海洋技术▏声纳技术的发展道路
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征，通过电声转换和信导处理技术完成水下目标的探测，进行水下通讯和遥测的设备称为声纳设备。
⒉声纳技术的发展历程
水下声波的应用构成了声纳学这门学科，“声纳”是在第二次世界大战的中后期根据英文中“声波导航测距”（sound navigation and ranging）的首字母进行音译来的，利用水声声纳学进行各种探测的系统叫做声纳系统。十九世纪初期，西方国家在对水下物体探测技术上进行了很多研究，包括探测热能、磁能、电磁和声波的方法，其中声波探测方法是这几种当中最为有效的。随后各国在此基础上对该技术进行了进一步的研究，其中主动声纳和被动声纳是主要的研究对象，与此同时传播介质、假设检验和估计理论也被提到了研究议程上。到了十九世纪三四十年代，美国人开始广泛研究水声传播、噪音、混响和反射理论，并在运用计算机对声传播方程的计算以及水下运用发射转换器将水声与电能互相转换的技术方面取得了长足的进步，在很大程度上促进了声纳技术的发展。
在对声纳技术中能量转换器的研究中，初级阶段成果研制了电晶体材料和磁制伸缩材料的能量转换器，接着又成功研究了压电陶瓷材料的能量转换器，在很长一段时间被广泛的应用于声纳探测技术中；近年来，随着经济的发展和科技的不断更新，又相继涌现出大量的新型概念和新型材料，例如复合材料和光纤水听器等，使声纳的性能、效率和准确度可靠度都得到了空前的提升。
二、声纳的基本结构
通常来说，发射机、换能器、接收机、显示器和控制器共同组成了声纳系统。发射机是产生所需电信号的机器，换能器的作用是将发射机产生的电信号转换成水声信号向水中发射，水声信号在水中遇到障碍物会发生反射，被反射的水声信号以声纳回波的形式返回到水声器中，水声器接收到声波之后将其转换成电信号，电信号经过各种必要处理和放大处理后，结果会被反馈到控制器中显示出来，最后根据这些被处理的信息就可以分析出目标障碍物的具体位置以及其性质。
⒈声纳的类型
按照声纳工作方式的不同可以分为主动声纳和被动声纳，主动声纳应用于搜索和定位上，被动声纳主要应用于对目标距离的测定和跟踪等。
⒉声纳的结构
主动声纳：主动声纳的组成部分有：发射机、接收机、换能器、收发转换器和指示器等。被动声纳：被动声纳的组成部分有：接收机、换能器、收发转换器和指示器等。
⑴声纳发射机：声纳发射机是主动声纳的主要构成部件之一，它有可以产生一定功率声频或者超声频信号的作用，然后放在水中的发射换能器将声频或者声频电信号转换成声信号，最后将声信号发射出去。
⑵声纳换能器：在声纳应用系统中，最为常用的是电声换能器，它也是水声系统的重要组成部分。声纳换能器是将电能与声能进行互相转换的设备，水声换能器根据其工作状态的不同可以分为发射换能器和接收换能器。其中发射换能器可以将电能转换成机械能，进而将机械能转换成为声能；接收换能器是将声能转换成为机械能救进而转换成电能。实际应用中的水声换能器同时具有发射换能器和接收换能器的作用，系统对水声换能器的技术要求是应该具有低频、大功率和高效率的特点，这些特点对增大水声系统的探测距离有很大的作用。
⑶换能器传动设备：要想让声纳换能器接收到更多的能量，就必须要有一套可以使换能器自如升降转动以及仰俯的传动设备，以满足其各种不同的扫描需求。
⑷声纳接收机：目标回波经过水中的传播传送到水听器中时，水听器可以接收到的信号是十分微弱的，而且经常伴随有其他的杂音和噪声，通过其转换而成的电信号也十分微弱，因此必须要在对其进行一定的处理之后进行充分的放大，这样才能达到良好的预期效果，声纳接收机就是完成这项工作的设备。
⑸声纳指示器：声纳系统的终端设备就是声纳指示器了，根据传导的形式不同，声纳指示器可以分为听觉指示器和视觉指示器两类，听觉指示器通常指的是耳机和喇叭，视觉指示器则指的是记录器和显示器等。
⒊声纳系统的特点
在水下获取信息的最佳方式就是通过水下声纳系统，声纳装备在具体的使用过程中具有以下特点：
⑴声纳性能受到环境的影响比较大。声纳系统的特性受到周围环境的影响程度较大，由于海洋中环境复杂多变各种不确定因素较多，使得海水中声纳系统的性能不确定，折射效应、散射效应以及海面和海底的不平整都会对声音的传播以及声纳信号造成影响，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。声纳系统的性能同样会受到安装平台的影响，声纳系统安装平台的大小，地理位置等都是有限制的，无法随意的增大换能器的尺寸去提高声纳装备的性能，同时平台自身还会在工作中产生噪声，噪声传播出去形成背景噪声对声纳的探测性能形成一定程度的影响。
⒋影响声纳系统的因素
⑴温度：温度是对声纳系统使用性能影响最大的因素之一，海洋中各层的温度的差异会对声纳探测的深度和距离范围造成一定程度的影响。举例来说，在等温的海洋中声纳的探测距离可达3000米至4000米，而在温度过高或者过低的海域，这个作用距离可能只有1000米左右。
⑵海洋中不同的层域：海洋中存在表层声道、深海层声道，并且有远程传播区和海面海底反射等现象的存在，这些现象造成声音声阵倾角和接收扇面之间的变化相对复杂。在理论上来说如果知道发射源、海洋海况以及声场的数据就可以推算出海洋中任何地方的声场，但是实际操作上看想要精确得出数据是很困难的，只能粗略的得出一些结果。
⑶声线的弯曲程度：声速的梯形分布对声纳系统探测的效果影响也很大，有的梯度可以增加声线的传播距离，有的梯度就减小声线的传播距离。声速正梯度分布一般较易出现在冬季，这时声音声线向海面方向弯曲，声速正梯度分布通常情况下只出现在海面表层，如果利用回音站探测目标，目标存在方位较浅正好在正梯度的范围内，水声探测器探测的距离就较远，如果目标在深海海域，声波就传播不到目标深度，这时候水声器材就无法探测到目标物体。声速负梯度分布一般较易出现在夏季，这时声音声线向海底的方向弯曲，在这种情况下水平方向上的工作距离会受到较大程度的影响，声波的传播距离相对较近。这时候作为水面水声探测器材针对不同深度的目标探测的效果和距离存在一定的差异，值得注意的是这时候如果探测目标较深，距离较近的目标反而比较容易探测。
三、声纳的应用范围
⒈水下探测、探距
声纳作为水下探测和探距用时通常可以分为常规测深仪、底层剖面仪和旁视声纳。通常我们所说的“回声探测仪”就是常规测深仪，它通过向水下发射脉冲并对其到达海底的时间进行测量进而可以推算出探测物体在水中所处的位置和深度。具有将发射声波传入海底作用的是“底层剖面仪”，“底层剖面仪”是一种采用低频大功率脉冲声源的一种主动声纳，它的主要作用是测量海洋的深度并对海底物质的结构和性质进行检测测量，对射入介质的入射声波和反射声波的形状、时间、状态以及性质进行分析和计算，得出海底的反射系数，根据这些系数以及数据可以将海底相应的结构和性质推算出来。“旁视声纳”的作用是对与船只垂直方向的海底物质进行探测，多用在对海底地图的绘制方面。
⒉多普勒测速
声纳还可以在海洋测速的范围内进行应用，这种声纳测速的原理是将一对指向性换能器倾斜向下的安装在船只底部，由海底回波中的多普勒频移就可以得知船只相对于海底的移动速度进而得知船体的海中航速。另外如果将该声纳系统固定在流动的水域中，运用同样的测量原理可以检测出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的方面还存在很高的应用价值，利用声纳系统制作的“探鱼器”可以发现鱼群的动向。鱼群的所在地和鱼群的范围，利用“探鱼器”可以大大提高捕鱼的概率和数量。另外利用声纳技术制作成的“助鱼声纳设备”可以帮助渔民进行计数、对鱼进行引诱、帮助渔民捕鱼等。
四、现阶段声纳装备的支撑技术
⒈合成孔径技术
近年来，声纳合成孔径技术的研制受到很高的重视。合成孔径技术在雷达方面的应用已经很成熟了，但是在声纳方面的应用还较少，其中一个主要的原因是声传播的方式要比无线电传播的方式复杂很多，另外声纳平台的运动速度要远远大于声传播的速度，因此合成孔径技术在声纳中的应用要远复杂于在雷达中的应用。
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中一个重要的领域，水声通信系统性能主要受传输率和作用距离的影响。美国以及北约一些国家根据多次海上实践研究，得出现阶段传输率的乘积在40左右，而这个传输率在四十年前只在5的上下浮动。
⒊数据融合技术
声纳系统集成度越来越高，数据量越来越大，仅仅依靠声纳员对其进行处理已经明显不够，因此数据融合技术必然得到重视。数据融合技术的发展为辅助决策提供了有力的帮助。
五、提高声纳技术性能的方法
第一，应该使用低频率进行工作，低频率范围内海水对声音的吸收量较小，因此声纳采用低工作频率可以在一定程度上提高探测距离。第二，增加声纳的发射功率，换能器材料的选择上应该选用能够发射高功率的材料，提高单位面积内的发射声功率。第三，增加传播途径，在深海条件下，为了进一步提高探测距离可以采用以下途径：⑴海底反射传播途径；⑵深海声道传播途径。
六、结束语
声纳技术是一门发展迅速，应用前景广阔的学科，21世纪的声纳技术将海洋声学、电子通讯学和材料学等学科进行有机结合，将声纳系统进一步发展和提高，创造出知识声纳和智能声纳系统。
【作者简介】文/佟宏伟，中国人民解放军91439 部队，文章来自《科技创新与应用》（2018年第33期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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