水声探测设备的基本运用方法
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作者: 郝富海
【摘要】本文主要讨论了水声探测设备在目标发现及目标信息获取方面的基本方法，为相关从业人员灵活运用水声探测设备提供参考。
【关键词】水声;探测;方法
前言
当在水下进行目标探测时，电磁波和光学仪器由于使用条件限制将无法发挥作用，水声探测设备就成为获取目标机动信息的唯一有效手段。为了达到高效探测、跟踪目标工况变化信息，准确判断目标可能的机动方向，水声探测设备操作员必须尽一切可能的利用设备的各种技术特性，对目标的各类有用信息进行实时判别和预报。
1.利用低频探测提早发现目标
为实现对目标的最有效探测，在科考或测量船上一般都装备有不同型号的多种水声探测设备，每种水声探测设备的工作频段都不尽相同，不同的工作频段意味着该水声探测设备接收、处理水中传播的不同频段下的水声信号。通过水声学的知识，我们知道声波在水中的传播距离与其频率密切相关，即频率越高的声波在水中传播时能量衰减的越快，其所能传播的距离或范围越短或越小;而相反，频率越低的声波在水中传播时能量衰减的则越慢，其所能传播的距离或范围越长或越大。一般情况下，船只目标航行时的低频螺旋浆噪声是其辐射噪声的主要来源，因此，为尽可能在第一时间发现噪声目标，操作员应尽可能选择低频探测设备或某一水声探测设备的较低工作频段对周围感兴趣的海域进行搜索，以期尽快发现有效目标。
2.目标运动方向、运动速度的判断
当水声探测设备操作员发现目标并对目标噪声实施有效跟踪时，可对目标的运动轨迹进行实时描绘。如等时间隔的描绘出目标的方位变化，通过与本船的运动轨迹进行比对即可初步分析出目标可能的运动方向。如在某一方位发现并跟踪某一噪声目标，通过描绘其方位变化轨迹，发现其相对本船的方位基本保持不变，这种情况一般直接说明了目标运动投影至本船运动方向的速度与本船当前航速基本一致，在此基础上可再通过其噪声能量的大小变化进一步判断其最有可能的运动方向，如噪声能量不断增大，则说明目标正向本船运动方向上靠近，且可跟据增大的速度判断出目标向本船靠近的快慢，甚至可能出现其某一速度分量与本船相向而行的情况。
3.目标距离的判断
水下探测设备因其技术特点，一般较少采用大功率主动发射声波对目标进行测距，而更多的是采用多点水听器阵元采集到的目标噪声信号的相关性进行被动的距离测算。水声探测设备的操作员除需熟练掌握该设备的详细使用方法外，更需对其能够准确、稳定工作的外部水声环境有一定的了解，因为，外部海洋水声场环境的变化对被动噪声测距设备探测性能的影响将是非常明显的。
除了利用已有的具有测距功能的水声探测设备对目标距离进行测量外，操作员更多的时候也可通过目标的噪声能量变化情况对目标在某一时刻的距离进行估计，这就需要该水声探测设备操作员有较强的海上作业经验了，因为这可能会涉及到对各种船只螺旋桨转数的读取以及其所发出的噪声特性在人耳听觉上的判断和识别了。如在目标运动方位轨迹的灰度显示上反应出目标能量明显增强且方位变化较快时，目标可能就在本船上方，且距离较近;而当能量变化较慢且方位变化不明显时，目标一般则可能距离较远。
4.利用频谱分析螺旋桨转数
在现代的数字化水声探测设备中，通常都会有对目标辐射噪声进行频率特性分析的模块。这些模块通过一系列算法，可精确计算出目标辐射噪声的频谱特性，如瞬时功率谱、低频线谱以及包迹谱等。其中目标辐射噪声的包迹谱特征一般可清析反应出目标船只的螺旋浆转数特征，有的甚至可以判断出该船只的浆叶数，而有经验的水声探测设备操作员甚至还能结合听音判断出目标船只的吨位以及其当前的速度等信息，这些都得益于当前高速发展的计算机及信号处理技术。例如：在对某一目标船只的噪声频谱进行分析时，在约3Hz的位置出现明显的能量峰值，则可基本判断出该目标船只的螺旋浆当前最有可能的转数为3x60=180转。
5.听音
我们都知道，人耳所能分辨的频率一般为20～20000Hz，而就在这样的频率范围内，人耳的听觉系统不仅是一个极灵敏的“声音感受器”，而且还同时具有“频率分析器”的作用，即人耳可对听到的声音有相当大的选择本领。例如，在嘈杂的闹市中，人们能够听出某些熟悉的声音，并能在无法有效听清的情况下从中分辨出所需的信息，这是人耳与大脑共同作用的结果。经过训练的水声探测设备操作员在极其复杂海洋噪声环境下，能通过听音分辨出各种船只的噪声，就与上面的情况类似。水声探测设备操作员在平时的训练中，对各种船只的有特殊频率的声音会变得非常敏感，以使其能够从非常复杂的海洋背景噪声中选择出十分微弱的目标船只的噪声信息，就好像有一组十分可靠“声音滤波器”一样。同时，因人耳听觉系统还具有判别声音响度、音调和音色的本领，这也使得水声探测设备操作员往往比水声探测设备本身有更好的目标识别效果。如频率低沉，节奏较慢的螺旋浆噪声一般为大吨位低速航行时的船只所发出的;而频率细高，节奏很快的螺旋浆噪声则很有可能是小型高速船只所发出的，这种情况下，甚至可以结合目标的噪声能量及方位变化速率判断出更加具体的类型，如商船或渔船等。总之，一个高水平的水声探测设备操作员是任何自动探测、识别装置所无法取代的。
参考文献
[1]刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨工程大学出版社，2010.
[2]汪德昭，尚尔昌.水声学（第二版）[M].科学出版社，2013.
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