蓝色海洋的耳目——声呐

一、什么是声呐

声呐全称声音导航与测距（SONAR），是利用声波在水中传播实现探测、定位、测距、成像的设备，被称作海洋最核心的“耳目"。

电磁波在海水中衰减极快，雷达、无线电几乎失效；但声波在水下传播损耗小、穿透性强，是深海远距离探测高效载体。

二、核心工作原理

发射换能器将电信号转化为高频/低频声波向水中发射；声波遇到海底、礁石、船舶、鱼群、管线、水下结构后发生反射；接收换能器捕获回波，通过计算声波往返时间、强度、相位、多普勒频移，解算目标距离、方位、外形、运动速度。

三、两大分类：主动声呐 & 被动声呐

1. 主动声呐（主动发射声波，成像清晰，相当于手电筒）

自身发射声波，靠回波成像测距，探测能力强，但容易暴露自身位置。

- 测深声呐：单波束、多波束测深系统，绘制海底地形图、航道扫海、跨海工程水深测量；

- 前视成像声呐：浑浊水域替代摄像头，ROV、潜水器避障、渔网/残骸识别；

- 侧扫声呐：大面积海底地貌扫描，查找沉船、海缆、抛石、水下裂缝；

- 多普勒DVL：结合声速测量载体相对海床速度，ROV、AUV强流环境定点悬停核心部件。

2. 被动声呐（只听不发射，相当于收音耳机）

不发射任何信号，仅接收船舶螺旋桨、发动机、海洋生物、水流产生的水下噪音，隐蔽性jiqiang。

多用于军舰反潜、水下目标jianting、海洋环境噪声监测，无法直接测距，需阵列算法解算方位。

四、水声技术的发展

水声探测发展的重大推动发生在1912年，英国豪华大客轮“泰坦尼克"号在赴美首航途中撞冰山而沉没。“冰海沉船"引起世界的注意，1914年第一台回声探测仪成功地在两英里距离上探测到冰山。

到二十世纪中期，不但有回声探测设备（主动式声呐），还有靠收听舰艇发出的噪声进行探测的被动式声呐、有装在船壳上的大型声呐，也有可以拖曳的拖曳声呐。有直升机用的吊放式声呐，固定翼飞机用的声呐浮标。水下通信、导航都有很大的发展。与此同时，声呐技术也在应用于海洋开发，出现了探测海深的测深仪和鱼群探测仪。

半个世纪以来，陆续出现了数字化、计算机化、多功能的多种新型声呐。在海洋探测中也出现了一次能测几公里宽、上百个测点的多波束测深仪。高分辨力的合成孔径声呐和多普勒海流剖面仪也有很大进步。利用声波传播和散射情况反演各参数的方法不断发展。

五、水声在海洋开发中的应用

海水的温度、盐度分布、流场、海面波浪和海中的内波，对整个海洋的运动变化、海洋生物的情况以及地球气候的影响都极大。要观察海洋深处的流速和温度就要使用声学方法。

在海水流速测量中，使用多普勒流速剖面仪（ADCP），只要发一个脉冲，就可以马上得到上百个深度的流速。使用声学相关流速剖面仪（ACCP），可以通过接受反射回来的声脉冲，与发射的脉冲信号求相关，可以测得更深处的海水流速。

海深的观测是海上行动的基础。使用多波束测深仪，在船航行时向下发出与航向垂直的扇形波束，发一个脉冲就可以得到一百多个深度数据，这些数据可以直接得出海图，比以前的海图测点密度提高两个数量级。用这种测深仪发现了不少新的海底山和海沟。

在船航行时，利用侧扫声呐，向舷侧发出声波，利用回波强弱就可以得出该地域的地貌声图。侧扫声呐发现了不少沉船、飞机残骸、礁石等，泰坦尼克号沉船就是首先被侧扫声呐发现的。

不论筑海堤或在海中修筑石油平台，都要对几米至十几米深的海底底质情况有所了解。使用浅地层剖面仪，可以垂直向海底发出低频（几百到几千赫）声波，再接收海底各分层界面反射回来的声波，可以对浅地层有较好的了解。

深地层的探测对海底结构、板块理论等有重要意义，对海洋油气的探测也是重要的手段。为了探测更深的地层，要使用更低的频率和更大的功率——如zhayao——作为声源，在信号接收船后拖一条或几条长达几千米的中性电缆，电缆中装有许多水听器，接受由海底各分层反射回来的信号，经过复杂的信号处理，得出各层的剖面。

目前海中有许多工程设施，如海底电缆、海底输油管线、海中平台、水下储油罐等设施。这些设备需要经常的观测和检查，以免造成污染和损失。为此研究人员研制了分辨能力很高的彩色成像声呐，装在水下机器人上，声呐观测到的图像，用电缆传到船上。

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