智能聲吶系統如何洞察海底世界
“你只有探索才知道答案。”這是科幻小說《海底兩萬裡》中的一句名言。海洋浩瀚無垠，海底世界無比豐富，如何探索其中奧秘，得到人們想知道的“答案”呢？
許多人可能第一反應是藉助“聲吶”。沒錯，這是一種利用聲波在水中的傳播特性，通過電聲轉換和信息處理，探測各類水下目標的位置、類型、運動方向等屬性的技術。對海底世界的探測和觀察，至今還沒有發現比聲波運用更有效的手段。聲吶系統成爲目前海洋技術裝備中應用最廣泛的一項技術。
自第一次世界大戰被用來偵測潛水艇開始，聲吶系統一直是各國海軍進行水下監視、偵測、攻防的“利器”。如對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤，在水下通信、導航，保障各類水面艦艇、水下潛艇、反潛飛機的戰術機動和水中武器使用，等等。
聲吶系統不僅在海洋軍事行動和海戰中發揮重要作用，在經略海洋、發展國民經濟等方面也同樣不可或缺。如水下探測魚羣、海洋石油勘探、船舶導航、水文測量和海底地質地貌勘測等，都離不開它。
隨着人類對海洋認知的加深與探測技術的進步，從最初的“水聽器”發展而來的被動聲吶，到有目的發射聲波的主動聲吶，再到兩者相結合的聲吶系統，儘管在技術上得到了突破，但傳統聲吶系統仍難以滿足現實所需。
在計算機技術、人工智能等現代科技大發展的時代背景下，集聲學、海洋科學、電子科學、計算機科學等衆多學科於一身的新一代智能聲吶系統隨之問世。
人工智能，賦予聲吶聰慧“大腦”
人工智能誕生於1956年，它的實質是模擬人的思維過程。
人的大腦在日常生活中，會對不同事物或信息產生不同體驗，並留下印象或記憶，形成經驗。當再次遇到類似事物或信息時，先前的經驗會被喚醒，併產生一系列相應的判斷與處理方式。
以機器學習爲代表的人工智能，模擬了這一過程：它借鑑人腦的神經系統，將其抽象化爲數學模型，然後使用不同類型數據，讓計算機發掘它們的差異，形成不同的“體驗”，並通過調整計算方法，形成“記憶”。當未知類型的數據輸入時，調整後的計算方法會憑藉自己的“記憶”，給出處理結果。
近年來，藉助人工智能，海洋科學家開始將聲音信號識別與人腦思維規律結合起來。
一般情況下，只有同時掌握了海域的海面、海體和海底等情況，才能較準確地掌握某一海域的聲學環境。然而現實情況是，由於海洋時空的變換，完整獲取以上3個方面信息往往很難。這就極大限制了人們探索未知海域的能力。
當科學家成功地將人工智能引入聲吶系統後，這一問題迎刃而解。科學家運用其中的機器學習技術，設計出了多種聲吶定位算法，並結合海試數據，驗證了智能聲吶算法的性能優勢和應用潛力。
未來，裝備了人造“大腦”的智能聲吶系統，將猶如一位經驗豐富的老水手，具備很強的環境適應能力。如果將其應用於海戰系統，可幫助戰鬥人員增強對未知環境的適應性。它既可使海上作戰系統繞開環境信息缺乏的阻礙，利用有限聲學數據還原目標的聲學特徵，有效實現水下目標定位，又能在聲學情報與實際環境出現差異時，通過智能聲吶定位技術，修正先驗信息中出現的誤差。
如今，在機器學習與聲吶技術這一新興學科交叉方向，其研究呈現出方興未艾之勢，推動着智能聲吶研究進入快速發展階段。
高分辨水下成像，讓聲吶“明察秋毫”
智能聲吶系統要在大海中“明察秋毫”，僅有聰慧的“大腦”還不夠，同時還要有一雙看得清、辨得明的“慧眼”，實現對水下目標高分辨成像。
於是，科學家將具有高分辨成像的合成孔徑雷達技術引入聲吶系統，並將側掃聲吶與合成孔徑聲吶結合在一起。這樣，就給智能聲吶系統添上一雙明察秋毫的“慧眼”，具有了水下高分辨成像的本領。
側掃聲吶技術採用傳統的回聲測深原理，具有探測速度快、目標定位快的優勢。與普通聲吶不同的是，它向海底發射的探測聲波呈扇形，並在海底形成長條形投射區。隨着聲吶設備在探測中不斷移動，海底目標就能像拼圖一樣被細分成許多塊，一一捕捉目標的細節特徵及高度信息。在這張“拼圖”上，既有捕獲的海底不同物體的形貌特徵，又能幫助人們識別探測目標的種類，如同陽光灑在大地上所呈現的色彩繽紛的光學世界一樣。
不僅如此，它還能根據不同探測目的，選擇不同頻率的發射波束，對不同物質、不同頻率聲波產生不同的散射強度，使漆黑的海底也能變得“五彩斑斕”。
相比之下，合成孔徑聲吶則具備更清晰的成像能力。它利用小孔徑基陣的移動，來獲取方位方向的高分辨力，能實現更廣的探測範圍，還能利用低頻段聲波探測到被泥沙掩埋的目標。就如同給海底探測器裝上了一臺X光機，幫助人們探測到大洋中更多的奧秘。
目前，以側掃聲吶與合成孔徑聲吶爲代表的高空間分辨智能聲吶系統，在海洋測繪、勘探領域已得到成熟應用。如用來鑽探發現海底“可燃冰”資源，協助潛水員執行水下搜尋救助作業等。國外一些研究機構還將合成孔徑聲吶技術用於水下潛航器，構建起新型水下成像系統，有效促進水下無人作戰能力穩步提升。
總之，擁有高分辨成像能力的智能聲吶系統，讓各類水下目標顯露出“真容”已不再是設想。
多方位融合，打造聲吶“多面手”
傳統聲吶系統的工作方式，有主動式和被動式兩種。主動式聲吶系統像是探路的蝙蝠，一邊自主發射聲波，一邊接收回波，以此刻畫目標區域的基本特徵；被動式聲吶系統像是“順風耳”一樣的傾聽者，能將目標區域發出的所有聲學信號收入囊中，從嘈雜聲音中發現目標的“蛛絲馬跡”。
隨着現代科技發展，這兩種聲吶系統的缺點也愈發明顯。特別是在潛艇降噪技術和潛艇戰術不斷進步的背景下，單一工作方式的聲吶系統侷限性更是顯而易見：主動式聲吶系統由於聲波發射與回波接收均在同一處，工作時容易暴露自身方位；被動式聲吶在面對安靜型潛艇時，探測能力捉襟見肘。
面對日趨複雜的海戰環境，現代智能聲吶系統一大優勢是，能利用多平臺融合技術，實現聲吶平臺的“聯動”。以目前常用的諸如岸基式、艦載固定式、艦載拖曳式和航空式聲吶平臺爲例，它們各具優勢，但也各有不足：岸基式聲吶機動性差，一旦暴露即失去存在價值；艦載固定式聲吶極易受到艦艇自身噪聲干擾，且尺寸有限，探測能力受限；艦載拖曳式聲吶機動性差；航空式聲吶在使用時易受天氣影響，探測區域和探測深度受限。
如今，科學家參照物聯網的思路，將主被動聲吶系統、多平臺聲學傳感器整合進一個互聯網絡，使網絡中的主動式聲吶、被動式聲吶可以隨時切換，艦載聲吶、岸基固定陣聲吶、航空式聲吶等同時作業、相互補充，對海面、海底和海體全海域空間實施全覆蓋，通過內部互聯網絡，實現水下聲學數據共享，即可打造出一套具有多種功能的智能聲吶系統。
這種多基地、多方位相融合的智能聲吶系統，一些軍事強國一直在進行研究探索，在“海網”“近海水下持續監視網”等水下網絡項目上取得較大進展。
以國外“海網”爲例，該系統由岸基固定式節點和潛艇、潛航器、海底爬行車等多個移動節點組成，各節點之間通過水聲通信鏈路相連，可實現不同節點之間數據實時共享。藉助該網絡，潛艇不僅可以獲取水下聲學信息，還能與其他海、陸、空天平臺共享，從而提高反潛作戰能力。
據報道，國外的“近海水下持續監視網”已基本具備作戰能力，可通過潛艇釋放多個無人潛航器，構建一個臨時動態水下網絡，獲取周邊海域的聲學信息，並誘使敵方提前暴露，以搶佔先機。
版式設計：樑 晨