大洋深處的順風耳，聊聊潛艇聲紋識別技術
我家夫人有個神奇的本事，自打有了姑娘，無論是幼兒園的小操場，還是少年宮的大合唱，她總能第一時間聽出姑娘在不在裡面，有的時候還能聽出姑娘不高興。
有一種聲吶也有這種本事，它就是SOSUS。
如果理解它啦，反潛戰恐怕就明白了。
本文不適用于海帶反潛鼓吹及信奉者，右轉，不送，不歡迎那些人點評。
我是阿庫拉，用簡單方法講難複雜故事，這是我的本事。
再說一遍，不歡迎信「海帶反潛」的來聽，請走開，我懶得和那種檔次的廢話。
上圖，P-3C反潛巡邏機
上圖，海鷹加裝反潛聲吶俘標，這種浮標騰訊軍事講武堂《天天踢館》講到過，是一種大批量消耗品，踢館裡的說法700美元一個，其實浮標有許多種，一些高端的比量矢量水聽器的應當在數千美元吧。
招賢榜
1949年前後，美國海軍發了一份招賢榜，發送對象是美國頂尖的院校和公司，招賢榜內容很簡單：如何找潛艇？貝爾試驗室的科斯內斯先生意識到，機會來了。
科斯內斯先生是貝爾試驗室的高管，貝爾試驗室曾經是美國科技界的大牛，今天叫朗訊科技，晶體管、激光、通信衛星、行動電話等等等等響噹噹的高科技，全是他家搗弄出來的，今天的朗訊科技仍手執專利25000多項，並且還在以每天至少3項的速度增加，簡單的說，這是一家身懷絕活的高科技公司。科斯內斯先生想把找潛艇這樁生意攬下來，因為他們公司正在搞語音識別技術，如果用來找潛艇也許會派大用場。
語音識別技術不是貝爾試驗室提出的，早在二戰的時候就有人搞，最早玩這門技術的是德國納粹，納粹暴徒們的思想觀念有問題，但科學素養並不低下，德國納粹想用語音識別技術來監聽電話，他們的設想是這樣的，只要有人一摘電話，咳嗽一聲就能分析出是張三還是李四，德國納粹知道每個人的聲音都有自己的特點，人體的生理結構特別發聲的部分並不完全相同，聲帶的長短寬窄是否病變、口腔的形狀甚至牙齒的多少都會給說話聲打下標籤，有人能在一屋子開PARTY的吵雜聲中聽出來熟人來，我家夫人能夠在幼兒園的大合唱中，聽出我家姑娘跑了調，就是這個道理，不過這一套還是人肉搜索識別範疇，貝爾試驗室玩的機器分析。
上圖：美國海軍潛艇水兵正利用LOFAR圖進行目標運動分析，那一條的亮線代表不同方向的存在聲音頻率
貝爾試驗室的機器分析其實是想把聲音拆開，聲音是由不同的頻率的振動組合而成的，貝爾試驗室的仁兄們分析聲音的方法是過「篩子」，「篩子」是一連串樂器上的簧片，簧片對應不同的振動頻率，遇到相近的聲音就會共振，這一共振就把聲音拆成了不同的頻率，遇到某個頻率的聲音強度比較大，就在紙上打個點，記錄設備是一卷不停向下滾動的列印紙，橫軸方向代表高低不同的頻率，縱軸方向代表經過的時間，列印紙不斷的滾動，時間長了，常出現的頻率就會在對應處畫出一條條的長紋，這就聲紋識別技術的由來。
上圖：一張洛法圖，垂直的那些車轍一樣是該位置的線譜雜訊
聲吶分為主動聲吶和被動聲吶兩種，早期的被動聲吶相當於水下聽音器，探測距離的遠近和聲吶兵的耳朵密不可分，通常哪邊聲大，聲音更象潛艇，就往哪邊追，作用距離也就幾公里。洛法是對傳統聲吶理論的顛覆，大大提高了信噪比，非常適合用來跟蹤那些持續穩定的水下歌聲。
潛艇在唱歌
大洋里的潛艇其實也在唱歌，歌聲也很有個性。深海大洋其實是在不停的大合唱，海底地震、鯨魚、皮皮蝦都能發出聲音，但這些聲音通常是漫無規律的，學術上講叫白雜訊，但潛艇的聲音則有其特定的規律，潛艇上有水泵、空調、壓縮機、發電機等種種機械，這些機械運轉的時候，通常會在特定頻率段上，形成連續的雜訊，也叫線譜，比如通氣管狀態航行的潛艇，柴油機穩定運轉的時候，會在一些頻段上出現連續的譜線，貝爾試驗室就是瞄著這些穩定的線譜去的。
貝爾試驗室的點子被美國海軍採納了，下面是實際驗證，最早他們用這套玩意兒來分析「食蚊魚」級潛艇，「食蚊魚」是條柴電動力的潛艇，柴油機帶動發電機工作的時候，在80-100赫茲的低頻段，聲紋紙中出現清晰而穩定的條紋，這讓美國海軍很高興，他們還發現，通氣管狀態的潛艇，因為水下的面積更大些，水下的雜訊往往比水面航行的時候還要大，特別適合用這種方法來分析，於是他們給這種分析方法起名叫洛法（LOFAR）。
他們的下一問題，怎麼能聽到幾百公里外的潛艇唱歌？這個時候，又有一位仁兄來揭榜了，這次揭榜的是伍茲霍爾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）是位海洋學家，主要研究領域是海洋中聲音的傳播規律，海洋聲學研究是份苦差使，有點類似地質找礦，需要不分晝夜的在海上漂來漂去，整天收收放放用來聽水中聲音的水下麥克風，也叫水聽器，比漁民還辛苦有木有。尤因先生滿頭亂髮，曬得通紅，一件破襯衣長年不換，抖抖全是鉛筆末兒，就這付德性也敢揭榜，可美國海軍不敢怠慢，因為他也有絕活，他知道大洋深處有一條捷徑，學名叫深海聲道軸（SOFAR）。
多數聲音在海洋中並不是直線傳播的，特別是低頻水聲，海水對水中的聲音或者說振動並不公平對待，高頻的水聲很容易被海水的吸收，低頻水聲則完全不同，通常頻率越低吸收越小，比如同樣的強度話，同樣的距離，100赫茲的水聲相比1千赫茲的水聲吸收作用要小几百甚至上千倍，這樣的話，低頻水聲的研究往往更有意義。
1944年4月3日，尤因博士領導的科研團隊，利用深海聲道軸，聽到了600公里外的爆炸聲。上圖是這次爆炸及混響的記錄原圖。
尤因博士認為，低頻的水下雜訊，在海水中的傳播中受到溫度、壓力、鹽度等因素影響，在深海大洋中會有一個平衡點，也叫深海聲道軸（SOFAR），這是一條看不見的聲學通道，低頻水聲一旦進入這個聲通道，就會被束縛起來，傳播幾百甚至上萬公里，而不會發生明顯的變形（失真）。
上圖：深海聲通道的原理示意圖，通常深海聲通道在赤道附近最深，大西洋中位於水深1100米，太平洋中位於900米深處，在北極水域可以接近海面。
1940年代早期，尤因和他的團隊，就開始了這方面的研究。1944年4月3日，當時他們在約1300米的深水中，引爆了一顆1公斤的小炸彈，這枚炸彈的爆炸聲在大西洋底約1100米的深海聲道軸中跑了370多秒（海水中聲速大約1500米左右），在320海里（約600公里）之外，終於收聽到了清晰的爆炸聲和之後的迴響。
深海聲道軸是尤因先生對美國科學界做出的巨大貢獻之一，後來美國人以他的名字命名了一個專門獎項，甚至以他的名字為命名了月球上的一個環形山。
如果說洛法技術是能識別聲音特徵敏銳的雙眼，那麼深海聲道軸則給這雙眼睛配了一付遠程望遠鏡。有了洛法技術，再加上尤因先生的深海聲道軸，美國人在上世紀50年代初，終於搞出了獨步全球的反潛神器—SOSUS，足足領先前蘇聯30年有木有。
SOSUS
最早的SOSUS技術驗證，是1950年前後，在波士頓附近的外海偷偷摸摸搞的，美國人不敢大肆聲張，附近載重卡車來來往往也不能去干涉，即使這樣惡劣的干擾下，美國人成功的利用布放於深水中的多個基陣，發現了幾十公里外的潛艇，當時的其它聲吶技術，最理想的條件下，用聲吶識別10-20公里外的潛艇就不錯了。後來，美國人把試驗場地轉到了條件較理想的加洲外海的聖尼古拉斯島，這一次，是飛躍性的提高，早期的SOSUS基陣，清晰的記錄了幾百公里外潛艇的聲紋特徵。
戰爭的需求永遠是技術飛躍的巨大動力，1952年前後，美國制定了「凱撒計劃」，開始沿美國的東海岸，布設SOSUS基陣，典型的SOSUS基陣，是布設在深約幾百米深的大陸架上，長約1600米，由40個獨立的水聽器組成，這是做是為了增大聲吶基陣的孔徑，有利於對低頻水聲的識別。基陣是固定的，在基陣垂直方向形成一個開口約5度的看不見的封鎖線，早期的探測距離約500千米，一旦有潛艇經過這條看不見的封鎖線，就會被發現，並且記錄下來。
最早的SOSUS系統被布放在西印度群島的伊柳塞拉島上，並且由於冷戰的需要，以極快的速度發展，到1960年，至少已安裝了20套這樣的系統，系統通過長長的海底電纜與陸上的偵聽站相連，幾十個偵聽站再與美國弗吉尼亞洲諾福克和加洲聖地亞哥兩處國家反潛指揮中心相聯繫，這樣，全球大洋中有點風吹草動，美國人就能及時調配力量，跟蹤監視。 到冷戰結束前，SOSUS系統已經布放了上千套裝置。
上圖，一份蘇聯潛艇上找到的SOSUS分布圖，圖上不有飛機場，無線電監聽裝置等的分布。
1960年，美國第一艘戰略導彈核潛艇「喬治華盛頓」號水下橫穿大西洋前往英國，SOSUS系統實現了全程無縫跟蹤。1962年，古巴導彈危機，前蘇聯的派出的5艘F級潛艇無一漏網。SOSUS最成功的布放是位於格靈蘭島和冰島到英國之間的GUIK通道，這樣，前蘇聯出動的每一艘艦艇，只要經過這裡就會被發現，蘇聯人對SOSUS一無所知，還一直認為美國人在這一帶反潛兵力大大造成的，其實即使這一條相對狹窄水道，30-50艘水面艦艇和潛艇長年駐守也達不到SOSUS的效果。
上圖：1962年古巴導彈危機期間，美國水面艦艇和飛機跟蹤蘇聯潛艇。
反潛聲吶浮標
洛法技術的下一個應用是反潛聲吶浮標，反潛聲吶浮標二戰的時候就有，不過以往的反潛聲吶浮標只能聽出了大概，效果極差，有了洛法技術，聲吶浮標只要調諧的幾個指定的頻段上，就能清晰快速識別出某種型號的潛艇。從原理上，洛法技術與警察抓通緝犯的路子非常相近，警察抓通緝犯的時候，如果手裡只有一張照片，從茫茫人海里找人往往累死也找不到，但是，假如警察知道通緝犯是個大個子，一條腿有點跛，肩膀上再有個刺青，有這三點，那就容易得多了。洛法技術不必在所有頻率上進行監視，只要在特定的頻率上出現明顯高於背景的雜訊就行，比如某條蘇聯潛艇在100、200、300赫茲三個頻率上出現線譜雜訊，而且雜訊強度100赫茲高於200赫茲，200赫茲高於300赫茲，那個丟到水裡的聲吶浮標聽到100、200、300這三個頻點有明顯雜訊，那麼這麼水域中有蘇聯潛艇的可能性就很大，下一步是密集搜索。
上圖：美海軍士兵為反潛巡邏機安裝反潛聲吶浮標，由於是大量消耗品，美國反潛聲吶浮標價格相對便宜，最便宜的每枚約400美元，最貴的1000美元左右。
這是一處消耗品，滿世界拚命丟
美國人把SOSUS和航空和水面反潛結合起來，形成一整套捕捉、識別、跟蹤、確認的閉環流程，往往是SOSUS系統發現信號，就立即派出反潛飛機丟聲吶浮標或水面艦船進行跟蹤，如果有可能的話，目標浮出水面，確認目標的類型，並記錄下來，以後再遇到類似目標，就能很快的發現。
打開的聲吶浮標是上面那樣一串串的落在水中的
洛法技術儘管先進，但它是建立在經驗積累的基礎上的，如果沒有發現過類似的潛艇，最初往往是認不出來的。我夫人能聽出親生的姑娘的歌聲，但對於陌生人包括我就不管用了。洛法技術首先需要對潛艇各種航速工況下的聲紋樣本的提取，完整的聲紋樣本資料庫是洛法成功的關鍵，也是美國人整個反潛戰的核心，這樣，如何有效的採集並不斷補充完善聲紋資料庫就成了當務之急。
上世紀六十年，前蘇聯的潛艇特別核動力潛艇部隊，以吹氣球的速度爆發性增長起來，蘇聯的核潛艇由紅寶石、孔雀石、天青石三家潛艇設計局設計，北德文斯克造船廠（402廠）、海軍部造船廠（194廠）、內陸伏爾加河畔的紅色索爾莫沃造船廠（112廠）和遠東阿穆爾河畔共青城造船廠（199廠）建造，不算改裝潛艇，新造核潛艇就有33個型號，240餘艇之多，最牛的年份，比如1970年，蘇聯人當年建成服役了核潛艇15艘，如同堆金子般造出來的核潛艇（海狼級單艇約32億美金），一口氣造這麼多，世界軍事史上，只有蘇聯人和美國人做到了。
蘇聯潛艇龐大的數量和型號，建造質量和技術水平七七八八，高低不同，雜訊水平也不一樣，這讓美國採集聲紋特徵的傢伙很頭痛，可沒辦法啊！哪一條蘇聯潛艇都不能漏網，核戰爭的年代，一條戰略導彈核潛艇能輕鬆滅了一個國家甚至整個世界，所以美國佬對新出現的每一條蘇聯新潛艇都不能掉以輕心，只能耐心的不斷的跟蹤識別，採集樣本，不斷的記錄確認，就為有一天戰爭爆發的時候能派上用場。到上世紀70年代，更頭痛的事來了，蘇聯潛艇出動的次數少了，特別是走GUIK通道的數量明顯降低，美國人更坐不住了，這是咋回事涅？
上圖，美國潛艇THERTHER的聲吶
原因有二個，一是蘇聯的潛射戰略核導彈技術有了實質性的飛躍，射程大大增加；二是因為一個內奸把美國佬賣了。
先說第一個原因，前蘇聯的潛射戰略核導彈，都是第385設計局的馬克耶夫先生主持設計的，馬克耶夫是個天才，年紀輕輕的就跟著前蘇聯火箭之父科羅瘳夫混，1950年代初就研究出了飛毛腿導彈，他主要研究液體推進的導彈，在他的獨創性的探索下，前蘇聯用很落後的技術實現了潛射導彈的飛躍，舉個例子，為了減輕重量，他敢把R-27導彈的主火箭發動機直接泡在推進劑里，這樣，縮短了火箭長度，省了結構重量、傳輸管和冷卻迴路，試問全世界還有誰敢這麼做？上世紀七十年代初，他主持研製出了R-29導彈，射程接近8000公里，這樣，蘇聯的戰略導彈核潛艇（D級，德爾塔級）直接進了北冰洋就能起到作用，再加不用去美國人家門口看人家臉色辦事了。
第二個原因是個叫洛克的叛徒，他是美國海軍的通信軍官，他想發財，就把美國人SOSUS的秘密一股腦的賣給克格勃，知道了SOSUS的厲害，蘇聯人惹不起，就繞著走，這樣，美國人只好深入虎穴，去蘇聯人的家門口採集聲紋樣本了。
冷戰時期，美英等國家對前蘇聯的水下偵察搞得火熱，潛艇是天然的隱身戰艦，用來搞水下偵察天經地義。於是在蘇聯的北摩爾斯克、太平洋的海參崴、堪察加半島的彼得羅巴甫洛斯克等重要潛艇基地外，美國人常年派出1-3艘潛艇進行蹲坑，遇到蘇聯人搞演習，就數量加倍，主要目的就是採集蘇聯潛艇聲紋特徵和活動規律，為洛法技術服務。
偵察活動搞多了，美國人甚至給蘇聯潛艇的聲隱身性能排了英雄榜，就是下面這個表格，這是美國人在前蘇聯附近巴倫支海跟蹤蘇聯的潛艇的經驗總結，每一條數據都是提著腦袋採集來了，冷戰結束後也解密了。
前蘇聯潛艇類型相應距離發現概率
50公里30公里10公里
良好海況
667A型戰略導彈核潛艇揚基級（Y級）0.120.951
667B型戰略導彈核潛艇德爾塔I型（D-I級）0.050.541
667 BDR型戰略導彈核潛艇德爾塔III型（D-III級）00.150.95
667BDRM型戰略導彈核潛艇德爾塔IV型（D-IV級）00.080.45
971型攻擊核潛艇阿庫拉級000.03
上圖，阿庫拉級潛艇，前蘇聯時代設計最成功的一型潛艇，沒有之一。其它都被美佬稱為大聲佬
較差海況（大風浪）
667A型戰略導彈核潛艇揚基級（Y級）0.030.151
667B型戰略導彈核潛艇德爾塔I型（D-I級）00.050.93
667 BDR型戰略導彈核潛艇德爾塔III（D-III級）000.55
971型攻擊核潛艇阿庫拉級000
上面這個表，1是肯定能發現，下面的零點幾的小數是發現的次數除以出動次數，美國人有先進的偵察衛星和無線電監控，每次蘇聯潛艇出動都能知道。從上表可以看出，服役於上世紀八十年代中期的阿庫拉級攻擊核潛艇是當之無愧的蘇聯潛艇靜音之王，即使最良好的水文條件下，美國人蹲點在10公里處，對阿庫拉的發現概率也不大於百分之三，這已經是相當高的靜音水平了，孔雀石設計局在切爾內舍夫總設計師帶領下的設計團隊，在潛艇靜音技術方面，是整個蘇聯潛艇設計界的最前沿，阿庫拉級優秀的靜音設計，超強的武器攜帶能力，堪稱前蘇聯時代潛艇設計的巔峰。
上圖，維克多級攻擊核潛艇至今仍是俄羅斯海軍的主戰艦艇
從表中還可以看出，從六十年代末服役的揚基級（Y級）到八十年代末的德爾塔IV型（D-IV級），前蘇聯潛艇的靜音性能不斷提高，雜訊指標不斷下降，使美國潛艇的發現概率明顯降低，但最好的水平也比阿庫拉級有差距，也許是和紅寶石設計局相當保守的設計風格不無關係，前蘇聯的戰略導彈核潛艇全由紅寶石設計局的克瓦列夫總設計師主持，這位老先生設計了前蘇聯時代所有的6型91艘戰略導彈核潛艇，包括著名的颱風級潛艇，是位超級設計大師。
上圖：德爾塔級戰略導彈核潛艇
上世紀60年代末，海洋石油開發如火如荼，腦瓜一貫靈活眼盯高科技的美國海軍，從海洋石油勘探設備中有了新發現。
拖曳線列陣聲吶
拖曳線列陣聲吶是由海洋石油勘探裝置發展出來的。海洋石油其實藏在海底下面幾百上千米的岩石縫隙里，要用爆震的方法測出來，測量裝置分為震源和接收裝置，震源通常是爆炸物或空氣炮，接收裝軒是是一根長長充油的塑料管，裡面裝著一大串的水聽器，很便於收放。地震測量的時候，空氣炮在海底不斷的轟來轟去，遇到海底的藏油層，反射的回波會被水聽器聽到，分析一下，能知道油田的位置和深度。
美國海軍對這種玩意兒很感興趣，於是對這種接收裝置進行了改進，改成了拖曳線列陣聲吶，拖曳線列陣聲吶可以用一個大絞車收放，可以做得非常長，最長的可以達到近三千米，水下的深度可以調節。拖曳線列陣聲吶與其他聲吶相比，有兩個巨大的優點：一是聲吶基陣可以遠離船體，這樣就減少了本船的振動雜訊對聲吶接收效果的影響，本船雜訊一直是艦載聲吶看不遠的重要原因，看星星的天文台遠離燈火通明的大城市也是這個道理，實際美國人測試中發現，拖曳線列陣聲吶附近的干擾雜訊甚至比SOSUS裝置附近還低；第二個好處是，聲吶基陣的長度可以很大，這樣的話就加大了聲吶的孔徑，對於接收低頻雜訊的識別定位很有好處，其實搞無線電的都知道，信號頻率真越低，天線尺寸越大，接收效果才好，美國的無瑕號的拖曳線列陣聲吶基陣長達2400米，是目前已知的最長的拖曳線列陣聲吶，能接收到5赫茲的低頻水聲，堪稱水下天文望遠鏡。
冷戰結束後，前蘇聯的土崩瓦解，曾經被視為紅海軍的驕傲的核潛艇部隊紛紛趴了窩，出動率直線下降，曾經200餘艘的核動力潛艇艦隊，一度只有十餘艘能夠出動。獨孤求敗的美國海軍並沒有放鬆對反潛技術的探索，提出由海向陸的作戰概念，這樣，近海，對付常規動力柴電潛艇成了新的重點。近海大陸架通常沒有深海聲通道，美國人於是大量布署水文間諜船，無瑕號之類的水文間諜船開始紛繁活動。
上圖：美國能力號水聲偵察船，目前擁有世界上最長的拖曳線列陣聲吶（長達約2400米）
洛法技術發明已經六十多年，目前除了應用於反潛戰領域，也被美國科學家用於對海洋中鯨類活動規律的研究，因為他們發現，鯨魚天生會使用深海聲道軸互相通信，美國海軍的SOSUS聲吶也是分析鯨魚活動規律的利器，希望這個路子能延續下去，洛法能更多的為和平的目的的使用，洛法傳奇而塵封的故事能有更完美的結尾。
沙漠之狐隆美爾，唯一有紀念館的德軍元帥明明是防空高炮，卻成了反坦克神器，二戰德軍88炮美國陸軍試驗智能炮彈，1公里外擊落無人機腦洞大開！還真有會飛的航空母艦，這是我寫的飛天屁股坐錯地方，世界最大飛艇第二次試飛觸地受損
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