“你只有探索才知道答案。”這是科幻小說《海底兩萬里》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(yīng)是借助“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(zhuǎn)換和信息處理，探測各類水下目標(biāo)的位置、類型、運動方向等屬性的技術(shù)。對海底世界的探測和觀察，至今還沒有發(fā)現(xiàn)比聲波運用更有效的手段。聲吶系統(tǒng)成為目前海洋技術(shù)裝備中應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)。

自第一次世界大戰(zhàn)被用來偵測潛水艇開始，聲吶系統(tǒng)一直是各國海軍進(jìn)行水下監(jiān)視、偵測、攻防的“利器”。如對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、分類、定位和跟蹤，在水下通信、導(dǎo)航，保障各類水面艦艇、水下潛艇、反潛飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動和水中武器使用，等等。

聲吶系統(tǒng)不僅在海洋軍事行動和海戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用，在經(jīng)略海洋、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)等方面也同樣不可或缺。如水下探測魚群、海洋石油勘探、船舶導(dǎo)航、水文測量和海底地質(zhì)地貌勘測等，都離不開它。

隨著人類對海洋認(rèn)知的加深與探測技術(shù)的進(jìn)步，從最初的“水聽器”發(fā)展而來的被動聲吶，到有目的發(fā)射聲波的主動聲吶，再到兩者相結(jié)合的聲吶系統(tǒng)，盡管在技術(shù)上得到了突破，但傳統(tǒng)聲吶系統(tǒng)仍難以滿足現(xiàn)實所需。

在計算機(jī)技術(shù)、人工智能等現(xiàn)代科技大發(fā)展的時代背景下，集聲學(xué)、海洋科學(xué)、電子科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科于一身的新一代智能聲吶系統(tǒng)隨之問世。

人工智能誕生于1956年，它的實質(zhì)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(chǎn)生不同體驗，并留下印象或記憶，形成經(jīng)驗。當(dāng)再次遇到類似事物或信息時，先前的經(jīng)驗會被喚醒，并產(chǎn)生一系列相應(yīng)的判斷與處理方式。

以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能，模擬了這一過程：它借鑒人腦的神經(jīng)系統(tǒng)，將其抽象化為數(shù)學(xué)模型，然后使用不同類型數(shù)據(jù)，讓計算機(jī)發(fā)掘它們的差異，形成不同的“體驗”，并通過調(diào)整計算方法，形成“記憶”。當(dāng)未知類型的數(shù)據(jù)輸入時，調(diào)整后的計算方法會憑借自己的“記憶”，給出處理結(jié)果。

近年來，借助人工智能，海洋科學(xué)家開始將聲音信號識別與人腦思維規(guī)律結(jié)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(zhǔn)確地掌握某一海域的聲學(xué)環(huán)境。然而現(xiàn)實情況是，由于海洋時空的變換，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(dāng)科學(xué)家成功地將人工智能引入聲吶系統(tǒng)后，這一問題迎刃而解。科學(xué)家運用其中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，設(shè)計出了多種聲吶定位算法，并結(jié)合海試數(shù)據(jù)，驗證了智能聲吶算法的性能優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

未來，裝備了人造“大腦”的智能聲吶系統(tǒng)，將猶如一位經(jīng)驗豐富的老水手，具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。如果將其應(yīng)用于海戰(zhàn)系統(tǒng)，可幫助戰(zhàn)斗人員增強(qiáng)對未知環(huán)境的適應(yīng)性。它既可使海上作戰(zhàn)系統(tǒng)繞開環(huán)境信息缺乏的阻礙，利用有限聲學(xué)數(shù)據(jù)還原目標(biāo)的聲學(xué)特征，有效實現(xiàn)水下目標(biāo)定位，又能在聲學(xué)情報與實際環(huán)境出現(xiàn)差異時，通過智能聲吶定位技術(shù)，修正先驗信息中出現(xiàn)的誤差。

如今，在機(jī)器學(xué)習(xí)與聲吶技術(shù)這一新興學(xué)科交叉方向，其研究呈現(xiàn)出方興未艾之勢，推動著智能聲吶研究進(jìn)入快速發(fā)展階段。

智能聲吶系統(tǒng)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(xiàn)對水下目標(biāo)高分辨成像。

于是，科學(xué)家將具有高分辨成像的合成孔徑雷達(dá)技術(shù)引入聲吶系統(tǒng)，并將側(cè)掃聲吶與合成孔徑聲吶結(jié)合在一起。這樣，就給智能聲吶系統(tǒng)添上一雙明察秋毫的“慧眼”，具有了水下高分辨成像的本領(lǐng)。

側(cè)掃聲吶技術(shù)采用傳統(tǒng)的回聲測深原理，具有探測速度快、目標(biāo)定位快的優(yōu)勢。與普通聲吶不同的是，它向海底發(fā)射的探測聲波呈扇形，并在海底形成長條形投射區(qū)。隨著聲吶設(shè)備在探測中不斷移動，海底目標(biāo)就能像拼圖一樣被細(xì)分成許多塊，一一捕捉目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征及高度信息。在這張“拼圖”上，既有捕獲的海底不同物體的形貌特征，又能幫助人們識別探測目標(biāo)的種類，如同陽光灑在大地上所呈現(xiàn)的色彩繽紛的光學(xué)世界一樣。

不僅如此，它還能根據(jù)不同探測目的，選擇不同頻率的發(fā)射波束，對不同物質(zhì)、不同頻率聲波產(chǎn)生不同的散射強(qiáng)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(xiàn)更廣的探測范圍，還能利用低頻段聲波探測到被泥沙掩埋的目標(biāo)。就如同給海底探測器裝上了一臺X光機(jī)，幫助人們探測到大洋中更多的奧秘。

目前，以側(cè)掃聲吶與合成孔徑聲吶為代表的高空間分辨智能聲吶系統(tǒng)，在海洋測繪、勘探領(lǐng)域已得到成熟應(yīng)用。如用來鉆探發(fā)現(xiàn)海底“可燃冰”資源，協(xié)助潛水員執(zhí)行水下搜尋救助作業(yè)等。國外一些研究機(jī)構(gòu)還將合成孔徑聲吶技術(shù)用于水下潛航器，構(gòu)建起新型水下成像系統(tǒng)，有效促進(jìn)水下無人作戰(zhàn)能力穩(wěn)步提升。

總之，擁有高分辨成像能力的智能聲吶系統(tǒng)，讓各類水下目標(biāo)顯露出“真容”已不再是設(shè)想。

傳統(tǒng)聲吶系統(tǒng)的工作方式，有主動式和被動式兩種。主動式聲吶系統(tǒng)像是探路的蝙蝠，一邊自主發(fā)射聲波，一邊接收回波，以此刻畫目標(biāo)區(qū)域的基本特征；被動式聲吶系統(tǒng)像是“順風(fēng)耳”一樣的傾聽者，能將目標(biāo)區(qū)域發(fā)出的所有聲學(xué)信號收入囊中，從嘈雜聲音中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的“蛛絲馬跡”。

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，這兩種聲吶系統(tǒng)的缺點也愈發(fā)明顯。特別是在潛艇降噪技術(shù)和潛艇戰(zhàn)術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，單一工作方式的聲吶系統(tǒng)局限性更是顯而易見：主動式聲吶系統(tǒng)由于聲波發(fā)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。

面對日趨復(fù)雜的海戰(zhàn)環(huán)境，現(xiàn)代智能聲吶系統(tǒng)一大優(yōu)勢是，能利用多平臺融合技術(shù)，實現(xiàn)聲吶平臺的“聯(lián)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為例，它們各具優(yōu)勢，但也各有不足：岸基式聲吶機(jī)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(jī)動性差；航空式聲吶在使用時易受天氣影響，探測區(qū)域和探測深度受限。

如今，科學(xué)家參照物聯(lián)網(wǎng)的思路，將主被動聲吶系統(tǒng)、多平臺聲學(xué)傳感器整合進(jìn)一個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)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(yè)、相互補(bǔ)充，對海面、海底和海體全海域空間實施全覆蓋，通過內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水下聲學(xué)數(shù)據(jù)共享，即可打造出一套具有多種功能的智能聲吶系統(tǒng)。

這種多基地、多方位相融合的智能聲吶系統(tǒng)，一些軍事強(qiáng)國一直在進(jìn)行研究探索，在“海網(wǎng)”“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”等水下網(wǎng)絡(luò)項目上取得較大進(jìn)展。

以國外“海網(wǎng)”為例，該系統(tǒng)由岸基固定式節(jié)點和潛艇、潛航器、海底爬行車等多個移動節(jié)點組成，各節(jié)點之間通過水聲通信鏈路相連，可實現(xiàn)不同節(jié)點之間數(shù)據(jù)實時共享。借助該網(wǎng)絡(luò)，潛艇不僅可以獲取水下聲學(xué)信息，還能與其他海、陸、空天平臺共享，從而提高反潛作戰(zhàn)能力。

國外的“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”已基本具備作戰(zhàn)能力，可通過潛艇釋放多個無人潛航器，構(gòu)建一個臨時動態(tài)水下網(wǎng)絡(luò)，獲取周邊海域的聲學(xué)信息，并誘使敵方提前暴露，以搶占先機(jī)。