声呐技术及其应用:声纳到底是个什么东西?

声振之家2018-12-05 13:43:45

来源:溪流的海洋人生(ID:xi92899),图片均来源于网络。

声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备,是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。声波是人类迄今为止已知可以在海水中远程传播的能量形式,声纳 (sonar) 一词是第一次世纪大战期间产生的,它是由声音 (sound)、导航 (navigation) 和测距 (ranging) 3个英文单词的字头构成的,是声音导航测距的缩写。它利用声波在水下的传播特性,通过电声转换和信息处理,完成对水下目标进行探测、定位和通信,判断海洋中物体的存在、位置及类型,同时也用于水下信息的传输。


电磁波是空气中传播信息最重要的载体,例如,通信、广播、电视、雷达等都是利用电磁波,但是在水下,它几乎没有用武之地。这是因为海水是一种导电介质,向海洋空间辐射的电磁波会被海水介质本身所屏蔽,它的绝大部分能量很快地以涡流形式损耗掉了,因而电磁波在海水中的传播受到严重限制。至于光波,本质上属于更高频率的电磁波,被海水吸收损失的能量更为严重,因此,它们在海水中都不能有效地传递信息。实验证实,在人们所熟知的各种辐射信号中,以声波在海水中的传播性能为最佳。正因为如此,人们利用声波在水下可以相对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同,研制出了多种水下测量仪器、侦察工具和武器装备,即各种“声纳”设备。声纳技术不仅在水下军事通信、导航和反潜作战中享有非常重要的地位,而且在和平时期已经成为人类认识、开发和利用海洋的重要手段。


声纳技术

声纳技术按工作方式可分为主动声呐和被动声呐两类:


01

主动声纳工作原理

声纳系统一般是由发射机、换能器(水听器)、接收机、显示器和控制器等几个部件组成,发射机用于产生需要的电信号,以便激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射,水声信号若遇到水下目标便会被反射,然后以声纳回波的形式返回到换能器(水听器),换能器(水听器)接收到后又将其转变为电信号,电信号经接收机放大和各种处理,再将处理结果反馈至控制器或显示系统,最后根据这些处理的信息可测出目标的位置,判断出目标的性质等,从而完成声纳的使命。我们日常的海洋探测多利用主动声纳进行作业,主动声纳主要由声纳基阵、收发转换器、接收机、指示器、发射器、定时中心以及控制同步设备等七个部分组成。


02

被动工作原理

被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号,以测定目标的方位和距离。它由简单的水听器演变而来,它收听目标发出的噪声,判断出目标的位置和某些特性,系统的核心部件是用来测听目标声波的水听器。由于被动声波技术在海水中只是单程传播,特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。


水声换能器是声纳系统的重要部件,根据工作状态的不同,可分为两类:


  • 一类称为发射换能器,它将电能转换为机械能,再转换为声能;


  • 一类称为接收换能器,它将声能转换为机械能,再转换为电能。


实际应用中的水声换能器兼有发射和接收两种功能,现代声纳技术对水声发射换能器的要求是:低频、大功率、高效率以及能在深海中工作等特性。根据水声学的研究,人们发现用低频声波传递信号,对于远距离目标的定位和检测有着明显的优越性,因为低频声波在海水中传播时,被海水吸收的数值比高频声波要低,故能比高频声波传播更远的距离,这对增大探测距离非常有益。


声波的传播影响因子

影响声呐工作性能的因素除声呐本身的技术状况外,外界条件的影响很严重。比较直接的因素有传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等,它们大多与海洋环境因素有关。例如,声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约,会产生折射、散射、反射和干涉,会产生声线弯曲、信号起伏和畸变,造成传播途径的改变,以及出现声阴区,严重影响声呐的作用距离和测量精度。


声波衰减是声能在水体纵向上因水分子吸收、球形扩散和散射而造成的能量损失。吸收是海水纵向方向上的一些水分子离合的结果。海水中的氯化镁是吸收的最主要因素。吸收的快慢取决于海水的物理化学特性和声波的发射频率。一般而言,发射频率大于100kHZ其吸收系数随温度的增加而增加。散射损失与海水纵向上的细小物质有关;散射主要由海洋生物造成的,海水深处的浮游生物聚集在深层散射层 (DSL),深层散射层的厚度每天都有变化。当声波或声能穿过不同的界面时,声波的方向就会因声速的变化而折射,从而两个界面的声速不连续。

现代声呐必须根据海区声速--深度变化形成的传播条件,可适当选择基阵工作深度和俯仰角,利用声波的不同传播途径(直达声、海底反射声、会聚区、深海声道)来克服水声传播条件的不利影响,提高声呐探测距离。


声呐技术的发展简史

声纳技术的诞生有两个基石:一是1827年瑞士物理学家DanielC和CharlesS合作,精确地测出了水下声速(由它人们才可以准确地计算出目标的距离);二是19世纪中叶发明了碳粒微音器(它是一种最早、最灵敏的水听器)。1912年豪华巨轮“泰坦尼克”号与冰山相撞,以及1914年第一次世界大战的爆发,极大地促进了民用和军用声纳的研制和发展。第一部反潜声纳的问世是在第一次世界大战中,但当时由于理论和技术上的不完善,这种水声回声定位系统的性能很不可靠,因而在对付德国U型潜艇的威胁方面尚未作出贡献。随后,人们利用回声探测设备又制成了航海用的回声仪,这些更增加了人们应用声纳技术服务于军事及民用的信心。

大约在1925年左右,德国“信号”公司将其生产的声纳设备定名为“测深仪”,并在美国和英国有商品销售。同时,美国海军实验室的领导其成员积极改进对潜艇进行回声定位的方法,他们通过采用磁致伸缩换能器找到了回声定位中合适的发射换能器。与此同时,由于电子学的发展,已经可以使声纳信息经过放大和简单的处理显示给观察者。大约在1935年,德、英、美三国又研制出了几种较为实用的声纳,1938年,声纳设备开始在美国批量生产。到第二次世界大战,几乎所有的军用舰船都装备了声纳系统,并在海战中发挥了十分重要的作用,当时交战各方损失了一千多艘潜艇,绝大多数是被声纳发现的。第二次世界大战后,军用声纳技术继续发展,但各个国家都将这方面的最新技术列为严格保密的范围。人类进入20世纪七八十年代以后,随着海洋开发事业的迅猛发展,声纳技术以惊人的速度向民用方面转化,出现了各种用途的现代化声纳,如导航声纳、通信声纳、侧扫声纳、远程警戒声纳、水声对抗声纳、拖曳阵声纳、鱼雷自导声纳、水雷自导声纳等等,声纳技术已日趋成熟和完善。


水声测深技术的应用

01

在军事领域

水声技术是各国海军进行水下监视使用的主要技术,用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪;进行水下通信和导航,保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。随着现代声纳技术的发展和进步,新一代声纳具有更先进的探测性能和更远的探测距离,一些高科技声纳还具有相当高的分辨率,能够识别蛙人和可疑水下航体。


02

在海洋测绘领域

随着海洋高新技术的介入和装备的不断升级,水下地形声学探测技术获得了迅速的发展,现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的重要研究领域之一。


(1) 单波束回声测深仪:


通过向水下发射短脉冲,并测量海底回波的到达时间来随时测量舰船所处位置的海底深度。传统的单波束测深仪有两个缺点:由于采用单波束,测线之间可能会形成障碍物漏测,从而降低了海图的可靠性。为了接收回波,一般测深仪的波束都比较宽,但是宽波束又有另外的缺点,即如果海底深度变化比较快的话,测量结果就会有误差。由于其设备简单,广泛地应用于航海保证、海洋开发等水深测量中,但不适用于港口、航道等高精度大比例尺、要求全覆盖式水深的测量区域。


(2) 侧扫声纳


是基于回声探测原理进行水下目标探测的,通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率、向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波,在触及海底目标后发生反射和散射,利用显示器上显示各表层图像的不同特征,经过图像判读,判别其海底目标特征,用于出露于海床面以上的海底目标探测。侧扫声呐配备有计算机图像处理甚至识别系统,可以分析海底目标的大小、形状、深度等,具有较高的分辨率。但由于侧扫声呐只能对波束空间进行粗略定向,因此对于海底目标深度不能精确测定,详细精确探测还得借助于潜水员潜摸、单波束测深仪探测、多波束测深设备扫海等其他办法辅助。


(3) 多波束测深


20世纪70年代,出现了多波束测深系统,它能形成一定宽度的全覆盖的水深条带,可以比较可靠地反映出海底地形的细微地貌起伏,也可称为微地貌测量,比单波束水深测量确定海底地形更为真实。多波束测深系统通过接受波束形成技术能够实现空间精确定向,利用回波信号的某些特征参量进行回波时延检测以确定回波往返时间,从而确定斜距以获得精确的水深数据,绘制出海底地形图,达到海底地形精确测量的扫测目的。


与单波束回声测深仪相比,多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图的优点,把测深技术从原先的点、线扩展到面,并进一步发展到立体测深和自动成图,极大地提高了海洋测绘的工作效率,现已朝着高精度、智能化、多功能的组合式测深系统方向发展。从上世纪80年代中期以来,许多制造公司也开始进入这一领域,研制出不同型号的浅水用和深水用多波束测深系统,波束可由数十个到几百个子波束不等。浅水多波束测深系统深度量程为3~400m,深水多波束测深系统量程可达10~11000m,覆盖范围可达2.5~7.4倍水深。


(4) 浅地层剖面仪


是发射低频大功率脉冲信号,利用低频脉冲声波对海底松软土层具有穿透能力的特征,根据掠过各层介质的入射声波和回波的形状、性质来确定海底的反射系数,从而了解海底表层松软土层的层位厚度及大致层理性质。

03

在海流流速测量领域

现代声纳技术可以利用多普勒效应进行流速测定,这种声纳系统使用一对装在船底倾斜向下的指向性换能器,由海底回波中的多普勒频移可以得到舰船相对于海底的航速;另一方面,若将声纳固定在流动的海域中,它可以自动检测和记录海水的流动速度及方向。


04

在海洋渔业领域

探鱼仪是一种可用于发现鱼群的动向、鱼群所在地点、范围的声纳系统,利用它可以大大提高捕鱼的产量和效率;助鱼声纳设备可用于计数、诱鱼、捕鱼、或者跟踪尾随某条鱼等;海水养殖场已利用声学屏障防止鲨鱼的入侵,以及阻止龙虾鱼类的外逃。


05

在水下声学定位领域

海洋中水下环境复杂恶劣,因此为水下作业设备进行准确的定位,对于掌握设备工作情况、回收海洋监测数据和设备具有非常重要的意义。水下声学定位技术出现时间早,发展速度快,如今已经广泛应用于海洋工程的各个方面,适用于潜标、海床基和水下深潜器等水下作业设备。由于潜标系统和海床基系统中集成安装了声学释放器,可完成定位作业中的测距工作,无需额外安装专门的水声通讯装置,因此此项技术在潜标和海床基的定位应用中具有先天的硬件优势。


对水下目标声源进行探测、搜寻和定位时,设置声基阵为目前应用最广泛的一种水下定位技术。根据作业系统定位基线的长度,可分为长基线阵 (LBL)、短基线阵 (SBL) 和超短基线阵 (SSBL/USBL)。主要由声学通讯装置及其甲板单元、船载测深仪、GPS和基于VB平台的水下目标定位测算软件等组成。


06

在水声通信领域

水声通信是水面舰艇、潜艇间相互通信的重要手段,利用声纳系统在水下可代替导线的连接,使用声束来传递信息,实现舰艇之间的通信和交流。水声通信系统的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息转换成电信号,并由编码器将信息数字化处理后,换能器又将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质,将信息传递到接收换能器,这时声信号又转换为电信号,电接收机将信息再转换成变成声音、文字及图片。声音是由于震动而产生的,在海中我们要把通信信息传到远处,需是把空气换成是海水,在空气中、水中、固体中任意发射和接收不同频率、不同强度的声信号。


当潜艇处在潜航状态时,无线电和其它通信方式都将失效,唯一可能的通信方式就是水声通信。水声通信还用于水下深潜器的命令和数据传送,包括对水下机器人的状态控制和水下机器人的状态应答,对水下机器人的状态控制,水下采集系统的数据回送或深海目标图像的获取等。而在我国大陆架附近海域和远海域,组建可靠的、大范围的水声通信网,对于我国领海防御和未来海军远航作战必将起到重要的保障作用。


声学测深技术的未来发展


01

单波束测深仪

在浅水区已达到厘米级以上的准确性,在市场上各种不同频率和脉冲速率的测深设备可以满足大多数用户。尽管随着测深新技术的不断发展,但是单波束回深测深仪至今仍然保留使用,当今这种传统仪器在全世界仍用于深度测量。单波束回深测深仪已由模拟记录发展为数字式记录,其精度和精确度已有极大提高,可以满足大部分海道测量要求。数字式测深仪、运动姿态传感器、卫星定位系统(如GPS 系统)及数据采集软件结合在一起可以极大地减少海洋测量人员数量,并极大地提高海洋测量效率。单波束测深仪未来将向系统高度集成化、智能化、小型化方向发展,其中双频单波束测深仪为航道适航水深的测量提供了可能,对发挥港口的潜在功能和指导回淤较大的疏浚区域测量具有现实意义。


02

侧扫声纳技术

在障碍物探测方面已达到很高的水平。目前尽管侧扫声纳技术的使用还受到较慢船速的限制(最大5~6 节),但是在港口和航道探测中,侧扫声纳技术在水下航行障碍物探测及水下小目标方面具有广泛的应用前景。未来的侧扫声纳技术将向图像镶嵌技术的完善、侧扫数据的三维可视化、系统分辨率的提高、高航速条件下图像的保真及海底底质声学特征要素提取的可靠性等方面进行进一步提高。


03

多波束测深技术

多波束测深技术实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越,其技术进步的意义十分突出,正在迅速发展,已经成为海底全覆盖测量的最为有效的工具。如果采用合理的工作方式,以及系统在探测航行障碍物中具有足够的分辨力,则该技术在准确性和全覆盖探测海底地形方面具有巨大的潜力。尽管多波束测深仪有令人印象深刻的功能,但对测量设计人员、操作人员和测量检查人员而言,尽可能多地掌握多波束测深仪的操作原理对测深数据的内插和评估都是至关重要的。未来的多波束测深设备将在采集数据密度的增强、系统分辨率的改善、覆盖范围的增大、测深精度的提高、海洋要素的形象表达及多功能一体化等方面进行进一步升级与改善。


04

合成孔径声呐技术

合成孔径声呐一种新型高分辨的水下二维成像声纳,其基本原理是利用小孔径基阵的移动,通过对不同位置接收信号的相关处理,来获得移动方向(方位方向)上大的合成孔径,从而得到方位方向的高分辨力。直观地说,距离越大,合成孔径长度就越长,合成阵的角分辨率就越高,从而抵消了距离增大的影响,保持了分辨力不变。该项技术国际上直到1992年才有所突破,并且出现了被动和主动两种工作方式的合成孔径声呐,1995年完成了实验样机,作用距离达到400m,分辫率达到10cm。


合成孔径声纳可以用于水下军事目标的探测和识别,最直接的应用就是进行沉底水雷和掩埋水雷的高分辨探测和识别,同时还可用于海底目标探测、水下考古和搜寻水下失落物体等,尤其可以进行高分辨海底测绘,对数字地球研究具有重要意义。国外合成孔径声呐目前的发展趋势是在信号处理方法的提高、目标识别图像分辨率的增强和作用深度的加大等方向进行进一步改善,是具有很好应用前景的海洋高新技术。



05

水下定位技术

水下定位技术将会向着适用范围更广、精度更高、更简单的方向发展。激光声遥感技术具有机动灵活、覆盖水域广的特点,尤其是一些舰船难以达到的地方其优势更加突出,但精度相对较低。而水声定位系统已经开发出了具有很高精度的技术,所以将激光声遥感技术同水声定位技术联合起来构成新的水下定位技术是今后的一个发展方向。可以预见,在不久的将来在较大范围的海域内搜索水下目标时,将会利用机载激光声遥感技术,在确定了水下目标的大致范围后再利用船载水声定位技术对其进行精确定位。


可以预见,未来声学测深技术会向功能高度集成、设备小型化方向发展,海底多种声学特性的一体化探测无疑也是未来发展的趋势,不仅可以避免声学设备异步异地测量造成的数据融合困难,而且联合一体化探测可为海洋勘测提供更为可靠的数据支撑,通过各类数据的综合分析,能够提高数据解释判断的可靠性,增加分析结论的科学性。


结束语

海洋环境要比陆地环境更为复杂、更为恶劣、更为多变。在海洋环境下作业将遇到盐雾、海水、高压、台风、大浪等恶劣环境的干扰,长时间工作的水下仪器设备还要受到海洋附着生物的污损,海上试验仪器设备还可能受到渔民的干扰。另外,海洋环境的多变性,也增加了海洋技术发展的难度。因此,对海洋环境的监测往往要求实时连续监测,以期能较为真实地反映海洋环境,这也增加了海洋观测技术发展的难度。


水声探测技术在海洋观测和水下目标探测中占有很重要的地位,是实现水下目标遥测的主要手段,但以前偏重于军事应用,高性能的声纳系统、隐身P反隐身、鱼雷水雷战备受关注。随着人类对海洋开发的日益重视和客观需求,大量军事应用水声技术转向民用,海洋声探测技术也得到了较快的发展。目前,国际上比较成熟或正在发展的海洋声探测技术主要是海流剖面测量技术、声成像技术、鱼群探测技术、声层析技术、声学多波束测深技术及声通讯技术等,总体水声技术向着高精度、智能化、多功能方向发展。


海洋开发和探测已被许多国家列为高技术项目之列,声纳技术将在未来的海洋工程中发挥更大的作用,也无疑会在军事海战场建设中凸显其重要地位与重大作用。


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