聲納技術的發展道路

佟宏偉

摘 要：聲納技術是聲學傳播檢測技術在水下的具體應用，是針對聲納探測的功能進行的研究開發。文章主要介紹了聲納技術在上世紀的研究和發展歷程，闡述了聲納技術的相關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效用的措施進行了總結。

關鍵詞：聲納技術；發展；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 聲納技術概述

1.1 聲納設備的定義

利用聲波在水下的傳播特征，通過電聲轉換和信導處理技術完成水下目標的探測，進行水下通訊和遙測的設備稱為聲納設備。

1.2 聲納技術的發展歷程

水下聲波的應用構成了聲納學這門學科，“聲納”是在第二次世界大戰的中后期根據英文中“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叫做聲納系統。十九世紀初期，西方國家在對水下物體探測技術上進行了很多研究，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。隨后各國在此基礎上對該技術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、假設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射轉換器將水聲與電能互相轉換的技術方面取得了長足的進步，在很大程度上促進了聲納技術的發展。

在對聲納技術中能量轉換器的研究中，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換器，接著又成功研究了壓電陶瓷材料的能量轉換器，在很長一段時間被廣泛的應用于聲納探測技術中；近年來，隨著經濟的發展和科技的不斷更新，又相繼涌現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 聲納的基本結構

通常來說，發射機、換能器、接收機、顯示器和控制器共同組成了聲納系統。發射機是產生所需電信號的機器，換能器的作用是將發射機產生的電信號轉換成水聲信號向水中發射，水聲信號在水中遇到障礙物會發生反射，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換成電信號，電信號經過各種必要處理和放大處理后，結果會被反饋到控制器中顯示出來，最后根據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。

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 聲納的結構

主動聲納：主動聲納的組成部分有：發射機、接收機、換能器、收發轉換器和指示器等。

被動聲納：被動聲納的組成部分有：接收機、換能器、收發轉換器和指示器等。

（1）聲納發射機：聲納發射機是主動聲納的主要構成部件之一，它有可以產生一定功率聲頻或者超聲頻信號的作用，然后放在水中的發射換能器將聲頻或者聲頻電信號轉換成聲信號，最后將聲信號發射出去。（2）聲納換能器：在聲納應用系統中，最為常用的是電聲換能器，它也是水聲系統的重要組成部分。聲納換能器是將電能與聲能進行互相轉換的設備，水聲換能器根據其工作狀態的不同可以分為發射換能器和接收換能器。其中發射換能器可以將電能轉換成機械能，進而將機械能轉換成為聲能；接收換能器是將聲能轉換成為機械能救進而轉換成電能。實際應用中的水聲換能器同時具有發射換能器和接收換能器的作用，系統對水聲換能器的技術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的探測距離有很大的作用。（3）換能器傳動設備：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動以及仰俯的傳動設備，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，而且經常伴隨有其他的雜音和噪聲，通過其轉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備。（5）聲納指示器：聲納系統的終端設備就是聲納指示器了，根據傳導的形式不同，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，聲納裝備在具體的使用過程中具有以下特點：（1）聲納性能受到環境的影響比較大。聲納系統的特性受到周圍環境的影響程度較大，由于海洋中環境復雜多變各種不確定因素較多，使得海水中聲納系統的性能不確定，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，影響聲納系統的性能。（2）聲納性能受安裝平臺的限制和影響。聲納系統的性能同樣會受到安裝平臺的影響，聲納系統安裝平臺的大小，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 影響聲納系統的因素

（1）溫度：溫度是對聲納系統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，并且有遠程傳播區和海面海底反射等現象的存在，這些現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射源、海洋海況以及聲場的數據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據是很困難的，只能粗略的得出一些結果。（3）聲線的彎曲程度：聲速的梯形分布對聲納系統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，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”就是常規測深儀，它通過向水下發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的結構和性質進行檢測測量，對射入介質的入射聲波和反射聲波的形狀、時間、狀態以及性質進行分析和計算，得出海底的反射系數，根據這些系數以及數據可以將海底相應的結構和性質推算出來。“旁視聲納”的作用是對與船只垂直方向的海底物質進行探測，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 漁業管理

聲納系統在漁業管理的方面還存在很高的應用價值，利用聲納系統制作的“探魚器”可以發現魚群的動向。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量。另外利用聲納技術制作成的“助魚聲納設備”可以幫助漁民進行計數、對魚進行引誘、幫助漁民捕魚等。

4 現階段聲納裝備的支撐技術

4.1 合成孔徑技術

近年來，聲納合成孔徑技術的研制受到很高的重視。合成孔徑技術在雷達方面的應用已經很成熟了，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 水聲通信技術與水下GPS技術

水聲通信技術一直是聲納研究中一個重要的領域，水聲通信系統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多次海上實踐研究，得出現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 數據融合技術

聲納系統集成度越來越高，數據量越來越大，僅僅依靠聲納員對其進行處理已經明顯不夠，因此數據融合技術必然得到重視。數據融合技術的發展為輔助決策提供了有力的幫助。

5 提高聲納技術性能的方法

第一，應該使用低頻率進行工作，低頻率范圍內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，增加聲納的發射功率，換能器材料的選擇上應該選用能夠發射高功率的材料，提高單位面積內的發射聲功率。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 結束語

聲納技術是一門發展迅速，應用前景廣闊的學科，21世紀的聲納技術將海洋聲學、電子通訊學和材料學等學科進行有機結合，將聲納系統進一步發展和提高，創造出知識聲納和智能聲納系統。

參考文獻：

[1]戴亮.聲納技術的現狀與發展[J].科技經濟市場，2007.

[2]催峰.現代聲納技術[J].國防技術基礎，2001，5（2）.

[3]王玉金.水聲設備[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社.