海洋技術|聲納技術的發展道路

2023-01-10

一、聲納技術概述

⒈聲納設備的定義

利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉換和信導處理技術完成水下目標的檢測，稱為聲納設備。

⒉聲納技術的發展歷程

水下聲波的應用構成了聲納學，聲納是在第二次世界大戰的中后期，根據英語中的聲波導航測距（sound navigation and ranging）使用水聲聲納學進行各種探測的系統稱為聲納系統。19世紀初，西方國家對水下物體探測技術進行了大量研究，包括熱能、磁能、電磁和聲波探測，其中聲波探測是最有效的。

隨后，各國在此基礎上進一步研究了該技術，其中主動聲納和被動聲納是主要的研究對象，同時也提到了傳播介質、假設測試和估計理論。20世紀30年代和40年代，美國人開始廣泛研究水聲傳播、噪聲、混響和反射理論，在計算機聲傳播方程和水下發射轉換器轉換水聲和電能方面取得了巨大進展，在很大程度上促進了聲納技術的發展。

在聲納技術中能量轉換器的研究中，電晶材料和磁膨脹材料的能量轉換器在初級階段開發，壓電陶瓷材料的能量轉換器長期廣泛應用于聲納探測技術中；近年來，隨著經濟的發展和技術的不斷更新，復合材料、光纖水聽器等新概念和新材料，聲納的性能、效率和準確性都得到了前所未有的提高。

二、聲納的基本結構

一般來說，聲納系統由發射機、換能器、接收器、顯示器和控制器組成。發射機是一種產生所需電信號的機器。傳感器的功能是將發射機產生的電信號轉換為水聲信號并發射到水中。水聲信號在水中遇到障礙物時會反射。反射的水聲信號以聲納回波的形式返回水聲器。接收聲波后，水聲器將其轉換為電信號。電信號經過各種必要的處理和放大后，會反饋給控制器顯示，最后，目標障礙物的設備可以根據這些處理信息進行分析 ** 及其性質。

⒈聲納的類型

根據聲納工作模式的不同，可分為主動聲納和被動聲納。主動聲納用于搜索和定位，主要用于測量和跟蹤目標距離。

⒉聲納的結構

主動聲納：主動聲納的組成部分包括：發射機、接收機、傳感器、接收轉換器和指示器。被動聲納：被動聲納的組成部分包括：接收器、傳感器、接收轉換器和指示器。

⑴聲納發射機：聲納發射機是主動聲納的主要組成部分之一。它可以產生一定的功率聲頻或超聲信號，然后將聲頻或聲頻電信號轉換為聲信號，最后發送聲信號。

⑵聲納傳感器：電聲傳感器是聲納應用系統中最常用的，也是水聲系統的重要組成部分。聲納傳感器是一種相互轉換電能和聲能的設備。水聲傳感器可分為發射傳感器和接收傳感器。其中，感器可以將電能轉化為機械能，然后將機械能轉化為聲能；接收傳感器將聲能轉化為機械能，然后轉化為電能。實際應用中的水聲傳感器還具有傳輸傳感器和接收傳感器的功能。系統對水聲傳感器的技術要求應具有低頻、高功率、高效率的特點，對增加水聲系統的探測距離有很大的作用。

⑶傳動設備：為了使聲納傳動器獲得更多的能量，必須有一套傳動設備，可以使傳動器自由提升和旋轉，以滿足其不同的掃描需求。

⑷聲納接收器：當目標回波通過水傳輸到水聽器時，水聽器可以接收到的信號非常弱，并且經常伴隨著其他噪音和噪音過其轉換的電信號也非常弱，必須在一定處理后充分放大，以達到良好的預期效果，聲納接收器是完成工作的設備。

⑸聲納指示器：聲納系統的終端設備是聲納指示器。聲納指示器可分為聽覺指示器和視覺指示器。聽覺指示器通常指耳機和喇叭，視覺指示器指記錄器和顯示器。

⒊聲納系統的特點

獲取水下信息的最佳方式是通過水下聲納系統，聲納設備在具體使用過程中具有以下特點：

⑴聲納性能受環境影響較大。聲納系統的特點受周圍環境的影響較大。由于海洋環境復雜多變，海水中聲納系統的性能不確定。折射效應、散射效應和海底不平整會影響聲音的傳播和聲納信號，影響聲納系統的性能。

⑵聲納性能受安裝平臺的限制和影響。聲納系統的性能也會受到安裝平臺的影響，聲納系統安裝平臺的尺寸、地理位置有限，不能隨意增加傳感器的尺寸來提高聲納設備的性能，同時平臺本身也會產生噪聲，噪聲傳播形成背景噪聲對聲納探測性能的一定影響。

⒋影響聲納系統的因素

⑴溫度：溫度是影響聲納系統使用性能的最大因素之一。海洋中各層的溫差會在一定程度上影響聲納探測的深度和距離范圍。例如，在等溫海洋中，聲納的探測距離可達3000米至4000米，而在溫度過高或過低的海洋中，這種作用距離可能只有1000米左右。

⑵海洋中不同層次:海洋中有表面聲道、深海聲道、遠程傳播區和海底反射，導致聲陣傾角與接收扇之間的變化相對復雜。理論上，如果你知道發射源、海洋海況和聲場的數據，你可以計算出海洋中任何地方的聲場，但實際上很難準確地獲得數據，你只能粗略地得到一些結果。

⑶聲線的彎曲程度：聲速的梯形分布對聲納系統的檢測也有很大的影響。有些梯度可以增加聲線的傳輸距離，有些梯度可以減少聲線的傳輸距離。聲速正梯度分布一般容易出現在冬季，然后聲線向海面彎曲，聲速正梯度分布通常只出現在海面表面，如果使用回聲站檢測目標，目標位置在正梯度范圍內，水聲探測器檢測距離較遠，如果目標在深海，聲波不能傳播目標深度，此時水聲設備不能檢測目標對象。負梯度分布一般容易出現在夏季，當聲線向海底彎曲時，水平方向的工作距離會受到很大程度的影響，聲波傳播距離相對較近。此時，作為一種水聲檢測設備，不同深度的目標檢測效果和距離存在一定的差異。值得注意的是，如果目標較深，則更容易檢測到更近的目標。

三、聲納的應用范圍

⒈水下探測，探距

聲納通常可分為傳統的深度測量儀、底部剖面儀和旁視聲納，用作水下探測和探距。通常我們稱之為回聲探測器，即傳統的深度測量儀。它可以通過向水下發射脈沖并測量到達海底的時間來計算探測對象在水中的位置和深度。

底部剖面儀具有將發射聲波傳輸到海底的功能。底部剖面儀是一種采用低頻大功率脈沖聲源的主動聲納。其主要功能是測量海洋深度，測量海底物質的結構和性質，分析和計算進入介質的進入聲波和反射聲波的形狀、時間、狀態和性質，得出海底的反射系數，根據這些系數和數據，可以計算出海底相應的結構和性質。旁視聲納的作用是探測垂直于船舶的海底物質，主要用于繪制海底地圖。

⒉多普勒測速

聲納也可以應用于海洋速度測量的范圍內。聲納速度測量的原理是將一對指向傳感器傾斜并安裝在船的底部。通過海底回波中的多普勒頻率移動，可以了解船相對于海底的移動速度，然后了解船體的海洋速度。此外，如果聲納系統固定在流動水域，則可以使用相同的測量原理來檢測海洋中海水流動的方向和速度。

⒊漁業管理

聲納系統在漁業管理中仍具有很高的應用價值。聲納系統制作的探魚器可以找到魚的趨勢。使用探魚器可以大大提高捕魚的概率和數量。此外，聲納技術制作的助魚聲納設備還可以幫助漁民計數、引誘和捕魚。

四、現階段聲納設備的支撐技術

⒈合成孔徑技術

近年來，聲納合成孔徑技術的發展受到了高度重視。合成孔徑技術在雷達中的應用非常成熟，但聲納的應用較少。主要原因之一是聲傳播比無線電傳播復雜得多。此外，聲納平臺的運動速度遠大于聲傳播速度，因此合成孔徑技術在聲納中的應用比雷達中的應用要復雜得多。

⒉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的重要領域，水聲通信系統的性能主要受傳輸率和功能距離的影響。根據多項海上實踐研究，美國和北約的一些國家得出結論，階段傳輸率的乘積約為40，40年前只有5。

⒊數據集成技術

聲納系統的集成度越來越高，數據量也越來越大。僅僅依靠聲納來處理它顯然是不夠的，因此數據集成技術必須得到重視。數據集成技術的發展為輔助決策提供了強有力的幫助。

五、提高聲納技術性能的方法