第一章绪 论
利用声波在水中传播的检测系统（即声呐)主要有两大类:一类是被动声呐（也 称无源声呐)，它是利用被检测目标本身辐射出来的某种特定声波来检测目标的系 统；另一类是主动声呐（也称有源声呐)，它是由系统本身辐射某给定形式的声波, 并检测被检目标回声的系统。
本书主要讨论主动声呐检测原理及其信息全过程。由于所涉及的内容与雷达、 通信和地质勘测系统有很多相似之处，因此,本书的基本原理和术语在这些领域内 也可互相引用。
为了使读者对全书内容有一连贯性的了解,作为绪论，本章就主动声呐的有关 问题，先作简要阐述。
1.1主动声呐的发展
虽然人类早已认识到声音能在水中传播,并懂得通过插入海水中的空气管来听 取远方航行船只的声音，但水声学作为一门科学，还是在19世纪末20世纪初，由 于电声和电真空管放大技术的发展，才使水声技术逐步成为一门专门研究学科。随 后，在20世纪两次世界大战中，由于检测水下潜艇的需要，水声定位仪（或声呐) 也随之迅速发展起来。直到今天，在反潜战术上，声呐仍是一个不可缺少的重要手 段。此外，作为检测技术，声呐也广泛应用于探鱼、测探、导航以及其他海洋开发 事业。
早期的声呐系统（如回声定位仪)，只是一个发射收装置，用一个超声频水 下换能器发射声能，在水介质中传播的声波，碰到障碍物将产生回波,并能在接收 换能器上被观察者收听,收听者根据回波到达的时间来判断障碍物的距离。除了差 频、放大和收听以外，几乎不对回波进行任何处理，因此，目标回波经常被淹没在 不可避免的海洋噪声和海洋杂乱体的散射回波(混响）中,检测距离远不过数千米。 距离不但与海区有关，而且还与气象和季节有很大关系。甚至在同一海区同一天也 会有很大差异，上午能收听到回波，下午就可能收听不到（即午后效应)。因此，人 们就不得不对水声传播现象开展一系列理论和实验研究（特别是在第一次世界大 战到第二次世界大战期间)W。人们逐渐认识到海水中温度和压力随深度的分布对 声传播的影响，并在此基础上形成了水声传播的射线理论。与此同时，人们也确认 海水介质结构引起的声能吸收与频率的关系，研究了不同目标的声反射强度，以及不同条件下的海洋噪声和混响级,并在估计作用距离的逻辑推理基础上确立了声呐 方程Ho对于回声定位,人们确信选择适当的频率、增大发射功率和提高接收指向 性，以及对海洋噪声进行滤波处理,是增加作用距离的有效方法。因此，在第二次世 界大战后，主动声呐逐渐向低频大功率方向发展，同时增加某些信号处理技术，如 以抑制干扰和确定目标方位的定向布阵接收等。在理论方面，以简正波为基础的波 动传播理论间，使水声学最终成为独立的研究学科。
由于军事上的战术要求，声呐不但要发现目标,更主要的是要准确和实时确定 目标的位置、姿态和类型，这和对雷达的要求是相同的。因此，20世纪50年代雷达 信号检测理论和技术的发展，也加速了声呐技术的发展。雷达接收中的匹配滤波和 脉冲压缩原理，以及几乎一整套的统计检测理论，对声呐系统也同样适用。但是，由 于声呐还有一些有别于雷达的其他特点，而使声呐技术本身变成一门广泛的跨学科 的综合技术。
事实上，雷达中的匹配滤波器概念和脉冲压缩原理，虽在第二次世界大战初已 提出，但直到20世纪50年代才在技术上付诸实现。随后十佘年时间，这方面的理 论和技术都已达到足够完善的程度[4，5]，特别是伍德华[6]、彼得逊[7丨、西伯特[8]、米 德尔顿和赫尔斯托姆_等的专著，从信息论或通信观点上详细讨论了雷达的统 计接收问题，从而奠定了雷达接收信号的经典检测理论基础。
声呐中首先引入匹配滤波器检测理论的文献是[11]和[12]，文中着重讨论了主 动声呐中采用复杂信号的匹配滤波技术和脉冲压缩抑制混响的基本原理。然而，声 呐和雷达毕竟有本质上的区别,雷达中采用的匹配滤波技术不能直接沿用于主动声 呐系统，只是到20世纪50年代末期，数字相关技术的出现，特别是时间压缩相关 器（如延迟线时间压缩，简称DELTIC相关器）的出现[13，14],才解决了主动声呐中 实时匹配滤波的技术问题。与此同时，数字多波束布阵（DIMUS)接收也成功地用 来解决声呐技术中的方位搜索和空间过滤问题而这两种技术，在以后很长一段 时期甚至至今还被广泛应用于声呐或其他检测设备。
为此，20世纪50年代以后，要求主动声呐的基础研究在两个性质不同但又互 相联系的方向上进一步开展：一方面是基于声呐方程各有关声参数的水声学研究, 主要包括声能在各种条件的海水中的传递、吸收，不同目标的散射，海洋混响，以 及环境噪声等特性的深入研究,这方面的工作已经积累了大量的实验资料，并提出 了许多理论模型，给主动声呐设计提供了必要的参数I1，16，17];另一方面是结合声呐 要求和新技术的发展，开展水下声信号检测和处理的研究，这方面的工作开始于20 世纪60年代后期，它的开展也同时对水声学的研究提出了新的挑战，人们已经认 识到，单纯地用能量关系和统计平均的常规观点来研究水声现象已不够了，必须用 通信或信息论的观点来研究水下声的传播、反射和混响等机理[24,25丨。由此可见，主 动声纳的基础研究十分迫切要求水声学的两大分支-水声工程和水声物理均必须为同一目的开展水声信号处理新课题的研究。
然而,在声呐中引用匹配滤波和脉冲压缩技术，海上试验证明其效果远不是设 计者所想象的那样_，声呐所面临的环境要比雷达环境复杂得多，许多在无线电通 信中被重视而在雷达中不被重视的因素(如介质的有限空间效应、信号的衰落特性 和目标的变化等),在声呐设计中都必须给予考虑。也就是说，必须从通信或信息观 点上全盘考虑声呐信号、声呐环境和声呐接收机三者之间的互相适配。20世纪70 年代以后,关于声呐波形和最佳接收机方面的研究工作已开始被广泛重视，人们期 待能够根据给定的声呐环境和要求，选择或自适应选择声呐波形和接收机，以获得 声呐的最佳检测效果。这首先要求对声呐环境（如介质传播条件、目标散射特性和 混响的统计特性）有充分的了解,或者实时测量环境的信息参数,或者根据现场环 境的物理参数来科学预估其信息参数;其次还要求声呐系统本身应具有更完善和灵 活的检测和参数测量功能，能最大限度地适应环境的变化，适应多种信号的有效处 理，以提取所要检测的目标信息和抑制各种可能存在的干扰。
要达到这样完善的功能,模拟系统或早期的基于限幅处理的半数字声呐系统是 不能胜任的，因为要实现这些功能,系统必须具有足够大的容量和足够髙的运算速 度，而器件的数量、体积和功耗,都是当时实际装备条件所不容许的。20世纪60年 末出现了一些快速运算方法,特别是快速傅里叶变换（FFT)[351技术提供了实时运 算的可能，随着20世纪70年代计算机和微电子技术的发展,声呐也很快随同信号 处理一起进入了全数字化时代，不但系统的运算速度大大提髙,而且体积和功耗也 都大为减小。此后20年，由于信号处理技术和特大数据吞吐量处理芯片的不断开 发和应用，到20世纪90年代，数字化声呐几乎达到了登峰造极的地步[221?223丨，声 呐信号的实时多路处理,环境参数的实时测量和信道特性的实时分析等均带来极大 的方便,而根据环境变化自动或自适应调整声呐参数，实现对目标自动检测、识别 和跟踪的研究也逐渐深入。
另一方面，随着高科技的发展面对由远海到近海的战略转移和高速隐身潜艇 目标的远程探测使命的声呐，也已经进入了信息化时代,技术上采用低频、宽带、大 功率以及大孔径基阵的新型声呐可以说已经达到力所能及的水平[223?225]，主被动 拖曳声呐（LFTAS严t-1’238],髙分辨合成孔径声呐（SAS)[237_2’3°5]的研究成功无疑 为海洋声信道的研究和测量提供了必要的手段。大量文献也证明,基于模型的信道 匹配和声场匹配是随后20年来声呐和环境适配最热门的研究课题[226，227]。
然而，由于海洋环境特别是如图1.1.1所示的浅海声呐环境诸多因素的时空随 机不确定性,仍然是提高主动声呐远程探测性能提髙的主要障碍，以致诸如自适应、 盲处理、神经网络和小波变换等众多的信号处理新技术在主动声呐中得不到实质 性的应用，主动声呐信道或声场匹配也同样没有实质性的进展。
为此，人们不得不对浅海声学环境进行系统的理论建模研究[228?231]，并有计划大规模地对环境不确定性规律进行搜索和分类的实验评估[232?235]，同时指出浅 海海洋环境的这类研究不只涉及水声学一个学科，还直接关系到海洋动力、海洋地 质、大气物理、卫星通信和计算机网络等诸多学科的研究和监测。
难以预测未来的声呐是什么样子[239，24Q]，但主动声呐作为一个探测系统，21 世纪将在低频远程探潜和髙频海洋监测两个方向与时倶进。髙频主动声呐包括侧 扫声呐、合成孔径声呐（SAS)和水下无人潜航器（AUV)声呐等，将更广泛地用于 海洋环境保护、监测和海洋资源的开发，为信息化海洋越来越精确地预报或提供海 洋环境变化参数或图像。而远程探潜方面将是如图1.1.2所示的智能多基地信息 网络声呐系统，该系统将是水下、空中（卫星和机载）和陆地（岸基中心）联网协同 工作，其中包括釆用时空分集法以抑制近海环境时空衰落的多输入多输出（MIMO) 水下声网[241]和舰艇编队声呐系统[242]等。实际上近代髙速水声通信[237_3]和水 下传感器网[237_4]技术的发展已开辟了水下GPS的前景，海洋声层析技术能及时 提供海洋动力学物理参数，利用卫星系统进行声呐和环境信息大范围髙速传递和 交换，而声呐中心可以通过信息交换和数据融合，及时根据时空环境信息、调整各 声呐参数和修正匹配模型，最终达到不断提髙声呐目标检测、跟踪和识别性能的目的[238?241]。
图1.1.2 21世纪的网络声呐示意图
本书不讨论主动声呐系统的全部有关的内容，只着重于从信息和通信观点上讨 论主动声呐的检测最基本的原理,其他诸如水声物理、水声工程技术、经典统计检 测理论和数字信号处理技术等均不作详细介绍，有关空间信息提取和布阵原理，在 被动声呐检测的专著中已有讨论，本书也不详述。以上这些与主动声呐有关的问题 可参阅文献[4], [5], [16卜[21]，[27]。
1.2信息论与声呐
“信息”是一个日常生活的概念，也可称“消息”，但赋于这个抽象概念以科学 定义和数学描述，还是20世纪初的事情。首先是哈脱莱建立了经典信息量的基本 定义，而后香农建立了经典信息论的基本原理[22卩后来，伍德华将“信息论”推广 应用于雷达信号检测[6]，接着声呐也在信息论的基础上进一步获得发展。这里不对 “信息论”作详细讨论,只对与主动声呐有关的基本概念作简要说明。
1.2.1主动声呐中的信息问题
为了说明主动声呐中的信息过程，首先介绍一个“对答”猜谜游戏：对方掌握 一个你事先完全熟悉的谜底（人、物或其他某一具体的现象，甚至概念)，但事先不 给你任何有关谜底的提示，你必须通过一问一答的形式，从对方对你提出问题的忠 实回答中确定对方所掌握的谜底。显然，由于你对谜底开始是一无所知的（先验无 知)，因此你第一个问题必然是盲目的。但即使这样，由于对方的回答是忠实于谜底, 那么必然会给出一定的信息。进一步的问题应该在对方给出部分信息的基础上提 出，使对方的回答进一步缩小谜底的可能范围。因此,你猜出谜底的成功率在于： ①提出合适的问题,尽可能使对方的回答中包含较多的有关谜底的特征，而较少涉 及与谜底无关的内容;②分析对方的回答，排除与谜底无关的内容,进一步提取与 谜底有关的特征。继续提问可以使你对谜底特征更加清楚,直至谜底的可能范围缩 小到完全可唯一确定为止。这是一个逻辑归纳和推理的智力游戏，是一个你由对谜 底的完全未知到完全确知的信息过程,其关键在于对回答的分析要透彻，问题要提 得适当。聪明的猜者可能不要几问就可获得谜底，而如果不对回答进行分析，又不 能提出合适的问题（两者是相辅相成的)，即使百问也未必能猜出谜底。
主动声呐就是这样的过程，谜底就是目标的存在、位置、状态和类型（相应于 声呐中的检测、参数估计和目标识别)，事先也是无知的，通过发
占位居中
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