聲納技術(shù)的發(fā)展道路

佟宏偉

摘 要：聲納技術(shù)是聲學(xué)傳播檢測技術(shù)在水下的具體應(yīng)用，是針對聲納探測的功能進(jìn)行的研究開發(fā)。文章主要介紹了聲納技術(shù)在上世紀(jì)的研究和發(fā)展歷程，闡述了聲納技術(shù)的相關(guān)原理和方法以及其主要應(yīng)用范圍，最后對未來提高聲納技術(shù)效用的措施進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：聲納技術(shù)；發(fā)展；道路

中圖分類號(hào)：U666.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0155-02

Abstract： Sonar technology is the specific application of acoustic propagation detection technology in underwater. It is the research and development for the function of sonar detection. This paper mainly introduces the research and development course of sonar technology in the last century， expounds the related principles and methods of sonar technology and its main application scope， and finally summarizes the measures to improve the effectiveness of sonar technology in the future.

Keywords： sonar technology； development； road

1 聲納技術(shù)概述

1.1 聲納設(shè)備的定義

利用聲波在水下的傳播特征，通過電聲轉(zhuǎn)換和信導(dǎo)處理技術(shù)完成水下目標(biāo)的探測，進(jìn)行水下通訊和遙測的設(shè)備稱為聲納設(shè)備。

1.2 聲納技術(shù)的發(fā)展歷程

水下聲波的應(yīng)用構(gòu)成了聲納學(xué)這門學(xué)科，“聲納”是在第二次世界大戰(zhàn)的中后期根據(jù)英文中“聲波導(dǎo)航測距”（sound navigation and ranging）的首字母進(jìn)行音譯來的，利用水聲聲納學(xué)進(jìn)行各種探測的系統(tǒng)叫做聲納系統(tǒng)。十九世紀(jì)初期，西方國家在對水下物體探測技術(shù)上進(jìn)行了很多研究，包括探測熱能、磁能、電磁和聲波的方法，其中聲波探測方法是這幾種當(dāng)中最為有效的。隨后各國在此基礎(chǔ)上對該技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，其中主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納是主要的研究對象，與此同時(shí)傳播介質(zhì)、假設(shè)檢驗(yàn)和估計(jì)理論也被提到了研究議程上。到了十九世紀(jì)三四十年代，美國人開始廣泛研究水聲傳播、噪音、混響和反射理論，并在運(yùn)用計(jì)算機(jī)對聲傳播方程的計(jì)算以及水下運(yùn)用發(fā)射轉(zhuǎn)換器將水聲與電能互相轉(zhuǎn)換的技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步，在很大程度上促進(jìn)了聲納技術(shù)的發(fā)展。

在對聲納技術(shù)中能量轉(zhuǎn)換器的研究中，初級(jí)階段成果研制了電晶體材料和磁制伸縮材料的能量轉(zhuǎn)換器，接著又成功研究了壓電陶瓷材料的能量轉(zhuǎn)換器，在很長一段時(shí)間被廣泛的應(yīng)用于聲納探測技術(shù)中；近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷更新，又相繼涌現(xiàn)出大量的新型概念和新型材料，例如復(fù)合材料和光纖水聽器等，使聲納的性能、效率和準(zhǔn)確度可靠度都得到了空前的提升。

2 聲納的基本結(jié)構(gòu)

通常來說，發(fā)射機(jī)、換能器、接收機(jī)、顯示器和控制器共同組成了聲納系統(tǒng)。發(fā)射機(jī)是產(chǎn)生所需電信號(hào)的機(jī)器，換能器的作用是將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成水聲信號(hào)向水中發(fā)射，水聲信號(hào)在水中遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射，被反射的水聲信號(hào)以聲納回波的形式返回到水聲器中，水聲器接收到聲波之后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過各種必要處理和放大處理后，結(jié)果會(huì)被反饋到控制器中顯示出來，最后根據(jù)這些被處理的信息就可以分析出目標(biāo)障礙物的具體位置以及其性質(zhì)。

2.1 聲納的類型

按照聲納工作方式的不同可以分為主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納，主動(dòng)聲納應(yīng)用于搜索和定位上，被動(dòng)聲納主要應(yīng)用于對目標(biāo)距離的測定和跟蹤等。

2.2 聲納的結(jié)構(gòu)

主動(dòng)聲納：主動(dòng)聲納的組成部分有：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、換能器、收發(fā)轉(zhuǎn)換器和指示器等。

被動(dòng)聲納：被動(dòng)聲納的組成部分有：接收機(jī)、換能器、收發(fā)轉(zhuǎn)換器和指示器等。

（1）聲納發(fā)射機(jī)：聲納發(fā)射機(jī)是主動(dòng)聲納的主要構(gòu)成部件之一，它有可以產(chǎn)生一定功率聲頻或者超聲頻信號(hào)的作用，然后放在水中的發(fā)射換能器將聲頻或者聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，最后將聲信號(hào)發(fā)射出去。（2）聲納換能器：在聲納應(yīng)用系統(tǒng)中，最為常用的是電聲換能器，它也是水聲系統(tǒng)的重要組成部分。聲納換能器是將電能與聲能進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換的設(shè)備，水聲換能器根據(jù)其工作狀態(tài)的不同可以分為發(fā)射換能器和接收換能器。其中發(fā)射換能器可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為聲能；接收換能器是將聲能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能救進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電能。實(shí)際應(yīng)用中的水聲換能器同時(shí)具有發(fā)射換能器和接收換能器的作用，系統(tǒng)對水聲換能器的技術(shù)要求是應(yīng)該具有低頻、大功率和高效率的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對增大水聲系統(tǒng)的探測距離有很大的作用。（3）換能器傳動(dòng)設(shè)備：要想讓聲納換能器接收到更多的能量，就必須要有一套可以使換能器自如升降轉(zhuǎn)動(dòng)以及仰俯的傳動(dòng)設(shè)備，以滿足其各種不同的掃描需求。（4）聲納接收機(jī)：目標(biāo)回波經(jīng)過水中的傳播傳送到水聽器中時(shí)，水聽器可以接收到的信號(hào)是十分微弱的，而且經(jīng)常伴隨有其他的雜音和噪聲，通過其轉(zhuǎn)換而成的電信號(hào)也十分微弱，因此必須要在對其進(jìn)行一定的處理之后進(jìn)行充分的放大，這樣才能達(dá)到良好的預(yù)期效果，聲納接收機(jī)就是完成這項(xiàng)工作的設(shè)備。（5）聲納指示器：聲納系統(tǒng)的終端設(shè)備就是聲納指示器了，根據(jù)傳導(dǎo)的形式不同，聲納指示器可以分為聽覺指示器和視覺指示器兩類，聽覺指示器通常指的是耳機(jī)和喇叭，視覺指示器則指的是記錄器和顯示器等。

2.3 聲納系統(tǒng)的特點(diǎn)

在水下獲取信息的最佳方式就是通過水下聲納系統(tǒng)，聲納裝備在具體的使用過程中具有以下特點(diǎn)：（1）聲納性能受到環(huán)境的影響比較大。聲納系統(tǒng)的特性受到周圍環(huán)境的影響程度較大，由于海洋中環(huán)境復(fù)雜多變各種不確定因素較多，使得海水中聲納系統(tǒng)的性能不確定，折射效應(yīng)、散射效應(yīng)以及海面和海底的不平整都會(huì)對聲音的傳播以及聲納信號(hào)造成影響，影響聲納系統(tǒng)的性能。（2）聲納性能受安裝平臺(tái)的限制和影響。聲納系統(tǒng)的性能同樣會(huì)受到安裝平臺(tái)的影響，聲納系統(tǒng)安裝平臺(tái)的大小，地理位置等都是有限制的，無法隨意的增大換能器的尺寸去提高聲納裝備的性能，同時(shí)平臺(tái)自身還會(huì)在工作中產(chǎn)生噪聲，噪聲傳播出去形成背景噪聲對聲納的探測性能形成一定程度的影響。

2.4 影響聲納系統(tǒng)的因素

（1）溫度：溫度是對聲納系統(tǒng)使用性能影響最大的因素之一，海洋中各層的溫度的差異會(huì)對聲納探測的深度和距離范圍造成一定程度的影響。舉例來說，在等溫的海洋中聲納的探測距離可達(dá)3000米至4000米，而在溫度過高或者過低的海域，這個(gè)作用距離可能只有1000米左右。（2）海洋中不同的層域：海洋中存在表層聲道、深海層聲道，并且有遠(yuǎn)程傳播區(qū)和海面海底反射等現(xiàn)象的存在，這些現(xiàn)象造成聲音聲陣傾角和接收扇面之間的變化相對復(fù)雜。在理論上來說如果知道發(fā)射源、海洋海況以及聲場的數(shù)據(jù)就可以推算出海洋中任何地方的聲場，但是實(shí)際操作上看想要精確得出數(shù)據(jù)是很困難的，只能粗略的得出一些結(jié)果。（3）聲線的彎曲程度：聲速的梯形分布對聲納系統(tǒng)探測的效果影響也很大，有的梯度可以增加聲線的傳播距離，有的梯度就減小聲線的傳播距離。聲速正梯度分布一般較易出現(xiàn)在冬季，這時(shí)聲音聲線向海面方向彎曲，聲速正梯度分布通常情況下只出現(xiàn)在海面表層，如果利用回音站探測目標(biāo)，目標(biāo)存在方位較淺正好在正梯度的范圍內(nèi)，水聲探測器探測的距離就較遠(yuǎn)，如果目標(biāo)在深海海域，聲波就傳播不到目標(biāo)深度，這時(shí)候水聲器材就無法探測到目標(biāo)物體。聲速負(fù)梯度分布一般較易出現(xiàn)在夏季，這時(shí)聲音聲線向海底的方向彎曲，在這種情況下水平方向上的工作距離會(huì)受到較大程度的影響，聲波的傳播距離相對較近。這時(shí)候作為水面水聲探測器材針對不同深度的目標(biāo)探測的效果和距離存在一定的差異，值得注意的是這時(shí)候如果探測目標(biāo)較深，距離較近的目標(biāo)反而比較容易探測。

3 聲納的應(yīng)用范圍

3.1 水下探測、探距

聲納作為水下探測和探距用時(shí)通常可以分為常規(guī)測深儀、底層剖面儀和旁視聲納。通常我們所說的“回聲探測儀”就是常規(guī)測深儀，它通過向水下發(fā)射脈沖并對其到達(dá)海底的時(shí)間進(jìn)行測量進(jìn)而可以推算出探測物體在水中所處的位置和深度。具有將發(fā)射聲波傳入海底作用的是“底層剖面儀”，“底層剖面儀”是一種采用低頻大功率脈沖聲源的一種主動(dòng)聲納，它的主要作用是測量海洋的深度并對海底物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行檢測測量，對射入介質(zhì)的入射聲波和反射聲波的形狀、時(shí)間、狀態(tài)以及性質(zhì)進(jìn)行分析和計(jì)算，得出海底的反射系數(shù)，根據(jù)這些系數(shù)以及數(shù)據(jù)可以將海底相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)推算出來?！芭砸暵暭{”的作用是對與船只垂直方向的海底物質(zhì)進(jìn)行探測，多用在對海底地圖的繪制方面。

3.2 多普勒測速

聲納還可以在海洋測速的范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，這種聲納測速的原理是將一對指向性換能器傾斜向下的安裝在船只底部，由海底回波中的多普勒頻移就可以得知船只相對于海底的移動(dòng)速度進(jìn)而得知船體的海中航速。另外如果將該聲納系統(tǒng)固定在流動(dòng)的水域中，運(yùn)用同樣的測量原理可以檢測出海洋中海水流動(dòng)的方向和速度。

3.3 漁業(yè)管理

聲納系統(tǒng)在漁業(yè)管理的方面還存在很高的應(yīng)用價(jià)值，利用聲納系統(tǒng)制作的“探魚器”可以發(fā)現(xiàn)魚群的動(dòng)向。魚群的所在地和魚群的范圍，利用“探魚器”可以大大提高捕魚的概率和數(shù)量。另外利用聲納技術(shù)制作成的“助魚聲納設(shè)備”可以幫助漁民進(jìn)行計(jì)數(shù)、對魚進(jìn)行引誘、幫助漁民捕魚等。

4 現(xiàn)階段聲納裝備的支撐技術(shù)

4.1 合成孔徑技術(shù)

近年來，聲納合成孔徑技術(shù)的研制受到很高的重視。合成孔徑技術(shù)在雷達(dá)方面的應(yīng)用已經(jīng)很成熟了，但是在聲納方面的應(yīng)用還較少，其中一個(gè)主要的原因是聲傳播的方式要比無線電傳播的方式復(fù)雜很多，另外聲納平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲傳播的速度，因此合成孔徑技術(shù)在聲納中的應(yīng)用要遠(yuǎn)復(fù)雜于在雷達(dá)中的應(yīng)用。

4.2 水聲通信技術(shù)與水下GPS技術(shù)

水聲通信技術(shù)一直是聲納研究中一個(gè)重要的領(lǐng)域，水聲通信系統(tǒng)性能主要受傳輸率和作用距離的影響。美國以及北約一些國家根據(jù)多次海上實(shí)踐研究，得出現(xiàn)階段傳輸率的乘積在40左右，而這個(gè)傳輸率在四十年前只在5的上下浮動(dòng)。

4.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

聲納系統(tǒng)集成度越來越高，數(shù)據(jù)量越來越大，僅僅依靠聲納員對其進(jìn)行處理已經(jīng)明顯不夠，因此數(shù)據(jù)融合技術(shù)必然得到重視。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展為輔助決策提供了有力的幫助。

5 提高聲納技術(shù)性能的方法

第一，應(yīng)該使用低頻率進(jìn)行工作，低頻率范圍內(nèi)海水對聲音的吸收量較小，因此聲納采用低工作頻率可以在一定程度上提高探測距離。第二，增加聲納的發(fā)射功率，換能器材料的選擇上應(yīng)該選用能夠發(fā)射高功率的材料，提高單位面積內(nèi)的發(fā)射聲功率。第三，增加傳播途徑，在深海條件下，為了進(jìn)一步提高探測距離可以采用以下途徑：（1）海底反射傳播途徑；（2）深海聲道傳播途徑。

6 結(jié)束語

聲納技術(shù)是一門發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣闊的學(xué)科，21世紀(jì)的聲納技術(shù)將海洋聲學(xué)、電子通訊學(xué)和材料學(xué)等學(xué)科進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將聲納系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展和提高，創(chuàng)造出知識(shí)聲納和智能聲納系統(tǒng)。

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