声呐

“声呐”一词是英文sonar的音译，而sonar是英文sound navigation and ranging的缩写，其中文全称为“声音导航与测距”，指的是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通信任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。声呐是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。近年来，人们将声呐的含义加以推广，凡是用声波对水下目标进行探测、定位、跟踪、识别，以及利用水下声波进行通信、导航、制导、武器的射击指挥和对抗等方面的水声设备皆属声呐这一范畴。

声呐是“sonar”这个单词的音译，该单词由三个英语单词组成：sound（声）、navigation（导航）和 ranging（测距），也就是用声音进行导航和测距。需要注意的是，“声呐”与“声纳”不能等同。“声呐”用于表示英文缩写的 sonar，是一类水声设备的统称；而“声纳”用于表示“acousticsusceptacne”，表示声导纳的虚数分量，是声学领域的一个物理量。

现代的声呐，其含义除了原先的内容，还增加了很多新的含义。声呐是一种通过发出或接收水下声波并进行分析，用以判断海洋中物体的存在、具体位置及所属类型的方法和装置。近年来，声呐的意义在经过各种方面的发展后又得到了扩充和推广，以致于所有的利用水下声波作为通信媒介，来实现一些特定目的的设备和方法，都可以被定义为声呐。通常把声呐理解成一种具体的、实际存在的设备，因此通过水中声音信号进行通信，导航、制导，对水下的物体、水下环境进行探究观测、测定位置、物体跟踪等方面的水声设备都在声呐范围之内。

声呐探测示意图

声呐技术的发展和其他学科的发展一样，也是随着军用与民用的需要和其他学科的发展而逐渐发展起来的。自1490年意大利的艺术家、科学家达·芬奇（Leonardo da Vinci）发现声管，至今已有500多年的历史。达芬奇用一头闭合的“声管”插人水中，发现可以听到远处的船舶航行噪声，这大概可以说是最早的声呐。达·芬奇所描述的声管实际上可归为现代被动声呐的雏形。

1490年至第一次世界大战前可认为是声呐技术的漫长探索阶段。在这期间，人们对于水声传播问题知之甚少。直至1827年瑞典和法国的科学家才第一次测得水中声速。声呐技术最早是由英国海军刘易斯·尼克森（Lewis Nixon）于1906年发明的，他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用于探测冰山。一战期间，该技术被应用于侦测水下潜艇。1912年英国泰坦尼克号巨型豪华客轮首航纽约在北冰洋触礁沉没的惨剧，促使科学家们认识到声呐的重要性，因而直到19世纪初才开始研制用于航海和水下通信的水声器材。

1906年尼克森的声呐仪示意图

1914年~1918年的第一次世界大战是声呐发展的第二阶段。在此期间，由于德国人使用潜艇击沉了协约国（俄、英、法）几千艘水面舰艇，迫使参战国研制水声设备。直到1917年法国科学家保罗·朗之万（Paul Langevin）首次使用了超声换能器，加上当时发展的电真空技术，才探测到海底回波和钢板的回波。他的设备很快就达到能探测潜艇回波的水平。这期间人们利用人的双耳效应制成了噪声定向仪—噪音站，协约国才有了对付德国潜艇的手段，从而使德国潜艇不再能在水下横行。

保罗·朗之万（Paul Langevin）

第一次世界大战后至第二次世界大战前是声呐技术稳定而持续发展的时期。朗之万发明的回声定位声呐尚未在战争中发挥作用，第一次世界大战就结束了。第二次世界大战前，一些国家的舰艇已经装备了用电子管放大器的声呐。这期间，由于超声技术和电真空技术以及无线电技术取得一系列成就，各国相继制成了许多形式的噪音站。回声定位仪已在美国成批生产，磁致伸缩换能器和压电换能器也已相继问世。人们对海水中声传播的理论也进行了较为深入的研究，例如认识了海水温度对声速的影响以及海水的声吸收与频率的依赖性等等。

音响水雷

第二次世界大战（1939年~1945年）使声呐技术迅速发展到新的阶段。第二次世界大战中，由于战争的需要，各国都投入较大的力量进行水声研究、发展声呐技术，使声呐从机械旋转的步距式发展到电子扫描式，并出现了示波管显示器。同时，还研制出了声制导鱼雷和音响水雷。尽管如此，由于当时的声呐还很不完善，加之对海洋水声传播理论不清楚，所以声呐的作用距离是相当近的。由于潜艇在战争中的作用极为突出，它已经对海上运输船只和水面作战舰艇构成严重威胁。为了有效地对付潜艇，声呐成为实施反潜战的不可缺少的耳目。这期间美、英、法等国家相继研制了各种类型的声呐。水面舰艇的主动声呐、潜艇的被动声呐，扫描声呐，机械转动的换能器基阵，以及具有音响制导的鱼雷和音响水雷等都是这一时期发展起来的。由于电子技术的发展，声呐设备已经不再是简单的收发装置，而逐渐成为复杂的电子和电声系统。这一时期，人们在理论和实验研究方面也取得了一系列成就，例如对传播衰减、吸收、声散射、目标的反射特性、目标强度、尾流、舰艇噪声以及人耳的识别能力等都进行了深入的研究。如果说第一次世界大战期间的声呐技术还处于幼儿阶段的话，那么第二次世界大战期间的声呐技术则趋于成熟了。

第二次世界大战中的德国航空鱼雷

第二次世界大战结束至今，随着科学技术的进步，声呐技术也得到了突飞猛进的发展。电子技术特别是微电子技术的发展、人们对海洋中声传播规律的掌握，以及导弹武器和核潜艇的出现等，是推动声呐技术发展的主要因素。战后声呐技术发展的主要特点是采用低频（主动声呐频率低到1~3 kHz），大功率（几百千瓦甚至兆瓦）、大尺寸基阵，并广泛采用信号处理技术。由于使用了低频和大发射功率，致使换能器基阵尺寸大大增加，例如某些声呐的柱形或球形基阵直径达到5m的量级。这种大尺寸基阵只能固定安装，不再能机械转动。因而，普遍采用多元阵和波束形成技术，即利用电子相位或时延补偿技术来控制波束在预定扇面内扫描，或同时形成多个指向的波束，使声呐的空间搜索速率大为提高。在信号处理方面广泛采用相关处理、脉冲压缩和快速傅里叶变换（FFT）等技术来提高接收机的处理增益。在传播途径的利用方面，利用了多途径传播效应使声呐作用距离大为提高。数字技术的发展使声呐的许多信号处理功能均可由计算机和专用微处理器实现。从20世纪50年代开始，由于核动力潜艇的出现，反潜问题受到各国空前的重视，推动了声呐技术的发展。进入60年代后，由于新电子技术在声呐中的实际应用，声呐的发展更为迅速，声呐已逐渐改变了原来的面貌。

中国SQ-5型温度深度声呐浮标（用于布设主被动航空反潜声呐浮标阵位前的海洋背景测量）

声呐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部分组成。发射机用于产生需要的一定功率的电信号，以便激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射。水声信号若遇到潜艇、水雷和鱼群等目标会被反射，然后以声呐回波的形式返回到换能器（水听器），水听器接收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，从而实现声呐的功能。下图给出了一个基本的声呐系统的模型，它有两种工作方式，即主动和被动工作方式。在主动方式工作时，一个已知的信号被发射出去，当它照射到某个目标时，反射信号（或称回声）就被接收到，经过适当的处理，再由接收机显示出来；在被动方式工作时，目标的被发现是由于它所辐射的噪声。

声呐的基本模型

常见的是主动声呐、被动声呐和主被动综合声呐。被动声呐利用的是目标辐射的声波，由于声波在海水中只是单程传播，系统的核心部件是用来测听目标声波的水听器。而现代舰艇都采用主、被动综合声呐来进行水下通信、遥测和控制等，这种综合声呐系统在水下声学通信信道两端都有发射换能器和接收换能器。这些声呐的水上部分都是以电子计算机为中心的数据采集、处理、图像显示等设备，水下部分则是水声换能器（或基阵）。

信号发生器可以有多种形式的输出：模拟的或数字的，连续波脉冲或线性调频波，这取决于所考虑的应用场合。信号发生器的输出送到波束成形矩阵，其目的是给信号一个合适的加权和延时，使得发射基阵在声信道中产生一个所希望的波束图。该图决定了由发射机所发射的声能的集中程度和空间分布情况。信号的加权和延时通常叫做定向或波束成形。功率放大的目的是要获得足够大的电功率，然后将其与发射基阵匹配，并以较高的效率向水中发射声能。基阵的几何形状（如圆阵、线阵、球阵）依赖于具体的应用场合。此外，发射基阵是很多个辐射单元的综合，它们的材料取决于传播介质。声呐系统中通常用压电陶瓷或某种类型的磁致伸缩的金属，作为电能和声能互换的器件。“程序控制”主要指管理或控制中心，它使整个发射机能在希望的状态下工作。

声呐发射机的典型方框图

声呐接收机比发射机复杂一些。因为在发射过程中，信噪比是接近于无限的；而在接收过程中，在大多数感兴趣的情况下，信噪比小于1。接收基阵（或水听器阵）与发射基阵非常相似，在简单的声呐系统中，它们通常就是同一个。动态范围压缩指的是自动增益控制（AGC）与时变增益放大（TVG），它们是为了把接收到的信号动态压缩到一定范围，以便使波束成形系统及信号处理系统能够正常工作。接收机的波束成形功能与发射机的类似，但是接收机的波束成形方式要比发射机的复杂得多。接收机的波束成形是基阵在空间上抗噪声和混响场的一种处理过程，实现波束成形时，要进行一系列的运算（包括加权、延时及对空间各阵元收到的信号求和），然后再作进一步的频域和时域处理。波束成形之后还需进行信号处理，它通常是某一个检测信号的最佳准则的物理实现。信号处理的主要形式为匹配滤波、相关技术和自适应技术。实际上，信号处理系统、显示、听测、判决等都是和声呐员密切相关的，它们共同代表信号处理系统。处理增益的最大损失通常产生于它们的衔接处。“程序控制”是为了进行同步和自适应。

声呐接收机的典型方框图

指标是衡量系统性能的各项参数。声呐设计者最为关心的是战术指标和技术指标。所谓战术指标，是反映和表征战术性能的那些参数，例如作用距离、方位角测量范围及精度、定位精度、分辨率、搜索速度、跟踪距离、环境条件以及盲区等。战术指标通常由作战和使用部门下达。在论证和设计声呐时，必须根据战术指标的要求来进行。技术指标是为确保战术指标的实现，系统应具有的技术参数，例如发射功率，脉冲重复频率、工作频率、接收灵敏度、脉冲宽带等。实际上有些技术指标与战术指标很难区别，例如工作频率，本来是系统设计者为实现战术指标可以选择的技术参数，但由于这个数据在战斗中的重要性而往往又被列为战术指标，有时要由作战和使用部门加以规定。

声呐的作用距离往往被认为是声呐战术指标中最为重要的指标。作用距离是指声呐在一定条件下能有效地发现目标，并测其数据的最大距离。这些条件包括发射声源级、海况、传播衰减、环境噪声、目标强度等。不同的声呐对其作用距离的要求也不一样，例如警戒声呐比探雷声呐要求的作用距离远，舰用声呐比岸用声呐作用距离近得多。声呐在最大作用距离上不一定能每次都正确发现目标，即有“漏报”现象。如果探测了

次，漏报了

次，就定义

为检测概率，而

为漏报概率。没有目标而认为有目标称为虚警，在

次探测中虚警n次，则定义

为虚警概率。给声呐系统提出最大作用距离时，应当给出PFA 和PD的要求，这一定量要求在统计检测理论中称为置信级。

方位角是水平面内的角度，高低角是垂直面内的角度。这两个角度范围所界定的空间描述了声呐系统可以搜索的空间区域。如果目标处在这个空间区域内，就可能被探测系统发现或测定。这个范围愈大愈好，但技术上实现愈加困难。

盲区是在声呐作用距离之内，由于受到某些条件的限制而无法探测到目标的区域。一般用图形或角度、距离范围表示。盲区从形成的原因上可分为物理盲区、几何盲区、尾部盲区、脉冲宽度盲区和混响盲区等。

几何盲区是由于换能器的倾角或波束开角的限制而造成的。假定目标所处深度为

，声呐垂直方向最大探测角为

，此时最小探测距离为

，在阴影区内的目标声呐探测不到。

尾部盲区是由舰艇尾流造成的盲区。因舰艇尾部螺旋桨噪声较强，形成尾流气泡，在舰艇尾部构成一个强散射区，以致声呐很难收到从这一方向来的信号。尾部盲区大约在舰艇后部首尾线±30°范围内。

物理盲区是由声线弯曲造成的盲区。由射线声学可知，由于声速在垂直方向有一定梯度，造成声线弯曲，形成某些声阴影区，如果目标处在阴影区内，声呐将探测不到。

几种典型声速梯度下的物理盲区

脉冲宽度盲区即声呐在发射脉冲信号时，因信号极强，接收机往往处在关闭状态，而且出于技术考虑，关闭时间还要大于脉冲持续时间，在这一时间内必然丢失目标。若目标在

距离处，从换能器发出的信号经目标返回再到达换能器的时间为

，则有

若发射脉冲宽度为

，当

时，在距离

以内的区域便是脉宽限制的盲区，这一盲区愈小愈好。

由混响造成的盲区称为混响盲区，一般大于或等于脉冲宽度所对应的盲区。形成原因是声呐在发射信号后，近距离上体积混响很强，声呐接收机无法接收，常采用时间增益或混响自动增益控制电路来使混响归一化，这就同时抑制了近距离的接收。

分辨率表示声呐系统对空间的两个相邻目标的分辨能力。方位分辨率（

）是指声呐能分辨出的同一距离上两个目标间的最小角度间隔，它与换能器自身的指向性及信号处理方案有关。距离分辨率（

）则是声呐在同一方向上能分辨出的两个目标间的最小距离。距离分辨率与所用信号波形、处理技术等有关。这两个分辨率数值愈小意味着分辨率愈高，声呐的性能愈好。在探雷声呐中，分辨率是极为重要的指标。

定位精度是定出目标位置时的最小位置误差，因而也称定位误差，误差小意味着精度高。目标在水平面内的位置由目标方位和目标距离两个量确定，故存在测向和测距两个精度指标。测向精度是测量目标所在方位角的误差，而测距精度则是测量目标距离的误差。单次测量误差实际上是一个随机量，因此一个系统的实际测距和测向误差需经多次测量统计后得出。定位精度通常应理解为测量值的均分根误差。近代声呐的测向精度为0.25°~1°，主动声呐相对测距精度为1% ~5% ，如果进行声速修正可达0.5%，而被动声呐测距精度较低，约为5% ~10%。

搜索速度是单位时间内可搜索的空间区域的大小。搜索一定空间所需的时间愈少或在一定时间内搜索的空间区域愈大，均意味着声呐的搜索速度愈高。搜索速度主要由探测距离、波束宽度以及搜索方式决定，其中搜索方式是影响搜索速度的主要因素。早期的声呐采用步距式或探照灯式搜索，声呐的发射和接收均为单波束，每发射一个脉冲均要等待，直到预定最远距离的目标回波到达接收点，方可将换能器基阵旋转一步。这种方式的搜索速度低，但定位精度高。现代声呐为提高搜索速度，采用了多波束搜索方式。这种声呐在预定扇面内利用多波束发射（同时或在极短时间内相继发射），而采用多个预先形成的接收波束同时在此扇面内接收。搜索速度最高的方式是所谓多重搜索，它是在多个扇面内同时进行相控发射，在这些扇面内分别利用预先形成的多个波束等待接收，使搜索速度大为提高。采用多波束搜索和多重搜索方式将使设备复杂性加大。

声呐工作的环境条件也是作战和使用部门提出的战术指标。这一指标包含的内容很多，例如声呐安装的舰艇类型、工作时的环境温度、海况、舰艇航速以及抗电磁辐射能力和抗其他声呐干扰的能力等等。

信号强度或声源级是主动声呐的重要技术指标之一，它直接影响到声呐的作用距离，并且常与声呐接收机的灵敏度指标一起考虑。信号强度指声呐辐射的轴向声功率（以分贝表示）大小，接收灵敏度则指声呐可接收的最小信号（也以分贝表示）。当接收机的灵敏度一定时，可通过调整发射声级来保证接收端有信号；而当一个声呐的发射声源级一定时，也可通过提高接收机灵敏度的方法来保证在作用距离上接收机输出端有足够的信号。一般认为增大发射声源级几分贝远比提高接收机灵敏度同样的分贝数困难得多。

接收机的最重要的技术指标是接收机的检测阈。它是根据战术指标中给定的置信级，结合接收机采用的具体信号处理方案计算得出的对接收机输入信噪比的要求，它与接收机的灵敏度是完全不同的概念。接收机灵敏度再高，接收机也不一定能检测出干扰背景中的信号。

信号的各项参数，如工作频率、脉冲宽度、信号形式、信号带宽、信号重复周期等是在信号设计时必须考虑的技术指标。

接收机的动态范围是接收机能正常接收的最大信号与最小信号幅度之比的分贝数，它是根据声呐系统的最大作用距离和最近接收距离而算出的技术指标。接收机的总增益与接收机的增益控制范围两项指标，则分别和最大作用距离（连同声源级）与最大，最小接收信号有关。

基阵的大小、形式、灵敏度、指向特性和频率响应等技术指标与采用频率、分辨率要求、信号频率和带宽等多种因素有关。

主动声呐（active sonar）是指由声呐发射器向水中发射声信号，通过接收和处理由目标反射回来的声信号得到关于目标信息的声呐。主动声呐一般用于搜索、定位、导航等方面，经常在攻击时使用。其优点是能给出距离信息，对安静的目标也有效，可由多普勒频移得到速度信息。其缺点是作用距离受到双程传播损失和混响的限制，信号强度取决于目标强度，容易暴露自己。主动声呐可通过回波信号与发射信号间的时延推知目标的距离，由回波波前法线方向可推知目标的方向，而由回波信号与发射信号之间的频移可推知目标的径向速度。此外由回波的幅度、相位及变化规律，可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。主动声呐主要由换能器基阵（常为收发兼用），发射机（包括波形发生器、发射波束形成器），定时中心，接收机，显示器，控制器等几个部分组成，如下图所示。

主动声呐原理框图

被动声呐（passive sonar）指本身不发射声信号，根据接收和处理由目标产生和辐射的声信号来获得远处目标信息的声呐。由于这种声呐不发射声信号，所以隐蔽性好，不易为敌方所发现。它的信号只受到单程的传播损失，且不产生混响。故作用距离往往比主动声呐大。其缺点是对安静的目标无能为力，得到距离信息比较困难。它大多用于防御目的。对目标进行警戒、搜索、测向、跟踪和测距等。被动声呐（噪音站）与主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目标发出的噪声。此时，目标噪声作为信号，且经远距传播后变得十分微弱。由此可知，被动声呐往往工作于低信号/噪声比情况，因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措施，被动声呐的基本原理如下图所示，其工作原理与主动声呐类似，只是它没有用于发射声波的部分。

被动声呐原理框图

岸用声呐及预警系统也称岸边固定式声呐监视系统。由于海港是军舰的基地，是海上运输及后勤给养的转运站，所以常常成为潜艇攻击的重要目标之一。各个国家都很重视布设海岸声呐系统，配合其他设备组成海岸防潜系统。岸用声呐系统通常只将换能器基阵放在港口、海峡和海上主要通道附近及某些特殊海区。基阵接收的信息通过海底电缆传送到海岸基地的声呐电子设备上进行处理。岸用声呐主要用来警戒进入海岸附近的目标，特别是潜艇。由于岸用声呐基阵和电子设备都固定不动，所以它不受运载工具容积和载重量的限制，可以使用低频大功率大尺寸换能器基阵，以增大作用距离（可达 60~70海里）。通常岸用声呐工作于被动方式，因而隐蔽性好。为了扩大警戒范围，可布置多个岸用声呐联合使用，构成海岸警戒网。两个声呐站间的距离一般等于其作用距离的1～1.8倍，以便彼此之间有一定的覆盖，如下图所示。换能器基阵布放在距海岸10~20km，深度不大于100m的较为平坦的海底上。岸用声呐的缺点是缺乏机动性，且受气候及海况的影响较大。

岸用声呐警戒网示意图

水面舰艇上装备声呐的主要目的是反潜防潜，即搜索潜艇目标，并引导火力系统进行攻击。此外，探测水雷、打捞沉物、对潜艇通信等也需用声呐来完成。由于运动的水面舰艇本身无隐蔽性，因此它主要采用主动声呐来搜索和测定水下目标。一般水面舰艇通常装有5~7部声呐，大型反潜水面舰艇装有多达10部声呐，综合完成对潜搜索、定位、跟踪、射击指挥及水中通信、探雷、导航、水下目标识别、水声对抗等任务。现代反潜战要求水面舰艇声呐作用距离远，搜索速度快，能全面观察和监视周围海区，盲区小，能精确定位和自动跟踪目标。鉴于声呐在反潜中的地位和作用，有时不得不使水面舰艇的设计适应声呐设备的要求。因水面舰艇航速高，航行噪声大，所以它们的工作环境恶劣。水面舰艇一般配置约10部声呐（1航探测综合声呐基阵；2可变深探测声呐系统基阵；3拖曳声呐基阵；4水声通信基阵；5直升飞机吊式声呐；6投放式声呐浮标；7测深仪；8监听水听器；9消耗性深度温度计发射器；10海底搜索系统），布置在舰艇相关部位，如下图所示。

水面舰艇声呐

由于无线电波无法在下潜的潜艇上使用，潜艇在水下航行时的观察和通信器材主要依赖于声呐，因而声呐在潜艇上的地位显得更为重要。潜艇声呐的主要功用是为反潜武器和鱼雷武器的射击指挥提供水中目标的定位数据，其次是承担对水中目标的探测、警戒跟踪、通信、目标性质识别、助航等项任务。有时一艘潜艇甚至有1/2的空间被声呐占据，通常每艘攻击型潜艇上装有10多部各种功用的声呐。潜艇上声呐众多，既有主动声呐，又有被动声呐，是艇上最主要的探测器。虽然潜艇的声呐可以通过监听水面舰艇的噪声或直升机投放声呐浮标，或吊放声呐的声音而间接发现可能的舰载反潜直升机的踪迹，但是反潜巡逻机进行巡逻反潜时，如果采用光电等被动探测方式搜潜，具有隐蔽性和突发性，此时潜艇的声呐就无能为力了。潜艇上的声呐系统一般有综合声呐、噪声测距声呐、通信声呐、侦察声呐、探雷声呐（含有狭窄航道导航功能）、本艇噪声监测仪（含螺旋桨空化噪声监测）、声速–声线轨迹仪、测深仪、测冰仪等。潜艇一般配置约10部声呐（1探测综合声呐基阵、2拖曳探测声呐基阵、3通信系统、4水面深度仪、5水下导航系统、6测深仪、7测量水听器、8深度温度计发射器、9保角基阵、10侦察系统），布置在艇上相关部位。

潜艇声呐

空中拖曳声呐

这种声呐装在水上飞机、飞船或直升机上，飞机低空飞行时通过电缆拖着和控制着置于水中的换能器，用于沿海交通线上来搜索潜艇。发现目标后，可通过机上通信机发回基地指挥所，以便采取措施。它具有大的搜索速度近40节，能够发现在半径2～5海里以内的目标，因此利用它来搜索广大海区可以很快完成。缺点是作用距离较近，原因是拖曳噪声太大，限制了飞机的速度。噪声的主要来源是因换能器拖曳体的运动及飞机螺旋桨噪声和机械噪声通过电缆或直接入射到水中，因而影响了工作。此外拖曳速度高会产生空泡噪声。

空中拖曳声呐搜索扇面示意图

空投声呐浮标

空投浮标式声呐检测系统是海军航空兵反潜装备之一。空中拖曳声呐和吊放声呐在进行探测工作时，飞机必须低空飞行或停留。这样就限制了飞机对海面的观察范围，影响探测速度。如下图，只有当飞机高空飞行时，才能扩大观察范围，同时发挥飞机的自卫能力。当飞机在高空飞行时，利用磁场探测仪或利用目力（目力观察，白天用彩色染料，持续1～15小时，夜间用天线护板上的信号灯）观察海面波浪痕迹来搜索水下目标，如果认为在某海区内有可能存在敌潜艇或已经发现某海区有潜艇目标需要进一步判定其位置，以便采取措施，这时就可以从反潜飞机上空投几个声呐浮标布放于潜艇可能存在的海区。通常投放3～5个浮标，进行搜索测定的数据经由浮标部分的无线电将目标信息送给飞机或基地上。

声呐浮标分为主动式浮标和被动式浮标两种，被动式浮标又有定向式和非定向式之分。被动非定向式浮标只能检测目标有无；而被动定向式浮标可判定目标方向。多个这样的浮标结合其他设备，便可定出目标位置。主动式声呐浮标比被动式浮标多一个受控声发射装置。

被动式定向声呐浮标布放图

侧扫声呐也就是旁扫声呐，主要功能是探测海底地貌特征、搜寻水下物体。侧扫声呐的换能器既可以放于船体内部，也可以安装在拖曳体中，在船体航行时，声呐向侧下方发出扇形波束的声信号。处于工作状态时，发出的声波在海底作用的区域近似一个长条，称为照射区，声波经照射区反射，由换能器基阵接收到，然后进行一系列的放大、处理等步骤，显示出地貌影像。因此侧扫声呐还有另外一个名字：海底地貌仪。侧扫声呐是通过低频率的代价来使扫描范围得到扩大，但是这样得到的图像不会有很高的精度。如果使用高频系统，则可以在很小的范围内实现较高的扫描精度。双频旁扫声呐既可以保证图像的分辨率满足要求，又能在大范围的场景下工作，这是因为它同时具有高频和低频换能器。侧扫声呐目前还存在一些不足之处：第一，它的横向的分辨率是由声呐基阵决定的；第二，侧扫声呐不能准确得到海底的具体深度。

侧扫声呐

多波束声呐因其能在一定空间内产生多个波束而得名，这些波束可以同时工作，所以它可以获得很多不同波道的信息。通过这些信息，多波束声呐可以在同一时间内去观测跟踪来自不同方向的多个目标。多波束声呐相对于侧扫声呐最大的优点就是它的定位精度可以达到很高的程度，目前已经在工程上得到大范围的应用。从根本上来说，多波束声呐并不是一种成像系统，而是一种测量深度的工具。对于多波束声呐的数据，要先进行处理、建模、构图，才能得到想要的信息，比如位置、深度、目标物的形状特征等。多波束声呐的应用范围不如侧扫声呐广，是因为它受波束角的限制，而波束角的影响又跟海水深度有关，深度越大，波束角对声呐的影响也随之变大。又由于数据处理上的差异，用于多波束声呐的数据处理算法比侧扫声呐更加复杂。

多波束声呐

影响声呐工作性能的因素除声呐本身的技术状况外，海洋环境条件的影响也很严重。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。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，以及出现声影区，严重影响声呐的作用距离和测量精度。现代声呐根据海区声速—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。海洋环境参数的时变、空变特性，严重的影响声呐的工作性能。因此发达的海洋国家无不以极大的力量，进行不间断的海洋环境参数监测和预报。然而，无论是海底采样、原位测量还是海底参数声学反演，都会耗费大量的人力和物力资源。要想解决声呐应用中的海底参数缺乏问题，一个可行的办法就是通过选取典型海底类型海域进行反演研究，给出海底声学参数与底质类型的对应关系，才能尽可能地利用全球已有的海底底质采样数据资料。

海底参数反演与声呐应用的关系

声呐技术并非人类的专利，不少动物都有它们自己独特的“声呐”技术。人类发明的“声呐”主要是通过鲸和海豚的声呐原理而发明的。比如，在陆地上，蝙蝠就用喉头发射每秒10～20次的超声脉冲而用耳朵接收其回波，借助这种“主动声呐”它可以探查到很细小的昆虫及0.1mm粗细的金属丝障碍物。而飞蛾等昆虫也具有“被动声呐”，能清晰地听到40m以外的蝙蝠超声，因而往往得以逃避攻击。此外，有的蝙蝠能使用超出昆虫侦听范围的高频超声或低频超声，从而使捕捉昆虫的命中率仍然很高。

在水下，海豚、鲸、海豹、海狮等海洋哺乳动物也拥有“水下声呐”，它们都会发射出声呐信号，进行探测。它们所产生的声呐信号是一种十分确定的信号。经过观测，发现多种鲸类使用的频率比海豚的低得多，作用距离也远得多。海豚声呐的灵敏度很高，能发现几米以外直径0.2mm的金属丝和直径1mm的尼龙绳，能发现几百米外的鱼群，能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行而不会碰到竹竿；海豚声呐的“目标识别”能力很强，不但能识别不同的鱼类，区分开黄铜、铝、木头、塑料等不同的物质材料，还能区分开自己发声的回波和人们录下它的声音而重放的声波；海豚声呐的抗干扰能力也是惊人的，如果有噪声干扰，它会提高叫声的强度盖过噪声，以使自己的判断不受影响。尤其是仅存于世的四种淡水豚中最珍贵的一种——中国长江中下游的白鳍豚，它的声呐系统“分工”明确，有为定位用的、有为通信用的、有为报警用的、有通过调频来调制位相的特殊功能。

海豚回声定位示意图

终身在极度黑暗的大洋深处生活的动物不得不采用声呐等各种手段来搜寻猎物和防避攻击，它们的声呐的性能是人类现代技术所远不能及的。解开这些动物声呐的谜，一直是现代声呐技术的重要研究课题。

随着社会发展的需要和科技手段的进步，各种各样的声呐设备（如探测鱼群、绘制海底地形、船舶导航等）相继问世。根据是否发射声波，可将声呐分为主动声呐和被动声呐两类，其中会产生对海洋生物不利的“噪声”的，是主动声呐。人们为了探测海洋中的矿藏和能源，在海洋中应用地质勘探技术的频次越来越多。目前在进行勘探时，人们使用的设备主要为空气枪（一种新型低压声源设备），它产生的噪声频率以5~300Hz为主，声音强度在220~250dB范围内。而高于100Hz的高频信号已经是一种环境问题了，研究显示这类信号会对海洋哺乳动物和某些鱼类造成威胁。美国自然资源保护协会（NRDC）认为，军事声呐产生的噪声轻则影响海洋生物的长期行为，重则导致其听力丧失甚至死亡。研究显示，声呐与鲸的死亡率之间关联紧密，由中频声呐试验导致的鲸大量搁浅及死亡事件，正在不断发生。

人类活动对海洋生物声呐系统造成干扰示意图

声探测在军事中的第一个成功应用是声呐系统。声呐利用声波在水中衰减小、速度较快的特点，设计出了大量的主动、被动的声呐系统和海底预警系统，在潜艇探测目标、导航和反潜作战中发挥了巨大的作用。由于雷达的优秀性能，空气声探测在军事中的应用一直发展缓慢。随着微电子技术计算机技术、信号处理理论的飞速发展，声测系统、信号处理技术等方面的难题得到解决，重新激发了人们对地面声探测技术的兴趣。目前地面声探测技术的应用主要有两个方面：一是警戒与侦察，主要有对轻型飞机和直升机的远距离警戒、炮位侦察、战场侦察；二是攻击型武器系统，主要有反坦克智能雷弹、反直升机智能雷弹、反狙击武器系统等。

现代数字信号处理算法和计算机技术的发展，显著提高了声呐的信息处理能力，开放式、标准化、模块化系统架构促进了声呐新技术的快速嵌入，推动声呐系统功能集成度不断提高。新一代声呐系统综合集成舷侧、艏端、拖曳、主/被动、多频段声呐于一体，兼具目标探测、跟踪、识别，水文侦查，水下通信、导航，信息综合处理和显示，鱼雷控制，水声对抗等多种功能，大幅提高了潜艇和水面舰艇在深海和浅海中的探测性能和信息作战能力。其中，美国AN/BQQ-10综合声呐系统是这类装备的代表。该综合声呐系统是以AN/BQQ-5和AN/BQQ-6综合声呐系统为基础，通过“民用声学现成技术快速植入计划”升级而来。AN/BQQ-10综合声呐系统对潜艇水下精确测绘导航（PUMA）系统进行改进，该项改进可为潜艇提供测绘海底地形并记录其地理特征的能力，包括似水雷物探测和3D测绘图显示，这些数字地图可以压缩传送给海基和陆基平台进行显示。这种精确测绘海底地形的能力，使潜艇能够隐蔽执行对作战空间海底情况的准备工作，以及安全进行雷区监视与规避行动。

AN/BQQ-10型整合式声呐系统

侧扫声呐图像目前广泛应用于海洋工程、海洋科学、水下目标探测与识别等领域。侧扫声呐系统通过连续记录海底反向散射回波，可低成本、大扫宽、高效率地获取大区域、微地貌图像，广泛应用于海底地貌测绘、海底底质勘探、水下目标搜寻、海洋工程、海洋矿产资源调查等方面。下图为侧扫声呐的一些典型应用领域。侧扫声呐在天然气水合物调查中的研究应用比较广泛，目前在深海天然气水合物调查中采用搭载于声学深拖系统或ROV的形式居多。声学深拖或ROV作业最主要优势就是大大拉近了深海侧扫声呐设备与海底的距离，进一步发挥其技术优势，提高了采集质量。通过对侧扫声呐原始数据精细处理，可获取高质量的海底表层声学影像，发现水合物有利区块麻坑、泥火山、丘状体、冷泉以及海底强反射的分布。

侧扫声呐典型应用领域

水声通信是利用音频或超音频机械波在水中传递信息，广泛用于通信双方均在水面以下，或一方在水下另一方在水面的水下通信。水下无人航行器水声通信的主要用途是：海流计等传感器的数据传输；成像声纳的图像数据传输；航行器状态信息的传输；水声应答器等指令传输。虽然水声通信在浅海和深海的无线通信领域中已经得到广泛应用，但仍面临着通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重、传输速率低、延时较长、功耗和体积大等问题，尤其是在长距离传输过程中。目前，水声通信技术已发展到网络化阶段。所谓的水下传感器网络是指将能耗很低、具有较短通信距离的水下传感器节点部署到指定海域中，利用节点的自组织能力自动建立起网络网络中的节点利用传感器实时监测、采集网络分布区域内的各种检测信息，经过数据融合等数据处理后，通过具有远距离传输能力的水下节点将实时监测信息送到水面基站，然后通过近岸基站或卫星将实时信息传递给用户。

水声传感网

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