“声呐”的概念及技术发展

摘 要：声呐是水下目标观察和探测的重要手段，在对马航客机MH370的水下搜寻中，声呐起到了至关重要的作用。文章将系统地介绍声呐技术的发展历程和发展趋势，希望对业内人士有所帮助。

关键词：声呐，发展趋势

中图分类号：N04；O42 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0129-03

The Concept and Technology Development of Sonar

ZHANG Jie

Abstract：Sonar technology is an important manner to observe and detect the underwater objectives， which played a critical role in searching for the lost flight MH370. In this paper， the research progress in sonar technology area is introduced， hopeing to be helpful for the people in the field.

Keywords：sonar，development trend

收稿日期：2014-06-01

作者简介：张洁（1986—），女，河南许昌人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心实审审查员，主审领域为声学与振动测量，通信方式：zhangjie_4@sipo.gov.cn。

引 言

声呐是利用声波对水下目标进行探测和定位识别或在水中进行通讯的技术总称。最早是由英国海军刘易斯·尼克松于1906年发明的，主要用来侦测冰山，由于该项目划归反潜艇侦查调查委员会（antisubmarine detection investigation committee， 简称ASDIC）管辖，因此英国人也将这种设备称为ASDIC。1931年，美国研究出类似装置，采用三个英文单词sound（声音）、navigation（导航）以及ranging（测程）的字头构成一个新的名词sonar并被广泛接受，声呐作为其音译也成为了正式的名称[1]。根据《说文解字》的释义，呐者，言之讷也；纳者，入也。声呐是通过接收水下声波对目标进行探测和定位，因此笔者认为“声呐”更为贴切。全国科学技术名词审定委员会也将“声呐”作为规范名词。

声呐在第一次世界大战期间开始应用于军事领域，至今已历经100多年的发展。21世纪声呐作为一种水下目标探测、定位和通信的电子装置，是各国研究和发展的重要领域之一。

一 声呐技术的特点

声呐技术较其他探测方法在水下的应用相比，具有一些突出的优点[3-4]：

（1）声波在水中的传播性能相对于电磁波、光波等更为良好，能量耗损较低，探测范围更广；

（2）探测方式灵活多变，可以适应不同的地形和探测需求；

（3）探测设备较为隐蔽，适于配合防卫和战术需求；

（4）布设方便快速、造价低廉。

二 声呐技术分类与应用

声呐系统可以从多种角度分类，不同的声呐按照某种分类方法属于一类，而按其他分类方法可能又属于不同的类别。下面将通过不同的分类角度介绍各种声呐的主要特点。

（一）按工作原理分类

按照声呐的工作原理可分为主动声呐和被动声呐两类。

1.主动声呐

主动发射声波“照射”目标、而后接收水中目标反射的回波以测定目标参数的声呐成为主动声呐。主动声呐系统一般由发射机、换能器（常为收发两用）、接收机、显示器和控制器等几个部件组成。工作时，发射机产生所需要的电信号，激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射，声信号在遇到目标障碍物时将会以声学回波的形式返回换能器，换能器将其转变为电信号，再经过信息处理可以测得目标的距离、范围、速度等参数。由于主动声呐是主动发射探测信号，因而可以确定收发信号的时间差进而精确计算测定目标的距离，并且可以对沉船、飞机及其他固定不动的障碍物进行探测。主动声呐的限制在于容易受到散射体散射信号所产生混响的干扰，因而作用距离较短，主要用于水面舰艇和潜艇。2009年法航客机447在大西洋海域失去联络，对飞机黑匣子的搜寻持续了两年时间，最终委托伍兹霍尔海洋研究所采用声呐潜水器成功找到了位于4000米水下的黑匣子，其中所采用的声呐就是主动声呐。

2.被动声呐

被动声呐自身并不发射信号，通过被动接舰船等水中目标产生的辐射噪声或水声设备发射的信号来探测目标的范围。其工作原理与主动声呐基本相同，区别仅在于不需要发射声波的换能器。被动声呐的优点在于隐蔽性强，适合不能发声暴露自己又要探测敌舰活动的潜艇。但由于信号不可控，因而信噪比低，需要采取更多的信号处理措施。马航客机MH370水下搜寻初期，由于黑匣子可以发出37.5kHz的水声信标，因而能够采用被动声呐对其进行探测，并初步确定黑匣子大约位于水下4500米深度。但随着时间推移，黑匣子失去供电，进一步的定位就需要采用主动声呐进行。

（二）按装备对象分类

按照声呐的装备对象可以分为舰用声呐、潜艇声呐、岸用声呐和航空声呐等。

1.舰用声呐

舰用声呐是装备于水面舰艇的声呐，主要用于现代海战中的反潜战。早期水面舰艇的声呐基阵一般安装于舰艏，通过旋转升降或多波束等方式控制探测方向，由于基阵的孔径受安装平台的限制，早期的舰用声呐工作频率较高（20～30kHz），作用距离有限。随着美苏两国的全球军备竞赛、安静型潜艇的出现使得远程警戒声呐势在必行，因此拖曳阵声呐得到了快速发展[2]。拖曳阵声呐将换能器镶嵌在电缆上形成线列阵，拖于舰艇尾部，其工作频率可低至次声频段，探测距离可达300余海里，大大提高了水面舰艇反潜搜索能力。

2.潜艇声呐

潜艇声呐主要使用被动声呐，承担水中目标定位、水中目标探测、通讯和助航等多项任务，在导航过程中，也会采用主动声呐。潜艇上所采用的宽带强声源类声呐系统，还能够对敌方声呐进行干扰，使其无法正常工作。潜艇上所装备的声呐往往多达十几种，来满足不同功用的需要。

3.岸用声呐

岸用声呐常用于配合组成海岸防潜系统，将换能器设置在港口及附近某些特殊海区，警戒进入海岸附近的目标。此外，岸用声呐还可作为大吨位船舶停靠的辅助设备，根据声波在水中的船舶和反射，连续测出船舶运动的速度、加速度和船舷对码头的倾斜角度，作为引水员指挥船舶靠岸的依据，减少了由于人为判断失误而造成的碰撞码头事故。

4.航空声呐

航空声呐是用于装备反潜飞机和反潜直升机的声呐设备，也称机载声呐，进一步分为空中拖曳声呐、空中吊放式声呐和声呐浮标。空中拖曳声呐由低空飞行的飞机拖曳和控制水中换能器，但由于拖曳电缆的运动会产生流体噪声、空泡噪声以及载机机械噪声，影响了探测距离，因此并未大量发展。空中吊放式声呐装备于反潜直升机，主要采取逐点搜索的方式，在到达预定点后低空悬停，将换能器放入水中合适深度进行探测，探测可采用主动式或被动式。由于吊放式声呐的换能器基阵需通过电缆与直升机相连，限制了飞机的机动性，而声呐浮标正好克服了上述缺陷。声呐浮标配置有无线电发射装置，可以将探测到的目标信息经无线电调制后发射至机载无线电接收机，从而实现更为灵活的水下探测。

三 结 语

随着海面战场进入信息化时代，核潜艇的增多以及远程弹道导弹的发射能力提高，各国纷纷从主动声呐转而发展被动声呐以满足远距离探测与识别的需求，继续向低频和大孔径方向发展，并且随着计算机在声呐信号产生、信号处理性能监测等方面的成熟应用，声呐也正在向智能化方向发展。在未来的海洋时代，声呐系统将会扮演越来越重要的角色。

参考文献

[1] 田坦， 刘国枝， 孙大军.声呐技术[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社， 2000： 3.

[2] 何心怡， 张春华， 李启虎. 拖曳线列阵声呐及其左右舷分辨方法概述[J].舰船科学技术，2006， 28（5）： 9-14.

[3] 王炳和， 李宏昌. 声呐技术的应用及其最新进展[J]. 物理， 2001， 30（8）： 491-495.

[4] 徐钧. 国外航空声呐发展概述[J]. 声学与电子工程， 2010， 97（1）： 50-53.