水声探测技术综述

改变 时， 可以使与它相连的膜 片运动 从 而向外 １９ 年完成了实验样机 ， ９５ 作用距 离达到 ４ ０ ０ｍ， 辐射声波 静， 能器在 空气 中有广泛应用 如 分辫率达到 １ｅ 。国外 目 的发展趋势是提 电换 ０ｍ 前 高分辨 率和作用深度 。声层析技术是美 国人于 电容传声器 但在 。水声 中应用很 少。 ３ 可变磁 阻换能器 ３ １７ 年提出来 的概念 ， 理类似 于医疗 器械 ９９ 其原 它是静 电换能器 的磁 学类 比 改变通 电线 ｃ ， Ｔ 它通过溯量声速传播的时问来计算传播路 圈中的电流 引起磁极 面间缝 隙 中力 的变化 产 径上的平均温度 ， 通过测量声在双声线传播的 生膜片 的振动 从 而幅射声 波 时 间差来测量 上升流 、通量 、涡流等动力参数 ３ ． ４磁致伸缩换能器 ＡＩ 计划利 用了声层析 中的测 温方法 ， 以监 ， 可 它最适 合于在声 阻抗 较高 的介质 如海 水 测 两点之间万 公里级距离 内的温 度平均 变化 ， 中工作 在水声 中广 泛应用 。 从 而监测 气候 波 动与温 度 渡动之 间 的相关 关 ３ － 电换能器 ５压 一 系。 我国已经参加 了 Ａ ｏ ｉ￣ｌ这是 目 国际 ＴＣｉ ， 。 前 它可以 由真正 的压 电材 料 如石英 也可 以 上很热 门的一项研究计 划和实验技术。水下声 弹性振动的传递过程，由弹性理论可知， 在无 是 由已极化 的电致伸缩材 料 ，如特种陶瓷 目 前 多媒体通讯技术 在水下声图像 、数据及语音通 限介质 中不考虑体积压力 作用 时， 用位 移表示 用的较多的是 钦酸钡 错钦酸铅 。 讯 中有重要应用价值 ， 是很有 开发前 景的高技 的各 向同性的理想 弹性体 的波动方 程如下 ： ４信号处理 术 ， 键要解决的 问题是增加传输 距离 ， 关 提高图 随着信 号处理技 术的迅速发展 ，特别是 以 像的７Ｙ率 ， Ｊ） ＇ 降低误码率 。 正在研究 １０ｍ ＂ Ｉ 国外 ０ｋ 尸 数字信号处理器及其相关算法 为技 术支撑的数 级的声 数据传输技术 。目前 ６ｍ左右的声数据 ｋ ０ Ｈ 日 字滤波技术的 出现 ，使得信号滤波处理 的性能 传输技术 已成 熟 ， 已商品化 ， 率为 １０ ， 并 波特 ２０ （＋ ＋ ） ） 、 Ｖ （） 得到了大幅度 的提高 。在水声信 号处理器 的研 国 内已开展了一些研 究 ， ２ 取得较好的成果。 制中 ， 了针对 性的 自适应滤波模块 ， 用现 采用 应 ６结论与展望 ｐ ： （ ＋ ） ＋ ｖ ． ６ Ｏ “ （ ） 代 数字信号处理技术和相应 的软件算法 对海洋 ３ 海洋 环境要 比陆地 环境更为复杂 、 为恶 更 ０Ｚ 环境条件下的水声信号进行处理 ， 从而 克服了 劣 、 为多变 。在海洋环境下作业将 遇到盐雾 、 更 疗』 Ｏ Ｏ ｕ． ｕ 式中 言 表示在声 波扰动下 海洋环 境噪声 、 自噪声及 干扰信号 ， 了被测 海水 、 、 、 浪等恶劣环境 的干扰 ， 增强 高压 台风 大 长时 体积相 对变化 ， 积膨胀 率 ， ￣ ｕ， 表 信号 的有 效 陛， 为体 ｔ ｔ 分别 ｌｌ ｘ… 并顺 利实现 了海洋复杂环 境条 间工作 的水下仪器设备还要受 到海洋 附着生 物 示 Ｘ Ｙｚ 向的位移 ， 和 为拉梅常数 ， ， ，方 入 件下水声 信号处理功能 。 自 适应 系统最大 的特 的污损 ，海上试验仪器设备还可能受 到渔 民的 点 是具 有时变和 自动调整性能 。它 可以通 过 自 干扰。这些环境条件都为海洋 观测技术 的发展 ｖ ： ｚ ＋ ＋ ０ Ｏ ｘ ｙ 为拉 普拉 斯算 子 ， 为 密度 。 身与外界 环境 的接触来改善 自 ｐ 身对信号处理 的 增加 了很多 的风 险． 也增加了很 多的困难 。一 台 由（（ 可算得 ： １２ ）邸） 性 能， 而无 需知道信号 的结构和信 号的实 际知 经 室内检测和试验非常优 良的仪器设备 ，投入 识， 假如一 个 自适应滤 波器输入 的仅为有用 信 海上使 用时 ， 因细小的水密不 良或盐雾对接 会 ￣ 号 ， 可以调整 为一个 全通滤 波器 ； 它 若输 人 为 插件 的腐蚀 ， 使全套 仪器 功能损失 殆尽 ， 为” 变 有用信号并掺 杂噪声 ， 可 自动调整为一个带 废铜烂铁 ” 则 或根本不能丁作 ， 这套 仪器有可能 而 通滤波器 。 海洋环境条件恶劣 ， 环境 噪声和 投 入数百万元 的 巨资 因此发展 海洋 高技 术要 海洋 式 中 Ｅ为 弹性模 量 ， 剪切模 量 ，为泊 传感器 的自噪声 ， Ｇ为 使得水下声信道 的信号变得 有 良好 的经 济支撑 能 力， 会有 较大的风险 。另 松 比 ，。 ｃ 为纵 波及横波传播速 度 。可见 只 十分复杂 ， ｃ和 ｔ 在水声传感器使用 中 ， 往很难获得 外 ， 往 海洋环境 的多变性 ， 也增加 了海 洋技术发展 要测得 纵波及横波传播 时间 ，计算 出 Ｃ及 ｃ， 水声信号 的统计 特 性，自 应信号处理方法恰 的难度 。如卫星遥感在 陆地 环境和资源遥感探 。 ｔ 适 由 （（ 可算出介质 的动弹性力学参数 Ｅ Ｇ及 好为传感器性能 的提 高提供 了条件。 自适应滤 测 中已发挥 了重大作 用 ， 信息 系统ｆＪ也 ４５ ）） ， 地理 Ｇｓ ） 此外声速还反 映介质 的密实程度及各种不连 波技术在水声信号处理 器中的应用 ，不仅解决 已获得较为广泛 的应用 ， 但卫 星遥感 在海 洋环 续面 ， 缺陷及结构特征 。 了对已知信号 的 自 动滤 波和跟踪 ，系统结构也 境 和资源遥感 探测 中的资料利用 率却相 当低 ， ３水声换能器 更为简化 ， 动态性能大为改善 ， 而且还 缩短 了信 要在海洋上建海 洋地 理信息系统ｆＩ） Ｇｓ 也是相 当 水声换能器是把声能和 电能进 行相互转换 号 的处理 时间 ， 使信号实时处理变为了现实。 困难的事。因此 ， 对海洋 环境 的— 监测往往要求实 的器件 。在声纳中的地位类似于无 线电设备 中 ５水声探 测技术 的应用进 展 时连续监测 ， 以期能较为真实地反 映海 洋环境 ， 的天线 ， 是在海水 中发射 和接收声 波的声学系 水声探 测技术在海洋观 测和水下 目标探测 这也增加了海洋观测技 术发展 的难度 。 有很 重要的地位 ，是实现水下 目 标遥 测的 参考文献 统。其中把声能转换为电能 的换能器 叫作 接收 中 占 器或水听器Ｉ 电能转换为声能的换 能器 叫作发 主要手段 ， 以前偏重于军事应用。 把 但 随着冷战时 ［吴曾庆 ， 波检 测的发射与接 收 ， １ 】 声 中国地 质 灾 射器 。有些声纳用同一只换能器来发射 和接收 代 的结 束 ， 大量军 事应用水声技术转 向民用 ， 海 害与防治学报ｌ，９８ Ｊ １９． Ｊ ９ 声音 一些则使用分开的发 射器 和水听器。通 洋声探测技术将 会得到较快 的发展 。 目前 ， 国 ［ 曾台英 ， ２ １ 贾叔仕 ， 声换 能 器及其 研 究和发 水 常按换 能器 的机理把水声换能器分为 ５ 。 类 际上 比较 成熟 或正在发展的海洋声探测技 术是 展 ， 仪表技术 与传感 器 ２０ ，０２ ３ ． Ｉ动圈换能器 海流剖 面测量技 术 、 成像技术 、鱼群探 测技 ｌ李启虎 ， 声 ３ １ 水声学研 究进展 ， 学学赧 ，０１ 声 ２０２ 载有信号 电流的环形线圈在磁铁 的环形缝 术 、 声层析技术 、 声学多 波束 测深技术及声通 讯 孙兵， 自适应 滤波技 术在水 声信 号处理 器 中 隙中， 的恒定磁场里运 动 线 圈的运动传到与外 技术 。合成孑径声 呐是 利用接收基阵在拖 曳过 的应用， Ｌ 桂林工 学院 学报Ｊ ，０ ８ Ｊ ２０ ． １ １ １ 壳 相连 的膜 片上 向外 部介质辐 射声 波 这种换 程中对海洋中目 标反射信号的时间采样 ， 经延 ［朱光文 ， 海 洋观 测 高技 术 ， 洋技 术叨， ５ ］ 发展 海 ９ ７１ 能器被广泛用作水下宽带校准声源。 时补偿构成 目 的空问图像 。它 以小孔径 的基 １ ９ ．２ 标 ３ ． 电换能器 ２静 阵获得大孔径基 阵才具 有的分辨率 ，国际上 一 作 者简介 ： （ ８一， ， 黄威 １ ４）男 中国地 质 大学 ９ 当在一个 介 电媒 质分开 的表 面充 以不 同 直到 １９ 年 才在技 术上有所突破 ， ９２ 并且 出现 了 （ 武汉 ） 机械 与电子信 息学院检 测技术与 自 动化 电荷时 ， 将互相吸引而产 生力 当电荷 变化使力 被 动 和 主动 两种 工 作 方 式 的合 成 孑径 声 呐 ， 装 置专业在读硕士 ， 究方向为无损检测技术。 Ｌ 研 水声遥控 系统 框架 、 应用情况 ， 情况 近 发展 年来 ， 由于军事和海洋开发 的要求 ， 开始越 人们 来越重视水下通信系统 的研究与开发 。由于电 磁波在水 中传播时衰减严重 ，而声波是人类迄 今为止已知的唯一能在水 中远距离传播 的能量 形式 ， 以海 洋 中检测 、 信 、 位和导 航主要 所 通 定 利用声波 。 ２声波检测原理 声波 威 超声波） 所测的声学参数是： 被检 测介质 Ｌ距离 内的声波传播 时间 Ｔ波幅 Ａ 及 、 波动 的振动频率 Ｆ 介质 内声波 的传播， 。 是质点
黄 威
（ 中国地质大学 机械 与电子信息学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０４ 摘 要： 随着海洋开发的 日 益深入 ， 用于水下探测的相关技术越 来越 受到人们的重视 。水声测深技术作为用于水下探测的一种重要 技术， 主要 用来测 量水 中物体 的位 置及 形 态和对 水 下地形 的描 绘 。本 文 简要 介 绍 了水声探 测的基 本原 理 ， 分析 了其 中的关键 技 术 ， 并对其 未 来的发展 进行 了展 望 。 关键 词 ： 水声 ； 测 ； 探 技术
１引言
罢 ＋
（ １ ）
＝
／Ｅ１ ｐ ） （１ １） ＋（ （ － ｏ
（ ４ ）
ｅ ＝ ＝ Ｊ
（ ５ ］
。
一
６一
中国新技术新产品