超聲波技術在船舶導航設備中的應用

黃云鵬+林育生

摘 要 超聲波技術應用范圍廣泛，利用其在水中和空氣中傳播特性，分別應用到船用導航設備測深儀、多普勒計程儀、聲相關計程儀、船舶氣象儀中，為船舶系統提供水深、航速、風向、風速、溫度等導航信息，對于船舶航行安全具有重要意義。

【關鍵詞】超聲波 導航設備 應用 聲相關 多普勒 換能器

1 引言

超聲波技術應用范圍廣泛，發展日趨成熟。船用導航設備主要用于船舶的航行導航，它為船舶系統提供航向、航速、航程、航跡、位置、水平姿態、水深、氣象要素等導航信息。超聲波技術從上世紀第二次世界大戰期間開始應用到船舶導航系統中，最典型的應用是水深測量，通過半個多世紀的發展，目前各種測深儀產品和技術已經非常成熟和普及。隨著技術進步，超聲波技術在導航設備中的應用領域越來越廣泛，逐步應用到測量航速、風速風向、溫度等領域，二十世紀六十年代初美國研制了第一臺多普勒計程儀，二十世紀七十年代后期美國通用電氣公司提出了聲相關測速的理論并研制了聲相關計程儀樣機，二十世紀八十年代意大利研制了超聲波風速儀原理樣機。國內相關領域的研究相對滯后，目前測深儀研究比較成熟，產品較多；多普勒計程儀、超聲波風傳感器研究方興未艾，陸續有新產品推出；聲相關計程儀的研究起步較晚，產品進入樣機階段。本文著重論述超聲波應用到船舶導航領域的主要技術及產品。

2 超聲波技術

2.1 超聲波

超聲波是指頻率大于20kHz的聲波，因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。一般把頻率大于15kHz的聲波認為是超聲波。超聲波可在不同介質中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優點。聲波是目前人類掌握的唯一能在大海中遠距離傳遞信息和能量的載體，聲波之所以成為水下最佳信息載體，是因其與電磁波等其它物理場相比，在水介質中衰減系數最小，可以遠距離傳播。

超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；另一類是用機械方式產生超聲波，有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。較為常用的是壓電式超聲波發生器。

基于超聲波的研究成果很多，廣泛應用到醫療、勘探、測量、導航等領域，下面介紹應用到船舶導航領域的主要技術。

2.2 回聲測距原理

聲波可以借助于水這個良好的介質傳播很遠的距離，當聲波在水中遇到不同的介質如海底、魚群、水中氣泡等，會產生反射。由于聲波在水中傳播的平均速度約為1500m/s，因此，只要知道聲波脈沖從發射出去到收到回波的時間就可以計算出目標的距離。假定向被測目標發射聲波脈沖到接收到從該目標返回的聲波脈沖的時間為Δt，平均聲速為C，則被測目標的距離H為：

式中C為海水中聲速。如果要獲得更精確的結果，需要對聲速進行修正。

2.3 多普勒效應

1842年奧地利物理學家Christian Johann Doppler發現了多普勒效應（Doppler effect），即當聲波被一物體反射回來時，若聲波發射源與反射體之間存在相對運動，反射波將產生一個多普勒頻移。根據多普勒效應，當船舶以θ角度向海底或某一水層發射超聲波、接收反射回波時，船舶航速為V，其在超聲波發射及接收方向上的速度分量為Vcosθ，f為發射頻率，則回波的多普勒頻移Δf（回波頻率與入射頻率之間的差值）為：

式中，c為海水中的聲速（m/s）。將上式變換可以求得V值：

在計程儀安裝好之后，

為固定值，只要測得Δf就可以求出航速V。公式（3）為單波束多普勒計程儀測速公式。

2.4 波形不變性

向海底發射聲波的回波的幅度主要取決于海底底質的反射系數及水深。當船舶航行時，由于返回的信號是由大量海底散射體的回波干涉而形成，因而幅度有起伏。這種干涉狀況隨著接收器的位置的變化而變化，但對于不同位置的接收器，如果發射器的位置也不同，那么它們有可能遇到相同的干涉效果。也就是說，如果在一條移動的船上，用單一的一個發射器，那么在兩個分開的接收器上接收的信號，除了有一個時延外，沒有什么不同，這就是“波形不變性”原理。因此，如果已知接收器間隔和時延，就可以求出船舶的航行速度。

假設船首和船尾接收器之間的距離為S（稱為換能器基線），發射器位于中間S/2處。當船舶以航速V航行時，船首接收換能器在t1時刻接收到由發射換能器發射的沿垂直方向傳播到海底某點后被反射的回波信號f1（t1），船舶繼續航行了S/2距離，船尾接收換能器在t2時刻接收到了來自海底同一位置反射的回波信號f2（t2）。由于f1（t1）和f2（t2）是海底同一位置反射的回波信號，兩者的傳播路徑及所含的水聲信息完全相同，因此f1（t1）和f2（t2）是兩個相關的信號，兩者的接收時間差τ稱為相關延時。則船舶的航速為：

上式稱為聲相關計程儀的測速原理公式，式中S為已知常數，只需求得τ就可以計算出航速V的值。

2.5 脈沖聲時法

聲波在空氣中的傳播速度會受空氣流動（即風）的影響，同向時聲波傳播速度加快，反向時聲波傳播速度減慢。為此提出了利用測量聲波在已知距離的兩點之間傳播時間的變化來逆向推導兩點間風速的方法--脈沖聲時法，又稱時差法。其原理如下：在不考慮其它因素影響的理想狀態下，由發射探頭發射的一組超聲波脈沖到達接收探頭的傳播時間t1為：

其中，L為傳播距離，v0為靜風下的聲速，v為風速，當風向和超聲波傳播方向一致時為正，反之為負。采用雙向測量，反向上超聲波的傳輸時間t2為：

消去v0，得到風速v的測量公式為：

該結果是探頭所在方向上的相對風速。要測量二維平面上的風速，可以同時測量互相垂直的兩個方向上風速后計算而得。要測量三維空間的風速大小還需增加測量豎直方向上的風速。

3 導航設備中的應用

超聲波在導航設備中的應用主要利用前面提到的技術，進行水深測量、航速測量、風速風向和溫度測量。其中，水深測量功能是測深儀應用回聲測距原理而實現的；航速測量功能是多普勒計程儀應用多普勒效應而實現的；航速測量和水深測量功能由聲相關計程儀應用“波形不變性”原理而實現的；氣象儀應用脈沖聲時法等方法，實現風速風向和溫度測量功能。

3.1 水深測量

水深測量理論依據是回聲測距原理，這是超聲波在導航系統中最早和最成熟的應用。測深儀通過安裝的船底的換能器向海底發射聲波信號，根據接收到回波的時間，計算出海底深度。

3.1.1 換能器

GB/T 3947-1996《聲學名詞術語》中換能器（transducer）的定義是自一種類型的系統接收信號而向另一種類型的系統供應相應的信號，使輸入信號的某一所需特征出現于輸出的器件。水聲換能器（underwater sound transducer）是指將其他形式的能量轉換為聲能向水中輻射，或將接收到的水聲信號轉換為其他能量形式的信號的換能器。測深儀換能器是一種水聲換能器，安裝在船舶底部，它是測深儀最主要的功率部件，其作用是將發射機輸出的電信號轉換為聲信號向海底發射并將海底反射回波轉換為電信號再輸出到接收機。

早期使用的換能器是由壓電晶體與金屬質量塊組成的朗之萬型換能器，后經產品升級換代，換能器性能有很大的提高。近年來，出現了許多新概念和新方法，水聲換能器正面臨著新一輪的產品換代，超磁致伸縮稀土換能器、高性能電致伸縮陶瓷（PMN2X） 換能器、矢量水聽器、壓電復合材料換能器、低頻大面積PVDF 水聽器、光纖水聽器等研究活躍，代表了換能器研究的發展動態。

3.1.2 測深儀

測深儀是一種水聲導航設備，它能提供船舶所處位置的水深信息。其測量水深的基本原理就是回聲測距原理。從探測方式上講，回聲測深儀屬于主動聲納。1925年，美國研制成功世界上第一臺聲學測深儀，20世紀70年代不少國家建立了回聲測深儀的有關標準和規范。我國第一臺測深儀為前蘇聯產品的仿制品，于1965年仿制成功，1995年建立了國標GB/T 8016-1995《船用回聲測深設備通用技術條件》。隨著技術的發展，測深儀從單頻測深儀向雙頻、多頻測深儀發展，從單波束向多波束測深儀發展，除測量水深外，在海底地形地貌測量和海底地質勘察中發揮重要作用。

測深儀設備可以分為濕端和干端兩大組成部分。其中，濕端是指安裝在水下的部分，又稱為水下聲系統，由水聲換能器或換能器陣及有關聲學構件組成，其功能主要完成聲-電、電-聲能量轉換，并與干端一起完成濾波功能。干端是指安裝在艙室內的不與水接觸的部分，由設備主機及接口部件組成，包括控制部分（或計算機系統）、發射系統、接收系統、顯示模塊、電源和接口模塊等，主要功能是信號產生、發送、接收、處理、計算、數據顯示、控制等。測深儀常用的工作頻率包括：20kHz、40kHz、90kHz。

3.2 航速測量

超聲波航速測量的理論依據是多普勒效應和“波形不變性”原理，利用該理論分別研制出多普勒計程儀（Doppler log）和聲相關計程儀（acoustic correlation log）。超聲波航速測量與傳統的航速測量理論不同，傳統的航速測量設備主要有基于法拉第電磁感應定律的電磁計程儀（electromagnetism log）和基于柏努利原理的水壓計程儀（pressure log），均屬于相對計程儀，測量的航速是船舶相對于水流的運動速度；而多普勒計程儀和聲相關計程儀屬于絕對計程儀，測量的航速是船舶相對于海底的運動速度。

3.2.1 多普勒計程儀

多普勒計程儀根據聲波的多普勒效應來測量船舶相對于大地的運動速度或相對于海水層的運動速度。二十世紀六十年代初美國就開始研制多普勒計程儀，1966年開始裝船。法國1972年研制出第一批產品。國內二十世紀九十年代初期開始出現多普勒計程儀產品。

多普勒計程儀利用換能器向海底發射聲波，不斷接收回波，根據回波頻移量的大小，計算出船舶相對于海底或水層的運動速度。工作頻率20kHz至2MHz。多普勒計程儀具有測速精度高、門限速度小、能夠測量船舶縱、橫向速度等特點。

多普勒計程儀可以分為一元多普勒計程儀、二元多普勒計程儀和三元多普勒計程儀。一元多普勒計程儀即單軸多普勒計程儀，它安裝有兩個換能器，分別向船艏和船艉方向發射和接收超聲波（雙波束），可以測量船舶前進和后退速度；二元多普勒計程儀即雙軸多普勒計程儀，它在船底靠近船艏安裝有四個換能器，分別向船艏、船艉、左舷和右舷方向發射和接收超聲波（四波束），可以測量船舶前進、后退速度及船首左右方向的移動速度；三元多普勒計程儀即三軸多普勒計程儀，除了二元多普勒計程儀的功能外，還在船尾安裝有兩個換能器，分別向船艉的左舷和右舷方向發射和接收超聲波（六波束），測量船艉左右方向的移動速度。

多普勒計程儀系統一般由主機柜、主顯示器、水下換能器基陣、水門閥組件、接線盒以及電源箱組成，按功能分成五個子系統：發射系統、接收系統、測溫系統、波形發生及信號/數據處理系統和電源系統。

借助多普勒計程儀，可以實現船舶綜合導航，這對于潛艇長時間水下航行時推算位置具有重要意義。

3.2.2 聲相關計程儀

二十世紀七十年代后期，美國通用電氣公司提出了聲相關測速的理論，利用空間相關方法測量水中載體速度，研制了中等深度的ACL樣機。八十年代后期，美國RDI公司采用空間相關的方法研制了75kHz ACCP樣機和大深度22kHz ACCP樣機。英國Marine Acoustics Limited公司21世紀初開發了中等深度的聲相關計程儀。國內從20世紀90年代開始研究聲相關測速技術，中國科學院聲學研究所等單位，目前處于樣機階段，還沒有成熟的產品。

聲相關計程儀是一種絕對計程儀，具有測量精度高、能夠測量絕對航速、航程以及船舶橫向移動速度等優點，除具有多普勒計程儀的優點外，還兼有測深儀的功能，可以測量水深。根據不同的測速目的，相關測速聲納可以分為“聲相關流速剖面儀”（ACCP：Acoustic Correlation Current Profiler）和“聲相關計程儀”（ACL：Acoustic Correlation Log）。

聲相關計程儀分為時間相關計程儀和空間相關計程儀兩種。時間相關計程儀原理是在運動方向上放置兩個位置固定的接收基元，這樣相關矢量固定，只要找出相關最大值對應的相關延時，就可以利用公式（4）求出航速值。空間相關計程儀原理是利用多個接收基元組成一個接收陣，發射基元發射兩個具有固定延時的相同信號，在固定相關延時的前提下對相關矢量進行搜索，從而得到航速。

聲相關計程儀通常由電子柜（包括發射系統、電源系統、放大器、相關處理器等）、換能器和顯示器組成。工作頻率常用22kHz、75kHz等，換能器陣一般由幾十個均勻分布的接收陣元組成。

3.3 風速風向測量

國外將超聲波應用于測量風速風向的研究起步較早，上世紀八十年代初意大利G.C.Aprilesi等人研制了超聲波風速儀的原理樣機，目前技術比較成熟，產品較多，如芬蘭的VAISALA、英國的GILL公司產品。由于技術封鎖、保密等原因，國外超聲波產品技術實現手段不清楚。國內近年來也開始這一領域的研究，處于原理樣機到工程樣機階段，實際應用產品不多，投入實用還有很多實際問題需要解決。

超聲波風速風向測量原理包括超聲波速差式測風法和超聲波漩渦式測風法兩大類。其中，超聲波速差式測風法可以分為時差法、相位差法、頻差法等，國內常用脈沖聲時法（即時差法）。超聲波風速風向傳感器是傳統風杯/風向標/螺旋槳旋轉式風速風向傳感器的理想替代產品，具有精度高、體積小、重量輕、無磨損、堅固耐用、無啟動風速限制、使用簡便等特點。

對測量結果的準確性進行分析，國外產品技術比較成熟，精度較高。英國Gill公司超聲波風速儀與美國YOUNG公司的三軸風速儀進行對比實驗，試驗結果表明超聲波風速儀的誤差在2.5%左右，加入溫度補償模塊后誤差降低到0.03%左右；據某氣象局使用對比，某型超聲波測風儀測量的風速值比自動站測風儀的風速值低20%，兩種儀器風速的日變化規律與氣候變化規律基本一致。

3.4 溫度測量

根據時差法求出風速后，可以由C=L（1/t1+1/t2）/2同時求得超聲波波速。而大氣中的超聲波波速為：

其中e為水汽分壓，P為大氣壓，單位均為百帕，T為絕對溫度，單位為開爾文。不同溫度下的e值可以根據計算公式算出。因此由超聲波的波速即可計算得出相應的溫度值。目前市場上已經有利用超聲波測量溫度的產品出現。

4 發展展望

筆者認為超聲波技術在導航設備中的應用前景極為廣闊，發展方向如下：

（1）從超聲波在導航設備中的應用來看，隨著技術的進步，將來超聲波在導航設備中的應用會更加廣泛和成熟，在船舶航行安全中發揮重要的作用。表現為現有應用的研究更加深入、技術更加成熟、測量精度更高、性能更佳；逐步拓寬到目前未知領域的應用。

（2）從航速測量設備發展角度來看，一是采用超聲波技術的設備將起主導作用，傳統的水壓式計程儀和電磁式計程儀將逐步退出，多普勒計程儀和聲相關計程儀逐漸成為主流產品；二是聲相關計程儀無疑是最具發展潛力，將是各國重點發展的方向；三是聲相關計程儀具有測量水深的功能，在高端應用（如大船、作戰艦艇、潛艇等）中有替代測深儀的可能。

（3）從產品的軍事用途來看，多普勒計程儀和聲相關計程儀在軍事領域的作用尤為突出，可以配合慣導實現潛艇長時間水下遠航導航，是今后研究的重點課題。從探測方式上講，測深儀、多普勒計程儀和聲相關計程儀均屬于主動式聲納，容易暴露己方目標，今后隱蔽性能的改進將是研究的一個重要方向。

（4）從換能器的技術發展來看，換能器的材料、工藝等技術研究活躍，包括新材料水聲換能器、新結構、新機理水聲換能器、新型水聽器技術、寬帶換能器技術等方面，換能器性能有很大的提高，如矢量水聽器、光纖水聽器，從而提高設備的可靠性和精度。

（5）在風向風速和溫度測量方面，國內研究方興未艾，目前技術及產品還不夠成熟，隨著研究的深入，在測量理論、測量精度、產品實用性等方面將會取得突破，不斷有成熟的應用產品出現，逐漸替代傳統的風杯/風向標/螺旋槳旋轉式風速風向傳感器。

5 結束語

本文簡要介紹了超聲波技術及其在導航設備中的應用情況。隨著技術的進步，在航速測量方面水壓式計程儀和電磁式計程儀將逐步退出，采用超聲波技術的多普勒計程儀和聲相關計程儀逐漸成為主流產品，特別是聲相關計程儀，其發展潛力極大，并有替代測深儀的趨勢。在風向風速和溫度測量方面，隨著研究的深入，國內將不斷有成熟的應用產品出現。可以預見，將來超聲波在導航設備中的應用會更加廣泛和成熟，對船舶航行安全起到十分重要的作用。

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