聲吶是利用水中聲波對水下目標進行探測、定位和通信的電子設備，是水聲學中應用最廣泛、最重要的一種裝置。聲波是人類迄今為止已知可以在海水中遠程傳播的能量形式，聲納 (sonar) 一詞是第一次世紀大戰期間產生的，它是由聲音 (sound)、導航 (navigation) 和測距 (ranging) 3個英文單詞的字頭構成的，是聲音導航測距的縮寫。它利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉換和信息處理，完成對水下目標進行探測、定位和通信，判斷海洋中物體的存在、位置及類型，同時也用于水下信息的傳輸。

電磁波是空氣中傳播信息最重要的載體，例如，通信、廣播、電視、雷達等都是利用電磁波，但是在水下，它幾乎沒有用武之地。這是因為海水是一種導電介質，向海洋空間輻射的電磁波會被海水介質本身所屏蔽，它的絕大部分能量很快地以渦流形式損耗掉了，因而電磁波在海水中的傳播受到嚴重限制。至于光波，本質上屬于更高頻率的電磁波，被海水吸收損失的能量更為嚴重，因此，它們在海水中都不能有效地傳遞信息。實驗證實，在人們所熟知的各種輻射信號中，以聲波在海水中的傳播性能為最佳。正因為如此，人們利用聲波在水下可以相對容易地傳播及其在不同介質中傳播的性質不同，研制出了多種水下測量儀器、偵察工具和武器裝備，即各種“聲納”設備。聲納技術不僅在水下軍事通信、導航和反潛作戰中享有非常重要的地位，而且在和平時期已經成為人類認識、開發和利用海洋的重要手段。


聲納技術

聲納技術按工作方式可分為主動聲吶和被動聲吶兩類：

01
主動聲納工作原理
聲納系統一般是由發射機、換能器（水聽器）、接收機、顯示器和控制器等幾個部件組成，發射機用于產生需要的電信號，以便激勵換能器將電信號轉變為聲信號向水中發射，水聲信號若遇到水下目標便會被反射，然后以聲納回波的形式返回到換能器（水聽器），換能器（水聽器）接收到后又將其轉變為電信號，電信號經接收機放大和各種處理，再將處理結果反饋至控制器或顯示系統，最后根據這些處理的信息可測出目標的位置，判斷出目標的性質等，從而完成聲納的使命。我們日常的海洋探測多利用主動聲納進行作業，主動聲納主要由聲納基陣、收發轉換器、接收機、指示器、發射器、定時中心以及控制同步設備等七個部分組成。

02
被動聲納工作原理
被動聲吶技術是指聲吶被動接收艦船等水中目標產生的輻射噪聲和水聲設備發射的信號，以測定目標的方位和距離。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標發出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，系統的核心部件是用來測聽目標聲波的水聽器。由于被動聲波技術在海水中只是單程傳播，特別適用于不能發聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

水聲換能器是聲納系統的重要部件，根據工作狀態的不同，可分為兩類：

一類稱為發射換能器，它將電能轉換為機械能，再轉換為聲能；

一類稱為接收換能器，它將聲能轉換為機械能，再轉換為電能。

實際應用中的水聲換能器兼有發射和接收兩種功能，現代聲納技術對水聲發射換能器的要求是：低頻、大功率、高效率以及能在深海中工作等特性。根據水聲學的研究，人們發現用低頻聲波傳遞信號，對于遠距離目標的定位和檢測有著明顯的優越性，因為低頻聲波在海水中傳播時，被海水吸收的數值比高頻聲波要低，故能比高頻聲波傳播更遠的距離，這對增大探測距離非常有益。

聲波的傳播影響因子
影響聲吶工作性能的因素除聲吶本身的技術狀況外，外界條件的影響很嚴重。比較直接的因素有傳播衰減、多路徑效應、混響干擾、海洋噪聲、自噪聲、目標反射特征或輻射噪聲強度等，它們大多與海洋環境因素有關。例如，聲波在傳播途中受海水介質不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會產生折射、散射、反射和干涉，會產生聲線彎曲、信號起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現聲陰區，嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度。

聲波衰減是聲能在水體縱向上因水分子吸收、球形擴散和散射而造成的能量損失。吸收是海水縱向方向上的一些水分子離合的結果。海水中的氯化鎂是吸收的最主要因素。吸收的快慢取決于海水的物理化學特性和聲波的發射頻率。一般而言，發射頻率大于100kHZ其吸收系數隨溫度的增加而增加。散射損失與海水縱向上的細小物質有關；散射主要由海洋生物造成的，海水深處的浮游生物聚集在深層散射層 (DSL)，深層散射層的厚度每天都有變化。當聲波或聲能穿過不同的界面時，聲波的方向就會因聲速的變化而折射，從而兩個界面的聲速不連續。

現代聲吶必須根據海區聲速--深度變化形成的傳播條件，可適當選擇基陣工作深度和俯仰角，利用聲波的不同傳播途徑（直達聲、海底反射聲、會聚區、深海聲道）來克服水聲傳播條件的不利影響，提高聲吶探測距離。

聲吶技術的發展簡史

聲納技術的誕生有兩個基石：一是1827年瑞士物理學家DanielC和CharlesS合作，精確地測出了水下聲速（由它人們才可以準確地計算出目標的距離）；二是19世紀中葉發明了碳粒微音器（它是一種最早、最靈敏的水聽器）。1912年豪華巨輪“泰坦尼克”號與冰山相撞，以及1914年第一次世界大戰的爆發，極大地促進了民用和軍用聲納的研制和發展。第一部反潛聲納的問世是在第一次世界大戰中，但當時由于理論和技術上的不完善，這種水聲回聲定位系統的性能很不可靠，因而在對付德國U型潛艇的威脅方面尚未作出貢獻。隨后，人們利用回聲探測設備又制成了航海用的回聲儀，這些更增加了人們應用聲納技術服務于軍事及民用的信心。

大約在1925年左右，德國“信號”公司將其生產的聲納設備定名為“測深儀”，并在美國和英國有商品銷售。同時，美國海軍實驗室的領導其成員積極改進對潛艇進行回聲定位的方法，他們通過采用磁致伸縮換能器找到了回聲定位中合適的發射換能器。與此同時，由于電子學的發展，已經可以使聲納信息經過放大和簡單的處理顯示給觀察者。大約在1935年，德、英、美三國又研制出了幾種較為實用的聲納，1938年，聲納設備開始在美國批量生產。到第二次世界大戰，幾乎所有的軍用艦船都裝備了聲納系統，并在海戰中發揮了十分重要的作用，當時交戰各方損失了一千多艘潛艇，絕大多數是被聲納發現的。第二次世界大戰后，軍用聲納技術繼續發展，但各個國家都將這方面的最新技術列為嚴格保密的范圍。人類進入20世紀七八十年代以后，隨著海洋開發事業的迅猛發展，聲納技術以驚人的速度向民用方面轉化，出現了各種用途的現代化聲納，如導航聲納、通信聲納、側掃聲納、遠程警戒聲納、水聲對抗聲納、拖曳陣聲納、魚雷自導聲納、水雷自導聲納等等，聲納技術已日趨成熟和完善。

水聲測深技術的應用
03
在海流流速測量領域
現代聲納技術可以利用多普勒效應進行流速測定，這種聲納系統使用一對裝在船底傾斜向下的指向性換能器，由海底回波中的多普勒頻移可以得到艦船相對于海底的航速；另一方面，若將聲納固定在流動的海域中，它可以自動檢測和記錄海水的流動速度及方向。

04
在海洋漁業領域
探魚儀是一種可用于發現魚群的動向、魚群所在地點、范圍的聲納系統，利用它可以大大提高捕魚的產量和效率；助魚聲納設備可用于計數、誘魚、捕魚、或者跟蹤尾隨某條魚等；海水養殖場已利用聲學屏障防止鯊魚的入侵，以及阻止龍蝦魚類的外逃。

05
在水下聲學定位領域
海洋中水下環境復雜惡劣，因此為水下作業設備進行準確的定位，對于掌握設備工作情況、回收海洋監測數據和設備具有非常重要的意義。水下聲學定位技術出現時間早，發展速度快，如今已經廣泛應用于海洋工程的各個方面，適用于潛標、海床基和水下深潛器等水下作業設備。由于潛標系統和海床基系統中集成安裝了聲學釋放器，可完成定位作業中的測距工作，無需額外安裝專門的水聲通訊裝置，因此此項技術在潛標和海床基的定位應用中具有先天的硬件優勢。

對水下目標聲源進行探測、搜尋和定位時，設置聲基陣為目前應用最廣泛的一種水下定位技術。根據作業系統定位基線的長度，可分為長基線陣 (LBL)、短基線陣 (SBL) 和超短基線陣 (SSBL/USBL)。主要由聲學通訊裝置及其甲板單元、船載測深儀、GPS和基于VB平臺的水下目標定位測算軟件等組成。

06
在水聲通信領域
水聲通信是水面艦艇、潛艇間相互通信的重要手段，利用聲納系統在水下可代替導線的連接，使用聲束來傳遞信息，實現艦艇之間的通信和交流。水聲通信系統的工作原理是首先將文字、語音、圖像等信息轉換成電信號，并由編碼器將信息數字化處理后，換能器又將電信號轉換為聲信號。聲信號通過水這一介質，將信息傳遞到接收換能器，這時聲信號又轉換為電信號，電接收機將信息再轉換成變成聲音、文字及圖片。聲音是由于震動而產生的，在海中我們要把通信信息傳到遠處，需是把空氣換成是海水，在空氣中、水中、固體中任意發射和接收不同頻率、不同強度的聲信號。

當潛艇處在潛航狀態時，無線電和其它通信方式都將失效，唯一可能的通信方式就是水聲通信。水聲通信還用于水下深潛器的命令和數據傳送，包括對水下機器人的狀態控制和水下機器人的狀態應答，對水下機器人的狀態控制，水下采集系統的數據回送或深海目標圖像的獲取等。而在我國大陸架附近海域和遠海域，組建可靠的、大范圍的水聲通信網，對于我國領海防御和未來海軍遠航作戰必將起到重要的保障作用。

聲學測深技術的未來發展

01
單波束測深儀
在淺水區已達到厘米級以上的準確性，在市場上各種不同頻率和脈沖速率的測深設備可以滿足大多數用戶。盡管隨著測深新技術的不斷發展，但是單波束回深測深儀至今仍然保留使用，當今這種傳統儀器在全世界仍用于深度測量。單波束回深測深儀已由模擬記錄發展為數字式記錄，其精度和精確度已有極大提高，可以滿足大部分海道測量要求。數字式測深儀、運動姿態傳感器、衛星定位系統（如GPS 系統）及數據采集軟件結合在一起可以極大地減少海洋測量人員數量，并極大地提高海洋測量效率。單波束測深儀未來將向系統高度集成化、智能化、小型化方向發展，其中雙頻單波束測深儀為航道適航水深的測量提供了可能，對發揮港口的潛在功能和指導回淤較大的疏浚區域測量具有現實意義。

02
側掃聲納技術
在障礙物探測方面已達到很高的水平。目前盡管側掃聲納技術的使用還受到較慢船速的限制（最大5～6 節），但是在港口和航道探測中，側掃聲納技術在水下航行障礙物探測及水下小目標方面具有廣泛的應用前景。未來的側掃聲納技術將向圖像鑲嵌技術的完善、側掃數據的三維可視化、系統分辨率的提高、高航速條件下圖像的保真及海底底質聲學特征要素提取的可靠性等方面進行進一步提高。

03
多波束測深技術
多波束測深技術實現了從“點—線”測量到“線—面”測量的跨越，其技術進步的意義十分突出，正在迅速發展，已經成為海底全覆蓋測量的最為有效的工具。如果采用合理的工作方式，以及系統在探測航行障礙物中具有足夠的分辨力，則該技術在準確性和全覆蓋探測海底地形方面具有巨大的潛力。盡管多波束測深儀有令人印象深刻的功能，但對測量設計人員、操作人員和測量檢查人員而言，盡可能多地掌握多波束測深儀的操作原理對測深數據的內插和評估都是至關重要的。未來的多波束測深設備將在采集數據密度的增強、系統分辨率的改善、覆蓋范圍的增大、測深精度的提高、海洋要素的形象表達及多功能一體化等方面進行進一步升級與改善。

04
合成孔徑聲吶技術
合成孔徑聲吶一種新型高分辨的水下二維成像聲納，其基本原理是利用小孔徑基陣的移動，通過對不同位置接收信號的相關處理，來獲得移動方向（方位方向）上大的合成孔徑，從而得到方位方向的高分辨力。直觀地說，距離越大，合成孔徑長度就越長，合成陣的角分辨率就越高，從而抵消了距離增大的影響，保持了分辨力不變。該項技術國際上直到1992年才有所突破，并且出現了被動和主動兩種工作方式的合成孔徑聲吶，1995年完成了實驗樣機，作用距離達到400m，分辮率達到10cm。

合成孔徑聲納可以用于水下軍事目標的探測和識別，最直接的應用就是進行沉底水雷和掩埋水雷的高分辨探測和識別，同時還可用于海底目標探測、水下考古和搜尋水下失落物體等，尤其可以進行高分辨海底測繪，對數字地球研究具有重要意義。國外合成孔徑聲吶目前的發展趨勢是在信號處理方法的提高、目標識別圖像分辨率的增強和作用深度的加大等方向進行進一步改善，是具有很好應用前景的海洋高新技術。
01
在軍事領域
水聲技術是各國海軍進行水下監視使用的主要技術，用于對水下目標進行探測、分類、定位和跟蹤；進行水下通信和導航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰術機動和水中武器的使用。隨著現代聲納技術的發展和進步，新一代聲納具有更先進的探測性能和更遠的探測距離，一些高科技聲納還具有相當高的分辨率，能夠識別蛙人和可疑水下航體。

02
在海洋測繪領域
隨著海洋高新技術的介入和裝備的不斷升級，水下地形聲學探測技術獲得了迅速的發展，現已成為世界各海洋國家在海洋測繪方面的重要研究領域之一。

(1) 單波束回聲測深儀

通過向水下發射短脈沖，并測量海底回波的到達時間來隨時測量艦船所處位置的海底深度。傳統的單波束測深儀有兩個缺點：由于采用單波束，測線之間可能會形成障礙物漏測，從而降低了海圖的可靠性。為了接收回波，一般測深儀的波束都比較寬，但是寬波束又有另外的缺點，即如果海底深度變化比較快的話，測量結果就會有誤差。由于其設備簡單，廣泛地應用于航海保證、海洋開發等水深測量中，但不適用于港口、航道等高精度大比例尺、要求全覆蓋式水深的測量區域。

(2) 側掃聲納

是基于回聲探測原理進行水下目標探測的，通過系統的換能器基陣以一定的傾斜角度、發射頻率、向海底發射具有指向性的寬垂直波束角和窄水平波束角的脈沖超聲波，在觸及海底目標后發生反射和散射，利用顯示器上顯示各表層圖像的不同特征，經過圖像判讀，判別其海底目標特征，用于出露于海床面以上的海底目標探測。側掃聲吶配備有計算機圖像處理甚至識別系統，可以分析海底目標的大小、形狀、深度等，具有較高的分辨率。但由于側掃聲吶只能對波束空間進行粗略定向，因此對于海底目標深度不能精確測定，詳細精確探測還得借助于潛水員潛摸、單波束測深儀探測、多波束測深設備掃海等其他辦法輔助。

(3) 多波束測深

20世紀70年代，出現了多波束測深系統，它能形成一定寬度的全覆蓋的水深條帶，可以比較可靠地反映出海底地形的細微地貌起伏，也可稱為微地貌測量，比單波束水深測量確定海底地形更為真實。多波束測深系統通過接受波束形成技術能夠實現空間精確定向，利用回波信號的某些特征參量進行回波時延檢測以確定回波往返時間，從而確定斜距以獲得精確的水深數據，繪制出海底地形圖，達到海底地形精確測量的掃測目的。

與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高、記錄數字化和實時自動繪圖的優點，把測深技術從原先的點、線擴展到面，并進一步發展到立體測深和自動成圖，極大地提高了海洋測繪的工作效率，現已朝著高精度、智能化、多功能的組合式測深系統方向發展。從上世紀80年代中期以來，許多制造公司也開始進入這一領域，研制出不同型號的淺水用和深水用多波束測深系統，波束可由數十個到幾百個子波束不等。淺水多波束測深系統深度量程為3～400m，深水多波束測深系統量程可達10～11000m，覆蓋范圍可達2.5～7.4倍水深。

(4) 淺地層剖面儀

是發射低頻大功率脈沖信號，利用低頻脈沖聲波對海底松軟土層具有穿透能力的特征，根據掠過各層介質的入射聲波和回波的形狀、性質來確定海底的反射系數，從而了解海底表層松軟土層的層位厚度及大致層理性質。 

05
水下定位技術
水下定位技術將會向著適用范圍更廣、精度更高、更簡單的方向發展。激光聲遙感技術具有機動靈活、覆蓋水域廣的特點，尤其是一些艦船難以達到的地方其優勢更加突出，但精度相對較低。而水聲定位系統已經開發出了具有很高精度的技術，所以將激光聲遙感技術同水聲定位技術聯合起來構成新的水下定位技術是今后的一個發展方向。可以預見，在不久的將來在較大范圍的海域內搜索水下目標時，將會利用機載激光聲遙感技術，在確定了水下目標的大致范圍后再利用船載水聲定位技術對其進行精確定位。

可以預見，未來聲學測深技術會向功能高度集成、設備小型化方向發展，海底多種聲學特性的一體化探測無疑也是未來發展的趨勢，不僅可以避免聲學設備異步異地測量造成的數據融合困難，而且聯合一體化探測可為海洋勘測提供更為可靠的數據支撐，通過各類數據的綜合分析，能夠提高數據解釋判斷的可靠性，增加分析結論的科學性。

結束語

海洋環境要比陸地環境更為復雜、更為惡劣、更為多變。在海洋環境下作業將遇到鹽霧、海水、高壓、臺風、大浪等惡劣環境的干擾，長時間工作的水下儀器設備還要受到海洋附著生物的污損，海上試驗儀器設備還可能受到漁民的干擾。另外，海洋環境的多變性，也增加了海洋技術發展的難度。因此，對海洋環境的監測往往要求實時連續監測，以期能較為真實地反映海洋環境，這也增加了海洋觀測技術發展的難度。

水聲探測技術在海洋觀測和水下目標探測中占有很重要的地位，是實現水下目標遙測的主要手段，但以前偏重于軍事應用，高性能的聲納系統、隱身P反隱身、魚雷水雷戰備受關注。隨著人類對海洋開發的日益重視和客觀需求，大量軍事應用水聲技術轉向民用，海洋聲探測技術也得到了較快的發展。目前，國際上比較成熟或正在發展的海洋聲探測技術主要是海流剖面測量技術、聲成像技術、魚群探測技術、聲層析技術、聲學多波束測深技術及聲通訊技術等，總體水聲技術向著高精度、智能化、多功能方向發展。

海洋開發和探測已被許多國家列為高技術項目之列，聲納技術將在未來的海洋工程中發揮更大的作用，也無疑會在軍事海戰場建設中凸顯其重要地位與重大作用。