声波在水中的传播特性和水中目标探测的研究

声波在水中的传播特性和水中目标探测的研究

摘要：

1912年4月19日，英国刚刚研制成功的一艘14000吨级的新邮轮“巨人号”，在加拿大纽芬兰岛南部海域被一座浮动冰山撞沉。结果1500余人遇难。在第一次世界大战期间，德国人利用新发明的U型潜艇，击沉了大量协约国的军舰和商船。两件重大事件促使科学家、发明家对声纳的研制和改进加快了进程。声纳的用途十分广泛。在军舰、潜艇、反潜飞机上安装声纳之后，可以准确确定敌方舰艇、鱼雷和水雷的方位。同时，它还能区别前方的目标是鲸鱼还是潜艇，是敌方潜艇还是我方潜艇呢。在民用方面，可以使轮船在黑夜和雾天航行时及时发现前方的船只或暗礁；可以告诉渔民哪儿有鱼群；还可以用来研究海洋地质，搜寻海下沉船，进行水下通信联系等等。

关键词：声纳组成和工作原理简史现状发展趋势

英文翻译：

Acoustic wave propagation in the water and the water target detection research

Name: Liu Yi Yao Tian Units: College of Nanjing University of Technology and Engineering Zijin

Abstract:

April 19, 1912, the United Kingdom has just been successfully developed a new 14,000-ton cruise "giant" in the southern island of Newfoundland, Canada, was a sea of floating iceberg sank. Results More than 1,500 people died. During the First World War, the German use of the new invention of the U-shaped submarine to sink a lot of Xiediguo warships and merchant ships. Two major events prompted scientists, inventors of the sonar in the development and expedite the process of improving. Sonar uses very wide-ranging. In warships, submarines, anti-submarine sonar installed on the aircraft, can be accurately determined enemy ships, torpedoes and mines position. At the same time, it can also distinguish between the target is a whale in front of the submarine or is our enemy submarines or submarine it. In the civil context, will enable vessels navigating in the darkness and fog at the time found in front of the vessel or reefs; can tell fishermen where there are fish, but also can be used to study the marine geology and search under the sea shipwrecks, underwater communication links etc..

Key words: sonar composition and working principle history Status Quo Development Trend

正文：

作为弹性波的声波在水中传播具有损耗小、传播距离较远的优点，所以声纳已成为海洋开发和研究中不可缺少和行之有效的探测设备．但根据海洋声学的基本特性，海水中声波的传播速度受海水的温度、盐度和水压等环境因素影响较大，这对声纳探测，特别是测深的影响非常大，它直接改变海水中声波传播轨迹：声速变化为正梯度时，水下声源发出的声线向海面弯曲；声速变化为负梯度时，声线向海底方向弯

曲。线轨迹改变的大小程度受声速梯度分布影响很大。

由于海洋介质的不均匀性和多变性导致声速分布规律非常复杂，所以声波在海洋中的传播规律不仅取决于海洋的边界条件,海水的温度、盐区分布，海水中含有成分变化等等，而且还受到海洋动力因素和时空变化的制约．这样声纳在进行水下探测时，有时会造成较大的定位和方向偏差；再者海洋环境中存在复杂的噪声，除了海洋介质本身运动的发声外，还包括大部分海洋生物发出的声音，对探测造成极大的干扰．这些干扰不仅覆盖了整个声波频段，而且波形从脉冲波到正弦波都有，其分布是无规律的．由于海洋中声波的长距离传播能力，各种噪声都会对声纳探测构成干扰，使之难以捕获和辨认目标，特别是小目标．

另外，声波传输在通过大气-水界面对反射损耗大，在直接二维成像方面也存在难以克服的缺陷.目前正在研究的成像产纳只能利用阴影方式对目标轮廓进行粗略估算．所以利用其他手段(如电磁波)来弥补声纳探测的不足成为完善水下目标探测系统研究的重要课题，蓝绿光在水中的光谱透射使得光波成为水下探测的一种新手段。

光波与声波相比．由于在水介质中的散射大，传播距离要短得多，但在其他方面弥补了声波的不足．首先，在水中光速受温度和盐度变化的影响较小，所以探测方向性好，定位较准确；同时根据电磁波成像的衍射理论，光波具有能直接二维强度成像、多光谱摄像以及图像分辨率高等特点，这对于自动、快速识别目标具有重要意义．特别是激光问世后，其亮度高、脉冲短、清晰度高等优点用于水下目标，特别是小目标，如水雷等的探测，可以获得声纳难以实现的成像、测距和定位效果；另外，激光的高亮度使得生物光和其他海洋光噪声均可以被有效滤除；激光的相干和偏振使制作两维空间滤波器成为可能，这种滤波器可用来提高图像衬比度及探测信噪比；作为系统载体方式来说，在空气一水界面传播时的高透过率和高清晰度也使得激光不仅在水下探测，而且在机载或星载(空对水)探测中都具有广泛的应用。

被动式声纳(噪声声纳)，主要由换能器基阵（由若干换能器以一定规律排列组合而成）、接收机、显示控制台和电源等组成。当水中、水面目标(潜艇、鱼雷、水面舰船等)在航行中，其推进器和其他机械运转产生的噪声，通过海水介质传播到声纳换能器基阵时，基阵将声波转换成电信号传送给接收机，经放大处理传送到显示控制台进行显示和提供听测定向(图1）。早期的噪声声纳搜索目标和测定目标方位，主要是转动换能器基阵对准目标，以最大定向法来完成；近代噪声声纳则由基阵和波束形成电路预成波束来自动完成。现代噪声声纳除完成对目标测向外，还能根据噪声目标的频谱特征等判明其性质和类型；噪声测距声纳还可对目标进行被动测距。

主动式声纳（回声声纳），主要由换能器基阵、发射机、接收机、收发转换装置（用于收发合一的基阵）、终端显示设备、系统控制设备和电源等组成。在系统控制设备的控制下，发射机产生以某种形式调制的电信号，经收发转换装置送到换能器基阵，由换能器将其变换成声能向水中辐射；同时，信号的部分能量被耦合到接收机作为计时起始(距离零点)信号。当声波信号在传播途中遇到目标时，一部分声能被反射回换能器再转换成电信号，经收发转换装置送入接收机进行放大处理，送到终端显示设备供观察和听测(图2)。