| 词条 | 声纳 |
| 释义 | shengna 声纳(卷名：电子学与计算机) sonar 利用声波对水下物体进行探测、定位和识别的方法以及所用之设备。“声纳“一词是“声导航和测距“(SoundNavigation and Ranging)的缩写的音译。声纳被广泛应用于海军水下活动的各个方面，既是探测潜没在水中的潜艇的主要手段，也是潜艇水下侦察、导航的主要手段。一艘现代化潜艇装有大小声纳十余部。声纳还可用于探雷、导航、航道测量、制导、引信等方面。在民用方面，声纳的应用也很广泛，如鱼群探测、海底地质测量、水下定位、导航等。 简史 人类很早就利用水下声波寻找水下物体，例如，中国渔民很早就根据声音来发现水下鱼群。15世纪，意大利达·芬奇提出用插到水中的空气管来收听远处航船的噪声。这种方法一直沿用到第一次世界大战。 现代声纳技术的研究，开始于20世纪初。第一次世界大战前，科学家们开始研究利用水下声波来探测淹没在水下的冰山。第一次世界大战爆发后，以法国物理学家P.朗之万为首的小组着手研究用水声方法来探测潜艇。1916年研制出被动声纳，使用水听器和放大器接收潜艇航行的辐射噪声来发现潜艇。1918年研制成主动声纳，其原理是发射声脉冲，接收潜艇的反射回波来发现潜艇并测定其方位和距离。1930年，回声测深仪开始广泛用于舰船导航。第二次世界大战后，制成了不用旋转换能器就能进行全景监视的环扫声纳。它采用圆柱形基阵，用旋转电容转接器实现脉冲内扫描。随后，美、苏等国进行了大量的水声物理实验研究。对海洋中声波传播特性有了较全面的了解。60年代初，制成了一代新型声纳，采用预形成多波束、分波束相关和时间压缩相关等新技术。其作用距离比第二次世界大战时提高了10倍。 70年代中期，陆续出现了数字式声纳，这类声纳采用计算机人-机对话技术，能同时跟踪多个目标并进行全景显示。其总体战术性能和抗干扰能力都有大幅度提高。声纳信号处理逐步由模拟处理变为数字处理，由人工控制的以硬件为基础的系统改变为自动控制的以软件为基础的系统，由多个分开的子系统组合成计算机控制的综合系统。现代舰用主动声纳的探测作用距离约10海里，在大洋中利用水下声道会聚带，其作用距离可增至35海里。潜艇被动声纳的作用距离约数十海里，拖曳线列阵声纳和岸基声纳的作用距离可达数百到上千海里。 在民用方面，虽然早在1930年就发现了用回声测深仪发现鱼群的可能性，但声纳在民用方面发展迟缓。直到1950年，才研制出第一台渔探仪。至70年代才出现了水平渔探仪。 60年代以来，声纳还广泛用于海上石油勘探、海洋开发和海上施工，于是相继出现了地貌仪、深、浅地层部面仪、多普勒导航声纳、水下定位系统（水下信标、应答器等）、钻井船动态定位声纳以及井口重入声纳等。声纳技术已成为海洋遥感的重要手段。 基本原理和结构 声纳基本上可以分为被动声纳和主动声纳两大类。主动声纳向水中发射声波，接收水下物体的反射回波发现目标并测量其参数。它由发射机、基阵、接收机（包括信号处理器）和显示控制台等组成。被动声纳通过接收目标的辐射噪声探测目标并测定其参数。它由接收基阵、接收机（信号处理器）和控制显示台组成。 声纳基阵 可分为发射基阵和接收基阵。有些主动声纳的发射基阵和接收基阵是合一的。基阵由换能器基元组成。 换能器的作用是将电能转换成声能（发射换能器），或将声能转换成电能（水听器）。声纳中常用的换能器（见电声换能器）有三种：磁致伸缩型、压电单晶型和铁电陶瓷型。50年代以前，声纳换能器多采用前两种类型；60年代以来广泛采用铁电陶瓷型。大部分多元声纳基阵都采用纵向振子基元。这是一种单端活塞式辐射器。这种基元适用于数千赫至数百千赫的频带，为现代多用途声纳所采用，不仅用以发射也用于接收。频率低于1000赫的发射基元不宜采用这种纵向振子，可采用弯曲振动换能器。 用多个换能器基元组成基阵，其目的是产生一定的方向性。发射基阵可以使声能集中，而接收基阵可以抑制干扰。舰艇声纳的基阵大多为圆柱形或环形。圆柱形基阵在水平面内用电子电路提供均匀的辐射，而环形基阵则在各个方向上都提供均匀的辐射。舰用声纳基阵尺寸一般在数十厘米至数米，其对应的工作频率为数十千赫至数千赫。岸用声纳使用的频率更低，基阵尺寸更大。为了充分利用舰上空间，人们正在研究附在舰壳上的平面阵或共形阵。一些小型声纳或探雷器采用机械旋转的平板型或弧型基阵。这些声纳基阵大多直接装在船壳上。为了减少水动力湍流附面层噪声，基阵多装在导流罩中。大型水面舰艇导流罩在舰首呈气泡型。中小舰艇导流罩在舰体中前部舰底，工作时用升降杆将导流罩伸出舰壳外。为了克服海洋中温度跃层的影响和降低本舰噪声影响，有些水面舰艇装有拖曳式可变深度基阵。这种拖曳式基阵装于鱼形导流罩中用电缆拖曳在舰尾，改变缆长和舰速可以控制拖曳深度。 为了适应拖曳线列阵和舰壳共形阵的要求，近年来研制成一些采用新型材料和新原理的水听器，主要是光纤水听器和高分子聚合物水听器。这类水听器重量轻，质地柔软，可用于能弯曲的拖曳线列阵或覆盖于形状不规则的舰壳表面，构成大孔径保角阵。 接收机和信号处理 声纳往往工作于很强的干扰背景中，接收机对来自基阵的信号进行放大、处理，从干扰背景中检测出信号并测定其参数。现代数字式声纳接收机由预处理器、信号处理器和后置数据处理器组成。 预处理器的作用是对信号进行调节（放大、均衡），模拟滤波，增益控制等。预处理过的信号，经模拟数字变换器变为数字码送入数字信号处理器进行空间和时间处理，以获取空间和时间增益。 空间处理主要是波束形成，产生空间高增益、低旁瓣波束，以增强观测方向的信号和抑制其他方向的干扰。为了提高观测和搜索目标的速度，现代声纳大多采用多波束的波束形成器。它可同时形成数十至数百个波束。早期采用限幅式的数字多波束定向技术。近年来研制成线形多波束波束形成器。自适应滤波和高分辨率谱估计技术已用于波束形成，从而发展了自适应波束形成、自适应干扰抵消和超指向性阵处理技术。这些方法可显著改善声纳的多目标分辨能力和抑制强干扰的能力。 ①时间处理的作用是对接收到的信号进行滤波、积累等处理，以获取时间增益，提高信噪比。被动声纳的时间处理可分为宽带处理和窄带处理两类。宽带处理器是能量积累器，由平方和积分电路构成，用于检测各个波束中能量的变化，以发现目标；窄带处理器采用窄带滤波器组检测目标噪声中的线谱成分，以便发现目标。窄带滤波器组可以用时间压缩扫频滤波器或快速傅里叶变换来实现。同时，为了消除宽带噪声背景并突出窄带成分，还采用了自适应线谱增强器。主动声纳的信号时间处理器，分为相干和非相干两种。非相干处理器是能量处理器，相干处理器是匹配滤波器。匹配滤波器的传输函数是发射信号频谱的复共轭。对于时间带宽乘积TW大于10的调频脉冲，匹配滤波器输出信号的时间宽度为输入信号时间宽度的1/TW，这种作用被称为脉冲压缩。匹配滤波器输出信号在时延、频移轴上的分辨率，用模糊度函数来表征。它可以表征各种波形的压缩能力。现代声纳采用多种波形工作。常用的信号波形有单频长、短脉冲和调频长、短脉冲等。单频长脉冲相干接收，用于检测具有大多普勒频移的高速目标；调频长脉冲相干接收，用于检测具有小多普勒频移的低速目标。调频脉冲非相干接收用于在浅海中平滑混响干扰背景。在浅海中，由于多径效应，信号经传播后在时间上与频谱上均有伸长弥散的现象。这就会降低脉冲压缩的效果，使匹配滤波器的时间增益显著下降。选用合适的波形，使信号模糊度函数与信道散射函数重叠一致，使匹配滤波器输出为最大。 除进行空间处理和时间处理以外， 信号处理器的另一个作用，是进行目标参数估计。声纳中主要的目标参数有方位、距离和径向速度。直接估计的物理量有时延和频率等。 ②后置处理器的作用是对信号处理器的输出数据进行恒虚警处理、统计判决、自动跟踪和识别以及对目标运动要素估算等。恒虚警处理器是自动判决装置预处理器。它对信号处理器输出的多通道数据进行归一化处理，使输出信号对一个固定的门限保持恒定的虚警概率。自动判决装置采用序贯检测原理，通过一段时间的观测积累，判决有无目标。由于干扰背景的复杂性，现代声纳同时装有机器辅助人工判决和自动判决两种装置。目标的自动识别，是现代声纳技术中的一个问题。现代声纳一般装有多线索识别显示器辅助人工识别。自动跟踪装置在对声纳测量数据进行卡尔曼滤波平滑而获得运动轨迹后，进行目标运动要素估算。 现代声纳信号处理器多由数字硬件或高速位片式微处理器构成。后置处理则由小型或微型计算机来完成。它具有很强的多通道实时处理能力，可以同时形成数十至数百个波束，并能同时对每个波束进行匹配滤波。在参数测量方面可同时跟踪多个目标，并测定其参数。 显示控制器 声纳显示控制器主要用于显示探测结果和人-机对话。主要内容有:“距离／多普勒”显示、“距离／方位”显示、距离跟踪显示和方位跟踪显示。现代用得最多的显示格式是 B型显示和平面位置显示以及A型显示。既可显示未经判决的半原始数据，供人工判决，也可显示自动判决的结果。声纳显示器采用现代计算机字符图形显示技术，可分为光栅扫描式和矢量增量式两类。前者既可进行亮调制 B型显示或平面位置显示，也可进行图形显示。后者主要用于图形显示。 声纳的人-机对话的主要内容有:选择信号处理方法和显示格式、设置工作参数、肯定或否定机器自动判决及测量结果等。常用的操纵器有按键、操纵杆、摩球及光笔等。 发射机 用于产生所需波形的信号，信号经功率放大后驱动发射换能器基阵发射声波，其功率小至数瓦，大至数兆瓦。现代声纳多采用晶体三极管 D类放大器构成功率放大器单元模块，由多个功率放大模块组成发射系统。前置级可根据控制台指令产生不同的发射波形，向各功率模块传输不同相位的激励电压，经功率放大后驱动不同的换能器基元，控制发射波束旋转。 影响声纳性能的因素 影响声纳工作性能的因素很多，直接影响因素有传播衰减、多径效应、混响干扰、海洋噪声、载体自噪声、目标反射本领等。这些参数大多与海洋环境因素（如声速－深度分布、波浪、海底底质、水深、海流等）有关。 声纳的工作性能受环境因素影响很大。为正确使用声纳以充分发挥其性能，声纳作用距离预报是非常重要的。工作于深海的声纳的作用距离预报系统于60年代实现，适用于舰用声纳和声纳浮标等。70年代，又研制成现场声纳作用距离预报系统。 现代电子学对声纳的影响 现代电子学促进了声纳技术的发展。在60年代末至70年代初，问世的第一代数字式声纳采用第三代数字电子计算机，作为后置处理器和中心控制计算机。第二代数字式声纳采用分布式的多个微处理器，各个数字硬件信号处理器与中心控制机组成混合式系统。第三代数字式声纳除采用高速位片式微处理器外，在结构上已采用通用可变程序组合式信号处理机。这样既有专用硬件的高速度，又保持了通用机的灵活性。电荷耦合器件和声表面波器件等模拟信号处理技术，用于高分辨力的小型声纳中，为实时多通道声纳信号处理提供另一种实现途径。 光导纤维和激光技术可用于制作光导纤维水听器和实现水下多路传输。这种光导纤维水听器，可用于声纳浮标、拖曳线列阵声纳和线导鱼雷等方面。它具有频带宽、直径小、重量轻、抗干扰能力强等优点。光导纤维与集成光学元件配合，可构成数据处理系统。光导纤维多抽头延迟线构成的横向滤波器，可用于声纳信号处理。 新进展 70年代以来声纳技术发展很快，主要有参量阵声纳、拖曳线列阵声纳等。 参量阵声纳 参量阵声纳利用两个高频波在介质非线性效应作用下所产生的互作用，形成一个低频的差频窄波束。互作用区越长，波束越窄。参量阵具有频带宽、波束窄、无旁瓣和换能器尺寸小等优点，可用于回声测深仪、地层剖面仪、多普勒导航声纳等方面。参量阵回声测深仪，其探测深度达6000米，换能器尺寸仅为普通换能器的十分之一。参量阵地层剖面仪，在1200米深海中可探测80米深沉积层的剖面。参量阵多普勒声纳可跟踪3000米的海底，远优于普通换能器。参量阵声纳用于定向水下通信，有非常良好的保密性。 拖曳线列阵声纳 这是声纳技术在70年代的一项重大进展。对海洋低频声波远距离传播的研究表明，低频声波在海洋中传播衰减很小，低频声场有很好的时间稳定性和空间相干性。采用长线阵，有可能实现上千海里的超远程探测，但装在船壳上的基阵受船体长度的限制，而不能提供所需的阵长。拖曳线列阵可满足这一要求。它由水面舰艇、潜艇以及直升飞机拖曳，而且拖曳的深度可变。这种声纳基阵由前振动隔离段、水听器阵及后稳定段几部分组成。 这种声纳基阵可在数百赫至数十赫的频段上提供很尖锐的指向性。由于它是拖曳式的，机动性好，深度可变，能克服跃层障碍；远离本舰，受本舰噪声干扰小。拖曳线列阵声纳有两种：①战术性拖曳线列阵声纳，由驱逐舰一类反潜艇拖曳，供战术反潜使用。这种基阵可在高达30节的航速下拖曳，阵长在100米左右，作用距离可达100海里以上；②监视型拖曳线列阵声纳，由专门设计的舰艇低速拖曳，供远程监视搜索用，可代替远程岸用声纳。这种基阵长在1000米以上，探测距离可达数百乃至上千海里。 防潜警戒系统 由人造卫星、巨型计算机和装有各种声纳的多种反潜探测力量构成的综合立体反潜探测系统。来自海岸防潜探测系统、反潜浮标、反潜舰艇、反潜飞机和海洋监视卫星的信息，通过通信卫星传送到计算中心进行综合判断，对目标进行跟踪。 在国民经济中的应用 声纳主要用于渔业资源的开发研究，海底地质测量、水下定位及导航等。 回声测深仪 一种小型主动式声纳，垂直向下发射声波，接收海底回波来测定海深。近代测深仪除采用记录器外，还有数字显示。为了改善信噪比和提高分辨能力，采用线性调频信号脉冲压缩接收技术。连续发射信号的相关测深仪，其发射功率很小，具有良好的隐蔽性。一般测深仪只能测量船垂直下方的深度；多波束测深仪可同时快速测量较宽的一条航道的水深。 鱼群探测仪 装在渔船上用来测量鱼群位置、多寡和种类。早期的鱼群探测仪为垂直鱼探仪，其原理和结构与测深仪相似，只能探测渔船下方的鱼群，不便于早期发现和探测鱼群。近年来又研制成水平鱼探仪、多波束水平鱼探仪。它采用相控旋转指向性发射和多波束接收，与一部现代化小型声纳相似。但工作频率较高（数十千赫），作用距离较近（约1海里）。 海底地貌仪（侧扫声纳） 一种高分辨力的海底地貌测量设备。它采用了一个长条型基阵，在水平面内方向性很窄(1°～2°)，在垂直面上方向性较宽（数十度）。通过发射短脉冲记录回波，可测量船两侧很窄地带的海底地貌。随船只运动连续记录，可实现沿船只运动方向的扫描，从而完成一幅海底地貌图。基阵可拖曳在船后，也可挂在舷侧。小型地貌仪，其工作频率为数十至数百千赫，探测距离为数百米，分辨力为数十厘米。大型地貌仪工作频率为数千赫，功率为数千瓦，探测距离为数十公里。超大型的采用爆炸声源，由拖曳线列阵接收，工作频率为数十至数百赫，探测距离为数百公里。 地层剖面仪 地层剖面仪用于探测海底地层结构，分为浅地层剖面仪和深地层剖面仪两种：①浅地层剖面仪的工作频率为数千赫，采用发射换能器发射脉冲，用拖曳的鱼形水听器阵接收，可测海底以下数十米的地层结构。采用脉冲压缩技术可提高探测深度；②深地层剖面仪的工作频率在数百赫以下。它采用电火花、爆炸、气枪等作为声源，用拖曳线列阵接收，可探测海底以下数百米或更深的地层结构。 多普勒导航声纳 在船上装置几个水听器阵，向前后左右发射4个波束的声波，然后测量每个波束海底反射回波的多普勒频移，可测得本舰相对于大地的速度，采用导航计算机即可精确测定本舰航迹。在大型油船的不同部位装置多普勒声纳，可以精确掌握船体各部位的运动情况，便于大型油船进出码头。为获得较高精度，多普勒声纳的工作频率要在数百千赫以上。在深海中工作时，导航声纳也可采用海水散射回波。但这时所测量的舰速是相对于海水的，精度较低。 参考书目 汪德昭、尚尔昌：《水声学》，科学出版社，北京，1981。 R.J.Urick，Principles of Underwater Sound，McGraw-Hill， New York，1975. |
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