海洋技術|聲納技術的發(fā)展道路

一、聲納技術概述

⒈聲納設備的定義

利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉換和信導處理技術完成水下目標的檢測，稱為聲納設備。

⒉聲納技術的發(fā)展歷程

水下聲波的應用構成了聲納學，聲納是在第二次世界大戰(zhàn)的中后期，根據(jù)英語中的聲波導航測距（sound navigation and ranging）使用水聲聲納學進行各種探測的系統(tǒng)稱為聲納系統(tǒng)。19世紀初，西方國家對水下物體探測技術進行了大量研究，包括熱能、磁能、電磁和聲波探測，其中聲波探測是最有效的。

隨后，各國在此基礎上進一步研究了該技術，其中主動聲納和被動聲納是主要的研究對象，同時也提到了傳播介質、假設測試和估計理論。20世紀30年代和40年代，美國人開始廣泛研究水聲傳播、噪聲、混響和反射理論，在計算機聲傳播方程和水下發(fā)射轉換器轉換水聲和電能方面取得了巨大進展，在很大程度上促進了聲納技術的發(fā)展。

在聲納技術中能量轉換器的研究中，電晶材料和磁膨脹材料的能量轉換器在初級階段開發(fā)，壓電陶瓷材料的能量轉換器長期廣泛應用于聲納探測技術中；近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術的不斷更新，復合材料、光纖水聽器等新概念和新材料，聲納的性能、效率和準確性都得到了前所未有的提高。

二、聲納的基本結構

一般來說，聲納系統(tǒng)由發(fā)射機、換能器、接收器、顯示器和控制器組成。發(fā)射機是一種產生所需電信號的機器。傳感器的功能是將發(fā)射機產生的電信號轉換為水聲信號并發(fā)射到水中。水聲信號在水中遇到障礙物時會反射。反射的水聲信號以聲納回波的形式返回水聲器。接收聲波后，水聲器將其轉換為電信號。電信號經(jīng)過各種必要的處理和放大后，會反饋給控制器顯示，最后，目標障礙物的設備可以根據(jù)這些處理信息進行分析 ** 及其性質。

⒈聲納的類型

根據(jù)聲納工作模式的不同，可分為主動聲納和被動聲納。主動聲納用于搜索和定位，主要用于測量和跟蹤目標距離。

⒉聲納的結構

主動聲納：主動聲納的組成部分包括：發(fā)射機、接收機、傳感器、接收轉換器和指示器。被動聲納：被動聲納的組成部分包括：接收器、傳感器、接收轉換器和指示器。

⑴聲納發(fā)射機：聲納發(fā)射機是主動聲納的主要組成部分之一。它可以產生一定的功率聲頻或超聲信號，然后將聲頻或聲頻電信號轉換為聲信號，最后發(fā)送聲信號。

⑵聲納傳感器：電聲傳感器是聲納應用系統(tǒng)中最常用的，也是水聲系統(tǒng)的重要組成部分。聲納傳感器是一種相互轉換電能和聲能的設備。水聲傳感器可分為發(fā)射傳感器和接收傳感器。其中，感器可以將電能轉化為機械能，然后將機械能轉化為聲能；接收傳感器將聲能轉化為機械能，然后轉化為電能。實際應用中的水聲傳感器還具有傳輸傳感器和接收傳感器的功能。系統(tǒng)對水聲傳感器的技術要求應具有低頻、高功率、高效率的特點，對增加水聲系統(tǒng)的探測距離有很大的作用。

⑶傳動設備：為了使聲納傳動器獲得更多的能量，必須有一套傳動設備，可以使傳動器自由提升和旋轉，以滿足其不同的掃描需求。

⑷聲納接收器：當目標回波通過水傳輸?shù)剿犉鲿r，水聽器可以接收到的信號非常弱，并且經(jīng)常伴隨著其他噪音和噪音過其轉換的電信號也非常弱，必須在一定處理后充分放大，以達到良好的預期效果，聲納接收器是完成工作的設備。

⑸聲納指示器：聲納系統(tǒng)的終端設備是聲納指示器。聲納指示器可分為聽覺指示器和視覺指示器。聽覺指示器通常指耳機和喇叭，視覺指示器指記錄器和顯示器。

⒊聲納系統(tǒng)的特點

獲取水下信息的最佳方式是通過水下聲納系統(tǒng)，聲納設備在具體使用過程中具有以下特點：

⑴聲納性能受環(huán)境影響較大。聲納系統(tǒng)的特點受周圍環(huán)境的影響較大。由于海洋環(huán)境復雜多變，海水中聲納系統(tǒng)的性能不確定。折射效應、散射效應和海底不平整會影響聲音的傳播和聲納信號，影響聲納系統(tǒng)的性能。

⑵聲納性能受安裝平臺的限制和影響。聲納系統(tǒng)的性能也會受到安裝平臺的影響，聲納系統(tǒng)安裝平臺的尺寸、地理位置有限，不能隨意增加傳感器的尺寸來提高聲納設備的性能，同時平臺本身也會產生噪聲，噪聲傳播形成背景噪聲對聲納探測性能的一定影響。

⒋影響聲納系統(tǒng)的因素

⑴溫度：溫度是影響聲納系統(tǒng)使用性能的最大因素之一。海洋中各層的溫差會在一定程度上影響聲納探測的深度和距離范圍。例如，在等溫海洋中，聲納的探測距離可達3000米至4000米，而在溫度過高或過低的海洋中，這種作用距離可能只有1000米左右。

⑵海洋中不同層次:海洋中有表面聲道、深海聲道、遠程傳播區(qū)和海底反射，導致聲陣傾角與接收扇之間的變化相對復雜。理論上，如果你知道發(fā)射源、海洋海況和聲場的數(shù)據(jù)，你可以計算出海洋中任何地方的聲場，但實際上很難準確地獲得數(shù)據(jù)，你只能粗略地得到一些結果。

⑶聲線的彎曲程度：聲速的梯形分布對聲納系統(tǒng)的檢測也有很大的影響。有些梯度可以增加聲線的傳輸距離，有些梯度可以減少聲線的傳輸距離。聲速正梯度分布一般容易出現(xiàn)在冬季，然后聲線向海面彎曲，聲速正梯度分布通常只出現(xiàn)在海面表面，如果使用回聲站檢測目標，目標位置在正梯度范圍內，水聲探測器檢測距離較遠，如果目標在深海，聲波不能傳播目標深度，此時水聲設備不能檢測目標對象。負梯度分布一般容易出現(xiàn)在夏季，當聲線向海底彎曲時，水平方向的工作距離會受到很大程度的影響，聲波傳播距離相對較近。此時，作為一種水聲檢測設備，不同深度的目標檢測效果和距離存在一定的差異。值得注意的是，如果目標較深，則更容易檢測到更近的目標。

三、聲納的應用范圍

⒈水下探測，探距

聲納通常可分為傳統(tǒng)的深度測量儀、底部剖面儀和旁視聲納，用作水下探測和探距。通常我們稱之為回聲探測器，即傳統(tǒng)的深度測量儀。它可以通過向水下發(fā)射脈沖并測量到達海底的時間來計算探測對象在水中的位置和深度。

底部剖面儀具有將發(fā)射聲波傳輸?shù)胶５椎墓δ堋５撞科拭鎯x是一種采用低頻大功率脈沖聲源的主動聲納。其主要功能是測量海洋深度，測量海底物質的結構和性質，分析和計算進入介質的進入聲波和反射聲波的形狀、時間、狀態(tài)和性質，得出海底的反射系數(shù)，根據(jù)這些系數(shù)和數(shù)據(jù)，可以計算出海底相應的結構和性質。旁視聲納的作用是探測垂直于船舶的海底物質，主要用于繪制海底地圖。

⒉多普勒測速

聲納也可以應用于海洋速度測量的范圍內。聲納速度測量的原理是將一對指向傳感器傾斜并安裝在船的底部。通過海底回波中的多普勒頻率移動，可以了解船相對于海底的移動速度，然后了解船體的海洋速度。此外，如果聲納系統(tǒng)固定在流動水域，則可以使用相同的測量原理來檢測海洋中海水流動的方向和速度。

⒊漁業(yè)管理

聲納系統(tǒng)在漁業(yè)管理中仍具有很高的應用價值。聲納系統(tǒng)制作的探魚器可以找到魚的趨勢。使用探魚器可以大大提高捕魚的概率和數(shù)量。此外，聲納技術制作的助魚聲納設備還可以幫助漁民計數(shù)、引誘和捕魚。

四、現(xiàn)階段聲納設備的支撐技術

⒈合成孔徑技術

近年來，聲納合成孔徑技術的發(fā)展受到了高度重視。合成孔徑技術在雷達中的應用非常成熟，但聲納的應用較少。主要原因之一是聲傳播比無線電傳播復雜得多。此外，聲納平臺的運動速度遠大于聲傳播速度，因此合成孔徑技術在聲納中的應用比雷達中的應用要復雜得多。

⒉水聲通信技術與水下GPS技術

水聲通信技術一直是聲納研究的重要領域，水聲通信系統(tǒng)的性能主要受傳輸率和功能距離的影響。根據(jù)多項海上實踐研究，美國和北約的一些國家得出結論，階段傳輸率的乘積約為40，40年前只有5。

⒊數(shù)據(jù)集成技術

聲納系統(tǒng)的集成度越來越高，數(shù)據(jù)量也越來越大。僅僅依靠聲納來處理它顯然是不夠的，因此數(shù)據(jù)集成技術必須得到重視。數(shù)據(jù)集成技術的發(fā)展為輔助決策提供了強有力的幫助。

五、提高聲納技術性能的方法

首先，應使用低頻工作，海水在低頻范圍內對聲音的吸收較小，因此低頻工作頻率可以在一定程度上提高探測距離。二是增加聲納的發(fā)射功率，選擇能發(fā)射高功率的傳感器材料，提高單位面積內的發(fā)射聲功率。三是增加傳播途徑，在深海條件下，可采用以下途徑進一步提高探測距離：⑴海底反射傳播途徑；⑵深海聲道傳播途徑。

六、結束語

聲納技術是一門發(fā)展迅速、應用前景廣闊的學科。21世紀，聲納技術將海洋聲學、電子通信和材料學有機結合，進一步發(fā)展和改進聲納系統(tǒng)，創(chuàng)建知識聲納和智能聲納系統(tǒng)。

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