海洋技术|声纳技术的发展道路

2023-01-10

一、声纳技术概述

⒈声纳设备的定义

利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信导处理技术完成水下目标的检测，称为声纳设备。

⒉声纳技术的发展历程

水下声波的应用构成了声纳学，声纳是在第二次世界大战的中后期，根据英语中的声波导航测距（sound navigation and ranging）使用水声声纳学进行各种探测的系统称为声纳系统。19世纪初，西方国家对水下物体探测技术进行了大量研究，包括热能、磁能、电磁和声波探测，其中声波探测是最有效的。

随后，各国在此基础上进一步研究了该技术，其中主动声纳和被动声纳是主要的研究对象，同时也提到了传播介质、假设测试和估计理论。20世纪30年代和40年代，美国人开始广泛研究水声传播、噪声、混响和反射理论，在计算机声传播方程和水下发射转换器转换水声和电能方面取得了巨大进展，在很大程度上促进了声纳技术的发展。

在声纳技术中能量转换器的研究中，电晶材料和磁膨胀材料的能量转换器在初级阶段开发，压电陶瓷材料的能量转换器长期广泛应用于声纳探测技术中；近年来，随着经济的发展和技术的不断更新，复合材料、光纤水听器等新概念和新材料，声纳的性能、效率和准确性都得到了前所未有的提高。

二、声纳的基本结构

一般来说，声纳系统由发射机、换能器、接收器、显示器和控制器组成。发射机是一种产生所需电信号的机器。传感器的功能是将发射机产生的电信号转换为水声信号并发射到水中。水声信号在水中遇到障碍物时会反射。反射的水声信号以声纳回波的形式返回水声器。接收声波后，水声器将其转换为电信号。电信号经过各种必要的处理和放大后，会反馈给控制器显示，最后，目标障碍物的设备可以根据这些处理信息进行分析 ** 及其性质。

⒈声纳的类型

根据声纳工作模式的不同，可分为主动声纳和被动声纳。主动声纳用于搜索和定位，主要用于测量和跟踪目标距离。

⒉声纳的结构

主动声纳：主动声纳的组成部分包括：发射机、接收机、传感器、接收转换器和指示器。被动声纳：被动声纳的组成部分包括：接收器、传感器、接收转换器和指示器。

⑴声纳发射机：声纳发射机是主动声纳的主要组成部分之一。它可以产生一定的功率声频或超声信号，然后将声频或声频电信号转换为声信号，最后发送声信号。

⑵声纳传感器：电声传感器是声纳应用系统中最常用的，也是水声系统的重要组成部分。声纳传感器是一种相互转换电能和声能的设备。水声传感器可分为发射传感器和接收传感器。其中，感器可以将电能转化为机械能，然后将机械能转化为声能；接收传感器将声能转化为机械能，然后转化为电能。实际应用中的水声传感器还具有传输传感器和接收传感器的功能。系统对水声传感器的技术要求应具有低频、高功率、高效率的特点，对增加水声系统的探测距离有很大的作用。

⑶传动设备：为了使声纳传动器获得更多的能量，必须有一套传动设备，可以使传动器自由提升和旋转，以满足其不同的扫描需求。

⑷声纳接收器：当目标回波通过水传输到水听器时，水听器可以接收到的信号非常弱，并且经常伴随着其他噪音和噪音过其转换的电信号也非常弱，必须在一定处理后充分放大，以达到良好的预期效果，声纳接收器是完成工作的设备。

⑸声纳指示器：声纳系统的终端设备是声纳指示器。声纳指示器可分为听觉指示器和视觉指示器。听觉指示器通常指耳机和喇叭，视觉指示器指记录器和显示器。

⒊声纳系统的特点

获取水下信息的最佳方式是通过水下声纳系统，声纳设备在具体使用过程中具有以下特点：

⑴声纳性能受环境影响较大。声纳系统的特点受周围环境的影响较大。由于海洋环境复杂多变，海水中声纳系统的性能不确定。折射效应、散射效应和海底不平整会影响声音的传播和声纳信号，影响声纳系统的性能。

⑵声纳性能受安装平台的限制和影响。声纳系统的性能也会受到安装平台的影响，声纳系统安装平台的尺寸、地理位置有限，不能随意增加传感器的尺寸来提高声纳设备的性能，同时平台本身也会产生噪声，噪声传播形成背景噪声对声纳探测性能的一定影响。

⒋影响声纳系统的因素

⑴温度：温度是影响声纳系统使用性能的最大因素之一。海洋中各层的温差会在一定程度上影响声纳探测的深度和距离范围。例如，在等温海洋中，声纳的探测距离可达3000米至4000米，而在温度过高或过低的海洋中，这种作用距离可能只有1000米左右。

⑵海洋中不同层次:海洋中有表面声道、深海声道、远程传播区和海底反射，导致声阵倾角与接收扇之间的变化相对复杂。理论上，如果你知道发射源、海洋海况和声场的数据，你可以计算出海洋中任何地方的声场，但实际上很难准确地获得数据，你只能粗略地得到一些结果。

⑶声线的弯曲程度：声速的梯形分布对声纳系统的检测也有很大的影响。有些梯度可以增加声线的传输距离，有些梯度可以减少声线的传输距离。声速正梯度分布一般容易出现在冬季，然后声线向海面弯曲，声速正梯度分布通常只出现在海面表面，如果使用回声站检测目标，目标位置在正梯度范围内，水声探测器检测距离较远，如果目标在深海，声波不能传播目标深度，此时水声设备不能检测目标对象。负梯度分布一般容易出现在夏季，当声线向海底弯曲时，水平方向的工作距离会受到很大程度的影响，声波传播距离相对较近。此时，作为一种水声检测设备，不同深度的目标检测效果和距离存在一定的差异。值得注意的是，如果目标较深，则更容易检测到更近的目标。

三、声纳的应用范围

⒈水下探测，探距

声纳通常可分为传统的深度测量仪、底部剖面仪和旁视声纳，用作水下探测和探距。通常我们称之为回声探测器，即传统的深度测量仪。它可以通过向水下发射脉冲并测量到达海底的时间来计算探测对象在水中的位置和深度。

底部剖面仪具有将发射声波传输到海底的功能。底部剖面仪是一种采用低频大功率脉冲声源的主动声纳。其主要功能是测量海洋深度，测量海底物质的结构和性质，分析和计算进入介质的进入声波和反射声波的形状、时间、状态和性质，得出海底的反射系数，根据这些系数和数据，可以计算出海底相应的结构和性质。旁视声纳的作用是探测垂直于船舶的海底物质，主要用于绘制海底地图。

⒉多普勒测速

声纳也可以应用于海洋速度测量的范围内。声纳速度测量的原理是将一对指向传感器倾斜并安装在船的底部。通过海底回波中的多普勒频率移动，可以了解船相对于海底的移动速度，然后了解船体的海洋速度。此外，如果声纳系统固定在流动水域，则可以使用相同的测量原理来检测海洋中海水流动的方向和速度。

⒊渔业管理

声纳系统在渔业管理中仍具有很高的应用价值。声纳系统制作的探鱼器可以找到鱼的趋势。使用探鱼器可以大大提高捕鱼的概率和数量。此外，声纳技术制作的助鱼声纳设备还可以帮助渔民计数、引诱和捕鱼。

四、现阶段声纳设备的支撑技术

⒈合成孔径技术

近年来，声纳合成孔径技术的发展受到了高度重视。合成孔径技术在雷达中的应用非常成熟，但声纳的应用较少。主要原因之一是声传播比无线电传播复杂得多。此外，声纳平台的运动速度远大于声传播速度，因此合成孔径技术在声纳中的应用比雷达中的应用要复杂得多。

⒉水声通信技术与水下GPS技术

水声通信技术一直是声纳研究的重要领域，水声通信系统的性能主要受传输率和功能距离的影响。根据多项海上实践研究，美国和北约的一些国家得出结论，阶段传输率的乘积约为40，40年前只有5。

⒊数据集成技术

声纳系统的集成度越来越高，数据量也越来越大。仅仅依靠声纳来处理它显然是不够的，因此数据集成技术必须得到重视。数据集成技术的发展为辅助决策提供了强有力的帮助。

五、提高声纳技术性能的方法