上篇 水声探测原理

第1章 绪论

1.1 概述

虽然人类已有数千年的文明史，但是采用科学方法和手段对海洋进行考察和研究的历史不超过200年。若要探索海洋的奥秘，对其进行观察和研究，就应选择适当的、能够携带信息的载体。人们尝试过将各种能量形式（如电磁波、激光）在水中进行传播以探索和开发海洋，迄今为止声波被证明在水中具有最佳的传播性能，因此水声技术成为探索和开发海洋的主要手段。

声源发出声音（发声源或声散射体），经由海洋信道，穿过海水介质，到达水声接收传感器。水声接收传感器接收到的信号含有目标的信息，系统根据接收到的信号来判断目标的有无、特征、状态等信息。这样一个描述起来并不复杂的过程，却因为海洋信道的特殊性（如多途、频率扩展等），使得对目标的探测和参数估计往往达不到理想的效果。尽管如此，人们还是研制了各种利用声波来进行水下目标探测、定位、跟踪，以及水下武器的射击指挥、水下通信、水雷探测、水下导航等的各种军用和民用设备，以满足人们日益增长的探索海洋、开发海洋、维护海洋权益的需求。从广义来说，这些利用水下声波进行工作的设备都可以被称为声呐（也写作声纳）。

水下目标探测，是指利用目标自身发出的声波（包括自身的噪声或主动发出的声信号）或目标的回波来确定目标的存在。定位则是利用声波来确定目标的位置，包括目标的距离、方位和深度。对水中目标进行连续不间断的跟踪探测称为跟踪。区分目标类型和性质的过程就是人们通常所指的识别过程。所谓区分目标类型和性质是指确定目标的大小，确定目标是假目标还是真目标（如石头、鱼或舰艇），是我方舰艇还是敌方舰艇，是何种类型的舰艇等。军事上的水声通信是指各潜艇之间，潜艇与水面舰艇之间利用声波传递信息。水面舰艇之间一般不使用水声通信。导航是声呐的另一个广泛应用领域，可以利用声呐测量水深、本舰的航速，从而提供本舰的位置和速度等参数。例如，船只在进港时常用多普勒导航声呐进行导航，潜艇在冰下航行也必须利用声呐进行导航。近年来，水下武器广泛利用非触发声引信，因此利用声波使武器（如鱼雷）导向目标的声制导技术就得到广泛应用。例如，鱼雷上常安装主动或被动式声波导向目标的制导装置，而新型水雷也逐步向这个方面发展。侦察敌方声呐参数（如频率）或利用干扰声和假目标来压制和迷惑敌方声呐的技术统称为水声对抗技术。

水声通信最初主要应用于军事领域，当前军用水声通信主要包括：潜艇之间、潜艇与水面舰艇之间、潜艇与岸站指挥基地之间的通信，潜艇与水下作战平台、军用蛙人之间的通信，以及军用水声网络节点之间的通信、对水下无人作战平台实施检测和导航、对鱼雷进行远程声遥控等。为了满足海洋开发和资源利用的迫切需求，水声通信已由军用领域迅速地向民用领域延伸和发展，典型的应用有：进行水下探测、救护、打捞等作业的潜水员之间，以及潜水员与水面指挥船之间的通信。另外，海上石油工业的遥控、水下管道的铺设、海洋环境参数的自动监测、海洋平台上科研数据的回收，以及开发新能源等都需要水声通信。

声呐广泛应用于民用领域是从第二次世界大战结束后，且随着海洋事业的发展，其使用范围日益扩大。除回波测深外，海底地貌测绘、海洋地质考察、船舶导航、鱼群探测、遥控遥测等都越来越依赖声呐。在海上进行石油勘探和开采的过程中，在水下进行石油管道铺设与定位、船舶动力定位、井口重入等工作时，声呐已经开始发挥重要作用。

本书的主要内容是叙述声呐系统探测、定位、跟踪、侦察和通信的原理和方法。有关水声学本身的问题（如声波在水中的传播规律、声辐射、声波的反射、声波的目标特性，以及水下噪声的理论等）不在本书的讨论范围内。