海洋声学研究 -海洋声学技术有哪些

蕙兰心质 · 发表于海洋技术专业 2023-11-22 05:27:48

作者：朱维庆（中国科学院声学研究所）

摘要：概述了海洋声学技术的重要性、研究内容及国内外的发展概况着重介绍了探测声呐、导航声呐、定位声呐、水声通信和声层析等技术并提出了我国今后发展的建议。

关键词：海洋声学技术探测声呐导航声呐定位声呐水声通信声层析

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引言

我国既是一个大陆国家，也是一个海洋国家，所临海域包括渤海、黄河、东海、南海及台湾以东和以南海区。这些海域中，渤海为我内海，其它海区均与邻国相连，存在着有关岛屿领土主权和海洋权益的争议。在这些海域中蕴藏着丰富的油气、矿物和生物资源。为了维护我国海洋主权和权益以及开发海洋资源我国必须大力发展海洋高技术。由于电磁波在海水中衰减很快，所以海洋中探测、导航、定位和通信主要是用声波，声波是水中信息的主要载体。1996年5月以前建立了联合国大陆架界限委员会，该委员会认为要用5种设备测量才能认可为划界提供的图件和资料，其中3种设备是声呐，它们都属于海洋声学技术的研究范畴。美国科技白皮书中，在海洋高技术的内容中，海洋声学技术占有重要篇幅。每年召开的 OCEANS 会议中，海洋声学技术占有三分之一以上的篇幅。随着海洋科学和开发的迅速发展，海洋声学技术已发展成为海洋高科技中的重要组成部分，已成为声学中的独立的分支学科。

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海洋声学技术的主要研究内容

海洋声学技术的主要研究内容见图1。它包括探测声、导航声呐、定位声呐、水声通信机和声层析等技术。在探测声呐技术中主要列入的是海底地貌、地形和沉积层的声呐探测技术。我们把测流的两种声呐，即声多普勒流剖面仪（ADCP）和声相关海流剖面仪（ACCP），列入了导航声呐的技术范围，主要是因为它们与声多普勒计程仪（ADL）和声相关计程仪（ACL）关系非常密切。海洋声学技术中各种声呐的载体为船、拖曳体和潜水器。潜水器又包括有缆遥控潜水器（ROV）、无缆自治潜水器（AUV，它们又称为水下机器人）以及载人潜水器。声呐的种类繁多。本文着重介绍海洋声学技术中各类声呐技术当今发展的主要趋势，以及它的关键技术，并提出我国发展海洋声学技术的建议。

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探测声呐技术

1、形地貌探测技术

50年代后期开始研制的侧扫声呐，目前已获得广泛的应用。侧扫声呐有两个缺点，它只能测量地貌，不能测量地形，而且它的横向分辨率随距离的增加而变差。国际上于60年代后期开始研究合成孔径声呐技术和测深侧扫声呐技术。

（1）合成孔径声呐（SAS）技术 合成孔径声呐（SAS）利用目标回波信号的相位信息，重构目标声象通过相干处理获得的横向（或方位）分辨率等于声呐阵的物理大小，它是当今分辨率最高的声呐技术。它在水中、底上和掩埋目标的探测中具有广阔的应用前景，它也能获得海底的高分辨率声象。在每个发射周期内，SAS 要求接收阵元的相对位置的测量精度必须在波长的几分之一之内，目前的测量传感器难以达到这个精度。SAS 目前研究的重点是直接由声回波中提取接收阵元的位置信息。用常规的传感器对相应于比波长大得多的那部分相位误差进行修正，再用先进的自聚焦信号处理方法修正掉剩余的相位误差，获得好的声象［1］。海上试验表明，这是很有前途的方法。我国863计划海洋监技术（818）主题已把 SAS 列入研究计划。（2）测深侧扫声呐（BSSS）技术 测深侧扫声呐（BSSS）拖体的两侧装有两条以上的平行线阵，估计线阵间的相位差，可以测量海底的高度。BSSS 可以同时测量海底的地貌、地形。水中拖体处的噪声一般比船噪声低20dB；拖体在水中运动相当稳定，只需要价格低廉的姿态传感器补偿；它的声阵简单，所以测深侧扫声呐的价格比较低廉。正由于此，国际上许多研究机构不断研究完善它。它的主要弱点是测量精度易受水声信道多途信号的干扰，克服了有关的多途干扰后，它的精度将会有很大提高，达到 IHO（国际航道局）的标准。BSSS 的主要研究方向是采用高分辨率波束形成技术，区分不同的方向同时达到的回波。湖上试验表明，这种方法很有前途［2］，将会达到 IHO 的标准。我国863计划智能机器人（512）主题中“CR－026000米自治水下机器人”上将装有我国自行研制的采用高分辨波束形成技术的 BSSS。（3）多波束测深声呐（MBSS）技术 几乎与测深侧扫声呐发展的同时，国际上于60年代后期开始研究和发展多波束测深声呐（MBSS）。早期的产品以美国 GIC 公司的 SeaBeam 声呐为代表，它采用常规的延时、加权、求和的波束形成技术，俗称幅度法，只能在±32°内测量海底地形。80年代挪威 Simrad 公司研究了新的波束形成技术，即差动相位法，多波束测探声呐可在±75°内测量海底地形地貌。当波束与海底处于垂直附近时，幅度法精度较高，而相位法较差；反之，当波束与海底倾斜时，幅度法精度较差，而相位法精度较高。现在的产品都同时采用上述两种波束形成技术，在宽角度内测量海底地形地貌。国际上已有10多家公司生产多种 MBSS，有三家公司在 MBSS 上加了一个频率为3∙5khz 的发射阵，把 MBSS 的接收阵兼作接收阵，构成了5 波束的浅地层剖面仪。这样一台 MBSS 就可获得高质量的地形地貌和浅地层的三维声象。目前国际上多波束测深声呐技术的主要研究内容是由它的记录进行底介质分类研究，并且不断提高成图软件性能。2、浅地层剖面仪（SBP）技术

要进行海洋开发、海上工程施工，以及国际上区域划界都必须有海底沉积层的资料最好有底介质属性的测量结果，线性调频（chirp）浅地层冲面仪是最有用的设备［3］。由于它的波形在底介质（高衰减）中传播时不变，它是当今国际上公认的可以定量测量海底介质物理特性的最佳设备。一条先进的海洋考察船上必须装有这种设备。

在中俄联合研制的 CR－016000米自治水下机器人上，安装了我国负责研制的由双侧侧扫声呐和 chirp 浅地层剖面仪组成的声成象系统（换能器阵由俄罗斯科学院研制）［4］，测量地貌和浅地层的状态。在太平洋两次长时期的工作中，获得了洋底多金属矿的测量结果。由于 CR－01能在离海底30 米的距离上稳定工作，测得的声象十分清晰。正在研制的 CR－02自治水下机器人上，将装有我国自行研制的测探侧扫声呐和 Chirp 浅地层剖面仪组成的测量海底地形地貌和浅地层的三维声象系统。

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导航声呐技术

导航声呐主要包括声多普勒计程仪（ADL）和声相关计程仪（ACL）。由于声多普勒海流剖面仪（ADCP）和声相关海流剖面仪（ACCP）的原理和技术与 ADL 和 ACL 十分相近所以在本小节中一并加以介绍。

1、声多普勒计程仪（ADL）和声多普勒海流剖面仪（AD- CP） 声多普勒计程仪（ADL）发展较早，在它的基础上发展了声多普勒海流冲面仪（ADCP），ADCP的发展又推动了ADL的发展。目前国际上 ADCP 的发展趋势主要有三个方面，一个方面是测量污染物的流动状态，因为ADCP特别适合测量粒子性污染物（例如泥沙）的流动状态［5］。另一个方面是用ADCP测量海面波浪的方向谱。这两个方面在863计划海洋监测技术（818）主题中已做了安排。再一个方面是相控 ADCP，它的声阵大小是常规ADCP的一半，而它的价格是常规的ADCP的一倍多，它适用于较深水域，例如数百米到一千米水深的水域内工作。相控阵ADL是ADL的主要发展方向。在补偿了声波的衰减之后，声反向散射回波仍然是一非平稳随机过程，这是由于介质运动或者载体运动调制的结果。因此，非平稳随机过程的谱估计一直是ADL和ADCP 的研究中心问题。2、声相关计程仪（ACL）和声相关海流剖面仪（ACCP） 在测量数千米深水域的海流和水中载体相对于海底的速度时，ADCP 和 ADL 的换能器阵显得太大。自80年代后期国际上开始研究声相关海流剖面仪（ACCP）和声相关计程仪（ACL）技术。它的换能器阵比相控阵 ADCP 还要小一半多，ACCP 可工作在低频，作用距离远所以它特别适合测量深海流场。ACCP 同时也可以测量舰船相对海底的速度，此时它被称为 ACL，它与惯性导航系统组成深水远程导航系统，它特别适用于远洋航行的潜艇，使潜艇长时间工作在水下。国外只有美国 RDI 公司掌握了 ACCP 技术［6］，已安装了两台设备，一台安装在安静型潜艇上，工作良好，另一台安装在实验船上，由于船噪声比较高，尚需要改进，进一步提高性能。ACCP 已列入我国863计划海洋监测技术（818）主题的研究计划，1999年7月舟山海域海试获得成功，我国已成为世界上第二个掌握该项技术的国家［7］。目前已在开始大深度 ACCP 的研制工作，它能在全球96％的水域工作。美国对 ACCP 的关键技术非常保密，只发表一些实验结果。我国独立自主地开展了研究，获得了具有自主知识产权的 ACCP 关键技术，它包括，（1）声呐阵时空相关函数理论表式，这是 ACCP 最关键的技术，由此表式就知道时空相关函数与流速的关系。（2）最小误差理论表式，将它与声呐方程相结合，就可给出作距离与误差的关系。（3）特殊的发射信号，它只有在延时为0 和τ时相关函数有峰值，既满足了 ACCP 原理要求，又消除介质层间信号的叠加，并使最大似然估计技术的应用成为可能。（4）稀疏的阵形设备。（5）最大似然估计和稀疏阵联合信号处理技术。

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定位声呐技术

定位声呐包括长基线、短基线和超短基线定位声呐以及海洋GPS

1、长基线、短基线和超短基线定位声呐技术

目前国际上主要是发展可对多个目标定位的声呐，包括远程超短基线定位声呐和远程长基线定位声呐。远程超短基线定位声呐以法国 Thomson Marconi 声呐公司［8］和英国的 Sonardyne 公司的技术领先，作用距离达6000米。为了提高技术指标通常在两个方面进行研究，发射复杂信号，以抑制水声信道引起的多途干扰；研制性能优良的声呐阵，充分提取空间相关特性信息，减少误差，提高精度。远程长基线定位声呐的基线（换能器的间距）可达数百公里，作用距离可达一千公里。从近海到远洋在水下布设着若干信标，则可在一千公里范围对多个目标进行定位和跟踪。对于远洋航行的水下载体是很有用的。它发射特殊的编码信号，难以被对方侦察到。研究性能良好的脉冲声远程传播理论和快速的数值预报技术，保证定位精度。

2、海洋 GPS

国际上于1997年提出海洋 GPS［9］，它的出发点是集成成熟的水声扩谱通信技术和 GPS 技术，这样由声波和电磁波组成的通信链就构成了水下定位系统。海面上布放了3个浮标，浮标上均装有 GPS 和水声换能器，水下运动的载体与浮标间采用低波特率的扩谱信号进行通信和定位。海洋 GPS 的优点是浮标放在海面，布放方便，不象通常的长基线定位声呐，信标布放在海底比较麻烦。但它的缺点也是由于浮标布放在海面，在风浪和流的作用下，在长时间内浮标难以保持在一个海域内，并且浮标间的间距也难以长时间保持在作用范围内。目前尚未找到为用户接收的良好的解决办法。

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水声通信技术

水声信道是一多途、色散和时变的信道声波在其中的传播行为十分复杂。由于声波的吸收大体上与频率的平方成正比，通信可用的带宽很窄。又由于声速很慢，这给水声通信网技术带来很多困难。近年来已经公认水声通信技术是与有线和无线通信并列的一种通信技术［10］。

国际上于80年代中期开始研究非相干通信技术，认为信道主要特征为多途效应。采用多频移键控信号（MFSK）克服信道多途效应，再用卷积码和维特比译码等技术，进一步减少误码率。非相干通信技术达到的指标一般为传输速率数百比特，误码率可达10－4，作用距离数公里到十公里。为了进一步提高通信速率90年代以美国 Woods Hole 海洋研究所为代表，进行水声相干通信技术研究。他们在多路判决反馈自适应均衡器中加入了用二阶锁相环构成的相位跟踪器在冰下实验中获得了良好效果［11］。这时的水声信道模型已是多途、色散和时变的信道模型了，只是用相位的变化来表征多普勒频移的变化。这是开拓性的工作，目前国际上大多数的研究工作是在此基础上开展的。当 Woods Hole 海洋研究所把他们的研究成果用到水下机器人上时，发现通信质量大为退化。我国也在进行水声相干通信技术的研究，水声通信中信号相位变化的主要原因是由于水声信道的界面起伏和介质起伏，这是一随机过程。二阶锁相环跟踪随机的相位时效果不会很好。因此决定用自适应滤波器为基础的自适应相位跟踪器来跟踪信号相位。而且决定此自适应滤波器系数的参数再自适应变化，也即采用自最佳自适应技术的相位跟踪器。对判决反馈自适应均衡器，也采用自最佳技术。用多路自最佳判决反馈自适应均衡器和自最佳自适应相位跟踪器构成的接收机处理了大量的湖试数，达到传输率与作用距离之积为40Kbits Km，误码率10－4～10－5。传输的图象与原图看不出区别，整个工作过程中无需人工干预［12］。把国际上公开发表的水声通信机的技术指标汇总后得出结论，目前技术能达到的上限为传输速率与作用距离之积为40Kbist Km［13］。我国的实验结果达到了此上限。为了进一步提高性能，必须深入研究水声信道模型。研究表明，在水声通信频段，用信道的频移一时移相关函数表征信道的特征是合适的［13］。美国正在执行15个计划，进行水声通信技术的研究，研究内容包括水声信道模型、自适应均衡器技术和非线性（盲）均衡技术、自适应调制技术、高速载体的多普勒频移补偿技术和空间分集技术等。目前主要研究中程（1 ～10Km）水声通信机，因为它的用途最广，同时它的技术也容易用到短程（＜1Km）和远程（10～2000Km）水声通信机中。自90年代后期国际上开始研究水声通信网技术。由于声速很慢，虽然有人对时分多址技术进行了研究并进行了实验，由于传输速率太慢，前景不佳。现在主要集中研究频分多址和码分多址技术，并把原来的非相干水声通信机改造成适用于水声通信网的要求。模拟的结果发表了一些，尚未有比较有分量的实验结果报道。

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声学析海洋环境探测技术

海洋声学层析技术是遥测海洋内部结构运动变化的一种新方法。它所利用的物理现象是声波在海洋中传播受途中的温度场和流场的影响，这种影响所携带的海洋结构的信息可以用反演的方法提取出来。海洋声学层析技术获得的资料不但信息量大，而且是空间平均值。长距离的空间平均可以起到代替时间平均的效果，从而得到稳定可靠的大洋的观测资料，这是其他方法难以达到的。近年的研究热点开始转向浅海层析与深海层析并重的局面［14，15］。目前国际上从两个方面发展声层析的理论和技术。理论上的研究内容包括，内波的声学反演方法；浅海海底分层结构声学反演理论；对海流宽容的声层析理论；水平变化介质中声传播的实用理论。其中关键是发展波束移位射线简正波（BDRM）理论和发展全波动层析理论。技术上是研制性能优良的潜标系统，其上装有数百赫兹的低频和数千赫兹的高频深水宽带大功率声源、接收阵以及相应的电子设备。我国的声层析方面已进行了许多工作，取得了多项果，受到国际同行的关注。在复杂声信号传播问题上完善并推广了浅海和深海的声传播预报理论，相对于现有的简正波理论的计算速度提高了1～2个量级，这使全波动层析方法的计算在时间上是可行的，使层析的分辨率和精度提高很多。在浅海混响反演海主氏与散射系数研究以及水声逆问题的研究中已获得重要成果。已有的潜标系统已在海上试验，这为研制声层析的潜标系统奠定了良好的基础。

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结束语

本文概述了海洋声学技术的重要性介绍海洋了声学技术的研究内容。根据国际上的发展趋势和我国的国情建议今后着重研究如下技术： 1、探测声呐 合成孔径声呐技术和采用高分辨率波束形成技术的测探侧扫声呐。它们与 Chirp 浅地层剖面仪组成的三维声成象系统完全满足海洋测量要求。 2、导航声呐技术 声相关海流冲面仪（ACCP）技术、声相关计程仪（ACL）技术和相控阵声多普勒海流剖面仪（PAADCP）和相控阵声多普勒计程仪（PAADL）。 3、定位声呐技术 能跟踪多目标的远程长基线定位声呐。4、水声通信机 中程相干水声通信技术和水声通信网 5、声层析技术 中尺度大洋声层析技术既能为海洋学研究提供有用的结果相应的科研投入又较易解决。【参考文献】

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