极地水声信号处理研究及国内突破
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极地水声环境
极地地理位置独特气候寒冷，海洋表面的浮冰不仅影响卫星通信，同时也隔绝了大气与海水的热交换，因此形成了特殊的声场环境。北冰洋的海冰覆盖面积通常在每年的 3 月份达到最大值，在 9 月份达到最小值。近 30 年间，由于全球变暖，使北极海冰覆盖面积逐年递减，厚度变薄。研究表明，北冰洋中心地带的多年海冰在 20 年内，厚度由 3.1 米减小至 1.8 米。
海冰对冰下声传播的影响，主要体现为 2 个方面：①海冰作为弹性介质，会有一部分声能透射其中，导致海水中声能量的损失；②海冰-海水粗糙界面对声波具有散射作用。通常低频段声波传播损失主要来源于第一种原因；而随着频率升高，第二种原因的影响逐渐凸显。研究表明，当声波频率达到 900 Hz 以上时，冰层的散射成为影响冰下声传播的主要因素。
北冰洋海冰密集区水下声速剖面结构呈正梯度，声道轴位于冰层覆盖的海面或其附近。向上折射的声线在冰层下表面处产生反射，形成了具有较强的频率选择性的半声道波导，优势传播频段为 15—30 Hz。由于北冰洋航运噪声较低，且冰层隔绝风的影响，冰下噪声较开阔海域零级海况低。但冰块之间的碰撞和冰脊破裂使冰下噪声剧烈起伏。
2000 年以后，由于气候变暖，北冰洋夏季海冰的范围和厚度迅速减少。北极地区多年冰的比例大幅下降，只占北冰洋冰的 30%，初年冰的比例上升。气候变暖不仅影响海冰分布，同样引起冰下水体结构变化。由于暖水团的侵入，在表层冷暖混合水和中层冷水之间形成了“波弗特海透镜”，因此在经典的半波导声道下，100—200 米深度之间形成了新的稳定声信道，该声信道可以使中频声呐作用距离由 100 千米提高到 400 千米以上。
国外研究进展
极地水声信号处理较其他水声研究起步晚，主要服务于北极海域的军事活动。美国对北极冰下水声理论与军事应用的研究始于二战结束的 1946 年。美国海军北极潜艇实验室建立了北极声学野外工作站，相关冰下声呐技术研究成果帮助鹦鹉螺号核潜艇于 1958 年成功由冰下到达北极点。而苏联和北极水声探测有关的活动，则开始于 20 世纪 50 年代末。60 多年来，北极被誉为“天然棱堡”，其冰层成为战略导弹核潜艇的天然掩体。
早期极地水声学研究依托建立在漂流冰面上的观测站开展，主要目的是了解北冰洋的水声环境，从而支持潜艇的冰下活动。冷战结束后，美国和俄罗斯曾于 1994—2001 年合作开展北极气候变化观测的 ACOUS（Arctic Climate Observations using Underwater Sound）试验（图 1）。自 2007 年俄罗斯北极海底“插旗”宣誓主权事件后，美国及西方盟友开始实施新的北极战略以确保其在北极事务中的领导地位。美国相继推出了“海军北极战略目标”（2010 年）、“北极地区国家战略”（2013 年）、“国防部北极战略”（2013 年）、“北极地区国家战略实施计划”（2014 年）和“美国海军北极路线图2014—2030”（2014 年）系列北极战略计划，并针对全球气候变化中的北极环境开展了大规模研究。鉴于水声环境对开发利用北极的重要性，同时冷战时期所获取的北极声学规律已“过时”，美国推出了加拿大海盆声传播试验 CANAPE 等相应的研究计划，力求通过对水声环境效应适配处理理论与方法的长期研究，确定“新”北极海域冰-海作用下水声及声呐信号处理的新模式及新参数（图 2）。研究成果主要集中在北极长期声学监测、冰下导航以及通信组网等技术领域。