他山之石——矢量水听器测向技术简介

作者：邢建军
        随着海洋开发事业的不断发展，了解、认识水下目标的感知和传递的问题越来越受到人们的重视。同时，第二次世界大战结束以后，世界各国的军事专家都认识到:对制海权的控制在未来战争中起到了举足轻重的作用;潜艇等一些舰船的隐身降噪技术必须得到飞速的发展，对于低信噪比条件下的信号处理便成为了现代水声所要解决的主要问题之一。从上世纪五十年代以来的五十多年中，潜艇的辐射噪声级大约降低了35分贝，潜艇的目标强度也由于吸声材料和消声瓦的使用降低了大约10分贝。这就对声纳设备提出了更高的要求。由于声压水听器阵能够直接有效地提高水声系统对微弱信号的检测能力，六十年代初期国外开始使用的拖曳阵便是其成功的典范。这些水听器阵利用增大阵列孔径来提高阵增益，有效地实现了对低信噪比目标的检测和定位。
        水下目标检测距离要求的不断提高，信号工作频率还在不断的降低，这使得声压水听器只能在继续增大阵列孔径的情况下，才能够有效地对目标进行估计，然而阵列孔径的增大又带来了一系列的问题，比如实际工程的限制，成本的加大，硬件处理的数据量变大等问题。对于一些要求有自导能力的体积有限的鱼雷，深水炸弹等对体积有要求的工程应用，带来了很大的困难。同时在工业生产和民用方面，也需要一种既经济又有效的方法来进行水下目标的探测，而一般的线列阵孔径较大、成本高，而且还存在左右舷模糊问题。这些问题的存在就需要我们选择更好的处理方法解决这些困难。
        虽然传统的声压水听器及其成阵技术出现后，解决了科学实践中的大量问题，但现在水声领域对声学现象的描述都是基于声压这一标量展开的。众所周知，描述声场的物理量不仅有声压，还有质点振速、声强、声压梯度、加速度、位移等，传统的声压水听器只是利用了声场中的声压这个标量信号。试想如果我们应用到声场中的一个或多个矢量信一号，如振速、声压梯度等，便可以在水声信号处理中得到更多的声场信息，可以对声场进行更好的处理。
        能否用小尺度声传感器在低频的条件F形成窄的指向性以使系统具有对目标测向的能力并具有抗干扰的空间增益，从而可以利用目标辐射的强的线谱来实现对目标的远程探测。倘若能用小尺度声传感器在低频实现窄指向性并具有空间增益，就能在鱼雷、水雷、海岸预警浮标等小尺度声纳平台上应用。这样的水听器无疑也会在海洋测量和声遥感领域得到广泛的应用。
        矢量水听器的出现，使得以上想法得以实现。矢量水听器是一种不但能够测量声场中的声压信号还能测量声场中质点振速信号的接收换能器。矢量水听器可以在低频辐射噪声中形成尖锐的指向性，并且使阵的尺度小型化成为了可能。例如，若要利用20Hz的线谱辐射，传统基阵尺度达到数公里长，而矢量水听器尺度仅为10cm就可以达到要求。矢量水听器之所以能获得比传统水听器更高的增益，是因为在各向同性的噪声场中，水下运动的远处目标辐射的噪声是一个与背景噪声不同，具有一定的传播方向，而由于矢量水听器的矢量性，使得它可以完全消除掉各向同性的噪声干扰，而日标辐射噪声则不会抵消，对于普通的声压水听器，各向同性的噪声会全部叠加到水听器上，而不能够消除。矢量水听器的另一个特点在一于它可以同时测量声场中的声压和质点振速这两个物理量，可以提供更多的声场信息。
        声纳的波束形成的目的，是使多阵元构成的基阵经适当处理得到预定方向的指向性。接收系统具有指向性就意味着可以使系统定向接收，从而抑制其他方向的信号和干扰。此外，利用接收系统的指向性可以准确测定目标方位。如果接收系统是多个波束，则可以分辨多个目标。
        单矢量传感器的四个输出分量的各种线性组合可形成富有想象力的双边(对称的两个主极大)或单边(一个主极大)的指向性。尤其是它的单边指向性将使透声体积阵克服散射声场破坏声“透明”的困难减小。当矢量水听器的尺寸远小于声波波长时，它具有余弦指向性或“8”字指向性。现有的矢量水听器信号处理和波束锐化方法，大都把传统的声压水听器上成熟的方法应用在矢量水听器上，并没有完全利用矢量水听器的矢量性和指向性特点，也没有很好利用矢量水听器所提供的声场的多种信息。
        矢量水听器一般由声压水听器和振速水听器复合而成，可以共点、同步、独立地测量声场空间一点处的声压和质点振速的各正交分量。与传统的声压水听器相比矢量水听器能够只利用单个水听器对目标进行定向，而且在一定条件下与目标源的频率范围无关:具有很高的抗干扰性;在小功率辐射时，采用低频即可获得水下目标的远距离探测等优点。可实现小尺度定向，使水声基阵走向小型化成为可能。
        矢量传感器具有偶极子型指向性，在一定频率范围内几乎与频率无关，这意味着可以在低频或甚低频条件下工作。因海水介质对低频声波吸收很小，因而利用低频信一号的处理可实现远程探测与定向。而对于传统的声压水听器，如要用几十赫兹的水声信号来定向，根据指向性计算公式，为了达到一定的方位估计精度，其组成的基阵尺度要达数千米长，实现十分困难。但矢量水听器的出现解决了这一问题。同时矢量水听器可以在不削弱性能的情况下，去除常规均匀线阵的左右舷模糊问题。我国虽然早在“八五”期间便开始了压力梯度式振速水听器的研制，在1997年又引入了俄罗斯的矢量水听器技术，同时国内外多家单位也开始研制矢量传感器应用一于声纳的新型技术。但和西方和俄罗斯等国家相比，还只能说是刚刚起步阶段。如何更好的应用矢量水听器进行测向，具有非常大的发展空间。