水声模型在现代声呐工程设计中起着指导、支撑、分析和评估等多重作用。本书在回顾声呐装备发展历程的基础上，从声呐设计者的视角阐述目标信号、水声传播、背景噪声/混响等的经典模型及其发展，介绍水声模型在现代声呐工程设计中的应用，阐述现代声呐工程设计的基本流程和主要方法，给出声呐性能测试的要点和基本方法，涵盖现代声呐工程设计涉及的主要方面。

目录
丛书序
自序
主要符号表
第1章 概论 1
1.1 声呐简史 1
1.1.1 国外声呐简史 1
1.1.2 声呐装备的代际特征 3
1.1.3 我国声呐简史 4
1.1.4 声呐设备与声呐系统 5
1.2 模型思维与水声建模 5
1.2.1 模型思维 5
1.2.2 水声建模 6
1.3 工程思维与声呐工程设计 9
1.3.1 工程思维 9
1.3.2 声呐工程设计 9
1.4 水声模型与声呐工程 12
1.5 声呐实际使用效能 13
参考文献 13
第2章 声呐原理与工作环境 14
2.1 声呐原理 14
2.1.1 基本组成与工作过程 14
2.1.2 主要指标 17
2.1.3 声呐方程 18
2.2 声呐工作环境 22
2.2.1 海洋声学环境 22
2.2.2 声呐平台/安装环境 32
2.3 声呐工作特点 33
参考文献 33
第3章 水声目标信号模型 35
3.1 目标辐射噪声模型 35
3.1.1 舰船辐射主要噪声源 35
3.1.2 舰船辐射噪声谱特性 39
3.1.3 舰船辐射噪声信号模型 40
3.2 目标散射声模型 50
3.2.1 目标散射特性 50
3.2.2 目标散射的回波模型 50
3.2.3 典型水下目标的回波特征 59
参考文献 61
第4章 水声传播模型 62
4.1 水声传播建模 62
4.1.1 水声传播简化模型 62
4.1.2 海洋波导声传播模型 65
4.2 水声传播特性 74
4.2.1 浅海声传播特性 74
4.2.2 深海声传播特性 78
4.2.3 声场相关特性 83
参考文献 89
第5章 声呐背景噪声模型 90
5.1 声呐背景噪声概念与成分 90
5.2 海洋环境噪声模型 91
5.2.1 海洋环境的主要噪声源及其特性分析 91
5.2.2 海洋环境噪声建模 92
5.3 声呐平台自噪声模型 97
5.3.1 声呐平台自噪声源 97
5.3.2 舰壳声呐平台自噪声特性模型 99
5.3.3 拖曳声呐平台自噪声特性模型 100
5.3.4 机载声呐平台自噪声特性模型 108
5.4 声呐背景噪声场空间特性模型 108
5.4.1 各向同性噪声场空间特性模型 109
5.4.2 半各向同性噪声场空间特性模型 110
5.4.3 表面生成噪声场空间特性模型 110
5.4.4 脉冲噪声场空间特性模型 111
参考文献 113
第6章 混响模型 114
6.1 混响的产生及分类 114
6.2 混响建模 115
6.2.1 声散射模型 115
6.2.2 体积混响模型 122
6.2.3 界面混响模型 123
6.2.4 收发分置海底混响模型 126
6.3 混响特性分析 127
6.3.1 混响强度的时空分布特性 127
6.3.2 混响的时空特性 129
6.3.3 混响的统计特性 133
参考文献 137
第7章 声呐基阵与阵增益 138
7.1 声呐基阵指向性 138
7.1.1 声呐基阵指向性函数 138
7.1.2 声呐基阵指向性控制 146
7.1.3 典型声呐基阵指向性估算 148
7.2 声呐基阵增益 163
7.2.1 声呐基阵增益与指向性指数的关系 163
7.2.2 声呐基阵增益计算 166
参考文献 169
第8章 声呐信号信息处理 170
8.1 信号检测基本理论与方法 170
8.1.1 信号检测基本理论 170
8.1.2 高斯噪声中未知信号的检测 176
8.1.3 高斯噪声中确知信号的检测 182
8.2 信号参数估计基本理论与方法 186
8.2.1 信号参数估计基本准则 186
8.2.2 白色高斯信道中单参量信号估计方法 189
8.2.3 白色高斯信道中多个信号参量的同时估计方法 190
8.3 声呐信息处理基本理论与方法 191
8.3.1 目标定位基本理论与方法 191
8.3.2 目标识别基本理论与方法 195
8.3.3 目标跟踪基本理论与方法 199
参考文献 206
第9章 声呐总体设计 208
9.1 声呐总体设计概述 208
9.1.1 总体设计准则 208
9.1.2 总体设计方法 209
9.1.3 总体设计流程 209
9.2 声呐总体设计要点 210
9.2.1 需求分析 210
9.2.2 功能性能组成及接口设计 212
9.2.3 设计校核 225
9.3 被动声呐总体设计 227
9.3.1 需求分析 227
9.3.2 被动声呐性能建模与计算 227
9.3.3 被动声呐总体参数优化 230
9.3.4 被动声呐总体设计实例 235
9.4 主动声呐总体设计 237
9.4.1 需求分析 238
9.4.2 主动声呐性能建模与计算 238
9.4.3 主动声呐总体参数优化设计 240
9.4.4 主动声呐总体设计功能性能校核与验证 248
9.4.5 主动声呐总体设计实例 249
参考文献 256
第10章 声呐主要分机设计 257
10.1 声呐基阵设计 257
10.1.1 概述 257
10.1.2 设计要点 258
10.1.3 设计验证 263
10.2 前置预处理分机设计 263
10.2.1 概述 263
10.2.2 主要设计输入 2…
10.2.3 设计主要技术参数 2…
10.2.4 设计要点 265
10.2.5 电路设计 266
10.2.6 设计验证 268
10.3 发射机设计 268
10.3.1 概述 268
10.3.2 设计要点 269
10.3.3 设计验证 273
10.4 信号信息处理分系统设计 273
10.4.1 概述 273
10.4.2 处理方法与技术参数设计 274
10.4.3 被动声呐信号信息处理 277
10.4.4 主动声呐信号信息处理 281
10.4.5 多源多维信息融合处理 283
10.4.6 设计验证 286
10.5 设计文件 287
10.5.1 设计文件的编制原则 287
10.5.2 设计文件编制注意事项 291
参考文献 292
第11章 声呐性能测试 294
11.1 实验室测试 294
11.1.1 换能器等效电阻抗测量 294
11.1.2 换能器发送响应测量 295
11.1.3 换能器发送声功率测量 297
11.1.4 水听器的接收电压灵敏度测量 298
11.1.5 换能器指向性测试 301
11.2 湖上试验 302
11.2.1 声呐基阵测试 302
11.2.2 被动声呐总体参数测试 310
11.2.3 主动声呐总体参数测试 314
11.3 陆上联调试验 315
11.4 海上试验 315
11.4.1 系泊试验 316
11.4.2 航行试验 317
11.5 关于测试结果的评估 322
11.5.1 主动作用距离评估 322
11.5.2 被动作用距离评估 323
11.6 设计确认 324
参考文献 324
索引 325
后记 329
彩图

第1章　概论
　　声波是海洋中唯一可远距离传播的信息载体。声呐通常被认为是英文缩写SONAR（sound navigation and ranging，声波导航与测距）的音译（国标译为声呐，国军标译为声纳，早期曾译为声拿），是利用声波，通过电、声转换和信号信息处理实现水下探测、定位、识别、跟踪、导航、通信等功能的设备的总称。声呐按工作方式分为被动声呐和主动声呐两大类：通过接收目标辐射声波来工作的声呐称为被动声呐；通过发射声波，并接收回波来工作的声呐称为主动声呐。声呐也可按照功能分为警戒声呐、侦察声呐、通信声呐、导航声呐、探雷避碰声呐、水中兵器自导声呐等；按照声呐基阵类型分为艇（舰）艏阵声呐、舷侧阵声呐、拖曳声呐、航空吊放声呐、声呐浮标/潜标及海底固定式声呐等。
　　1.1　声呐简史
　　1.1.1　国外声呐简史
　　1842年，焦耳（Joule）发现了磁致伸缩效应，即磁场会使某些物质发生形变。1880年，居里兄弟（Pierre Curie和Jacques Curie）发现了压电效应，即当某些晶体材料受到压力时会在某一对晶面上出现电荷。人们由此联想到了声电转换机理与效应在水声领域的应用，进而发明了水声换能器，为声呐的发明奠定了技术基础。至今磁致伸缩换能器和压电换能器仍被广泛应用于各类声呐设备中。
　　世界上最早的声呐雏形是1906年由英国海军科研人员刘易斯?尼克森（Lewis Nixon）所发明，在当时叫作“水听器”（hydrophone），主要用来听测冰山噪声，保障舰船航行安全，第一次世界大战（1914年7月～1918年11月）期间开始用来侦测水下的德国U型潜艇。使用时，需要舰船停下来，以避免潜艇信号被自噪声掩盖，由于是被动工作，只能得到目标方位。为同时得到目标的距离，应对德国U型潜艇对海上运输线的巨大威胁，法国物理学家保罗?朗之万（Paul Langevin）与俄国电气工程师希洛斯基（Constantin Chilowski）经过三年多的努力，利用石英换能器和真空管放大器，于1918年2月研制成功了世界上第一部探测潜艇的主动声呐设备；同期，1916年，在英国工作的加拿大物理学家罗伯特?波义耳（Robert Boyle）承揽下英国的声呐项目，1917年在拜访了朗之万并与其交流后，于1918年3月也研制成功了与朗之万类似的主动声呐设备。由于该声呐项目当时归盟军潜艇探测调查委员会（Allied Submarine Detection Investigation Committee，ASDIC）管辖，因此英国人将其称为“ASDIC”（中文常译为潜艇探测器）[1]。第一次世界大战后，这种主动声呐陆续普遍装备水面舰艇，并与深水炸弹相结合，使水面舰艇具备了猎杀水下潜艇的能力。同期，德国海军研发了被动声呐阵列，称为“Gruppenhorchger?t”（GHG），1935年开始装备部队。GHG由两组24个水听器单元组成，分别安装于U型潜艇艏部两侧，能探测潜艇舷侧140°的方位。第二次世界大战（1939年9月～1945年9月）期间，交战双方投入大量的人力和物力开展水声领域内的各项研究工作，并取得了众多成果，如各种主、被动声呐纷纷问世；水声制导鱼雷、现代音响水雷和扫描声呐等都是第二次世界大战时期的产物[2]；为了配合反潜巡逻机破解U型潜艇的狼群战术，美国于1942年成功研制出第一型声呐浮标AN/CRT-1，并很快投入作战使用[3]。1942年8月10日，美国“S-44”号潜艇在航道设伏，将日本古鹰级巡洋舰二号舰“加古号”当场击沉，创下潜艇依赖声呐探测而击沉大型水面战舰的先河。
　　第二次世界大战后，声呐装备进入高速发展期，以大基阵、大功率、复杂信号处理、低频化、综合处理、环境适配、一体化、协同化等为特征的各类声呐装备不断涌现。美国在声呐研制领域始终走在前列：20世纪50年代推出艇艏圆柱阵被动声呐AN/BQR-2，艇艏圆柱阵主动声呐AN/BQS-3，海底网络声监视系统（sound surveillance underwater system，SOSUS），吊放声呐AN/AQS-1等；60年代至80年代推出球形阵主/被动声呐AN/BQS-6，潜艇声呐系统AN/BQQ-2（其主/被动声呐AN/BQS-6的球形阵外包裹着被动声呐AN/BQR-7的马蹄阵），拖曳线列阵声呐AN/BQR-15，潜艇综合声呐系统AN/BQQ-5，低频分析与记录（low frequency analysis and recording，LOFAR）浮标AN/SSQ-28，被动拖曳线列阵声呐AN/SQR-14（15、18、19），定向频率分析与记录（directional frequency analysis and recording，DIFAR）浮标AN/SSQ-53，水面舰艇综合反潜系统AN/SQQ-89等；90年代后又陆续推出了宽孔径舷侧阵被动声呐AN/BQG-5，潜艇一体化声呐系统AN/BQQ-10，战略型拖曳线列阵声呐系统（surveillance towed-array sensor system，SURTASS），战略型主/被动拖曳线列阵声呐系统（surveillance towed-array sensor system/low frequency active，SURTASS/LFA），综合水下监视系统（integrated undersea surveillance system，IUSS），多基地主动声呐反潜战（multi-static active anti-submarine warfare，MAASW）系统等。
　　由于现代核潜艇作为隐蔽的核攻击力量肩负给予敌方“二次核打击”的重任以及潜艇在现代海战中所具有的极端重要性两方面原因，美国以外的世界各国也都对研发声呐装备特别重视。俄、日、英、法、德、以色列等国都形成了各具特色的声呐装备。当前国际上，潜艇声呐装备、水面舰船声呐装备、机载声呐装备、无人平台声呐装备和水下预警探测声呐装备可谓琳琅满目、不胜枚举。
　　此外，随着人类对海洋开发越来越重视，声呐在海洋观测、海洋工程等民用领域，也日益发挥越来越重要的作用。可以这么说，有多少种利用电磁波的设备，就有多少种利用声波的声呐设备。
　　然而，与电磁波不需介质快速传播不同，声波依靠海水介质传播，且速度仅为电磁波的二十万分之一。由于海洋潮汐、洋流、锋面、内波，温度、盐度、深度等自然因素的复杂性和空时变化特性决定了水下声场的极其复杂性，迄今人类对海洋的认识远不如对陆地、天空的认识。所以，水声科学在很大程度上仍然是一门实验科学，尚有巨大的发展空间。因而，利用水下声波实现对目标的可靠检测、定位、识别和跟踪本质上就有很大的难度，反潜对各国海军而言，都还是严峻挑战。
　　1.1.2　声呐装备的代际特征
　　声呐自发明100多年以来，随军事需求和水声物理（技术）、电子技术的发展而不断迭代发展。在先进国家大致可分为六代。
　　第一代声呐装备以单换能器或简单基阵、分立模拟电路、机械扫描、人工听音判别为主要技术特征（简单声呐）。典型装备包括美国WCA和WFA系列主动声呐、水下听音器JP、全向被动声呐浮标AN/CRT-1等。
　　第二代声呐装备以相控阵列、分立模拟/数字电路、预成波束、电子扫描为主要技术特征，圆柱阵、平板阵、线列阵、球形阵等常见声呐阵型逐步发展成熟，警戒、识别、测距、测向、侦察、探雷、通信等声呐功能大都是独立的装备（独立声呐）。典型装备包括艇艏圆柱阵被动声呐 AN/BQR-2、球形阵主/被动声呐AN/BQS-6、海底网络声监视系统SOSUS等。
　　第三代声呐装备以数字电路、数字信号处理、集中显示与控制等为主要技术特征，基阵向大型、复合、低频方向发展，形式更加多样，出现了集成多部声呐设备的声呐系统（综合声呐），具备海底弹跳、会聚区、深海声道等的利用能力。典型装备包括声呐系统AN/BQQ-5、反潜系统AN/SQQ-89、DIFAR浮标AN/SSQ-53等。
　　第四代声呐装备以面向功能和任务的一体化设计为主要技术特征（一体化声呐）。相比于第三代声呐，呈现为声呐系统总体架构一体化、水下基阵多功能一体化、数据管理一体化、信号/信息处理一体化等特点，探测、侦察、通信等功能以软件模块方式纳入一体化声呐系统实现，先前的各独立声呐设备形态基本消失。信息处理采用一体化开放式硬件结构，具备硬软件资源动态调度能力，商用现货（commercial off-the-shelf，COTS）产品和技术逐步成熟并被广泛应用，装备技术水平和战技性能大幅提升，迭代加速。对声场的利用呈现精细化的趋势，各类声呐使用（作战）支持软件开始装备部队。典型装备包括美国声呐系统AN/BQQ-10、战略型拖曳线列阵声呐系统SURTASS等。
　　第五代声呐装备以多基地协同探测、多平台信息综合处理、接触级数据融合和水下态势快速生成为主要技术特征（体系化声呐）。典型装备包括多基地主动声呐反潜战系统MAASW、固定式监视系统（fixed surveillance system，FSS）、固定分布式系统（fixed distributed system，FDS）、先进可部署系统（advanced deployable system，ADS）和战略型主/被动拖曳线列阵声呐系统SURTASS/LFA、近海水下持续监视网（persistent littoral undersea surveillance network，PLUSNet）、深海分布式探测系统（deep water active distributed system，DWADS）等。依托各类装备构建了岸、海、空、天、潜、深海六维立体的对水下监视网络，综合形成了多层次、立体的对潜预警探测能力。平台反潜探测是在体系支持下的二次发现。
　　第六代声呐装备以基于大数据的智能化、无人化为主要技术特征，具备虚实互动、自主决策、自主学习与演进等能力，其中，数据和算法是核心，算力和网络是技术手段，无人化和有人无人相结合是形态（体系化智能声呐）。无人机搜潜系统、水下无人潜航器声呐系统、无人水面船水声系统、可机动快速布放水下分布式网络化警戒探测系统、潜标等无人化水声探测装备，通过网络互联互通，将人工智能技术与水声技术高度融合，实现自主式工作，既可以自成体系独立运用，也可按需接入舰/潜/机声呐系统、区域水下警戒探测系统等其他水声任务系统，协同形成探测优势，并将探测优势实时转化为决策力优势，以适应智能化体系作战的需求。
　　1.1.3　我国声呐简史
　　我国自20世纪50年代末开始进行水声技术研究与声呐装备研制。声呐装备发展历经引进苏联装备和技术，研仿苏联装备，自行研制第一代声呐装备，引进和借鉴国外技术自行研制第二代声呐装备，独立研制新原理、新体制装备等五个阶段。
　　改革开放前，我国通过引进苏联装备和技术、研仿苏制“北极-M”站、“斯维脱-M”侦察站等装备，为“33”型鱼雷攻击潜艇研制了H/SQZ-261型综合声呐、H/SQX-061型水声通信站等五型声呐设备。在此基础上，我国开展了声呐装备自行研制工作，典型装备包括H/SQZ-263型综合声呐、H/SJD-302型舰用回声声呐、H/SQC-551型水声侦察声呐、H/SKD-141型吊放声呐等。这一代声呐普遍采用大基阵、相控多波束等技术，相当于国外同类声呐的第二代产品。
　　改革开放后，我国与西方各声呐装备先进国家有了合作交流，组织专家赴各先进国家进行了全面技术考察和装备、技术引进谈判。最终根据当时条件和可能有选择地引进了几型装备和部分技术进行消化吸收。在借鉴的基础上，我国全面开展了新一代潜用声呐系统、舰用水声系统及航空机载搜潜系统的研制，典型声呐装备包括H/SQZ-××5型综合声呐、H/SJD-××9型回声声呐等。这一代声呐实现了综合显示和综合控制，采用了当时先进的数字化技术和信号处理技术，同等条件下，功能性能达到国外第三代声呐的水平。
　　21世纪以来，我国水声技术和装备取得了突飞猛进的发展，形成了较为完整的潜艇、水面舰艇、反潜飞机和海岸预警平台声呐（水声、搜潜）系统和设备谱系。典型装备包括海洋监视船水声系统、主被动拖曳线列阵声呐、新型舷侧阵声呐、编队水声系统等。对时空分布式感知的水下信息可进行分层次综合处理，形成综合态势，实现警戒探测、通信保障、导航定位、海洋观测、信息对抗等功能，可有效支撑要域搜潜、要道封控、编队护航等作战任务。
　　进入新时代，建设海洋强国上升为国家战略。2018年，习近平主席在南海海域检阅部队时强调：“在新时代的征程上，在实现中华民族伟大复兴的奋斗中，建设强大的人民海军的任务从来没有像今天这样紧迫。”在“机械化、信息化、智能化三化融合发展”战略的指引下，作为研究海洋、开发海洋、保卫海洋国土的主力装备，声呐系统和各类设备又迎来新一轮发展机遇，呈现第四代、第五代、第六代装备协调推进、百舸争流的兴旺发展局面。
　　1.1.4　声呐设备与声呐系统
　　在工程管理上，将声呐装备分为声呐设备和声呐系统（在国内，水面平台称水声系统、航空平台称搜潜系统）两个层次。通常，单部声呐称为声呐设备，多部声呐组成声呐系统（水声系统、搜潜系统）。从工程设计的视角看，二者并无本质差异，都须按照系统工程原理开展研制工作，整个声呐系统（水声系统、搜潜系统）本质上就是一部大声呐。所以，在本书中，我们不区分实际型号工程中的声呐设备和声呐系统。
　　1.2　模型思维与水声建模
　　1.2.1　模型思维
　　模型思维就是运用各种模型辅助思考，帮助我们快速决策、高效解决问题的结构化思维方式。由于海洋水声环境的复杂性，模型思维可以帮助我们简化声呐工程设计问题，提高工程设计效率。进入21世纪，随着算力的快速增长和大数据时代的到来，模型在工程中的应用越来越广泛、深入。基于模型的定义（model-based definition，MBD）、基于模型的系统工程（model-based systems engineering，MBSE）逐渐成为工程的主流。
　　运用模型解决问题时，需注意以下几点。
　　一是模型的局限性。由于建模过程都对问题做了假设和简化，所以模型都是在特定条件下才成立。因此，在运用模型时，应对模型建立的边界条件和适用范围有清晰的理解，避免南橘北枳。
　　二是模型的多样性。即使对问题的假设和简化相同，由于所持的数学观念或使用的数学方法不同，对同一个实际问题也有不同的数学模型。所以，在运用模型时要多比较互鉴，取长补短。
　　三是模型的渐进性。世界是复杂的，随着人们认知和实践能力的提高，各门学科中的数学模型也存在一个不断完善或者推陈出新的过程。因而，运用模型也要与时俱进，以求更精准地解决问题。
　　1.2.2　水声建模
　　狭义的水声建模研究如何准确细致地解读海洋声场的物理规律，并用数学解析或数值方法加以描述[4]；广义的水声建模还包括对水声目标、声呐性能等的建模。常用的水声建模方法包括基于观测数据的经验归纳分析法和基于物理规律的数学推导法。随着计算机科学技术的快速发展，海洋声学数值模型的开发和应用得到了迅猛发展。只有数值方法才能允许我们考虑海洋声学问题中的全部复杂情况[5]。一般地，水声模型可归纳为水声目标信号模型、基础声学模型（传播、噪声、混响）、海洋环境模型（海面、水体、海底）以及以上述模型为基础构建的声呐性能模型。
　　1．水声目标信号模型
　　水声目标信号模型主要包括水中目标辐射噪声模型和水中目标散射声模型。
　　水中目标辐射噪声模型是对目标辐射的噪声场及其特性的数学表征。水中目标辐射噪声主要包括螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声，其特性与水中目标类型、结构、航行工况等密切相关，具有唯一性和可鉴别性，是对目标进行远程探测与分类/识别的重要依据，通常可采用连续谱、线谱和包络谱或其他更精细特征予以表征。
　　水中目标散射声模型是对水中目标在入射声波激励下形成的散射声场及其特性的数学表征。水中目标散射声主要由目标对入射声波的反射、透射、衍射或绕射等效应而产生，与目标的形状、尺度、结构和表面声学特性等因素有关，是主动声呐目标检测和识别的重要依据。经典散射模型主要包括亮点模型和弹性散射模型。