水声探测技术：捕捉“水下幽灵”
潜艇在第二次世界大战中一举成名，德国潜艇的“狼群”战术至今让世人记忆犹新，成为各种军事教科书的经典范例。世界各国都很注重潜艇的发展，具有“水下幽灵”“深海隧洞”之称的潜艇越来越多。那么潜艇就是水中的王者了吗？其实并不是，水声探测技术就能使“水下幽灵”现身。
要想了解水声探测技术，还需要首先知道声音在水下传播的特点：（1）透射与绕射，透射是人所共知的一种物理现象，海洋中的声波遇到比较薄的障碍物就透过去，形成透射。在水声探测设备应用中，为减少海水介质直接对换能器（一种既能把电能转换成声能又能把声能转换成电能的装置）的影响，通常在换能器外面加上一层流线型的不锈钢导流罩，因而不管换能器处于发射或接收状态，声波同样能透过导流罩发送出去或进行接收。绕射是指声波遇到尺寸比它的波长小的障碍物就绕过去。若障碍物的尺寸比波长小得多，则绕射现象就非常显著，反之绕射就减弱。根据绕射的这种特性，当水声探测设备的频率一定时，就可以方便地探测水下目标的尺寸。（2）反射与折射，反射是声波遇到不能透射的障碍物，其尺寸又远大于它的波长时，便调头返回来。声呐（尤其是主动声呐）主要是利用这一特性。声波在海水中传播时，如果海水分子分布均匀，上下左右传播速度也都一样，它走的就是直线。如果海水温度不同、含盐量不同或水的压力不同，它就会转弯，发生折射。使声波产生折射的主要因素是海水的温度。（3）散射与混响，声波在传播过程中遇到不均匀的物质（如气泡、悬浮粒子、浮游生物、鱼群、水层、水团、海底山脉等）时，部分声能就会偏离原来的路径转向其他方向形成散射。这些散射波一部分先是从声源附近的散射体传回接收点，后再由远处的散射体传回接收点。这样在接收点就陆续传来了强度逐渐减弱的连续散射回波，于是就形成了混响。混响是一种干扰，它和目标回波混在一起，难以分开，大大影响了水声设备对目标的辨别能力，掌握并利用这一特性，对于研究水声对抗，探索抗混响措施是非常重要的。（4）衰减，声波在海洋中的传播同在空气中的传播一样，从一点传到另一点时，其强度随距离的增加而减弱，甚至会消失，这种现象称之为声波的传播衰减。造成这种现象的主要原因是声波的扩展损失，海水的吸声作用，反射、折射与散射等。（5）声道，在海洋中，由于声速随温度等因素的变化而形成一种声速梯度，并分为负梯度（即声速随海洋深度的增加而减小）和正梯度（即声速随海洋深度的增加而增大）。而在负梯度和正梯度之间的交界处称为声道轴，它也是声速传播最慢的轴线。在这声道轴上下的一定宽度上，存在一层能供声波远程传播的特殊通道，即声道。当声波的传播恰好进入声道时，部分声线就始终沿着声道向上、下折射，转弯前进，声波传播速度虽然较慢一些，但因声能衰减最小，可以传到很远的地方。声波的这一特性为水声探测设备提供了天然的、可利用的良好条件。
目前所使用的水声探测设备都是根据以上特性研制而成的。水声探测设备在侦察时，捕捉、接收水声信息，将水声信号转换成电信号，经放大处理后由显示控制台显示和提供听测定向。水下探测设备种类较多，如水下电视、磁探测仪、气体分析仪、红外设备等。这些设备虽然各有长处，可是却存在一个共同的特点：观测距离比较近，有的十几米，有的几十米，几百米，一般都不超过一千米。对于人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。利用声波对水下潜艇的探测距离可达几海里到十几海里，甚至可达上百海里。因此，声呐这种水声探测设备便成为主要的水下侦察手段。
声呐是利用水声传播特性对水中目标进行传感探测的技术设备。用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇及其他水中目标，进行水声对抗、水下战术通信、导航和武器制导，保障舰艇、反潜飞机的战术机动和水中武器的使用等。
主动声呐，也称“回声声呐”或“回声定位仪”，是主动发射水声信号并从水中目标反射回波中获取目标参数的各种声呐的统称。大多数水面舰艇声呐、航空声呐、潜艇攻击声呐，各种探雷声呐和导航声呐等均属主动声呐。主要用于对水下潜艇、水雷等水中目标的搜索和定位，也用于潜艇的鱼雷攻击和导航等。由发射和接收换能器基阵（大多采用收发合一基阵）、发射、接收、终端显示、控制等分机或系统构成。在控制系统的控制下，发射机的信号发生器产生电信号，经移相网络、功率放大，产生一组具有适当关系和一定功率的电信号，驱动发射基阵阵元，变换成声能并形成单个或多个声波束向水中发射。转动发射基阵或调整各基阵元之间相位关系，使波束在一定范围内旋转扫描，以搜索水中目标。当目标受到声波束的照射，产生回波并返回接收基阵时，连同海洋噪声和混响，由接收换能器变成电信号进入接收系统。经波束形成、动态范围压缩和归一化等信号处理，从较强的干扰背景中检测出目标信息，再经信号的后置处理，输入终端显示系统对目标及其参数进行显示判别和测定。主动声呐由对准回波的接收波束指向性轴测定目标方位，按发射时刻与回波至接收基阵的时间差得出目标距离；从发射信号与回波信号的频率差（多普勒频移）测出目标的径向速度；有时主动声呐还可以测出目标所处的深度（俯仰角）。
被动声呐，亦称“噪声声呐”，是通过接收和处理水中目标发出的辐射噪声或声呐信号，获取目标参数的各种声呐的统称。潜艇用于警戒、被动测距和水声侦察的声呐，某些海岸声呐和航空声呐浮标，以及水面舰艇拖曳列阵声呐，均属被动声呐。有些主动声呐也兼有被动工作方式。主要用于发现和判别水下目标噪声，测定其方位（距离）和螺旋桨转速（用以估计目标航速），侦测对方声呐等水声设备发射的信号参数和方位等。主要由接收换能器基阵、波束形成、信号处理和终端显示等设备构成。水中目标噪声由接收基阵接收并变换成电信号，与波束形成网络相配合，形成单个或多个指向性波束并在空间旋转搜索，接收后的信号经宽带或窄带处理、放大输入终端显示设备供声呐员听测和判别。多波束接收用于对目标的搜索和发现，单波束用于对目标的跟踪。信号的宽带处理有利于对目标的发现和判别，窄带处理有利于对目标跟踪、定向和线谱检测。
声呐种类繁多，根据使用对象的不同，可分为水面舰艇声呐、潜艇声呐、航空声呐和海岸声呐等。
水面舰艇声呐，装备于大、中型水面战斗舰艇、猎潜艇、反水雷舰艇和某些勤务舰艇。主要用于搜索、识别、跟踪潜艇，保障对潜艇实施攻击，探测水中障碍，与己方潜艇进行水声通信，对敌方的鱼雷攻击进行警戒或诱惑。水面舰艇上往往装有几种不同类型的声呐，如远程搜索目标的搜索声呐，精确定向和测距的射击指挥声呐，探测水雷的探雷声呐，测量海水深度的测深声呐，侦察对方声呐以及能够判明敌我的侦察识别声呐，与己方潜艇进行水下通信联络的通信声呐等。为了监视高航速低噪声的核动力战略导弹潜艇，有些水面舰艇还装备了反潜预警用的拖曳线列阵声呐系统，这种系统的水听器组装在拖缆上，组成长达数百米的线阵，由舰船拖曳于尾后，当拖带舰艇低速航行时，据称其发现距离可达数百海里。
潜艇声呐，主要用于搜索、识别、跟踪水面舰船和潜艇，保障鱼雷、深水炸弹和战术导弹攻击，探测水雷等水中障碍，进行水下战术通信和导航。潜艇上通常装有多种类型的声呐。如噪声测向仪、回声定位仪、侦察仪、探雷器、水下敌我识别器、水下通信仪、声速测量仪、声线轨迹仪、测深仪、测冰仪等，构成了一个水声综合系统。此外，有些潜艇还装有水声对抗器材和拖曳式线列阵声呐系统。
航空声呐，亦称“机载声呐”，是用于航空反潜探测的各种声呐的统称。装备于反潜巡逻机、反潜直升机和某些海军水上飞机，对水下潜艇进行搜索、识别、监视和定位，保障航空反潜武器的使用，是航空反潜的主要探测设备。某些扫雷用的直升机，也装有用于探测水雷的航空探雷声呐。航空声呐分吊放式、拖曳式和浮标式三种。（1）吊放式声呐装备于反潜直升机，使用吊放式声呐对潜搜索时，一般采取跳跃式逐点搜索，载机飞临某一探测点，低空悬停，将换能器基阵吊放入水至最佳深度，以主动或被动方式全向搜索，对某一点搜索完毕后，再将基阵提出海面飞向另一探测点搜索。（2）拖曳式声呐，由于高速拖曳时，动水噪声和载机噪声影响严重，过去未曾大量发展。近年来随着拖曳式线列阵的发展，已出现了航空拖曳式线列阵声呐，声呐收放十分方便，阻力很小，搜索效率很高，特别是由直升飞机拖曳十分理想。（3）声呐浮标，这种声呐是反潜飞机的主要探潜设备。它与机上的浮标投放装置、无线电信号接收机和信号处理显示设备等组成声呐浮标系统。使用时，载机先将浮标组按一定的阵式投布于搜索海区，然后在海区上空盘旋，接收和监听由浮标组发现的经无线电调制发射的目标信息。
海岸声呐，亦称“岸用声呐”，是基阵布设在近岸海底或深海山脉的大型警戒声呐，是固定声呐监视系统的主要组成部分。由换能器基阵、海底电缆和增音机、岸上电子设备及电源等组成。以被动工作方式为主，有的也设有主动工作方式。用于海峡、基地、港口、航道和近岸水域对水下潜艇的警戒和监视，引导反潜兵力实施对潜攻击。海岸声呐隐蔽性好，不受载体自噪声影响，作用距离较远，能长期连续工作；但基阵庞大，海上施工维修复杂，使用上不灵活，设置地点受海区水文地理条件限制。