声纳培训教材

中船重工七五０试验场彩色图像声纳设备中国船舶重工集团公司七五〇试验场集中培训中船重工七五０试验场中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•达·芬奇的笔记意大利艺术家达·芬奇曾在笔记中记载：如果使船停航，将一根长管的闭口端插入水中，而将开口端放在耳边，便能听到远处的航船。•导航钟二十世纪初出现了由水下导航钟和碳粒微音器组成的导航系统。•动圈型振动器1912年英国邮轮“巨人号”遭遇冰山沉没，英国人理查森提出用空气声进行回声定位的建议，并提出了相仿的水声定位方案，是世界上第一个主动声纳方案。所谓主动声纳，就是一种自己向水中发射声波，并根据水中物体的回波来达到各种探测目的（比如定位）的水声设备。1913年，美国人费森登研制出一种新式动圈型振动器。（一）声纳的起源中船重工七五０试验场第一种水声导航系统中船重工七五０试验场费森登和他设计的动圈型振动器中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•漂流型听测设备水下反潜战促使声纳技术迅速发展。1914年7月第一次世界大战爆发，德国利用U型潜艇击沉了协约国大量军舰和商船，有效探测水下潜艇迫在眉睫，协约国套入大量人力物力进行探测方法和设备的研究，实践发现声学手段最有效，于是各种声纳系统竞相问世。美国人格雷设计，英国人后来进行了改进的“漂流型听测设备”，是一种具有方向性的声纳系统，可以大致确定敌方潜艇的方向。•改进型空气听测管人们对达·芬奇的空气听测管进行了改进，可测定水下噪声目标的方向。有经验的操作人员，可通过转动听测管的方向，来对水下目标进行较精确的定向。（一）声纳的起源中船重工七五０试验场漂流型听测设备中船重工七五０试验场安装在潜艇和水面舰艇上的SC型声接收器中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•郎之万换能器法国物理学家利用压电原理发明了石英-钢夹心型换能器，郎之万换能器的工作频率较高，具有较强的方向性。它的改进型一直使用到现在。郎之万还在实验中利用了刚刚问世的真空管放大器，这或许是电子技术在水声中的首次应用。1918年，第一次接收到了水下潜艇的回波，探测距离有时可达1500米。•回声探测仪第一次世界大战结束后不久，用于船舶导航的新型设备-回声探测仪诞生了。它是人们在研制探潜回声定位系统的过程中所得到的副产品。此后，由于电子技术的发展，水声换能器性能的改善，特别是对于声波在海水中传播规律的深入了解，使声纳技术不断地先前迈进。（一）声纳的起源中船重工七五０试验场郎之万和他设计的换能器中船重工七五０试验场二战时美国潜艇用JP型听测设备中船重工七五０试验场回声测距、听测和水下通讯兼具的QGB型声纳中船重工七五０试验场一种典型的潜艇声纳中船重工七五０试验场国产PS-I型海底地貌仪中船重工七五０试验场国产761型水平多波束鱼探机中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳技术面临的机遇和挑战早期的声纳设计建立在较为理想的模型基础上.无论是声纳设计者还是声纳使用人员,早就注意到声纳的性能与海洋环境密切相关.但是,由于两个方面的原因,使声纳技术发展的初期采用了比较简单的模型.第一个原因是人们对海洋中水声传播规律的研究和认识有一个由浅入深、由表及里的过程.虽然声纳的发明早于雷达19年,但是由于海洋环境的复杂特点,使声纳的发展在某些方面滞后于雷达,这是丝毫不奇怪的.第二个原因是由于硬件条件方面的限制.20世纪50—60年代,信息论已经为微弱信号的检测提供了相当充实的理论基础和实用技术,但是这些理论的应用需要非常复杂的计算,而在那时硬件设备还无力提供这种支持.自20世纪70年代以来,情况已经发生了很大的变化.微电子技术的发展使计算机硬件的面貌发生了巨大的改观,从而推动了数字信号处理领域的变革.英特尔公司的创始人之一摩尔在1973年提出了支配半导体工业发展的一个规律,就是我们现在所说的摩尔定律.这个定律说,微处理芯片每隔18个月性能提高一倍,价格降低到原来的二分之一.据摩尔自己说,早在1964年他还在仙童公司工作时,就已注意到这一事实了.1996年,他又在IEEEProc.上重新公布手稿,对自己的这一定律深信不疑。（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳技术面临的机遇和挑战微电子工业的这种迅猛发展势头,使得数字式声纳应运而生,并且使声纳设计者面临巨大的机遇和挑战.因为,作为数字式声纳硬件支撑的DSP芯片,似乎“无所不能”,过去很多受计算机能力限制的技术,现在都可以实现了.但是,很不幸,声纳的性能不仅仅依赖于硬件的能力,更大程度上依赖于主导声纳性能的建模技术、微弱信号检测算法、参数估计理论、人工智能等数字声纳设计者就是面临这样一种局面:硬件的发展向声纳设计者预示,只要你提出理论,我就能实现它;如果今天有一种目标识别的算法需要一个小时才能得出结果,那么10年之后,用不了1分钟就可完成.微电子技术的这种发展潮流也已部分地改变了信号处理理论的发展方向.20世纪60年代中期,当Cooley,Turky提出FFT算法时,有关改进的算法非常多,哪怕提高计算速度10%或节省存贮量10%的理论工作都还得到认可,但是10年之后,就没有人去做类似的工作了,因为硬件的发展使得那种小小的改进黯然失色.现在需要的是理论的创新,是那种能带来跨越式发展的新概念、新理论和新工艺.（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳技术发展的推动力-需求早期的声纳技术发展的最大用户是海军,即未来水下战的需求.Marburger在美国《防务新闻》(DefenseNews)周刊上提供了美国海军的一个有关安静型潜艇的辐射噪声的图,表明美国在20世纪90年代的海狼级核潜艇噪声和俄罗斯改进的Akula级噪声相当.在近30—40年内,潜艇的辐射噪声大约每年下降0.5—1dB,从而使被检测的距离每年缩小0.5—2km,而声纳技术的改进弥补不了这一下降趋势带来的损失。潜艇降噪用的是综合的技术,即同时考虑消声瓦和本艇辐射噪声的控制,称为CSMC(collabo2rativesignaturemonitoringandcontrol),防噪声辐射的核心技术是主动噪声和振动控制,即AMVC(ac2tivenoiseandvibrationcontrol).为探测安静型潜艇,需要发展大功率、低频、宽带换能器,需要发展主/被动的拖曳式线列阵声纳,需要发展潜用的细长缆拖线阵声纳,需要研究更有效的水声通信方法及水下定位技术等。（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳技术发展的推动力-需求在寻找新型水声换能材料方面,有的研究者认为,镍合金和压电陶瓷材料的设计极限早在25年之前就达到了.所以人们开始研究稀土系列元素的磁致伸缩特性,这类材料能产生较大的声功率,并且可以在低频、宽带下稳定工作.美国海洋实验室发现了一种镧和铁的合金,称之为Terfenol-D的磁致伸缩材料,据说已获得应用.这种T-D换能器具有良好性能,在合理使用时几乎不变形,样品经过上亿次发射仍完好无损,有可能成为下一代声纳发射换能器的首选材料.在众多水听器中,近年来发展较快的是一种聚偏二氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)薄膜,这是一种柔顺压电材料,加工较方便,压电常数非常高.目前已研制出厚度为1—2mm,面积为30×80cm2的薄膜面元水听器,它可以用于舷侧线列阵声纳中,其缺点是它的电压灵敏度对温度比较敏感.（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳技术发展的推动力-需求在由于声纳性能与海洋环境的密切关系,需要声纳设计者寻求一种新的体系结构,它能把海洋环境融入声纳的整体设计中,以便使声纳系统的性能对模型失配更宽容一些.这就是基于模型的声纳系统.它是立足于宽容性检测的原理.任何声纳系统的设计都是基于某种模型的假设,然后在这种假设下寻求一种最佳的处理方法.当实际环境符合最佳处理的假设条件时,系统的增益很大,但是一旦模型失配,最佳检测器的性能迅速下降.而宽容性检测就不同,它虽然在理想条件下的增益不如最佳检测器,但是对模型失配却显得很“宽容”,具有相对来说变化不大的系统增益.研究模型失配的概念非常重要,可惜到现在为止,我们还无法在理论上回答模型匹配以及失配应如何从数值上进行刻划.对声纳技术的需求还来自海洋开发.水声遥测始终是获得海洋环境参数的最重要手段之一.大洋测温、近海油气田的数字地震勘探、声层析、大洋海底金属矿的开采以及水气化合物的勘探开发都离不开声纳技术.（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳信号处理的热点问题在作为声纳技术的理论支撑的水声信号处理是一门综合性的边缘学科.它在发展进程中,既有自己的特色,又吸收了雷达、医学成像、通信、语音信号处理等其他领域的成果.1998年,IEEE信号处理分会为纪念协会成立50周年,编发了一篇专稿,即《水声信号处理的过去、现在与将来》.文章回顾了水声信号处理的发展历史,提出了一些有潜在应用价值的热点技术,如合成孔径技术、声层析、水声通信等.水声信号处理理论的发展面临着众多问题,相关和临近学科又不断产生一些新的概念,所以水声信号处理专家以积极而审慎的态度来对待它们,一方面担心错过了应用新理论的机会,一方面又怀疑它们是否真的能在声纳系统中获得应用.这些课题是不胜枚举的,例如人工神经网络、混沌理论、小波变换、分维变换与时间反转算法等.我们在本节中就水声信号处理本身介绍若干热点问题.（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳信号处理的热点问题1.被动测距被动测距声纳是从20世纪70年代初开始研制的.从理论上讲,只要声纳基阵的孔径足够大,用三点阵测距是没有问题的.关键是把三个基阵的声中心的相对延时精确测量出来.可以证明,被动测距的相对误差等于测延时的相对误差,即ΔR/R=Δτ/τ根据这一公式我们就会明白被动测距声纳所面临的问题.举例来说,孔径为40m的基阵要测量相距为20km的目标,延时量大约为13μs.如果要求相对误差为10%,则延时估计误差不能大于1.3μs.在海洋环境中要做到这一点非常困难.Urick,张仁和等曾报道,海水中声传播起伏值就在10μs这样的量级,这就使得被动测距问题变得十分困难,因为要在接收到的大量数据中,剔除由不稳定性引起的“野值”(wildvalue),然后再进行平均.对延时测量精度的过高要求,还使得基阵的准确安装变得困难起来.目前还没有找到突破传统几何原理进行被动目标测距的有效方法.（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳信号处理的热点问题2.合成孔径技术合成孔径声纳的研制近十年来受到很大的重视.已经报道有相当高性能的样机问世.合成孔径作为一种技术在雷达上成功应用已近40年了,但在声纳上迟迟未获得实质性的进展.主要是由于声传播的海洋介质比无线电传播的大气介质复杂得多,另外声纳平台运动速度与声传播速度之比约为1∶750,而雷达平台运动速度和无线电波传播速度之比是1∶106,所以合成孔径声纳的运动补偿、成像远比合成孔径雷达复杂.合成孔径声纳(SAS)的初步研究结果是令人振奋的,它大约可以在400m的距离上达到10cm的分辨率.这在以前的旁测声纳中是无法达到的.美国DTI(DynamicTechnologyInc.)研制的样机在华盛顿(Washington)湖作试验时,甚至得到了一架早先沉没湖底的飞机残骸的“声像”。合成孔径技术还用于高分辨率的波束成形,这在安静型潜艇辐射噪声的测量中可以获得应用,利用这种技术可以把潜艇作为一个体积元,确定对辐射噪声最有贡献的分量的部位.（二）现代声纳技术中船重工七五０试验场左图为美国LockheedMartin公司研制的被动测距声纳PUFFS右图为PB4Y-2的SAS图像(1997年4月,华盛顿湖,50kHz的SAS穿透湖水看到了飞机内部)中船重工七五０试验场一现代声纳技术及其发展•声纳信号处理的热点问题3.水声通信与水下GPS水声通信一直是声纳研究中的一个重要领域.美国和北约的其他国家有一系列研究课题是与水声通信有关的.