佟宏偉

摘 要：聲納技術(shù)是聲學傳播檢測技術(shù)在水下的具體應用，是針對聲納探測的功能進行的研究開發(fā)。文章主要介紹了聲納技術(shù)在上世紀的研究和發(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用范圍，最后對未來提高聲納技術(shù)效用的措施進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：聲納技術(shù)；發(fā)展；道路

中圖分類號：U666.7 文獻標志碼：A 文章編號：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)換和信導處理技術(shù)完成水下目標的探測，進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

水下聲波的應用構(gòu)成了聲納學這門學科，“聲納”是在第二次世界大戰(zhàn)的中后期根據(jù)英文中“聲波導航測距”（sound navigation and ranging）的首字母進行音譯來的，利用水聲聲納學進行各種探測的系統(tǒng)叫做聲納系統(tǒng)。十九世紀初期，西方國家在對水下物體探測技術(shù)上進行了很多研究，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中最為有效的。隨后各國在此基礎(chǔ)上對該技術(shù)進行了進一步的研究，其中主動聲納和被動聲納是主要的研究對象，與此同時傳播介質(zhì)、假設(shè)檢驗和估計理論也被提到了研究議程上。到了十九世紀三四十年代，美國人開始廣泛研究水聲傳播、噪音、混響和反射理論，并在運用計算機對聲傳播方程的計算以及水下運用發(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步，在很大程度上促進了聲納技術(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，在很長一段時間被廣泛的應用于聲納探測技術(shù)中；近年來，隨著經(jīng)濟的發(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，例如復合材料和光纖水聽器等，使聲納的性能、效率和準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、換能器、接收機、顯示器和控制器共同組成了聲納系統(tǒng)。發(fā)射機是產(chǎn)生所需電信號的機器，換能器的作用是將發(fā)射機產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換成水聲信號向水中發(fā)射，水聲信號在水中遇到障礙物會發(fā)生反射，被反射的水聲信號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，電信號經(jīng)過各種必要處理和放大處理后，結(jié)果會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聲納和被動聲納，主動聲納應用于搜索和定位上，被動聲納主要應用于對目標距離的測定和跟蹤等。

2.2 聲納的結(jié)構(gòu)

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

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

（1）聲納發(fā)射機：聲納發(fā)射機是主動聲納的主要構(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轉(zhuǎn)換成聲信號，最后將聲信號發(fā)射出去。（2）聲納換能器：在聲納應用系統(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)換成機械能，進而將機械能轉(zhuǎn)換成為聲能；接收換能器是將聲能轉(zhuǎn)換成為機械能救進而轉(zhuǎn)換成電能。實際應用中的水聲換能器同時具有發(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)要求是應該具有低頻、大功率和高效率的特點，這些特點對增大水聲系統(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)動以及仰俯的傳動設(shè)備，以滿足其各種不同的掃描需求。（4）聲納接收機：目標回波經(jīng)過水中的傳播傳送到水聽器中時，水聽器可以接收到的信號是十分微弱的，而且經(jīng)常伴隨有其他的雜音和噪聲，通過其轉(zhuǎn)換而成的電信號也十分微弱，因此必須要在對其進行一定的處理之后進行充分的放大，這樣才能達到良好的預期效果，聲納接收機就是完成這項工作的設(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

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：（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、散射效應以及海面和海底的不平整都會對聲音的傳播以及聲納信號造成影響，影響聲納系統(tǒng)的性能。（2）聲納性能受安裝平臺的限制和影響。聲納系統(tǒng)的性能同樣會受到安裝平臺的影響，聲納系統(tǒng)安裝平臺的大小，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，同時平臺自身還會在工作中產(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3000米至4000米，而在溫度過高或者過低的海域，這個作用距離可能只有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，目標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，如果目標在深海海域，聲波就傳播不到目標深度，這時候水聲器材就無法探測到目標物體。聲速負梯度分布一般較易出現(xiàn)在夏季，這時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受到較大程度的影響，聲波的傳播距離相對較近。這時候作為水面水聲探測器材針對不同深度的目標探測的效果和距離存在一定的差異，值得注意的是這時候如果探測目標較深，距離較近的目標反而比較容易探測。

3 聲納的應用范圍

3.1 水下探測、探距

聲納作為水下探測和探距用時通常可以分為常規(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)射脈沖并對其到達海底的時間進行測量進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、時間、狀態(tài)以及性質(zhì)進行分析和計算，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)進行應用，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速度進而得知船體的海中航速。另外如果將該聲納系統(tǒng)固定在流動的水域中，運用同樣的測量原理可以檢測出海洋中海水流動的方向和速度。

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用價值，利用聲納系統(tǒng)制作的“探魚器”可以發(fā)現(xiàn)魚群的動向。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”可以幫助漁民進行計數(shù)、對魚進行引誘、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)在雷達方面的應用已經(jīng)很成熟了，但是在聲納方面的應用還較少，其中一個主要的原因是聲傳播的方式要比無線電傳播的方式復雜很多，另外聲納平臺的運動速度要遠遠大于聲傳播的速度，因此合成孔徑技術(shù)在聲納中的應用要遠復雜于在雷達中的應用。

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)多次海上實踐研究，得出現(xiàn)階段傳輸率的乘積在40左右，而這個傳輸率在四十年前只在5的上下浮動。

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，應該使用低頻率進行工作，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，應用前景廣闊的學科，21世紀的聲納技術(shù)將海洋聲學、電子通訊學和材料學等學科進行有機結(jié)合，將聲納系統(tǒng)進一步發(fā)展和提高，創(chuàng)造出知識聲納和智能聲納系統(tǒng)。

參考文獻：

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