声纳的基本工作原理、发展情况及其实际应用简介
导读声纳技术是声学检测新技术在水下介质中的具体应用。 文章简要阐述了声纳技术的原理及其发展历史，介绍了声纳技术的主要应用及其最新进展。
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。声纳设备利用水下声波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。
近年来，随着科学技术的高速发展，人类对覆盖地球总面积70%的海洋的认识逐渐深化，海洋因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位越来越被人们所重视。美国加州海洋研究中心的罗伯逊博士说：“海洋的开发对人类带来的利益要比那些耗资庞大的太空计划实惠得多。”1998 年曾被定为“国际海洋年”，有人说，21 世纪是海洋的世纪。
众所周知，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。本文将简单介绍声纳技术的原理、应用及其发展。
一、定义及其发展史 声纳就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。它是SONAR一词的“义音两顾”的译称，SONAR是Sound Navigationand Ranging(声音导航测距)的缩写。
声呐技术至今已有100年历史，它是1906年由英国海军的刘易斯•尼克森所发明。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。这种技术，到第一次世界大战时被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇。
二、工作原理 声波在水中传播的优点：
· 在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。
· 光在水中的穿透能力很有限，然而，声波在水中传播的衰减就小得多，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。
三、结构与分类 1. 结构
(1) 基阵：水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。
(2) 电子机柜：发射、接收、显示和控制等分系统。
(3) 辅助设备：包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声纳基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳等装置，以及声纳导流罩等。
2. 分类
可按其工作方式，装备对象，战术用途、基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声纳。
例如：按工作方式可分为主动声纳和被动声纳：按装备对象可分为水面舰艇声纳、潜艇声纳、航空声纳、便携式声纳和海岸声纳等。
主动声纳：是指声纳主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。
被动声纳：指声纳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。
四、安装 传统上潜艇安装声纳的主要位置是在最前端的位置，原先在这个位置上的鱼雷管退到两旁。
其他安装在潜艇上的声纳型态还包括安装在艇身其他位置的被动声纳听音装置 ，利用不同位置收到的同一讯号，经过电脑处理和运算之后，就可以迅速的进行粗浅的定位。
五、影响工作性能的因素及改善 影响声纳工作性能的因素除声纳本身的技术状况外，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。
性能改善：现代声纳根据海区声速--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，提高声纳探测距离。
六、实际应用 目前，声纳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。此外，声纳技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。
1. 拖曳式声纳
拖曳声纳(towed sonar)是将换能器基阵拖曳在运载平台尾后水中探侧目标的声纳。装备在反潜舰艇、反潜直升机和监视船上。
拖曳声纳一般长1-2千米，它并不是水平漂浮的，而是斜向下深入500米左右的水中，也就是潜艇所能达到的深度，以避开温跃层、盐跃层的限制更好的监听周边环境噪音。至于具体的深度控制估计是依靠舰艇的拖曳速度进行调节，速度越快越浅。
水面舰艇反潜活动有这么几种方式：第一种是舰艇使用拖曳声纳保持5节，以减少流体噪音和本舰机械噪音对声纳的干扰，这个阶段可能持续10-30分钟;完成一次探测后，舰艇航速提高到30节冲刺半小时，然后再开始下一次探测。这样舰艇就以15海里的间隔不断的重复工作，可以保证在对周边水下环境保持掌握的同时维持一定的巡逻速度;直升机可以在舰艇高速运动时用吊放声纳在舰艇侧前方进行警戒，防止潜艇趁机占领攻击位置。这主要用于大范围侦察与监视。另一种搜潜队形是几艘军舰一字排开，保持10-16节的航速，用主动声纳清扫航道上的潜艇，主要用于较狭小的水域。
拖曳声纳的探测范围最大可以到100多海里，但其探测范围是几个宽几海里的圆环，而不是一整个圆面，所以潜艇在这个范围内仍然有足够的隐蔽空间。声纳对舰艇周围7-10海里范围内的目标靠直波搜索，这个精度和可靠性都是比较高的。同时反潜舰艇从来不单独活动，至少也是2艘一组出来巡逻，否则那不是反潜而是送死。反潜舰艇由于受到声纳安装位置和螺旋桨位置的制约，舰艇正面的探测能力最好，尾部最差;就算放出了拖曳声纳，那也是两侧的远距离探测能力比尾部好。所以潜艇和反潜舰捉迷藏，都是避免用自己的艇尾对着敌人(近距离内，如10海里范围)，争取躲到对方的侧面和尾部区域。
2. 水声通信
水声通信是利用声波在海水里传播实现的。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，下图水声通信系统方框图解码器将数字信息破译后，电接收机才将信息变成声音、文字及图片。
声音是由于震动而产生的。在海里面，我们要把我们讲话的信息传到远处也一样，仅仅是把空气换成是海水，这一传输就要另外一个嘴巴和耳朵，即水声换能器，通过它，声能和电能相互转换，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。上图给出了一个完整的水声通信系统的方框图，水声信道是一个典型的时变多途衰落信道，由该信道传输后的接收信号，可视为经由不同路径到达的、具有不同时延和幅度的多个分量的叠加。其主要应用有以下几个方面：
(1) 水声通信是水面舰艇、潜艇间相互通信的重要手段。特别是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。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。
(2) 水声反潜网络。在未来“以网络为中心的反潜战”中，水声通信和水声数据链传输将发挥重要作用，这需要在水下分布式监测器、水下无人航行体、潜艇和水面舰艇等之间建立声纳系统信息网络，传递语音、数据乃至图像等多种信息。网络通信将大大提高对水下目标的联合检测、定位和攻击的能力。
(3) 水下潜器的命令和数据传送。这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。在这些场合下不宜用电缆，最好的办法是利用水声通信，需要解决的关键问题有水下潜器通信系统的低功耗设计、高性能电池的设计及使用、采用低复杂度的通信算法。
(4) 海洋环境监测和灾难预警。建立一个庞大的全球海洋温度、海流、潮汐数据和资源监测网络，并能实现数据的可靠实时传输，将对人类认识海洋、预警灾难性气候、环境保护等方面发挥非常重要的作用。
3. 低频主动声纳技术
安静型柴电潜艇的广泛装备，使声纳技术的研究热点重新转移到主动声纳上。但主动声纳有两个缺点，一是声纳发射的声波会被反潜设备接收到，使潜艇暴露目标并遭到攻击;二是主动声纳在浅海的作用距离受海床的影响。声呐脉冲会在海底和水面之间反射，沿不同路径返回(即“多途效应”)。此时会有微小的时延，在接收机上形成混响干扰，掩盖目标的回波。声呐使用的脉冲序列越长、探测距离越远，声呐受混响的影响就越严重，选择短脉冲固然会减小混响的影响，但同时也减小了声呐的探测距离。
解决这个矛盾的方法之一是使用脉冲编码技术。一个长脉冲序列可以被压缩成一个短脉冲序列，但频率和相位也会发生一些变化。这就是脉冲压缩理论，它是抗“多选效应”的有效手段。在声呐信号处理中经常使用频率调制技术，信号在频域的带宽越宽，在时域的脉冲就越窄。现在一些新型主动舰壳声呐(如美国海军的DE 1160和SQS一53)以及甚低频拖曳声呐(如美国海军侦察舰使用的低频声呐和北约使用长直线阵的大型低频主动声呐)，都使用了脉冲压缩技术。
声呐所用声波的频率越低，作用距离就越远，产生低频信号的换能器体积也就越大。当使用声波的频率低于3.5千赫时，声呐就会因为换能器体积过大而不能安装在舰艇上，只能采取拖曳的方式。低频声呐使用的频率一般为100~500赫兹，但略高于净战时期被动声呐探测的频率范围。此外，舰壳主动声呐还可以通过控制波束仰角、采用自适应技术来减小混响的影响。
只要海水的深度不是太浅，低频信号就可以传播很远的距离。关键是要控制声呐波束的仰角，减小声波在垂直方向上损失的能量。为此，英国2087型声呐等拖曳声呐的换能器基阵采用垂直阵，这种布阵方式也适用于直升机吊放声呐。目前最先进的两型直升机吊放声呐是泰利斯公司的Flash型(美、法、英等国采用)和L3公司的HELRAS型(德、荷、希、意、土等国采用)。这两种声呐可以控制声波不在垂直方向上扩散，而将能量集中在水平方向上。以Flash型为例，如果波束的初始发射角使波束在海底发生了反射，声呐就会自动把发射角度调整为水平。
4. 爆炸声回波定位技术
针对安静型柴油机潜艇给声呐浮标系统带来的威胁，美国海军于50年代中期构想了“朱莉”计划。基本思路是，潜艇噪声的降低将会使SOSUS声呐系统失效，但可以通过增加一个“信号”——深水炸弹爆炸声来解决问题。爆炸声将在寂静潜伏的潜艇上产生回波，SOSUS系统的被动声呐阵接收回波并进行定位。但“朱莉”系统只能在深度超过3500米的深海使用，否则海底反射波将淹没潜艇的回波，因此对一些沿海海域并不适用。
在70～80年代，前苏联还开发了一种改进的“朱莉”系统，使用一组爆炸声来克服海底回波的影响。受当时条件的限制，“朱莉”系统没有复杂的信号处理功能，只是通过直达声和潜艇回波的时延差来定位。到90年代，随着计算机的飞速发展，区分潜艇回波和海底反射波的司题得到了解决。“朱莉”系统的最大优势是可以探测到潜艇而不会暴露反潜舰艇的位置，井可以决定是否需要以及何时对潜艇发动攻击。
作为爆炸声回波定位技术的扩展，还有人提出用无人潜航器发出爆炸声“照亮”整个海底的方案。支持者则认为这个方案的优势在于：利用了无人潜航器上安装的系列传感器，以及大型潜艇拥有的强大信号处理能力。反对者则认为方案并不可行，因为爆炸声使探测艇自身也产生了回波，一旦敌方潜艇也装备了类似设备，那么在搜索敌方潜艇的同时也暴露了本艇的位置。而且西方攻击型核潜艇的体积要比第三世界国家的柴电潜艇大得多，对爆炸声的回波也强得多，所以这种方案对自己并不有利。这种技术的前景如何，目前还没有一致的意见。
七、结束语 由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，声纳技术已得到了空前的发展。从军用方面来看，高性能的声纳系统、隐身P反隐身、鱼雷水雷战将备受关注，声纳技术已从单一的被动式或主动式发展到主P被动复合模式，其中低频、大功率、高效率水声换能器,双拖曳线列阵，信号处理技术(强干扰源自适应对消、自适应波束形成等) ，波形设计与优化等，是新型声纳发展的关键技术所在。多传感器和多基地声纳的研究更具有前景。猎雷声纳迫切需要高分辨率声纳。从民用方面看，人类已进入21 世纪，海洋开发和探测已被许多国家列为高技术项目之列，声纳技术将在海洋工程中发挥更大的作用。
本文根据百度文库《声纳技术及其应用与发展》一文编辑而成，该文原作者：王云罡，东南大学，信息科学与工程学院。
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