远低于鱼雷的航行速度，所以潜艇成功规避来袭鱼雷的可能性将几乎不存在。 潜艇水声对抗的战术特点 由于作战平台在作战环境、自身技术特点上的不同，使得其在战术背景和技术特点上呈现较大的差异。例如，水面舰艇总是处于水面状态，所以面临来自各种平台的多种威胁；除了空中的飞机、导弹和火炮以外，水下多方向的声自导鱼雷对其也构成严重威胁。但是，水面舰艇除了可以利用自身的探测器材实施报警外，还可利用其它平台的报警信息，使得其可以在更远的距离上对鱼雷或鱼雷的发射平台进行报警。 据报道，西方国家海军的水面舰艇能在10～20nm的距离上探测到巡航中的潜艇，能通过专用的被动式鱼雷报警声纳在大约8nm的距离上对潜艇发射的鱼雷发出预报警信号，并能在大约5nm距离上实现对敌鱼雷的识别报警。 可以看出，防御来袭鱼雷对水面舰艇来说也是决定生死攸关的重要问题，而且其面临的战术环境要求其能够在不同距离和不同方向上对来袭鱼雷实施多层次和多批次的水声对抗。显而易见，就对抗的技术手段来说，远距离和多批次发射是水面舰艇水声对抗技术的主要特点。在数公里的距离上，连续布放多个火箭助飞式声干扰器(声诱饵)；在几千米的距离上布放远程深弹和自航式声诱饵；更近的距离上布放拦击网；使用拖曳式声诱饵正是凸现了这一战术特点。 潜艇所面临的威胁主要来自空中的反潜飞机、水面舰艇和猎潜艇。在作战过程中，潜艇可能已经遭到了敌方武器攻击，也可能正被敌方舰壳声纳进行探测和跟踪。因此，在遭到敌方攻击时，需要摆脱武器的发现和攻击；或者在敌方反潜平台正在进行探测和跟踪时，摆脱其对潜艇自身的定位，是潜艇防御的主要目的。 然而，由于战术要求和自身技术特点上的限制，潜艇通常只能利用自身探测器材实施对来袭鱼雷或其发射平台的侦察和报警。一般情况下，潜艇报警距离相对较近；而且，报警所能获得的只有来袭鱼雷或反潜平台的方位信息。在自身机动能力有限的情况下，对鱼雷或发射平台的防御将是一项十分紧迫的任务。 不难看出，为了达到有效对抗的目的，除了需要潜艇进行必要的规避机动外，水声对抗器材的使用也是不可缺少的。但与水面舰艇相比，潜艇在使用水声对抗器材上还呈现五个方面的特点或要求： 1)因为发射装置固定，水声对抗器材的发射方向受到了限制，即在一定的态势条件下只能在一定的射向范围内进行发射； 2)由于只能在海水介质中发射，所发射的水声对抗器材不可能像火箭助飞导弹那样快速接近目标； 3)受自身机动能力的限制，对抗过程中难以通过自身机动实现远离来袭鱼雷或其他战术平台的目的； 4)受发射装置和储存空间的限制，潜艇水声对抗器材装载的数量有限，不可能对来袭鱼雷或发射平台进行多层次、多批次的连续使用； 5)因为潜艇需要对抗的对象在探测原理、探测方式，特别是机动能力上有很大的不同，要求潜艇必须装备具有多种干扰或诱骗方式的水声对抗器材。 在对水声对抗战术特点分析研究后，为了深入研究水声对抗器材作战使用的相关问题，必然要结合水声对抗器材进行有针对性的研究。 气幕弹及其适宜的应用时机 气幕弹是较早发展起来的一种无源水声对抗器材，而且主要应用于潜艇。气幕弹发射出管进人海水后，会生成大量的气泡；这些气泡在上浮过程中逐渐增大，并形成具有一定尺度的气幕。大量气泡形成的气幕对声波具有反射、吸收和散射效应，其反射效应将使气幕具有一定的目标强度，所以当气幕被主动声纳发射的声波照射时，会产生一定的回波，使敌方主动声纳误认为是一目标；而吸收和散射效应将使气幕产生较大的插入损失，使得被动声纳接收到的信号强度大幅度降低，从而起到屏蔽作用。 从气幕弹的作用原理可以看出，这种水声对抗器材具有双重对抗功能：在对抗主动舰壳声纳或主动声自导鱼雷时，将会使敌方认为其是一个尺度目标，进而起到诱骗的作用；在对抗被动舰壳声纳或被动声自导鱼雷时，通过自身的机动配合使气幕置于潜艇和敌方探测器之间，这将极大地减弱或屏蔽被动声纳对自身的探测。 由于舰壳声纳具有较大的测向范围，而且其平台接近或跟踪的速度远不及鱼雷。因此，如果敌方反潜平台使用主动声纳对潜艇进行探测，潜艇发射的气幕弹将给敌方形成一假目标，在其跟踪假目标的过程中，潜艇通过机动摆脱敌方的探测和跟踪。如果敌方使用被动声纳对潜艇进行探测，潜艇发射气幕弹后，利用气幕弹的屏蔽效应，并通过机动达到摆脱敌方探测和跟踪的目的。 尽管如此，作战运用中，气幕弹并非在所有战术背景下都能发挥出最好的对抗效果。例如，在防御主动声自导鱼雷时，首先，由于来袭鱼雷在射向上具有一定的提前量，潜艇难以把气幕弹布放到鱼雷的搜索带内，进而，难以实现对抗的目的。其次，即使能够在鱼雷的搜索带内形成气幕，但气幕被鱼雷探测后，会将气幕视为尺度目标，就必然对气幕进行跟踪，而在潜艇机动能力有限的条件下，不论潜艇采用哪种机动方式，当鱼雷穿越气幕后，潜艇自身离开鱼雷的距离还会太远吗?因此，在这种战术背景下使用气幕弹只能是惹火烧身，或者不可能发挥对抗作用。 噪声干扰器及其适宜的应用时机 噪声干扰器是一种向海水中发射强随机噪声的水声对抗器材，一般不具备机动能力。按对抗探测设备工作频率的不同，噪声干扰器可分为高频噪声干扰器和低频噪声干扰器，高频噪声干扰器主要用于对抗鱼雷，低频噪声干扰器主要用于对抗舰壳声纳。为了使同一器材既能对抗鱼雷，又能对抗舰壳声纳，现今的噪声干扰器通常把鱼雷制导声纳工作频段和舰壳声纳工作频段组合在一起，称为宽带噪声干扰器。 干扰作用不同的噪声干扰器发射出管后，漂浮在一定的水层中，并发出指定频段的连续随机噪声信号。对于主动声纳来说，噪声干扰器产生的随机噪声将增加主动声纳的干扰噪声，由主动声纳方程可知，主动声纳干扰噪声的增加，会降低主动声纳对潜艇的作用距离；因此，噪声干扰器产生的随机噪声将降低主动声纳的作用距离，使主动声纳不能发现或丢失已经跟踪的目标，有时，甚至会使主动声纳出现致盲，进而，起到抑制作用。 对于被动声纳来说，这种随机噪声很容易被其发现，但随机噪声与潜艇本身的噪声共同作用，会使被动声纳或者误认为是两个目标(当噪声干扰器和潜艇处在被动声纳不同波束角时)，或者跟踪一个错误的方位(当噪声干扰器和潜艇处在被动声纳同一波束角时，形成的合成方位)，以此可使敌方声纳对潜艇不能继续跟踪，或不能稳定跟踪，起到干扰的作用。 为了实现潜艇对抗的目的，就必须合理地运用噪声干扰器上述两方面的作用，而这一切又必须依据对方的探测方式、装载平台的机动能力和最终的战术目的。 噪声干扰器的作用原理决定了当潜艇遭到敌方主动声纳或主动声自导鱼雷攻击时，及时使用噪声干扰器至少可以压制其对自身的探测；但是，如果不能把噪声干扰器发射到更远的距离之外，这样暴露性的水声对抗器材对于被动声自导鱼雷来说，无疑会给反潜鱼雷提供一个更加明确的潜艇位置信息，使潜艇自身处于更加被动的局面，而遭到毁灭性的打击。现代反潜鱼雷，通常采用主被动联合声自导方式，而且具备很强的识别能力和反水声对抗能力，因此利用噪声干扰器，对鱼雷进行防御时，更应突出水声对抗器材的抑制作用。 声诱饵及其适宜的应用时机 声诱饵是一种既能进行回波模拟，又能对发射平台进行噪声模拟的水声对抗器材。为了适应不同的应用场合，声诱饵又有悬浮式和自航式之分。悬浮式声诱饵由于自身没有动力，发射后悬浮在一定的水层中，其声学作用范围相对固定；自航式声诱饵自身具有动力，不仅可以在发射前设定射向，还可以在发射后模拟潜艇的机动特性，有些甚至还能模拟潜艇的尺度特 性、磁场特性和尾流特性，所以常被形象地被称为潜艇模拟器。 回波模拟特性使声诱饵在接收到声纳主动信号后，会按一定的目标强度、多普勒频移和回波展宽，将模拟回波信号发射出去，对主动声纳(包括主动制导鱼雷)来说，接收到这一回波信号会认为声诱饵即为潜艇，并进行跟踪。噪声模拟特性对被动声纳(包括被动制导鱼雷) 来说，声诱饵相当于一个噪声源，能逼真的模拟潜艇的辐射噪声，因此当被动声纳探测到该噪声信号后将误认为是潜艇目标。 可以看出，不论对于主动还是被动水声探测器材，让其发现并产生引诱是这种水声对抗器材作用的本质，潜艇使用水声对抗器材的目的就是模拟假目标，并引诱敌方舰壳声纳或来袭鱼雷对假目标进行探测和跟踪，进而为潜艇摆脱反潜兵力的探测和跟踪创造机会。 有鉴于此，在战术运用上就必须依据当时的作战背景和意图有所选择的使用，原因在于作战过程中并非所有情况下，使用声诱饵都能实现自身逃脱的目的。例如，在对抗舰壳声纳时，由于舰艇平台的机动能力无法与鱼雷相比，这就给潜艇发射悬浮式声诱饵后，提供了较长的规避机动时间，进而，起到对抗的目的；而在对抗对抗鱼雷过程中j如果仅考虑诱饵的诱骗功能，而不考虑潜艇自身的机动能力，一旦发射悬浮式声诱饵，在鱼雷发现声诱饵后必然对悬浮式声诱饵进行跟踪，而由于潜艇机动能力有限，在较短时间内不可能产生较大的位移量，致使鱼雷捕获诱饵后，潜艇自身和鱼雷之间的距离也不会太远。这对于具有反水声对抗能力的鱼雷来说，再次捕获潜艇的概率将大大增加。因此，在防御鱼雷过程中使用悬浮式声诱饵将难以实现预期的战术目的。 基于同样的机理，如果通过诱饵弹道和潜艇机动方案规划，使来袭鱼雷首先发现诱饵，并通过诱饵自身的机动能力，在鱼雷对诱饵的跟踪识别过程中，产生和潜艇之间更大的距离，为潜艇规避来袭鱼雷，创造更多的机动时间，自航式声诱饵则能够更好的实现这一对抗目的。 各种水声对抗器材在潜艇作战中的广泛应用为潜艇的生存能力提供了重要的技术保障。然而，各类水声对抗器材都具有明显的两面性，这无疑使其成为自身生存的双刃剑。合理的使用将能很好地改变潜艇自身被动的局面，反之则将导致灾难。 从这种意义上来说，各种水声对抗器材仅为潜艇作战提供了物质基础，真正发挥其作战效能还必须依赖作战软件根据具体的战术目的和背景，合理地优化选择水声对抗器材的种类和使用时机，搭配使用各种水声对抗器材的对抗功能。同时，因为不论使用哪一种水声对抗器材，欲想实现良好的对抗效果，都需要潜艇的机动配合，所以优化潜艇的机动策略也是潜艇水声对抗过程中的重要决策内容之一。 早在2000年前的春秋战国时期，就出现了原始的通信手段。在烽火台上，军士白天燃烟，夜晚举火，通过简单的“编码”就可以表示出进犯的敌情，通知后方部队。而真正意义上的通信起始于1838年：摩尔发明了有线电报。在这之后的几十年间，电话，无线电报相继出现。到上个世纪末，通信发展进入了黄金时期。微波、卫星通信，计算机局域、广域网络，第三代无线通信等蓬勃发展。但是，与大气中的有线、无线通信相比，在占地球面积70％的海洋中的通信却显得有些滞后。人们生活中有大量的资源要依赖于海洋，所以人们希望对其进行更多的认识和开发，但是海水这一特殊的介质对此起了很大的阻碍作用。由于海水是电的导体，使得电磁波在海水中衰减很快，相对成熟的无线电技术无法应用于海洋。迄今为止，声波是海洋中无线通信的唯一有效手段，水声通信技术也就应运而生了。 水声通信技术是当代海洋资源开发和海洋环境立体监测系统中的重要技术组成部分，也是我国海洋高技术急待研究开发的项目之一。随着人们开发和利用海洋步伐的加快，水下通信技术的研究越来越受到人们的重视，逐渐成为水声研究领域中最具挑战性的课题之一。 水声通信技术的发展大体经历了两个阶段：模拟阶段和数字阶段。 水声无线通信最早出现于二战之后，采用模拟系统。世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8．33 kHz，主要用于潜艇之间的通信。在其后的一段时间里，出现了很多使用模拟单边带或幅度调制的水声通信系统。这些系统的功率利用率不高，为了在几公里的距离上进行通信，通常要用上百瓦的发射功率。我国的660通信声纳就采用了单边带调制技术进行语音通信。早期的水声通信也使用过模拟频率调制技术。如WHOI在50年代末研制的调频水声通信系统，使用20 kHz的载波和500 Hz的带宽，实现了水底到水面船只的通信。 水声数字通信开始于70年代，非相干检测的频移键控(FSK)系统的广泛研究与应用。之后，随着对海洋开发事业的发展，利用海洋信道进行信息传输的需求大大增加，如遥测数据，水下机器人控制，水下图像，海上石油平台遥控指令，水下无缆电话，环境污染检测数据，潜艇间通信等等。水声通信的军用和商用价值，推动了水声数字通信系统的迅速发展。水声通信数字调制技术，主要包括幅度键控(AsK)、频移键控(FsK)和相移键控(PSK)，以及由此派生出的各种变形方式。 多级幅度键控由于信号幅度起伏的影响而难以设置适当的检测闽，很少在水声通信中被采用。应用于水声通信的幄度键控一般是通断键控(OOK)，这是一种最简单的幅度键控，它使用单极性不归零码控制载波幅度，码元为“l”时送出载波，码元为“0”时不送出载波。这种调制方法的功率利用率低，抗多途干扰的能力也很弱，一般只用于通信速率要求不高的场合。我国的660声纳的电报工作方式就使用通断键控进行数据通信。 现代的数字水声通信系统多使用频移键控或相移键控调制方式。 由于难以克服水声通信信号相位畸变的影响，早期的数字水声通信系统中频移键控调制方式使用得较多。频移键控调制信号的解调采用非相干的方法，在数字信号处理中，一般使用离散傅里叶变换进行解调。 最早的FSK水声通信使用简单的频移键控方式，数据传输率一般不高于100比特／秒。比如60年代P．Heam研制的垂直信道水声通信系统。80-90年代应用较多的是多频键控调制技术，可以获得中等的传输速率(几k比特／秒)和较稳健的传输性能。 J．Cafipovic等人于1989年发表的文章给出了一个典型的多频键控水声通信系统。系统的工作频率为20-30 kHz，最大数据传输率为5 k比特，秒。系统的频带被分成16个子带，在每一个子带中传送一个4-FSK信号。因此，在整个64个通道中，同时使用其中的16个通道来并行地传送32比特的信息(每个4通道的子带传送2比特)。该系统在4公里的水平浅海信道和3公里的垂直深海信道中成功地进行了数据传输，误比特率在 — 量级。 频移键控调制的缺陷在于：需要较宽的频带宽度，单位带宽的通信速率低(一般不超过0.5比特／秒／Hz)，并要求有较高的信噪比。当存在多普勒频移时，必须设置一定的频率裕度，这样就不能充分利用有限的水声信道带宽。另外，频移键控调制虽然回避了载波相位恢复的问题，但并没有解决多途引起的符号间干扰。一些系统在连续的码元间插入一定的间隔来消除符号间干扰，造成通信速率的降低。 从90年代至今，带宽利用率较高的相位相干系统日趋成熟，这就使得相移键控调制方式逐渐在水声通信中占了主导地位。相位相干调制法不仅能满足系统对数据率的要求，至少可以获得十倍以上的增益，而且随着数据率的提高，自适应接收器对信道的跟踪误差下降，从而有效地改善了接收性能。相移键控(PSK)的调制技术就是为了满足高数据率水声通信的需要而被应用于水声通信系统的设计之中的。对于理想信道，这种传输方式具有最高的数据传输速率。但是由于水声信道的恶劣传输条件，使得MPSK调制信号在相干解调时需要的载波恢复相当困难，这就使得相干调制技术在水声通信中的应用受到了一定限制。目前普遍采用自适应均衡技术，波束形成技术以及均衡与分集接收联合处理技术来解决这个问题。下图给出了一个完整的水声通信系统方框图。
两列同向传播的平面波(原频波)，在垂直于传播方向的平面上产生的声散射声的相位相同。对于没有频散效应的介质，各种频率成分以相同的波速传播。因为两个原频波在传播过程中不断产生声散射声，其正向散射部分(与原频波传播方向相同的部分)同相叠加到前些时刻产生的散射声上得以逐渐加强。这个过程可看作空问有一个由无数个产生二级声场的虚源组成的体积阵，通常称为参量(发射)阵，如图1所示。 水声参量阵分为参量发射阵和参量接收阵两类。它利用声波在水内传播时产生的非线性相互作用。如发射器同时发出两个频率相近的高频波 (又称原波)，由于非线性相互作用，则还产生差频波及和频波，这也可看作为一种新的转换概念，参量发射阵利用的就是差频波。参量发射阵可分为原波饱和与无饱和两种情况(饱和是当声波的振幅足够大时产生的，这时，近场原波的振幅不再随声源振幅的增大而增大)，有四种典型模式：无饱和近场吸收限制、无饱和远场球面扩展限制、饱和近场限制、饱和远场限制。对这四种典型模式的理论研究结果与实验符合得很好。对无饱和的两种模式，差频波的声压都正比于两原波声压的乘积。 从参量阵的物理和数学模型中可以知道，其主要优点有三点： (1)可以在小孔径下实现低频窄波束，即具有超指向性能力； (2)通常没有町观察到的旁瓣； (3)容易实现高带宽。 其缺点足转换效率低，因而差频声源级不大。实际上早期人们忽略了参量阵还有另外一个缺点：实现多波束困难。 参量阵技术在水声工程领域的主要应用 从参量阵的优、缺点可以看出，其主要的应用方向是在要求窄波束、低频率而换能器尺寸义不能太大的场合，最典型的水声麻用是高分辨率海底地层削面仪，其他如掩埋物体探测、大深度多普勒计程仪、水声通讯等领域国内外也有应用研究，直到最近国外才出现了比较成熟的基于参量阵技术的水下小目标探测纳。 (a)参量阵地层剖面仪 海底地层的声吸收非常大，通常只有很低频率（几百赫兹到几千赫兹)的声波才能穿透底层到达海底以下几十到数百米深的地方；采用线性声纳原理的常规海底地层剖面仪通常波束很宽，在40-60度(a)参量阵地层剖面仪 海底地层的声吸收非常大，通常只有很低频率（几百赫兹到几千赫兹)的声波才能穿透底层到达海底以下几十到数百米深的地方；采用线性声纳原理的常规海底地层剖面仪通常波束很宽，在40-60之间，因而径向分辨率很低，而且非常容易受到海面回波的干扰，且因为宽波束造成的侧向回波与正向回波时延相差很大，使得界面混响大幅度降低了设备的轴向分辨率，即便采用拖曳阵接收也只能解决一维问题。这个缺陷使得常规海底地层剖面仪在地质勘探中的使用价值一直不高。当海底地层剖面仪的波束宽度小于5度时，上述问题则可以基本得到解决。但是如果用常规线性声纳方式来实现这么窄的波束宽度，对换能器孔径的要求极大(几米到十几米的平面阵），通常是不现实的，而参量阵技术的低频、小尺寸、高指向性特点正好能满足要求。 国内中国科学院声学研究所东海研究站曾于20世纪80年代仿ATLAS公司的海底地层剖面仪研制了线性调频参量阵海底地层剖面仪，达到了差频(8kHz左右)4.5度束宽，声源级195dB左右的性能指标。工作方式为单波束。 德国的Innomar公司于上世纪末推出了轻便式参量阵海底地层剖面仪，其原频频率为100kHz，差频频率为4-12kHz，差频束宽3。6度。工作方式为单波束。 挪威Kongsberg公司于本世纪初推出了两款海海底地层剖而仪，Topas PSl8和Topas PS40。Topas PSl8的原频频率为15-21kHz，差频频率为0.5-6kHz，4kHz时声源级为204dB，筹频波束宽度4.5度(圆形阵)；Topas PS40的原频频率为35~45kHz，差频频率为1-10kHz，6kHz时声源级为204dB，差频波束宽度3-5度(圆形阵)；两个型号均为单波束。 ATLAS公司于2004年推出了最新的参量阵测深、海底地层剖面两用声纳PARASOUND，其最大差频声源级可以达到206dB，测深深度可达10000m，海底地层剖面深度可达200m。其原频频率范围为18～39kHz，差频频率范围为0.5-0.6kHz，典型差频波束宽度为4.5度乘以5.0度。PARASOUND可以采用13个独立波束的发射，据介绍是采用线性调频信号和Barker码信号，并且可以允许用户自己编码。但是多波束并不是其成熟功能。 国内中国科学院卢学研究所东海研究还曾采用参量阵技术研制了水库堤坝安全检测设备，其应用类似于地层削面仪。其中采用了电子波束旋转技术，实现了±160的波束旋转，但是不具备同时区分不同方向回波的能力，仍然必须等待一个方向探测完成后，再旋转到另外一个方向探测，只不过电子旋转代替了以往国内的机械旋转方式。 (b)大深度多普勒计程仪 多普勒计程仪提高测速灵敏度需要窄波束；高频声波在几千至上万米的海水传播中吸收很大，须选择低频；上述两项要求使得参量阵技术是一种较好的选择，冈此20世纪七八十年代美国研制过参量阵大深度多普勒计程仪，工作深度达6000m，但是最终没有获得广泛的应用(也许是因为相关测速技术的发展使得低频宽指向性常规声纳得以应用。 (c)掩埋物探测声纳 20世纪90年代是世界各国竞相研制海底掩埋雷探测声纳的时期，当时的欧共体数国曾联合研制试验了参量阵探雷声纳，国内也同期开展了相应的研究。但到目前为止，参量阵技术并没有能够在掩埋雷探测声纳中获得广泛应用，其中有一个重要的原因就是军用声纳对探测效率要求较高，而参量阵声纳的多波束技术还处于探索阶段，目前一般只能以单波束方式工作，因此虽然参量阵声纳常常是实验室和海上进行掩埋物探测试验的首选，却没有能够成为成熟的装备。 (d)参量阵通信声纳 参量阵的低频、窄波束、高带宽、几乎无旁瓣的特性有一定的水声通信应用价值。对于浅海远距离高速率的水声通讯，要求低频以满足作用距离，宽带以满足通讯速率，窄波束以减小浅海界面的多途效应，参量阵技术是一个较好的选择；英困伯明翰大学在上世纪末本世纪初进行了相关的理论和试验研究 (e)港口警戒声纳 本世纪初，美国NuVosonic公司推出了SeaScout港口警戒声纳。其原频频率范围为21-33kHz，差频频率范围为4-7kHz，5kHz时的声源级超过200dB；差频波束宽度为7度乘以8度，号称作用距离超过2000m。该声纳采用相控阵发射和接收(收发分置)，采用复杂长脉冲信号(PCW及编码脉冲信号，典型脉宽100ms，最大脉宽3S)，其与以往参量阵技术的水声工程应用的最显著的区别是采用了相对复杂的信号处理技术，但从其使用方式判断仍为单波束。 总结及展望 由于介质的非线性，两个同向传播的高强度声波可产生具有累积效应的同向传播的差频波，此即参量阵技术的摹本物理原理。参量阵技术的主要特点是可以用小孔径的换能器产生高指向性的低频声波，且波束基本无旁瓣，较容易实现大带宽。其在水声工程中主要应用在高分辨率海底地层剖面仪上，在掩埋物体探测、大深度多普勒计程仪、水声通讯等应用领域也有相关研究，最近还出现了基于参量阵技术的水下小目标探测声纳。 限制参量阵技术在水声工程中、特别是在水下目标探测中被广泛应用的主要问题是：差频声源级较低以及形成多波束较困难。对这两个问题的研究目前都有一些进展，但仍有待进一步提高，目前能实现的差频声源级比常规线性声纳常用的声源级还低一个量级，在多波束性能上还不能很好地满足浅海高混响环境下的应用。如果在两个问题的研究上能更进一步，参量阵技术将在声纳领域有更好的应用。 |
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