漫谈潜艇声纹识别技术

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1、漫谈潜艇声纹识别技术引言：洛法是英文 LOFAR 的音译，完整的意思大致是 低 频识别与跟踪，台湾地区则把它形象的称为潜艇声纹识别 技术， 这是一门与传统的声呐原理截然不同的绝技。对反潜 战而言， 洛法技术的重要性堪比雷达（ RADAR ）、声呐 （ SONAR ）， 几十年来，美国人对该技术高度保密和封锁， 国内公开文献大 多只涉及皮毛，对其原理谈得明白的并不多。 但不理解洛法技 术，是无法理解现代反潜战的核心和精髓， 在反潜战领域的对 抗和赶超更是奢望。那么洛法究竟是怎么 来的？冷战时期美国 科学家们曾经为反潜战付出过怎样的 努力？ SOSUS 、声呐浮 标、拖曳线列阵声呐这些反潜利器 的

2、核心原理是什么？为什么 美国人要不惜代价获取苏联潜 艇的声纹信号？本文试图带您重 回那段被人为尘封的岁月， 去探究一种全新的声呐技术如何左 右着反潜战的历史。 招 贤榜 1949 年前后，美国海军发了一份 招贤榜，发送对象是 美国顶尖的院校和公司，招贤榜内容很简 单：如何找潜艇？ 贝尔试验室的科斯内斯先生意识到，机会来 了。科斯内斯先 生是贝尔试验室的高管，贝尔试验室曾经是美 国科技界的大 牛，今天叫朗讯科技，晶体管、激光、通信卫星、 移动电话 等等等等响当当的高科技，全是他家捣弄出来的，今 天的朗 讯科技仍手执专利 25000 多项，并且还在以每天至少 3 项的 速度增加，简单的说，这是一家

3、身怀绝活的高科技公司。科斯内斯先生想把找潜艇这桩生意揽下来，因为他们公司正在 搞 语音识别技术，如果用来找潜艇也许会派大用场。语音识 别技 术不是贝尔试验室提出的，早在二战的时候就有人搞， 最早玩 这门技术的是德国纳粹，纳粹暴徒们的思想观念有问 题，但科 学素养并不低下，德国纳粹想用语音识别技术来监 听电话，他 们的设想是这样的，只要有人一摘电话，咳嗽一 声就能分析出 是张三还是李四，德国纳粹知道每个人的声音 都有自己的特点，人体的生理结构特别发声的部分并不完全 相同，声带的长短宽窄是否病变、口腔的形状甚至牙齿的多少都会给说话声打下标签，有人能在一屋子开 PARTY 的吵 杂声中听出来熟人来，

4、我家 夫人能够在幼儿园的大合唱中， 听出我家姑娘跑了调，就是这 个道理，不过这一套还是人肉 搜索识别范畴，贝尔试验室玩的 机器分析。上图：美国海军 潜艇水兵正利用 LOFAR 图进行目标 运动分析，那一条的亮 线代表不同方向的存在声音频率贝尔试 验室的机器分析其 实是想把声音拆开，声音是由不同的频率的 振动组合而成的， 贝尔试验室的仁兄们分析声音的方法是过 “筛子”， “筛子”是一 连串乐器上的簧片，簧片对应不同的 振动频率，遇到相近的 声音就会共振，这一共振就把声音拆成 了不同的频率，遇到 某个频率的声音强度比较大，就在纸上打 个点，记录设备是 一卷不停向下滚动的打印纸，横轴方向代表 高低不

5、同的频率， 纵轴方向代表经过的时间，打印纸不断的滚 动，时间长了，常出现的频率就会在对应处画出一条条的长纹， 这就声纹识 别技术的由来。上图：一张洛法图，垂直的那些车辙 一样是 该位置的线谱噪声声呐分为主动声呐和被动声呐两种， 早期 的被动声呐相当于水下听音器，探测距离的远近和声呐兵 的 耳朵密不可分， 通常哪边声大， 声音更象潜艇， 就往哪边 追，作用距离也就几公里。洛法是对传统声呐理论的颠覆，大大 提高了信噪比，非常适合用来跟踪那些持续稳定的水下歌声。潜 艇在唱歌大洋里的潜艇其实也在唱歌，歌声也很有个性。 深海 大洋其实是在不停的大合唱，海底地震、鲸鱼、皮皮虾 都能发出 声音，但这些声音通

6、常是漫无规律的，学术上讲叫 白噪声，但潜 艇的声音则有其特定的规律，潜艇上有水泵、 空调、压缩机、发 电机等种种机械，这些机械运转的时候， 通常会在特定频率段 上，形成连续的噪声，也叫线谱，比如 通气管状态航行的潜艇， 柴油机稳定运转的时候，会在一些 频段上出现连续的谱线，贝 尔试验室就是瞄着这些稳定的线 谱去的。贝尔试验室的点子被 美国海军采纳了，下面是实际 验证，最早他们用这套玩意儿来 分析“食蚊鱼”级潜艇，“食蚊 鱼”是条柴电动力的潜艇， 柴 油机带动发电机工作的时候， 在 80-100 赫兹的低频段， 声纹 纸中出现清晰而稳定的条纹， 这 让美国海军很高兴，他们还发 现，通气管状态的潜

7、艇，因为 水下的面积更大些，水下的噪声往 往比水面航行的时候还要 大，特别适合用这种方法来分析，于是他们给这种分析方法 起 名叫洛法（ LOFAR ）。他们的下一问题，怎么能听到几百 公里外的潜艇唱歌？这个时候，又有一位仁兄来揭榜了，这 次揭 榜的是伍兹霍尔海洋研究所的尤因先生。莫里斯 .尤因博士尤因博士莫里斯 .尤因博士( Maurice Ewing )是位海洋学家，主要研究领域是海洋中声音的传播规律，海洋声学研究 是份苦差使，有点类似地质找矿，需要不分昼夜的在海上漂 来漂 去，整天收收放放用来听水中声音的水下麦克风，也叫 水听 器，比渔民还辛苦有木有。尤因先生满头乱发，晒得通 红，一 件破

8、衬衣长年不换，抖抖全是铅笔末儿，就这付德性 也敢揭 榜，可美国海军不敢怠慢，因为他也有绝活，他知道 大洋深处 有一条捷径，学名叫深海声道轴( SOFAR )。多数 声音在海 洋中并不是直线传播的，特别是低频水声，海水对 水中的声音 或者说振动并不公平对待，高频的水声很容易被 海水的吸收， 低频水声则完全不同， 通常频率越低吸收越小， 比如同样的 强度话，同样的距离， 100 赫兹的水声相比 1 千 赫兹的水声 吸收作用要小几百甚至上千倍，这样的话，低频 水声的研究往 往更有意义。 1944 年 4 月 3 日，伊宁斯领导 的科研团队， 利用深海声道轴， 听到了 600 公里外的爆炸声。 上图是

9、这次 爆炸及混响的记录原图。尤因认为，低频的水下 噪声，在海水 中的传播中受到温度、 压力、盐度等因素影响， 在深海大洋 中会有一个平衡点， 也叫深海声道轴 （ SOFAR ）， 这是一 条看不见的声学通道，低频水声一旦进入这个声通道， 就会被 束缚起来，传播几百甚至上万公里，而不会发生明显 的变形 （失真） 。上图：深海声通道的原理示意图，通常深 海声通 道在赤道附近最深，大西洋中位于水深 1100 米，太 平洋中位 于 900 米深处，在北极水域可以接近海面。 1940 年代早期， 尤因和他的团队，就开始了这方面的研究。 1944 年 4 月 3 日，当时他们在约 1300 米的深水中，引

10、爆了一颗 1 公斤的小 炸弹，这枚炸弹的爆炸声在大西洋底约 1100 米 的深海声道轴 中跑了 370 多秒（海水中声速大约 1500 米左 右），在 320海里（约 600 公里）之外，终于收听到了清晰 的爆炸声和之后 的回响。深海声道轴是尤因先生对美国科学 界做出的巨大贡献 之一，后来美国人以他的名字命名了一个 专门奖项，甚至以他 的名字为命名了月球上的一个环形山。 如果说洛法技术是能识 别声音特征敏锐的双眼，那么深海声 道轴则给这双眼睛配了一 付远程望远镜。有了洛法技术，再 加上尤因先生的深海声道 轴，美国人在上世纪 50 年代初， 终于搞出了独步全球的反潜 神器 SOSUS ，足足领先

11、前苏 联 30 年有木有。 SOSUS 最 早的 SOSUS 技术验证，是 1950 年前后，在波士顿附近的外海 偷偷摸摸搞的，美国人不敢大 肆声张，附近载重卡车来来往往 也不能去干涉，即使这样恶 劣的干扰下，美国人成功的利用布 放于深水中的多个基阵， 发现了几十公里外的潜艇，当时的其 它声呐技术，最理想的 条件下，用声呐识别 10-20 公里外的潜 艇就不错了。后来， 美国人把试验场地转到了条件较理想的加 洲外海的圣尼古 拉斯岛，这一次，是飞跃性的提高，早期的 SOSUS 基阵， 清晰的记录了几百公里外潜艇的声纹特征。战 争的需求永远 是技术飞跃的巨大动力， 1952 年前后，美国制 定了“

12、凯撒计 划”，开始沿美国的东海岸，布设 SOSUS 基 阵，典型的 SOSUS 基阵，是布设在深约几百米深的大陆架 上，长约 1600 米，由 40 个独立的水听器组成，这是做是为了 增大声 呐基阵的孔径，有利于对低频水声的识别。基阵是固定 的， 在基阵垂直方向形成一个开口约 5 度的看不见的封锁线， 早 期的探测距离约 500 千米，一旦有潜艇经过这条看不见的封 锁线，就会被发现，并且记录下来。最早的 SOSUS 系统被 布 放在西印度群岛的伊柳塞拉岛上，并且由于冷战的需要， 以极 快的速度发展， 到 1960 年，至少已安装了 20 套这样的 系 统，系统通过长长的海底电缆与陆上的侦听站相

13、连，几十 个侦听站再与美国弗吉尼亚洲诺福克和加洲圣地亚哥两处 国家反潜 指挥中心相联系， 这样，全球大洋中有点风吹草动， 美国人 就能及时调配力量，跟踪监视。 到冷战结束前，SOSUS 系统已经布放了上千套装置。上图，一份苏联潜艇 上 找到的 SOSUS 分布图，图上不有飞机场，无线电监听装 置等 的分布。 1960 年，美国第一艘战略导弹核潜艇“乔治华 盛顿”号水下横穿大西洋前往英国， SOSUS 系统实现了全程 无 缝跟踪。 1962 年，古巴导弹危机， 前苏联的派出的 5 艘 F 级潜艇无一漏网。 SOSUS 最成功的布放是位于格灵兰岛和 冰 岛到英国之间的 GUIK 通道，这样，前苏联

14、出动的每一艘 舰 艇，只要经过这里就会被发现，苏联人对 SOSUS 一无所 知， 还一直认为美国人在这一带反潜兵力大大造成的，其实 即使这 一条相对狭窄水道， 30-50 艘水面舰艇和潜艇长年驻 守也达不 到 SOSUS 的效果。上图： 1962 年古巴导弹危机 期间，美国 水面舰艇和飞机跟踪苏联潜艇。 反潜声呐浮标 洛法技术的下 一个应用是反潜声呐浮标，反潜声呐浮标二战 的时候就有，不 过以往的反潜声呐浮标只能听出了大概，效 果极差，有了洛法 技术，声呐浮标只要调谐的几个指定的频 段上，就能清晰快速 识别出某种型号的潜艇。从原理上，洛 法技术与警察抓通缉犯 的路子非常相近，警察抓通缉犯的时

15、候，如果手里只有一张照 片，从茫茫人海里找人往往累死也 找不到，但是，假如警察知 道通缉犯是个大个子，一条腿有 点跛，肩膀上再有个刺青，有 这三点，那就容易得多了。洛 法技术不必在所有频率上进行监 视，只要在特定的频率上出 现明显高于背景的噪声就行， 比 如某条苏联潜艇在 100 、200 、 300 赫兹三个频率上出现线谱 噪声， 而且噪声强度 100 赫兹 高于 200 赫兹， 200 赫兹高 于 300 赫兹，那个丢到水里的声 呐浮标听到 100 、 200 、 300 这三个频点有明显噪声，那么 这么水域中有苏联潜艇的可能性就很大，下一步是密集搜索。 上图：美海军士兵为反潜巡 逻机安装

16、反潜声呐浮标，由于是 大量消耗品，美国反潜声呐浮 标价格相对便宜，最便宜的每 枚约 400 美元，最贵的 1000 美 元左右。美国人把 SOSUS 和航空和水面反潜结合起来， 形成 一整套捕捉、 识别、跟踪、 确认的闭环流程，往往是 SOSUS 系统发现信号，就立即派 出反潜飞机丢声呐浮标或水面舰船进 行跟踪，如果有可能的 话，目标浮出水面，确认目标的类型， 并记录下来，以后再 遇到类似目标，就能很快的发现。洛法技 术尽管先进，但它 是建立在经验积累的基础上的，如果没有发 现过类似的潜艇， 最初往往是认不出来的。我夫人能听出亲生 的姑娘的歌声， 但对于陌生人包括我就不管用了。洛法技术首 先需要对潜艇 各种航速工况下的声纹样本的提取，完整的声纹 样本数据库 是洛法成功的关键，也是美国人整个反潜战的核 心，这样， 如何有效的采集并不断补充完善声纹数据库就成了 当务之 急。上世纪六十年，前苏联的潜艇特别核动力潜艇部 队，以 吹气球的速度爆发性增长起来，苏联的核潜艇由红宝 石、孔 雀石、天青石三家潜艇设计局设计， 北德文斯克造