声学技术▏海洋声学目标探测技术未来发展趋势
被动探测技术
从空域处理的角度，被动探测技术未来发展的趋势主要有以下几个方面。
⒈大孔径阵列的稳健阵列处理技术
水下目标减振降噪技术的发展，使得预警探测声呐系统的处理频段逐渐下移，能够提供更高处理增益的大孔径水听器阵列展示出了巨大的应用前景，其主要应用场合有岸基预警声呐以及船用拖曳阵声呐等。考虑到低频段海洋环境噪声更加嘈杂，同时大孔径阵列尤其是柔性阵列易受系统自身误差和环境因素的影响，造成目标方位估计精度严重下降。因此，大孔径阵列的稳健阵列处理技术变得十分重要，也是未来的发展趋势之一。
⒉新型传感器及其阵列
现有水听器包含标量声压水听器和矢量水听器，前者本身没有指向性，而后者能够提供最高6dB的指向性，因此由矢量水听器构成的阵列将具有比声压水听器阵列更高的指向性。然而，矢量水听器及其阵列所能提供的指向性仍然有限，研制具有更高指向性的小尺度水声传感器及其阵列，对于进一步提升被动探测的性能具有重要意义。已有的关于高阶超指向性声学传感器及其阵列的研究成果证明了其存在的巨大潜力，进一步将其应用于实际海洋环境中也将是提升被动探测性能的趋势之一。
⒊信号处理与水声物理模型的充分结合
现有被动探测的空域处理方法，如波束形成、方位估计等，大部分仍然基于平面波假设，而实际海洋环境有时并不满足。水声信号在实际海洋中的传播， 会受到海底海面反射、波导效应，以及锋面、涡旋、内波等物理现象的影响，造成信号扩展、延迟叠加等畸变， 不仅使得平面波假设失效，而且信号相干性也会受到很大影响。将信号处理方法与水声传播规律结合，势必将大大提高被动探测的性能。现阶段，相关研究虽已取得丰硕成果， 但仍存在很多基础问题有待深入研究，与之相关的信号处理理论也需进一步研究。
只有更加深入地理解水声传播的物理规律，才能提出更适用的被动信号处理方法以提升被动探测性能，这仍是未来需着重研究的一个方向。
主动探测技术
⒈继续发展低频大功率探测技术
低频大功率探测技术的发展趋势是继续往更小体积、更低频率及更大功率发展。随着探测距离要求的不断提高，现有低频大功率发射换能器频率仍然需要进一步降低。同时，低频大功率探测技术需要聚焦于如何在期望的工作频段上减小发射换能器体积、提高声能辐射效率等。
⒉继续发展多基地组网探测技术
为了更有效地探测隐身目标，传统的单基地探测模式已经很难满足需求。随着作战环境的恶劣化、作战任务的复杂化，传统的单基地主动水声探测技术正逐步往双/多基地探测模式转变。主要有2种技术方案实现双/多基地探测：①在已有的单基地探测技术上，对相关设备进行改造，对处理技术进行升级，从而使其获得双/多基地探测能力， 满足多样化探测的需求；②根据相关的任务需求，研究全新的双/多基地探测技术，并据此研制全新的双/多基地探测系统。
⒊继续研究新体制主动探测技术
主动声呐技术的发展过程中，新体制探测技术可在较小的代价下获得优于传统探测技术的探测优势，从而成为探测性能提高的倍增器，理应受到未来持续不断的关注。因此，未来需进一步研究新体制主动探测技术，包括具有集成创新特色的多基地合成孔径声呐探测技术、MIMO合成孔径声呐探测技术、分布式MIMO声呐组网探测技术，以及发展借鉴海洋生物探测功能的仿生探测技术等。
⒋发展智能化主动探测技术
主动探测技术性能受到使用环境的影响较大，传统的参数固化的探测方法并不能适应复杂多变的海洋环境。未来需根据不同的使用环境(如不同的噪声背景、混响背景等)、不同的目标特性、不同的声呐类型(如浮标声呐、舰壳声呐、拖曳线列阵声呐等)，研究智能化的主动探测技术。通过在多次重复使用中不断积累对环境的认知信息，抑或继承前序设备所累积的环境认知信息，将这些认知信息融入到主动探测过程，可随着使用环境的改变而智能地调整发射波形、接收滤波器参数、噪声/混响抑制方法等，从而显著提高在不同环境下、不同海域中对不同类型目标的探测性能。
⒌发展生态友好型主动探测技术
由于主动声呐不断往低频大功率发展，在使用过程中，其较低的频率和较大的声源级已经对海洋生态环境造成了破坏，对海洋生物尤其是使用生物声呐的哺乳动物(鲸鱼、海豚等)造成了伤害。如何在使用低频大功率声呐过程中，避免或减少对海洋生物的影响，是需要研究的技术问题。因此，发展可同时兼顾军事应用和生态保护的主动探测新技术，是未来主动探测技术发展的方向之一。
水下通信组网技术
⒈利用网络协议提高工程应用中复杂海洋环境条件下水声网络的通信可靠性。针对现有海洋环境的复杂特性，研究面向实际应用及适用于长传播时延、链路不可靠等环境的水声网络组网协议，利用水声网络协议提高水声通信可靠性，从而实现可靠的水声通信，降低复杂海洋环境对水声通信的影响，是未来研究的重要方向。
⒉适合空天海跨介质组网协议的研究。从美国和欧盟在水声通信网络领域的发展现状可以看出，适应水下环境特点深入优化网络协议和实现水下与水面、空天多平台互联将是未来重要的发展趋势之一。因此，如何实现空天海跨介质网络高效、可靠无冲突的接入问题，异构网络之间的可靠路由问题，以及异构网络之间、不同网络层之间如何协作实现整体最优的问题，是未来重要的研究方向。
⒊面向任务的网络资源调度。现有的水声网络协议致力于提高通用网络在吞吐量、端到端时延及网络生存周期等方面的性能表现，但是在工程应用中，需要针对不同的工程应用提供相应的网络资源调度策略。例如在快速反应网络中，需要针对不同节点需要的反应时间进行带宽、信道等资源的分配，从而实现网络在此种应用的特定性能表现。因此，如何设计网络的资源调度策略，使得可以适应于不同工程应用的水声网络是未来研究的重要方向。
⒋标准化水声网络实验平台建设。虽然过去几十年内国内水声网络建设已经得到了飞速发展，但是主要还是集中在理论研究及仿真实现等方面，即便已经实现的水声网络， 也主要针对简单的网络协议，还不能很好地应对工程实际中的应用需求。为实现水声网络建设在工程实际应用中的快速发展，标准化水声网络实验平台的建设迫在眉睫， 如何建设适用于不同网络协议，不同工程应用，不同海洋环境的标准化水声网络实验平台，是现阶段一个重要的研究方向。
多源信息融合探测技术
现有的融合探测技术主要是基于概率的方法，如求解融合探测的最优技术、GLRT方法等。然而，因GLRT需对似然函数关于目标数和目标在笛卡尔坐标上的位置分别最大化，所以计算负荷极高。对此，有人提出了一种快速融合探测策略，即测量筛选跟随一个期望最大化来改进探测估计的位置。在MSTWG所提供的标准数据集上，该策略比GLRT快近4个数量级，但同时也带来了1000～2000m的定位误差。为了平衡计算效率与定位精度，有关文献提出一种基于随机有限集(RFS)的方法，由MCMC仿真实现，即RFS-MCMC。采用相同的评估环境，RFS-MCMC取得了介于GLRT和FPF之间的性能；但仍存在不可忽视的性能“鸿沟”：比FPF慢2个数量级，比GLRT增加500～1000m的定位误差。为弥补这一“鸿沟”，需进一步深入测量信息与信息间互补关系的建模研究。
面向海洋环境安全保障的迫切需求，构建由主被动探测节点组成的分布式水下探测网络， 进行多源声学信息融合，是提升水下目标探测能力的有效途径，也是海洋声学目标探测技术发展的重要思路之一。
本文作者/杨益新 韩一娜 赵瑞琴 刘雄厚 汪勇，均来自西北工业大学航海学院；第一作者杨益新，1975出生，男，博士，教授，主要研究方向为水声信号处理；文章来自《水下无人系统学报》（2018年第5期），原标题为“海洋声学目标探测技术研究现状和发展趋势”，编发时作了删选，版权归作者与出版社共同拥有，用于学习与交流，转载请备注来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
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