一、聲納技術(shù)概述

⒈聲納設(shè)備的定義

利用聲波在水下的傳播特性，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換和信導(dǎo)處理技術(shù)完成水下目標(biāo)的檢測(cè)，稱為聲納設(shè)備。

⒉聲納技術(shù)的發(fā)展歷程

水下聲波的應(yīng)用構(gòu)成了聲納學(xué)，聲納是在第二次世界大戰(zhàn)的中后期，根據(jù)英語(yǔ)中的聲波導(dǎo)航測(cè)距（sound navigation and ranging）使用水聲聲納學(xué)進(jìn)行各種探測(cè)的系統(tǒng)稱為聲納系統(tǒng)。19世紀(jì)初，西方國(guó)家對(duì)水下物體探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，包括熱能、磁能、電磁和聲波探測(cè)，其中聲波探測(cè)是最有效的。

隨后，各國(guó)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了該技術(shù)，其中主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納是主要的研究對(duì)象，同時(shí)也提到了傳播介質(zhì)、假設(shè)測(cè)試和估計(jì)理論。20世紀(jì)30年代和40年代，美國(guó)人開(kāi)始廣泛研究水聲傳播、噪聲、混響和反射理論，在計(jì)算機(jī)聲傳播方程和水下發(fā)射轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換水聲和電能方面取得了巨大進(jìn)展，在很大程度上促進(jìn)了聲納技術(shù)的發(fā)展。

在聲納技術(shù)中能量轉(zhuǎn)換器的研究中，電晶材料和磁膨脹材料的能量轉(zhuǎn)換器在初級(jí)階段開(kāi)發(fā)，壓電陶瓷材料的能量轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用于聲納探測(cè)技術(shù)中；近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷更新，復(fù)合材料、光纖水聽(tīng)器等新概念和新材料，聲納的性能、效率和準(zhǔn)確性都得到了前所未有的提高。

二、聲納的基本結(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)，聲納系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、換能器、接收器、顯示器和控制器組成。發(fā)射機(jī)是一種產(chǎn)生所需電信號(hào)的機(jī)器。傳感器的功能是將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為水聲信號(hào)并發(fā)射到水中。水聲信號(hào)在水中遇到障礙物時(shí)會(huì)反射。反射的水聲信號(hào)以聲納回波的形式返回水聲器。接收聲波后，水聲器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)過(guò)各種必要的處理和放大后，會(huì)反饋給控制器顯示，最后，目標(biāo)障礙物的設(shè)備可以根據(jù)這些處理信息進(jìn)行分析 ** 及其性質(zhì)。

⒈聲納的類型

根據(jù)聲納工作模式的不同，可分為主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納。主動(dòng)聲納用于搜索和定位，主要用于測(cè)量和跟蹤目標(biāo)距離。

⒉聲納的結(jié)構(gòu)

主動(dòng)聲納：主動(dòng)聲納的組成部分包括：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、傳感器、接收轉(zhuǎn)換器和指示器。被動(dòng)聲納：被動(dòng)聲納的組成部分包括：接收器、傳感器、接收轉(zhuǎn)換器和指示器。

⑴聲納發(fā)射機(jī)：聲納發(fā)射機(jī)是主動(dòng)聲納的主要組成部分之一。它可以產(chǎn)生一定的功率聲頻或超聲信號(hào)，然后將聲頻或聲頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，最后發(fā)送聲信號(hào)。

⑵聲納傳感器：電聲傳感器是聲納應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的，也是水聲系統(tǒng)的重要組成部分。聲納傳感器是一種相互轉(zhuǎn)換電能和聲能的設(shè)備。水聲傳感器可分為發(fā)射傳感器和接收傳感器。其中，感器可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能；接收傳感器將聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)際應(yīng)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(tǒng)對(duì)水聲傳感器的技術(shù)要求應(yīng)具有低頻、高功率、高效率的特點(diǎn)，對(duì)增加水聲系統(tǒng)的探測(cè)距離有很大的作用。

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

⑷聲納接收器：當(dāng)目標(biāo)回波通過(guò)水傳輸?shù)剿?tīng)器時(shí)，水聽(tīng)器可以接收到的信號(hào)非常弱，并且經(jīng)常伴隨著其他噪音和噪音過(guò)其轉(zhuǎn)換的電信號(hào)也非常弱，必須在一定處理后充分放大，以達(dá)到良好的預(yù)期效果，聲納接收器是完成工作的設(shè)備。

⑸聲納指示器：聲納系統(tǒng)的終端設(shè)備是聲納指示器。聲納指示器可分為聽(tīng)覺(jué)指示器和視覺(jué)指示器。聽(tīng)覺(jué)指示器通常指耳機(jī)和喇叭，視覺(jué)指示器指記錄器和顯示器。

⒊聲納系統(tǒng)的特點(diǎn)

獲取水下信息的最佳方式是通過(guò)水下聲納系統(tǒng)，聲納設(shè)備在具體使用過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：

⑴聲納性能受環(huán)境影響較大。聲納系統(tǒng)的特點(diǎn)受周圍環(huán)境的影響較大。由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海水中聲納系統(tǒng)的性能不確定。折射效應(yīng)、散射效應(yīng)和海底不平整會(huì)影響聲音的傳播和聲納信號(hào)，影響聲納系統(tǒng)的性能。

⑵聲納性能受安裝平臺(tái)的限制和影響。聲納系統(tǒng)的性能也會(huì)受到安裝平臺(tái)的影響，聲納系統(tǒng)安裝平臺(tái)的尺寸、地理位置有限，不能隨意增加傳感器的尺寸來(lái)提高聲納設(shè)備的性能，同時(shí)平臺(tái)本身也會(huì)產(chǎn)生噪聲，噪聲傳播形成背景噪聲對(duì)聲納探測(cè)性能的一定影響。

⒋影響聲納系統(tǒng)的因素

⑴溫度：溫度是影響聲納系統(tǒng)使用性能的最大因素之一。海洋中各層的溫差會(huì)在一定程度上影響聲納探測(cè)的深度和距離范圍。例如，在等溫海洋中，聲納的探測(cè)距離可達(dá)3000米至4000米，而在溫度過(guò)高或過(guò)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(yuǎn)程傳播區(qū)和海底反射，導(dǎo)致聲陣傾角與接收扇之間的變化相對(duì)復(fù)雜。理論上，如果你知道發(fā)射源、海洋海況和聲場(chǎng)的數(shù)據(jù)，你可以計(jì)算出海洋中任何地方的聲場(chǎng)，但實(shí)際上很難準(zhǔn)確地獲得數(shù)據(jù)，你只能粗略地得到一些結(jié)果。

⑶聲線的彎曲程度：聲速的梯形分布對(duì)聲納系統(tǒng)的檢測(cè)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(xiàn)在冬季，然后聲線向海面彎曲，聲速正梯度分布通常只出現(xiàn)在海面表面，如果使用回聲站檢測(cè)目標(biāo)，目標(biāo)位置在正梯度范圍內(nèi)，水聲探測(cè)器檢測(cè)距離較遠(yuǎn)，如果目標(biāo)在深海，聲波不能傳播目標(biāo)深度，此時(shí)水聲設(shè)備不能檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象。負(fù)梯度分布一般容易出現(xiàn)在夏季，當(dāng)聲線向海底彎曲時(shí)，水平方向的工作距離會(huì)受到很大程度的影響，聲波傳播距離相對(duì)較近。此時(shí)，作為一種水聲檢測(cè)設(shè)備，不同深度的目標(biāo)檢測(cè)效果和距離存在一定的差異。值得注意的是，如果目標(biāo)較深，則更容易檢測(cè)到更近的目標(biāo)。

三、聲納的應(yīng)用范圍

⒈水下探測(cè)，探距

聲納通?？煞譃閭鹘y(tǒng)的深度測(cè)量?jī)x、底部剖面儀和旁視聲納，用作水下探測(cè)和探距。通常我們稱之為回聲探測(cè)器，即傳統(tǒng)的深度測(cè)量?jī)x。它可以通過(guò)向水下發(fā)射脈沖并測(cè)量到達(dá)海底的時(shí)間來(lái)計(jì)算探測(cè)對(duì)象在水中的位置和深度。

底部剖面儀具有將發(fā)射聲波傳輸?shù)胶５椎墓δ堋５撞科拭鎯x是一種采用低頻大功率脈沖聲源的主動(dòng)聲納。其主要功能是測(cè)量海洋深度，測(cè)量海底物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，分析和計(jì)算進(jìn)入介質(zhì)的進(jìn)入聲波和反射聲波的形狀、時(shí)間、狀態(tài)和性質(zhì)，得出海底的反射系數(shù)，根據(jù)這些系數(shù)和數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出海底相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。旁視聲納的作用是探測(cè)垂直于船舶的海底物質(zhì)，主要用于繪制海底地圖。

⒉多普勒測(cè)速

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

⒊漁業(yè)管理

聲納系統(tǒng)在漁業(yè)管理中仍具有很高的應(yīng)用價(jià)值。聲納系統(tǒng)制作的探魚(yú)器可以找到魚(yú)的趨勢(shì)。使用探魚(yú)器可以大大提高捕魚(yú)的概率和數(shù)量。此外，聲納技術(shù)制作的助魚(yú)聲納設(shè)備還可以幫助漁民計(jì)數(shù)、引誘和捕魚(yú)。

四、現(xiàn)階段聲納設(shè)備的支撐技術(shù)

⒈合成孔徑技術(shù)

近年來(lái)，聲納合成孔徑技術(shù)的發(fā)展受到了高度重視。合成孔徑技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用非常成熟，但聲納的應(yīng)用較少。主要原因之一是聲傳播比無(wú)線電傳播復(fù)雜得多。此外，聲納平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于聲傳播速度，因此合成孔徑技術(shù)在聲納中的應(yīng)用比雷達(dá)中的應(yīng)用要復(fù)雜得多。

⒉水聲通信技術(shù)與水下GPS技術(shù)

水聲通信技術(shù)一直是聲納研究的重要領(lǐng)域，水聲通信系統(tǒng)的性能主要受傳輸率和功能距離的影響。根據(jù)多項(xiàng)海上實(shí)踐研究，美國(guó)和北約的一些國(guó)家得出結(jié)論，階段傳輸率的乘積約為40，40年前只有5。

⒊數(shù)據(jù)集成技術(shù)

聲納系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大。僅僅依靠聲納來(lái)處理它顯然是不夠的，因此數(shù)據(jù)集成技術(shù)必須得到重視。數(shù)據(jù)集成技術(shù)的發(fā)展為輔助決策提供了強(qiáng)有力的幫助。

五、提高聲納技術(shù)性能的方法

首先，應(yīng)使用低頻工作，海水在低頻范圍內(nèi)對(duì)聲音的吸收較小，因此低頻工作頻率可以在一定程度上提高探測(cè)距離。二是增加聲納的發(fā)射功率，選擇能發(fā)射高功率的傳感器材料，提高單位面積內(nèi)的發(fā)射聲功率。三是增加傳播途徑，在深海條件下，可采用以下途徑進(jìn)一步提高探測(cè)距離：⑴海底反射傳播途徑；⑵深海聲道傳播途徑。

六、結(jié)束語(yǔ)

聲納技術(shù)是一門發(fā)展迅速、應(yīng)用前景廣闊的學(xué)科。21世紀(jì)，聲納技術(shù)將海洋聲學(xué)、電子通信和材料學(xué)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)聲納系統(tǒng)，創(chuàng)建知識(shí)聲納和智能聲納系統(tǒng)。

上海西陸信息科技有限公司 承接各類微信小程序開(kāi)發(fā)制作、小程序定制、APP 網(wǎng)站 開(kāi)發(fā)制作，聯(lián)系電話 18221533805、15900430334