声呐

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  声呐汉语拼音:Shengna;英语:Sonar),利用声波对水下物体进行探测和定位识别等的技术及其所用设备的总称。英文sonar一词的音译,由sound navigation and ranging (声音定位和测距)的字头组成。海水是电的良导体,电磁波光波包括激光等在海水中传播时都会很快衰减。声波是现今已知的唯一能在海水中远程传播的能量形式。

简史

  1914年法国科学家P.朗之万俄国工程师康斯坦丁·基洛夫斯基利用电容发射器和一只放在凹镜面焦点上的磁粒微音器进行实验,到1916年接收到海底回波,这是声呐的雏形。1917年朗之万发明的回声声呐,第一次接收到远在1,500米之外的潜艇回波,实现了声呐对潜艇的探测。

  声呐现已被广泛应用于海军的各个兵种。它不仅是探测潜航潜艇的手段(如各种舰用声呐、机载声呐、岸基声呐等),也是潜航潜艇了解周围环境的主要手段。声呐还被用于探雷、导航、航道测量、鱼雷制导等方面。

  民用领域声呐被广泛用于海洋资源的开发和海洋监测,包括捕鱼、海底油气资源勘探、水下定位和导航、海难救助、水下探宝等方面。

基本原理

  按其工作原理可分为被动声呐(无源声呐)和主动声呐(有源声呐)两大类。主动声呐向水中发射声波,通过接收水下物体反射回波来发现目标,并测定其运动参数(如方位、距离、运动速度等)。目标距离可通过发射脉冲和回波到达的时间差来估计。目标方位则通过测量两个接收子阵间的相位差来确定。目标的运动速度根据分析回波信号的多普勒频移给出。有源声呐由发射机、声阵、接收机(包括信号处理系统)、显示控制台等几个部分组成。被动声呐通过接收目标的辐射噪声,探测目标并测定其参数。它由接收声阵、接收机(信号处理系统)和显示控制台三部分组成。被动声呐只能测定目标的方位角而不能给出目标的距离,测向原理与主动声呐相同。被动测距声呐则是利用三子阵测量辐射噪声波阵面的曲率从而测定目标的距离的。通信声呐兼有主动声呐与被动声呐的特征,主要目的是建立潜艇、水面舰艇间的水下通信,而不在于测定对方的方位、距离等参数。目标识别是主动声呐和被动声呐的一个重要功能,根据声呐接收的水下辐射噪声或回波信号,分析它的特征,并进行判断,确定目标的类型。

结构

  声呐基阵可分为发射基阵和接收基阵两大类。基阵由换能器基元组成。发射基阵把来自发射机的电能转换为声能向水中发射;接收基阵把水中声信号转换为电信号送到接收机。用多个换能器组成发射声基阵的目的是使整个基阵产生一定的方向性,便于声能集中向水下一定的扇面发射;对于接收基阵相当于形成一个空间滤波器,抑制干扰。多数接收信号用的换能器阵用压电陶瓷材料制成;发射换能器基阵的制作则采用压电陶瓷、铁镍合金等材料。

  声呐往往工作在很强的干扰背景中,接收机的任务就是把来自声阵的信号进行放大和处理,从干扰背景中检测信号并测定其参数。现代数字式声呐接收机由预处理器、数字信号处理器和后置数据处理器和显示控制器几部分组成。预处理器的作用是信号调节,包括低噪声放大、抗混淆滤波、采样及模数转换。信号处理器的作用是获取空间和时间增益,进行目标检测与参量估计,主要功能有波束成形、自适应滤波、匹配滤波、卡尔曼滤波、窄带谱分析、自适应线谱增强、目标运动轨迹提取等。后置处理器对信号处理器的输出数据进行恒虚警处理、野值过滤、统计判决、自动跟踪及目标识别等。声呐显示控制器主要有两方面的功能:显示探测结果,包括字符、图形;人机对话。显示内容包括方位幅度显示、方位历程显示、自动跟踪结果、故障自检的结果、鱼雷报警状态、目标频谱信息、战术态势显示等。声呐员可通过显控台对声呐工作进行有限的干扰,如输入声速陡度、指定跟踪目标、确定报警优先级、是否进行主动声呐发射等。

影响因素

  声呐的工作性能受海洋环境因素影响很大,不同季节、不同的气象条件声呐的性能都是不同的。直接影响声呐的因素有传播衰减、多途效应、混响、海洋噪声、声呐平台的自噪声、拖曳体的流噪声、目标反射本领等。这些量又与海洋环境因素有关,如声速–深度分布、波浪、海底底质、水深、水体温度分布、内波、海流等。