水声探测技术综述

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1、圈囵温互互阅湍蔫％而幽删嘣--cts万方数据水声探测技术综述黄威(中国地质大学机械与电子信息学院，湖北武汉430074)高新技术摘要：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；探测：技术1引言水声遥控系统框架、应用情况，发展情况近年来．由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的

2、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，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。2声波检测原理声波喊超声洳所测的声学参数是：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Fo介质内声波的传播，是质点弹性振动的传递过程，由弹性理论可知。在无限介质中小考虑体积压力作用时．用位移表示的各向同性的理想弹性体的波动方程如下：p等=(A州罢+∥叱(1)p等：(A+／．z)罴+∥b(2)p孥：(A+p)警+pv2心(3)式中8=墼Ox+鲁+警

3、表示在声波扰动下体积相对变化。为体积膨胀率，ul，uv，也，分别表示x，Y，z方向的位移，入和p为拉梅常数，口k堡；旦+堡。融2’Oy2。出2为拉普拉斯算子，p为密度。由(1x2K3)可算得：’q=鼯(4)c一／工一叵’、『却(1+口)Vp(5)式中E为弹性模量。G为剪切模量．为泊松比。c。和ct为纵波及横波传播速度。可见只要测得纵波及横波传播时间，计算出c。及Ct，由(4X5)可算}l{介质的动弹性力学参数E，G及仃。此外声速还反映介质的密实程度及各种不连续面，缺陷及结构特征。3水声换能器水声换能器是把声能

4、和电能进行相互转换的器件。在声纳中的地化类似于无线电设备中的天线。是在海水中发射和接收声波的声学系统。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器把电能转换为声能的换能器叫作发射器。有些声纳用同一只换能器来发射和接收声音拐—些则使ffJ：5-妍的发射器和水听器。通常按换能器的机理把水声换能器分为5类。3．1动圈换能器载有信号电流的环形线圈在磁铁的环形缝隙中，的恒定磁场里运动线圈的运动传到与外壳相连的膜片上向外部介质辐射声波这种换能器被广泛用作水下宽带校准声源。32静电换能器当在—个介电媒质分开的表面充以不同

5、电荷时，将互相吸引而产生力当电荷变化使力一6一中国新技术新产品改变时，可以使与它相连的膜片运动从而向外辐射声波静，电换能器在空气中有广泛应用如电容传声器但在。水声中应用很少。33可变磁阻换能器它是静电换能器的磁学类比改变通电线圈中的电流引起磁板面问缝隙中力的变化产生膜片的振动从而幅射声波34磁致伸缩换能器它最适合于在声阻抗较高的介质如海水中工作在水声中广泛应用。35压电换能器’．它可以由真正的压电材料如石英也可以是由已极化的电致伸缩材料，如特种陶瓷目前用的较多的是钦酸钡错钦酸铅。4信号处理随着信号处理技术的迅

6、速发展，特别是以数字信号处理器及其相关算法为技术支撑的数字滤波技术的出现，使得信号滤波处理的性能得到了大幅度的提高。在水声信号处理器的研制中，采用厂针对性的自适应滤波模块，应用现代数字信号处理技术和相应的软件算法对海洋环境条件下的水声信号进行处理，从而克服了海洋环境噪声、自噪声及干扰信号，增强了被测信号的有效性，并顺利实现了海洋复杂环境条件下水声信号处理功能。自适应系统最大的特点是具有时变和白动调整性能。它可以通过自身与外界环境的接触来改善自身对信号处理的性能，而尤需知道信号的结构和信号的实际知讽假如—个冉适

7、应滤波器输入的仅为有用信号，它可以调整为一个全通滤波器；若输人为有用信号并掺杂噪声，则町自动调整为一个带通滤波器。海洋环境条件恶劣．海洋环境噪声和传感器的自噪声，使得水下声信道的信号变得十分复杂，在水声传感器使用中，往往很难获得水声信号的统计特性，自适应信号处理方法恰好为传感器性能的提高提供了条件。自适应滤波技术在水声信号处理器中的应用，不仅解决了对已知信号的自动滤波和跟踪，系统结构也更为简化，动态性能大为改善，『刚王还缩短r信号的处理时间，使信号实时处理变为了现实。5水声探测技术的应用进展水声探测技术在海洋

8、观测和水下目标探测中占有很重要的地位，是实现水下目标遥测的主要手段，但以前偏重于军事应用。随着冷战时代的结束，大量军事应用水声技术转向民用，海洋声探测技术将会得到较快的发展。目前．国际上比较成熟或正在发展的海洋声探测技术是海流剖面测鐾技术、声成像技术、鱼群探测技术、声层析技术、声学多波束测深技术及声通讯技术。合成孔径声呐是利用接收基阵在拖曳过程中对海洋中目标反射信号的时间采样，经延时补偿构成目标的空