声呐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。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，是声⾳导航测距的缩写。它利⽤声波在⽔下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成对⽔下⽬标进⾏探测、定位和通信，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。
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。
声纳技术
声纳技术按⼯作⽅式可分为主动声呐和被动声呐两类：
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主动声纳⼯作原理
扑克牌纸声纳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个部件组成，发射机⽤ 于产⽣需要的电信号，以便激励换能器将电信号转变为声信号向⽔中发射，⽔声信号若遇到⽔下⽬标便会被反射，然后以声纳回波的形式返回到换能器（⽔听器），换能器（⽔听器）接收到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，从⽽完成声纳的使命。我们⽇常的海洋探测多利⽤主动声纳进⾏作业，主动声纳主要由声纳基阵、收发转换器、接收机、指⽰器、发射器、定时中⼼以及控制同步设备等七个部分组成。
02
被动声纳⼯作原理
被动声呐技术是指声呐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，以测定⽬标的⽅位和距离。它由简单的⽔听器演变⽽来，它收听⽬标发出的噪声，判断出⽬标的位置和某些特性，系统的核⼼部件是⽤来测听⽬标声波的⽔听器。由于被动声波技术在海⽔中只是单程传播，特别适⽤于不能发声暴露⾃⼰⽽⼜要探测敌舰活动的潜艇。
⽔声换能器是声纳系统的重要部件，根据⼯作状态的不同，可分为两类：
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⼀类称为发射换能器，它将电能转换为机械能，再转换为声能；
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⼀类称为接收换能器，它将声能转换为机械能，再转换为电能。
实际应⽤中的⽔声换能器兼有发射和接收两种功能，现代声纳技术对⽔声发射换能器的要求是：低频、⼤功率、⾼效率以及能在深海中⼯作等特性。根据⽔声学的研究，⼈们发现⽤低频声波传递信号，对于远距离⽬标的定位和检测有着明显的优越性，因为低频声波在海⽔中传播时，被海⽔吸收的数值⽐⾼频声波要低，故能⽐⾼频声波传播更远的距离，这对增⼤探测距离⾮常有益。
声波的传播影响因⼦
影响声呐⼯作性能的因素除声呐本⾝的技术状况外，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。例如，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，以及出现声阴区，严重影响声呐的作⽤距离和测量精度。
声波衰减是声能在⽔体纵向上因⽔分⼦吸收、球形扩散和散射⽽造成的能量损失。吸收是海⽔纵向⽅向上的⼀些⽔分⼦离合的结果。海⽔中的氯化镁是吸收的最主要因素。吸收的快慢取决于海⽔的物理化学特性和声波的发射频率。⼀般⽽⾔，发射频率⼤于100kHZ其吸收系数随温度的增加⽽增加。散射损失与海⽔纵向上的细⼩物质有关；散射主要由海洋⽣物造成的，海⽔深处的浮游⽣物聚集在深层散射层(DSL)，深层散射层的厚度每天都有变化。当声波或声能穿过不同的界⾯时，声波的⽅向就会因声速的变化⽽折射，从⽽两个界⾯的声速不连续。
现代声呐必须根据海区声速--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。
声呐技术的发展简史
声纳技术的诞⽣有两个基⽯：⼀是1827年瑞⼠物理学家DanielC和CharlesS合作，精确地测出了⽔下声速（由它⼈们才可以准确地计算出⽬标的距离）；⼆是19世纪中叶发明了碳粒微⾳器（它是⼀种最早、最灵敏的⽔听器）。1912年豪华巨轮“泰坦尼克”号与冰⼭相撞，以及1914年第⼀次世界⼤战的爆发，极⼤地促进了民⽤和军⽤声纳的研制和发展。第⼀部反潜声纳的问世是在第⼀次世界⼤战中，但当时由于理论和技术上的不完善，这种⽔声回声定位系统的性能很不可靠，因⽽在对付德国U型潜艇的威胁⽅⾯尚未作出贡献。随后，⼈们利⽤回声探测设备⼜制成了航海⽤的回声仪，这些更增加了⼈们应⽤声纳技术服务于军事及民⽤的信⼼。
⼤约在1925年左右，德国“信号”公司将其⽣产的声纳设备定名为“测深仪”，并在美国和英国有商品销售。同时，美国海军实验室的领导其成员积极改进对潜艇进⾏回声定位的⽅法，他们通过采⽤磁致伸缩换能器到了回声定位中合适的发射换能器。与此同时，由于电⼦学的发展，已经可以使声纳信息经过放⼤和简单的处理显⽰给观察者。⼤约在1935年，德、英、美三国⼜研制出了⼏种较为实⽤的声纳，1938年，声纳设备开始在美国批量⽣产。到第⼆次世界⼤战，⼏乎所有的军⽤舰船都装备了声纳系统，并在海战中发挥了⼗分重要的作⽤，当时交战各⽅损失了⼀千多艘潜艇，绝⼤多数是被声纳发现的。第⼆次世界⼤战后，军⽤声纳技术继续发展，但各个国家都将这⽅⾯的最新技术列为严格保密的范围。⼈类进⼊20世纪七⼋⼗年代以后，随着海洋开发事业的迅猛发展，声纳技术以惊⼈的速度向民⽤⽅⾯转化，出现了各种⽤途的现代化声纳，如导航声纳、通信声纳、侧扫声纳、远程警戒声纳、⽔声对抗声纳、拖曳阵声纳、⾃导声纳、⽔雷⾃导声纳等等，声纳技术已⽇趋成熟和完善。 ⽔声测深技术的应⽤
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在军事领域
⽔声技术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。随着现代声
车辆定位纳技术的发展和进步，新⼀代声纳具有更先进的探测性能和更远的探测距离，⼀些⾼科技声纳还具有相当⾼的分辨率，能够识别蛙⼈和可疑⽔下航体。
有更先进的探测性能和更远的探测距离，⼀些⾼科技声纳还具有相当⾼的分辨率，能够识别蛙⼈和可疑⽔下航体。
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在海洋测绘领域
随着海洋⾼新技术的介⼊和装备的不断升级，⽔下地形声学探测技术获得了迅速的发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘⽅⾯的重要研究领域之⼀。
通过向⽔下发射短脉冲，并测量海底回波的到达时间来随时测量舰船所处位置的海底深度。传统的单波束测深仪有两个缺点：由于采⽤单波束，测线之间可能会形成障碍物漏测，从⽽降低了海图的可靠性。为了接收回波，⼀般测深仪的波束都⽐较宽，但是宽波束⼜有另外的缺点，即如果海底深度变化⽐较快的话，测量结果就会有误差。由于其设备简单，⼴泛地应⽤于航海保证、海洋开发等⽔深测量中，但不适⽤于港⼝、航道等⾼精度⼤⽐例尺、要求全覆盖式⽔深的测量区域。
无线开关
(2)侧扫声纳
是基于回声探测原理进⾏⽔下⽬标探测的，通过系统的换能器基阵以⼀定的倾斜⾓度、发射频率、向海底发射具有指向性的宽垂直波束⾓和窄⽔平波束⾓的脉冲超声波，在触及海底⽬标后发⽣反射和散射，利⽤显⽰器上显⽰各表层图像的不同特征，经过图像判读，判别其海底⽬标特征，⽤于出露于海床⾯以上的海底⽬标探测。侧扫声呐配备有计算机图像处理甚⾄识别系统，可以分析海底⽬标的⼤⼩、形状、深度等，具有较⾼的分辨率。但由于侧扫声呐只能对波束空间进⾏粗略定向，因此对于海底⽬标深度不能精确测定，详细精确探测还得借助于潜⽔员潜摸、单波束测深仪探测、多波束测深设备扫海等其他办法辅助。
(3) 多波束测深
20世纪70年代，出现了多波束测深系统，它能形成⼀定宽度的全覆盖的⽔深条带，可以⽐较可靠地反映出海底地形的细微地貌起伏，也可称为微地貌测量，⽐单波束⽔深测量确定海底地形更为真实。多波束测深系统通过接受波束形成技术能够实现空间精确定向，利⽤回波信号的某些特征参量进⾏回波时延检测以确定回波往返时间，从⽽确定斜距以获得精确的⽔深数据，绘制出海底地形图，达到海底地形精确测量的扫测⽬的。
与单波束回声测深仪相⽐，多波束测深系统具有测量范围⼤、测量速度快、精度和效率⾼、记录数字
化和实时⾃动绘图的优点，把测深技术从原先的点、线扩展到⾯，并进⼀步发展到⽴体测深和⾃动成图，极⼤地提⾼了海洋测绘的⼯作效率，现已朝着⾼精度、智能化、多功能的组合式测深系统⽅向发展。从上世纪80年代中期以来，许多制造公司也开始进⼊这⼀领域，研制出不同型号的浅⽔⽤和深⽔⽤多波束测深系统，波束可由数⼗个到⼏百个⼦波束不等。浅⽔多波束测深系统深度量程为3～400m，深⽔多波束测深系统量程可达10～11000m，覆盖范围可达2.5～7.4倍⽔深。
(4) 浅地层剖⾯仪
是发射低频⼤功率脉冲信号，利⽤低频脉冲声波对海底松软⼟层具有穿透能⼒的特征，根据掠过各层介质的⼊射声波和回波的形状、性质来确定海底的反射系数，从⽽了解海底表层松软⼟层的层位厚度及⼤致层理性质。
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在海流流速测量领域tsf过载保护
现代声纳技术可以利⽤多普勒效应进⾏流速测定，这种声纳系统使⽤⼀对装在船底倾斜向下的指向性换能器，由海底回波中的多普勒频移可以得到舰船相对于海底的航速；另⼀⽅⾯，若将声纳固定在流动的海域中，它可以⾃动检测和记录海⽔的流动速度及⽅向。
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在海洋渔业领域
探鱼仪是⼀种可⽤于发现鱼的动向、鱼所在地点、范围的声纳系统，利⽤它可以⼤⼤提⾼捕鱼的产量和效率；助鱼声纳设备可⽤于计数、诱鱼、捕鱼、或者跟踪尾随某条鱼等；海⽔养殖场已利⽤声学屏障防⽌鲨鱼的⼊侵，以及阻⽌龙虾鱼类的外逃。
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在⽔下声学定位领域
海洋中⽔下环境复杂恶劣，因此为⽔下作业设备进⾏准确的定位，对于掌握设备⼯作情况、回收海洋监测数据和设备具有⾮常重要的意义。⽔下声学定位技术出现时间早，发展速度快，如今已经⼴泛应⽤于海洋⼯程的各个⽅⾯，适⽤于潜标、海床基和⽔下深潜器等⽔下作业设备。由于潜标系统和海床基系统中集成安装了声学释放器，可完成定位作业中的测距⼯作，⽆需额外安装专门的⽔声通讯装置，因此此项技术在潜标和海床基的定位应⽤中具有先天的硬件优势。
对⽔下⽬标声源进⾏探测、搜寻和定位时，设置声基阵为⽬前应⽤最⼴泛的⼀种⽔下定位技术。根据作业系统定位基线的长度，可分为长基线阵 (LBL)、短基线阵 (SBL) 和超短基线阵 (SSBL/USBL)。主要由声学通讯装置及其甲板单元、船载测深仪、GPS和基于VB平台的⽔下⽬标定位测算软件等组成。
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在⽔声通信领域
ip调度系统
⽔声通信是⽔⾯舰艇、潜艇间相互通信的重要⼿段，利⽤声纳系统在⽔下可代替导线的连接，使⽤声束来传递信息，实现舰艇之间的通信和交流。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，电接收机将信息再转换成变成声⾳、⽂字及图⽚。声⾳是由于震动⽽产⽣的，在海中我们要把通信信息传到远处，需是把空⽓换成
是海⽔，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。
当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。⽔声通信还⽤于⽔下深潜器的命令和数据传送，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。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。
声学测深技术的未来发展
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