& y/ X6 E2 P$ }. }) Z; }$ U; i
" f ~6 g; E9 b4 [& e/ b
/ |6 i2 J6 p- W. \
7 _7 S% ~& o5 v" f
* s8 e4 _* D6 a# [1 J- w# F9 D5 \ 智能声呐系统概念图。 C9 P4 |& O/ P
( H z0 s+ W6 `! W # N" b. w- W1 y0 `4 D& R5 Q1 B
●“大脑”聪慧，可高效监测复杂的水下声音 ) f: m& o& `% ~+ J! Q; Y V
( ~$ x6 n; ]; G. J/ o" D
( y+ M+ T7 c5 c! i' { ●明察秋毫，使水下各类目标显露“真容”
8 n$ ~# ~' w7 M8 b; { % i& \* l' u) {) x- P+ i# I& t3 @! C
- ~" E$ E* b$ {2 Y' W1 N ●前景广阔，应用于水下资源勘查等方面 / l* Y- H s! {4 [+ d' `. f
+ G- G# z4 z# X# F" s, s " b$ w9 @! t7 u. g- b6 U( \% G' x( K
“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？ ' Q* y5 q# z6 v
* h# P& Z) n8 X" r. E* E
4 F( e$ M0 b( i0 d- @+ V 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。
& _ I9 |$ d' j. j- W
0 H( S9 ?0 V0 J2 g
5 B. s) @3 W4 Z; q 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。 3 ]' Y% @$ C! K( E% W
/ K9 a/ q6 i% |
' _% Q+ U( W @7 J G* P. R 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。 " D8 N& s6 O8 w: F- p8 {2 S
+ u; I" F6 g$ l L( B . z# a {- P3 a' E
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。
q% `: N4 h- O, h% f 3 V2 e3 ]8 }1 W Z' I+ z* `! M I/ b
. ?. K% [5 l6 b, h) W& c 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。 " y0 O* a8 e) I% V
+ X4 o: r. B* n: G! H$ V& B0 K
) b7 L7 I5 f+ ~ 人工智能，赋予声呐聪慧“大脑”
2 Z# _2 s; l/ u% J' p5 g5 k " t) X v- P$ p% b; I$ }
: u. @3 r4 O- p: {2 a/ i: m 人工智能诞生于1956年，它的实质是模拟人的思维过程。
3 ^& T7 I+ j5 t: m( p5 c ) J& G! u v D1 R
9 |" W, ^ c1 `- M. \2 d' j/ x* K 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。
1 E" f6 O9 b9 B/ u - P6 {7 e2 x2 g4 v$ a- e* o
6 i" i3 Z, I: c- C 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。 & W& n7 O$ G3 l x
7 M0 }7 h+ f' y' z( R5 w
% u: `- z3 [2 u 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。
# b7 B0 h" c8 I4 c5 X 1 T3 g! r d# ^+ R9 o! u* ?9 ?7 B! H
, o( \% C1 @1 W6 U5 p
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。
8 j& L8 V0 F+ d/ m& v& u' O! J 4 }( J9 T; p7 [8 c. [/ p
& W" J2 X- t) D: n0 ~0 |
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 T4 Z9 N/ D( |! h/ v; q2 \
3 l- T( g& v' s+ L0 E; B' i$ j4 ~
& g) L( W; q4 R! z' m- ~- `
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。 5 }9 T/ r. F2 A p5 n8 H/ O# J; m" x
) ?& n* r/ d2 j% _( J% ?! y' s " e; k) T7 l4 c
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。 # k9 i# U8 r7 p! H
' X6 Y& b: Q- w
6 i7 H$ S% @% Z& [
高分辨水下成像，让声呐“明察秋毫” 4 f& s# q* j9 N# x& w
9 _) D3 E% M3 I- C5 ^' e
2 H" H1 G% T& J( L3 R T4 j 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。
9 X8 ~% N1 p' i8 i, O& H& O" v
, C9 B: x3 M! n% d 8 |; N. ^9 p. n/ c' f
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。
5 h/ M8 P6 C( u% I: J
+ j6 s6 S- V' r5 }3 l' n / u% ?- c0 u" s! M( x
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。
% e. K" ]$ \" k
% B% s& A$ d$ v& c0 d0 n
; t1 z7 h1 f. _* E 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”。 - b1 J* e. q7 O0 p
q0 f u; G+ w. P% W
9 f+ Y6 x' x6 L: [2 g& a 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。 ( J& e1 J, C, i5 K* E
0 ?, p2 \7 M2 e- @$ E" @
; L* p/ `8 O E9 V! X4 a& _ 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。 ) @/ r& K- H. _
, [9 U* C1 G5 Q0 H
4 R% q! ^" Z$ `1 ^ 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。
: y; N* k- T* B( M7 B K ' I u& z% A: Y* ?, {
! i: M* i1 ]3 r! f# ~- c$ F 多方位融合，打造声呐“多面手” 0 x0 O5 `% n1 I
. T- c; y, E2 f& b" D, r& C
& I0 w6 _+ r6 Z7 B/ l5 i 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”。 7 Q) O. M8 Z" B1 j
+ M3 a: }1 T/ F# f" y( {5 ]' j3 l
4 f* ?0 o% V3 V7 {" w: ? 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。
; X2 l. x, x1 H2 `, k; R2 s: w0 M8 F ! _$ p6 \2 X: {4 o6 C& i, R5 Y* m
, q/ F! z, r# @7 ?% ?% @ 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。
5 c& m) J) m) b: l# U' v " ~- a% H% e1 I9 @. e% w" o# B4 a9 k
) z- o+ Z3 k$ j5 ~; l9 w
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。
' r4 W7 u \7 X$ x' ^/ M: W8 e
% F$ |! x9 x+ h( @ , i7 E; h1 S9 I2 ?2 S
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。
* o3 h* m1 w3 i g& E " z" `/ N g f9 N! W" y
0 j1 j. R5 J9 y 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。
1 C5 x6 S6 n, N5 n
0 q; P- x' c, z$ E) b F- J
' J5 o; c* `- u$ w. K# k j2 k 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。
% e; z. p) z6 B0 C) q" j 8 A! |5 {0 e8 c
; M4 }0 R; Y( \" o
来源：解放军报
' ^8 x/ C1 X3 @7 ~$ O0 [* M: d
) P* y; a$ ~+ [. T: t: W' `8 f 4 t6 Z" q# o* n* a& B( l% b
举报/反馈 ) a9 ^4 L" p& K& O% O, A
0 E+ u& ?* w" v' u2 D- ^8 ?2 `
+ {; B( h3 s+ @8 ~: d
4 c* W7 E* A& y0 h9 e% U) j3 X3 q9 ^7 z
* l, m! W7 ~; w6 T; c
| 
