, r( ~1 B, u& T* c8 i, Z( j
$ J: h1 o( }! _6 }) ]
0 P7 D5 I5 R/ C) ]" _ * z0 a! |8 U4 d. `% q% k0 o
3 D5 e; G2 R% v+ W9 }
智能声呐系统概念图。
1 z) u' r K1 }; N & O0 k+ [* n9 Z- B: |
$ ^- ~! z! L1 o( K2 n# A) S ●“大脑”聪慧，可高效监测复杂的水下声音 - C9 u5 Y" T7 J2 R3 l4 H% {
2 D5 c3 K, F6 G# [; E6 |
8 m; W4 p' _# ?' J7 y0 h ●明察秋毫，使水下各类目标显露“真容”
$ u+ I/ p5 r6 o$ d' B$ z3 i
* C8 C- u% b( @5 g) K1 b+ P( m. U 2 B' e# U) Y! C1 F9 j
●前景广阔，应用于水下资源勘查等方面 & l# R9 G4 a4 Y% h; B* M4 g
' o9 s y9 o2 R' R# i: L
$ B6 }2 B% R: @& y2 B
“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，如何探索其中奥秘，得到人们想知道的“答案”呢？
! Y" e7 c9 Y8 i , l8 c% Y1 d, C2 J
# v/ i# o" y& W n# N' m
许多人可能第一反应是借助“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。对海底世界的探测和观察，至今还没有发现比声波运用更有效的手段。声呐系统成为目前海洋技术装备中应用最广泛的一项技术。 " R5 ^% ~. B$ P
3 ~5 \! z2 e1 T" E3 W& X ; V# N/ U$ D9 i& ?# U% H
自第一次世界大战被用来侦测潜水艇开始，声呐系统一直是各国海军进行水下监视、侦测、攻防的“利器”。如对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪，在水下通信、导航，保障各类水面舰艇、水下潜艇、反潜飞机的战术机动和水中武器使用，等等。
' D4 G1 ^4 N- y# c5 V
) c8 r# R) j Z& p: L
5 p' q/ `4 O/ E; l2 T 声呐系统不仅在海洋军事行动和海战中发挥重要作用，在经略海洋、发展国民经济等方面也同样不可或缺。如水下探测鱼群、海洋石油勘探、船舶导航、水文测量和海底地质地貌勘测等，都离不开它。 , O0 Z, _/ w$ `' x9 Z
- r q, S, u. K+ ~- L) d- b" E 3 Y8 }) |3 f: S0 G! b0 h
随着人类对海洋认知的加深与探测技术的进步，从最初的“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，尽管在技术上得到了突破，但传统声呐系统仍难以满足现实所需。 O2 D) f/ p3 k' o" o
6 N" S) M2 ^/ K4 O- S! S: z/ G7 w
! Z% S" K" G3 }- t |2 D
在计算机技术、人工智能等现代科技大发展的时代背景下，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新一代智能声呐系统随之问世。
! H( y; `2 l# W: K% v
' r* O% z% ^! \' K 7 w, l7 ~+ j1 r2 p! s
人工智能，赋予声呐聪慧“大脑”
( \4 F1 v& ]' \) I6 q* _
8 ?, V7 T7 ?/ Z3 J7 J 7 H' T6 H- J% n8 F9 r7 d- N
人工智能诞生于1956年，它的实质是模拟人的思维过程。
& w- d" h4 W* {6 ^ : ^3 N9 o$ x9 o7 ]0 ^. ~! u7 K
: W ?; y. a) q8 l( M3 j% j
人的大脑在日常生活中，会对不同事物或信息产生不同体验，并留下印象或记忆，形成经验。当再次遇到类似事物或信息时，先前的经验会被唤醒，并产生一系列相应的判断与处理方式。
8 g/ f# M" _( M4 ^% s7 N+ U( b
% f; C& b# N! w$ r
, ^% j8 D; I. Q, } 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，将其抽象化为数学模型，然后使用不同类型数据，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”，给出处理结果。
4 N4 {6 L$ T9 X! i, ^. @9 r
7 ^& {, S# t% O/ d. C6 b + b2 {8 ?% [& E7 V; ^
近年来，借助人工智能，海洋科学家开始将声音信号识别与人脑思维规律结合起来。 z# T) s/ c/ ?! [
# f+ y7 u/ w* m2 r) `
( L" {3 V) ^% W# G7 l, Y( Z7 x; k 一般情况下，只有同时掌握了海域的海面、海体和海底等情况，才能较准确地掌握某一海域的声学环境。然而现实情况是，由于海洋时空的变换，完整获取以上3个方面信息往往很难。这就极大限制了人们探索未知海域的能力。
! w( q' i* S/ N+ Z5 o' t/ s, `& B
, u- y2 g2 P3 P; I; M4 ]! a/ F8 w
+ Q5 ?6 r9 e t4 m7 T& Y( q5 A 当科学家成功地将人工智能引入声呐系统后，这一问题迎刃而解。科学家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。
8 m. _3 ?( W8 t6 O% K O
, b+ o7 P5 Q# A/ ^" \- D8 O& [
3 k+ }. _# g- a" D9 @0 R* y1 q2 ^ 未来，装备了人造“大脑”的智能声呐系统，将犹如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，可帮助战斗人员增强对未知环境的适应性。它既可使海上作战系统绕开环境信息缺乏的阻碍，利用有限声学数据还原目标的声学特征，有效实现水下目标定位，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，修正先验信息中出现的误差。 + F7 J, f0 n) ]' n, ]! V P
9 |! M8 A `9 T, i
! U9 b: ~& Z7 w8 I' G+ j c+ a* U. S 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，推动着智能声呐研究进入快速发展阶段。
2 x( K2 ?& F* m1 j( }& Q6 {
6 I U- T+ W2 y8 x9 d+ {
$ M. x# E* i: L: V6 u+ u, Z' d 高分辨水下成像，让声呐“明察秋毫” ) ~% X/ `( I2 g
3 ]* r! u4 z" x( u8 P; ?' C$ |
6 ?1 a5 d; N* G' q y8 w9 b
智能声呐系统要在大海中“明察秋毫”，仅有聪慧的“大脑”还不够，同时还要有一双看得清、辨得明的“慧眼”，实现对水下目标高分辨成像。
2 W# B: {, a+ ~, d
0 d0 w3 ?0 Q7 @! b9 I
" w- {. ]' y4 S; ~( H( _ 于是，科学家将具有高分辨成像的合成孔径雷达技术引入声呐系统，并将侧扫声呐与合成孔径声呐结合在一起。这样，就给智能声呐系统添上一双明察秋毫的“慧眼”，具有了水下高分辨成像的本领。 # n( g. S* I3 H8 q
3 ?% H& U5 ?" N" D4 z1 W: A
m1 J% W9 z: n( B& L2 T/ ]3 B 侧扫声呐技术采用传统的回声测深原理，具有探测速度快、目标定位快的优势。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中不断移动，海底目标就能像拼图一样被细分成许多块，一一捕捉目标的细节特征及高度信息。在这张“拼图”上，既有捕获的海底不同物体的形貌特征，又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。 5 ~0 o1 T5 e2 r w
" I3 n* I- I7 J) n3 j
% S, z, N: M! }
不仅如此，它还能根据不同探测目的，选择不同频率的发射波束，对不同物质、不同频率声波产生不同的散射强度，使漆黑的海底也能变得“五彩斑斓”。
2 l, l1 W, l+ T9 M% r : y$ N+ S5 N5 R/ j7 W) t
/ Y' ]: o2 j( t: S( S% Q
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，来获取方位方向的高分辨力，能实现更广的探测范围，还能利用低频段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台X光机，帮助人们探测到大洋中更多的奥秘。
! Z# @2 j7 D' ~+ p ! z) L& U! @; t# d5 V0 {
, ], _# N x8 u u3 Z3 [
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、勘探领域已得到成熟应用。如用来钻探发现海底“可燃冰”资源，协助潜水员执行水下搜寻救助作业等。国外一些研究机构还将合成孔径声呐技术用于水下潜航器，构建起新型水下成像系统，有效促进水下无人作战能力稳步提升。
, [' N7 s M8 {4 V* k" g5 v& P* T
. a( a4 u- z0 x) i1 O
+ ^# ^3 v! l% {* g 总之，拥有高分辨成像能力的智能声呐系统，让各类水下目标显露出“真容”已不再是设想。
0 h; a4 i4 U: y, l& R0 \
S: C0 U! M7 R; k
: @8 ^: `& H: H+ l" |: \ 多方位融合，打造声呐“多面手” 7 s- M: _ B% u; o1 v: Z3 P# \% h
U3 d# E/ {" Y1 T
/ U0 V" R& O1 C4 D( x% a5 o
传统声呐系统的工作方式，有主动式和被动式两种。主动式声呐系统像是探路的蝙蝠，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；被动式声呐系统像是“顺风耳”一样的倾听者，能将目标区域发出的所有声学信号收入囊中，从嘈杂声音中发现目标的“蛛丝马迹”。
" g) u1 Q' t/ m4 |
8 F6 T; U& T7 J' g* t
) P" i. {" g. D5 ]" ? 随着现代科技发展，这两种声呐系统的缺点也愈发明显。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系统局限性更是显而易见：主动式声呐系统由于声波发射与回波接收均在同一处，工作时容易暴露自身方位；被动式声呐在面对安静型潜艇时，探测能力捉襟见肘。
) W) N) x. {4 ^. a, F ( g! X9 X& U/ F4 t* e; _
% K8 B4 k" S; Q* C' M 面对日趋复杂的海战环境，现代智能声呐系统一大优势是，能利用多平台融合技术，实现声呐平台的“联动”。以目前常用的诸如岸基式、舰载固定式、舰载拖曳式和航空式声呐平台为例，它们各具优势，但也各有不足：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易受天气影响，探测区域和探测深度受限。
, j5 y1 Y3 h0 s3 H4 c
3 B) H" ?" v. {+ J, ]% D% a # _( z8 m% @8 h1 o3 \3 S/ ]: m% P$ p
如今，科学家参照物联网的思路，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业、相互补充，对海面、海底和海体全海域空间实施全覆盖，通过内部互联网络，实现水下声学数据共享，即可打造出一套具有多种功能的智能声呐系统。 9 G. K5 w! D( Q* J
. @9 Q1 d. z" E4 s C3 C8 q, b. D/ q 5 @5 g3 L2 e2 \ Y; U
这种多基地、多方位相融合的智能声呐系统，一些军事强国一直在进行研究探索，在“海网”“近海水下持续监视网”等水下网络项目上取得较大进展。
2 R$ L; r# @( g7 N 5 Y+ O% ^% @9 ?3 Q$ y
& G" P7 [) a5 O/ x$ H( i0 G 以国外“海网”为例，该系统由岸基固定式节点和潜艇、潜航器、海底爬行车等多个移动节点组成，各节点之间通过水声通信链路相连，可实现不同节点之间数据实时共享。借助该网络，潜艇不仅可以获取水下声学信息，还能与其他海、陆、空天平台共享，从而提高反潜作战能力。 * ]# ~# |) v7 q. e! ]% a
1 m. D; ] l- n7 [ 3 ~: Y! w+ _" ?& a5 Y
据报道，国外的“近海水下持续监视网”已基本具备作战能力，可通过潜艇释放多个无人潜航器，构建一个临时动态水下网络，获取周边海域的声学信息，并诱使敌方提前暴露，以抢占先机。 1 b4 r1 |- Z& c+ j1 u
0 m1 }. |) z) [0 [8 ^; s% v3 e; I( E O! G' n2 N7 m) d# @+ Q
来源：解放军报 . ^& d' c/ G, ] r1 I
3 R& U( M2 C; P4 ? E0 F' \ ! i) g! H% U/ G9 o5 o% Y; ~
举报/反馈 2 `. o9 g3 r0 i5 z
* Q- T1 C1 Q' ^2 g8 p+ p& T! u8 @+ V9 ?/ h
% W8 r E4 `; E+ [& \
/ K" F- a: k! h& @$ f% \8 c
+ Q% o5 M N9 a1 U | 
