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海洋声呐探测仪应用领域

发布日期:2021-11-24 发布人员: 浏览次数:78

海洋声呐探测仪是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备。(利用声波进行水下探测的技术或设备)

声呐 也作 声纳,是英文缩写“SONAR”的中文音译(中国科技名词审定委员会公布的规范译名为 声呐 [1-2]  ),其全称为:Sound Navigation And Ranging(声音导航与测距),是利用声波在水中的传播和反射特性,通过电声转换和信息处理进行导航和测距的技术,也指利用这种技术对水下目标进行探测(存在、位置、性质、运动方向等)和通讯的电子设备,是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置,有主动式和被动式两种类型

声纳由发射机、换能器、接收机、显示器、定时器、控制器等主要部件构成。发射机制造电信号,经过换能器(一般用压电晶体),把电信号变成声音信号向水中发射。声信号在水中传递时,如果遇到潜艇、水lei、鱼群等目标,就会被反射回来,反射回的声波被换能器接收,又变成电信号,经放大处理,在荧光屏上显示或在耳机中变成声音。根据信号往返时间可以确定目标的距离,根据声调的高低等情况可以判断目标的性质。例如,目标是潜艇,潜艇是钢质外壳,回声不仅清晰,而且还有拖长的回鸣;鱼群的回声则低沉而混乱。目标如果是运动的,那么由于“多普勒效应”,回声的音调应有所变化:音调不断变高,说明目标正向他们靠拢;音调不断变低,说明目标离我们远去了……

声纳可分为两大类:主动声纳和被动声纳。前者像雷达一样,不停地向外发射声信号,根据回波判断目标性质。后者不主动发射信号,只接收目标自己辐射的声音信号。被动声纳因为不发射信号,所以不易被敌人发现,主要用于隐蔽侦察。现代的综合声纳兼有以上两种工作方式。

工作原理:

声波是观察和测量的重要手段。有趣的是,英文“sound”一词作为名词是“声”的意思,作为动词就有“探测”的意思,可见声与探测关系之紧密。

在水中进行观察和测量,具有得天独厚条件的只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短,光在水中的穿透能力很有限,即使在最清澈的海水中,人们也只能看到十几米到几十米内的物体;电磁波在水中也衰减太快,而且波长越短,损失越大,即使用大功率的低频电磁波,也只能传播几十米。然而,声波在水中传播的衰减就小得多,在深海声道中爆炸一个几公斤的炸D,在两万公里外还可以收到信号,低频的声波还可以穿透海底几千米的地层,并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察,迄今还未发现比声波更有效的手段。


结构分类:

声呐装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成,其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行,有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声呐基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置,以及声呐导流罩等。

换能器是声呐中的重要器件,它是声能与其它形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。它有两个用途:一是在水下发射声波,称为“发射换能器”,相当于空气中的扬声器;二是在水下接收声波,称为“接收换能器”,相当于空气中的传声器(俗称“听筒”)。换能器在实际使用时往往同时用于发射和接收声波,专门用于接收的换能器又称为“水听器”。换能器的工作原理是利用某些材料在电场或磁场的作用下发生伸缩的压电效应或磁致伸缩效应。


安装

传统上潜艇安装声呐的主要位置是在最前端的位置,由于现代潜艇非常依赖被动声呐的探测效果,巨大的收音装置不仅仅让潜艇的直径水涨船高,原先在这个位置上的鱼lei管也得乖乖让出位置而退到两旁去。

其他安装在潜艇上的声呐型态还包括安装在艇身其他位置的被动声呐听音装置,利用不同位置收到的同一讯号,经过电脑处理和运算之后,就可以迅速的进行粗浅的定位,对于艇身较大的潜艇来说比较有利,因为测量的基线较长,准确度较高。另外一种声呐称为“拖曳声呐”,因为这种声呐装置在使用时,以缆线与潜艇连接,声呐的本体则远远的拖在潜艇的后面进行探测,拖曳声呐的使用大幅强化潜艇对于全方位与不同深度的侦测能力,尤其是潜艇的尾端。这是因为潜艇的尾端同时也是动力输出的部分,由于水流的声音的干扰,位于前方的声呐无法听到这个区域的讯号而形成一个盲区。使用拖曳声呐之后就能够消除这个盲区,找出躲在这个区域的目标。


分类

声呐的分类可按其工作方式,按装备对象,按战术用途、按基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声呐。例如按工作方式可分为主动声呐和被动声呐;按装备对象可分为水面舰艇声呐、潜艇声呐、航空声呐、便携式声呐和海岸声呐等。

主动声呐:主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标,而后接收水中目标反射的回波时间,以及回波参数以测定目标的参数。有目的地主动从系统中发射声波的声呐称为主动声呐。可用来探测水下目标,并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。主动声呐发射某种形式的声信号.利用信号在水下传播途中障碍物或目标反射的回波来进行探测。由于目标信息保存在回波之中,所以可根据接收到的回波信号来判断目标的存在,并测量或估计目标的距离、方位、速度等参量。具体地说,可通过回波信号与发射信号问的时延推知目标的距离,由回波波前法线方向可推知目标的方向,而由回波信号与发射信号之间的频移可推知目标的径向速度。此外由回波的幅度、相位及变化规律,可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。 主动声呐主要由换能器基阵(常为收发兼用)、发射机(包括 波形发生器、发射波束形成器)、定时中心、接收机、显示器、控制器等几个部分组成。

大多数采用脉冲体制,也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来,它主动地发射声波,然后接收回波进行计算,适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水lei和关闭了发动机的隐蔽的潜艇;

被动声呐: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,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。

利用接收换能器基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测 目标的声呐称为被动声呐。由于被动声呐本身不发射信号,所以目标将不会觉察声呐的存在及其意图。目标发出的声音及其特征,在声呐设计时并不为设计者所控制,对其了解也往往不全面。声呐设计者只能对某预定目标的声音进行设计,如目标为潜艇,那么目标自身发出的噪声包括螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的动水噪声,以及各种发动机的机械振动引起的辐射噪声等。因此被动声呐(噪音站)与主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目标发出的噪声。此时,目标噪声作为信号,且经远距传播后变得十分微弱。由此可知,被动声呐往往工作于低信噪比情况下,因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措施。被动声呐没有发射机部分。回音站、测深仪、通信仪、探雷器等等均可归入主动声呐类,而噪音站、侦察仪等则归人被动声呐类。


应用领域:


军事

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。随着现代声呐技术的发展和进步,新一代声呐具有更先进的探测性能和更远的探测距离,一些高科技声呐还具有相当高的分辨率,能够识别蛙人和可疑水下航体。

海洋测绘

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。利用声呐技术进行海洋测绘的设备有:单波束回声测深仪、侧扫声呐、多波束测深、浅地层剖面仪。

海流流速测量

现代声呐技术可以利用多普勒效应进行流速测定,这种声呐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,若将声呐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。


海洋渔业

探鱼仪是一种可用于发现鱼群的动向、鱼群所在地点、范围的声呐系统,利用它可以大大提高捕鱼的产量和效率;助鱼声呐设备可用于计数、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。

水声通信

水声通信是水面舰艇、潜艇间相互通信的重要手段,利用声呐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。 


海洋环境要比陆地环境更为复杂、更为恶劣、更为多变。在海洋环境下作业将遇到盐雾、海水、高压、台风、大浪等恶劣环境的干扰,长时间工作的水下仪器设备还要受到海洋附着生物的污损,海上试验仪器设备还可能受到渔民的干扰。另外,海洋环境的多变性,也增加了海洋技术发展的难度。因此,对海洋环境的监测往往要求实时连续监测,以期能较为真实地反映海洋环境,这也增加了海洋观测技术发展的难度。海洋开发和探测已被许多国家列为高技术项目之列,海洋声呐探测仪技术将在未来的海洋工程中发挥更大的作用,也无疑会在军事海战场建设中凸显其重要地位与重大作用。










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