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海洋声学主要以声波在海洋中的传播、散射规律为基础研究，探索开发声学方法海洋环境监测和资源探测新方法、新技术，为国防装备建设、国家权益维护和海洋环境监测、资源开发等应用奠定基础。由于声波在海水中传播的独特性，在有关海洋探测、海洋开发中无一不需要水声探测技术。随着海洋开发、海洋资源利用需求的日益增长，海洋声学、水声技术不仅为军事需求，更是科学研究和探索海洋的基本手段。 海洋声学研究的主要意义在于：海洋是典型、天然、具有复杂边界条件、特性时空分布及随机特性的波传播介质，存在大量尚在研究中线性和非线性波动现象；声传播、散射、时空相关性等规律研究对声呐性能提高具有至关重要的意义；声学方法（技术）是目前海洋观测、监测最为常用的手段之一。海洋研究和开发所用的水声技术，包括回声探测、被动探测、水声通讯、声学释放器、水声定位等，下面就来进行详细说明。 回声探测技术 利用一组换能器发射声信号，通过另一组换能器接收从目标反射的回声信号，再由处理后的信号判断目标的参数和性质。  ⑴回声测深仪 利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。声波在海水中的传播速度，随海水的温度、盐度和水中压强而变化。常温时海水中的声速的典型值为1500米/秒，淡水中的声速为1450米/秒。所以在使用回声测深仪之前，应对仪器进行率定，计算值要加以校正。不同回声探测设备最主要的差别主要是在对回波信号的不同处理方法上，现代大功率的低频测深仪，能够测量出最深洋底的形状。多波束测深系统或多振子的测深仪，可同时获得多个水深点的数据，采用相关软件能自动绘制精细化的海底地形图，也称海底微地貌测量。 ⑵声学多普勒海流剖面仪（ADCP) 声学多普勒海流剖面仪（简称ADCP)是一种新型海流测量仪器，主要用于海流剖面的高精度测量、海深测量、船舶或水下航行体相对于海底的运动速度测量，测量时不干扰流场，不存在机械惯性和机械磨损等问题，能如实反映流场的真实结构，被公认为是当今最主要的测流仪器。按照仪器的换能器阵类型可分为相控阵ADCP与非相控阵ADCP，一般高频采用非相控阵ADCP；按照波束方向可分为ADCP和水平测流仪；按照数据读取方式可分为直读式和自容式；按照安装方式可分为走航式和固定式；当ADCP用于测量船舶或水下航行器对海底的相对运动速度时，一般称为计程仪（DVL）。  ⑶鱼探仪 由它获得的鱼群回波，可大致判断出鱼群的位置、范围和密集程度。鱼探仪主要部件换能器可将电子信号转换成声音脉冲并发射到水中，声波在水中传播过程中遇到障碍物时，部分声音信号反向散射至换能器，如果信号水平超过用户选择的阀值，将被换能器接收并转化为电子信号通过电缆传输至控制电脑，生成回波图。根据声波发射后收到目标回声信号的间隔时间和声波在水中的传播速度，可测得目标所处的位置，对回声信号强弱和结构加以分析，可估算出目标强度、目标数量及分布状况等。 该仪器主要实现对某一水域内鱼群资源的调查和评估，包括：测深、鱼群总量、大小分布、种类（结合采样）、单鱼跟踪等。用以调查鱼类时，具有速度快、在一定的时间里做到实时追踪、不给鱼类造成损伤的特点，所获得的数据能够为进一步的研究提供基础。通常使用的垂直鱼探仪，可以探测底层的鱼类；水平鱼探仪则以探测上层和中层的鱼类为主。垂直鱼探仪常用工作频率为20～200千赫，探鱼深度可达1000米。  ⑷侧扫声呐 侧扫声呐亦称“旁侧声呐”或“海底地貌仪”，它利用回声测深原理探测海底地形地貌及水下目标（如沉船、岩礁、沙波、底质类型分布等）。其换能器阵装在船壳内或拖曳体中，走航时向侧下方发射扇形波束的声脉冲。波束平面垂直于航行方向，沿航线方向束宽很窄，开角一般小于2°，以保持较高分辨率；垂直于航线方向束宽较宽，开角约为20°～60°，以保证一定的扫描宽度。侧扫声呐依据声图图像来判读水下目标特征，声图图像与其相应显示的形状、大小、色调、阴影、灰度、纹形、布局和位置等特征有着密切关系，包括目标图像、海底地貌图像、水体图像和干扰图像。目标图像包括沉船、沉雷、礁石、海底管线、鱼群以及水中各种碍航物和构筑物的图像。因此，可以根据声图图像的不同特征来判读水下目标的性质及其延伸范围。目前，侧扫声呐在海洋测量、疏浚港口，港湾工程、锚地勘测、水利勘察、生态环境调查、海洋调查等方面均得到了广泛应用，都取得了明显的效果。  ⑸浅地层剖面仪 浅地层剖面仪又称浅地层地震剖面仪，是在超宽频海底剖面仪基础上的改进，是利用声波探测浅地层剖面结构和构造的仪器设备，是基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。浅地层剖面仪采用的技术方法主要包括压电陶瓷式、声参量阵式、电火花式和电磁式4种。其中，压电陶瓷式主要分为固定频率和线性调频（Chirp）两种；电火花式主要利用高电压在海水中的放电产生声音原理；电磁式通常多为各种不同类型的Boomer，穿透深度及分辨率适中；声参量阵式利用差频原理进行水深测量和浅地层剖面勘探。 浅地层剖面技术利用声波在不同介质中传播特性的差异，不同介质界面处(声阻抗界面)会发生反射与透射，透射波在下一个界面处继续产生反射波与透射波，通过分析接收记录反射波的返回时间、振幅、频率等信息，以声学剖面图形反映浅地层组织结构，并得到有效穿透地层内的分层底质特征。通常使用的声波频率在几百Hz到几十千Hz之间，声波频率越高，地层垂直分辨率越高，但同条件下的穿透深度越小。浅地层剖面仪在海洋地质调查，地球物理勘探和海洋工程，海洋观测，海底资源勘探开发，航道港湾工程，海底管线铺设等均得到了广泛应用。  ⑹水下声学测波仪 水下声学测波仪就是利用置于海底的声学换能器垂直向海面发送声波，通过接受回波信号，测定换能器至海面的垂直距离变化，再换算为波高变化信息；若将ADCP置于海底，或者安装在水下浮式构建物上，从水下向上看，就可以记录自由表面的波动情况。优点是安装在水下或海底，可避免水面恶劣海况的影响，精度高、易操作；缺点是受浪花和气泡干扰，测量破碎波的准确度受限，尤其在恶劣气候和波况条件下，水汽交界处的边界不十分明显。 被动声呐技术 被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。它由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇，也可在鱼群探测或诱捕中应用。 ⑴在反潜作战中的应用 利用接收换能器基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测目标的声呐称为被动声呐，由于被动声呐本身不发射信号，所以目标将不会觉察声呐的存在及其意图。目标发出的声音及其特征，在声呐设计时并不为设计者所控制，对其了解也往往不全面，声呐设计者只能对某预定目标的声音进行设计，如目标为潜艇，那么目标自身发出的噪声包括螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的动水噪声，以及各种发动机的机械振动引起的辐射噪声等。 因此，被动声呐（噪音站）与主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目标发出的噪声。此时，目标噪声作为信号，且经远距传播后变得十分微弱。由此可知，被动声呐往往工作于低信噪比情况下，因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措施。被动声纳没有发射机部分，回音站、测深仪、通信仪、探雷器等等均可归入主动声呐类，而噪音站、侦察仪等则归人被动声呐类。  ⑵鱼群探测或诱捕中应用 当然，被动声呐技术也能在鱼群探测或诱捕中得到应用，其所测听的声源可分为自然声源和人为声源两类。①自然声源：不少海洋中的动物也能够发声，故可利用被动探测系统监视鱼群的回游特性，并根据鱼类声音的特性来判断鱼群的种类，为海洋捕捞提供有价值的数据。另外，深海水下的水听器系统，还能准确地测出水下地震、水下火山爆发的位置和估计其强度等。②人为声源：鱼类对声音很敏感，并有好恶之分，故可以发出它们喜欢的声音加以诱集，发出它们不喜欢听的声音加以驱逐；根据这原理制成的声诱鱼器和驱鱼器，已开始应用于海洋捕捞中。根据不同目的，分别采用连续的、脉冲的或其他调制方式的信号源，将一种小型的声信标缚于鱼体或纳入其胃中，用被动声呐跟踪，很适合于海洋生物习性的现场研究。 ⑶在其他领域中的应用 被动声呐可跟踪放于海底的小型发声体，能够了解海底石砾等的移动状态；一种船只和飞机遇险的声信标，在船只和飞机沉没于水下的一定期间内，能发出声信号以指示它的位置；利用带有声信标的中性浮标，可以测量深层的海流，如赤道深层流等。 水声通讯技术 现在的海上通信包括水上通信和水下通信两种形式。由于海上通信主要是船舰、潜艇等移动物体之间的通信，因此主要是无线通信，不考虑有线通信。而水上无线通信环境完全相似与陆地的无线通信环境，因此完全可以使用无线电通信系统。但水下无线通信却不能再使用无线电通信系统，这是因为电磁波在水这种介质中衰落特别严重，导致无线电通信系统根本无法在水下应用，而声波在水中的传播距离可以达到通信的要求，因此就催生出了水下声波通信技术。 水声通信信道是属于随机的时空频变参、多途效应明显、传输衰减严重、噪声级较高、信号传播速度较低和严格带限的一类特异通道，与一般无线通信信道差异明显。一方面，在水声信道中，在收、发两端始终存在着一条以上的传播路径，也由于浅海水声信道随机的时、空、频变特性，使得多途现象更为严重。多途传播对接收信号的影响在时域上主要表现为码间干扰；在频域上则体现为频率选择性衰落。显然，如何抑制多途，实现信号的稳定、可靠检测是水声通信中要解决的关健问题。另一方面，声波在浅海信道传播时由于多普勒效应造成发射信号的频率漂移，这种漂移称为多普勒频移。再一方面，由于海水介质不是理想无损耗介质，声波在海水传播时也会衰减。最后，声波在水声信道环境传递的过程中，会因为水介质的物理吸收而造成声波能量的损失。由于上述原因，水声通信系统设计所面临的最大问题应该是频率选择性衰落和多径传播引起的码间干扰，因此如何针对水声信道特点，采取高性能、可实现的通信算法，是水声通信领域的关键问题。  水声通信技术从最初应用于军事领域，提供水下目标的探测、定位和识别等服务，发展到提供通信、导航等服务阶段。随着人类海洋活动的增加和对海洋资源利用程度的提高，水声通信技术开始应用于民用领域，为海上科学考察、水下资源探测等人类活动提供服务，在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着极其广泛的应用。当前，水声通信及组网成为目前的研究热点，水声通信技术的应用情景可包括以下七个方面： ⑴海洋立体观测。在深海潜标的不同深度设置多个观测节点布设多个观测站，通过水声通信网络把各观测设备数据传输到主控器，再通过移动节点将数据取走或通过卫星将数据发送到岸站，解决了水下设备难以用电缆连接的问题。 ⑵突发事态的海洋观测。在海上油田溢油、水下输油管泄漏等突发污染事故，以及赤潮爆发等突发生态事件时，采用水声网络观测技术可以快速响应，投放位置和传感器类型选择灵活，观测数据实时性和连续性好。 ⑶港口要地安全监控。在敏感时期，可在港池、港口等要地的水下投放多个安全监控节点，加强安全监控力度。 ⑷海底观测网。基于海底光电缆的水声通信观测网，在海底光电缆基础上，通过水声通信网络在垂直、水平方向延伸，扩大海底光电缆观测系统的覆盖范围和观测能力。 ⑸水下浮标信息传输。可以水下浮标信息参数通过水声信道传输到母浮标，再由母浮标把它转换成无线电信号而传到调查船或岸站来，这种遥测方式具有实时、大面积、快速和连续测量等优点。 ⑹海洋渔业拖网信息传输。水下部件缚于的网口上，把获得的信息变成水声信号发射到船上来，从而监测鱼网的高度、开口的状态、拖绳的拉力、鱼群入网和分布的状态及遥测网口周围的水温等，这对提高鱼获量很有帮助。 ⑺水下多移动载体通信与定位网络。对于AUV等水下移动观测设备，实现网络化信息传输和定位，多个AUV可以实现协同组织进行观测，完成实时的数据融合和联合处理，可以实现编队运行达到特定的观测目的。 水下声学释放器技术 随着人们对海洋生物资源、海底矿产资源和海洋能源开发与利用的不断加深，人们向海底投放的海底环境监测仪器和工程应用仪器也逐渐增多，而回收海洋设备也是重中之重。因此，一种水下声学释放器设备应运而生。  水下声学释放器主要用于水下设备的自动回收，通过甲板单元发射遥控释放指令，应答释放器收到命令并进行校验，校验正确后开启释放机构，与重力锚脱开，应答释放器及设备在浮力作用下浮出水面，进而回收。水下声学释放器利用声学通信原理，可实现海洋设备的自动回收，大大减少了人力回收的难度，可用于浅海甚至深海中回收仪器，有些释放器还可以通过远程控制发出多种命令来控制复杂的水下系统。因此，水声应答释放器作为一种必备的水下设备辅助回收工具,在海洋勘测和海底工程中具有不可替代的作用。 水下声学释放器利用声学通信原理，当基重挂在触发吊钩上，触发器紧密地绑定到一起支架上。在测量结束后，从船上发出声波信号，提示触发器打开吊钩。触发过程也可以选择用集成的定时器来实现，触发器引擎由定时器的电池供电。目前，水下声学释放器已经广泛应用于海洋调查、水下工程、石油钻探和地震测量等领域。 水声定位技术 由于目前声波是水下信息传输唯一有效的载体，因此水声定位成为水下定位的主要选择。以基线方式激励的水声定位技术是一种通过测量声波传播的时间、相位等信息实现定位的技术。水声定位系统按应答器基阵基线长度分为长基线（LBL）、短基线（SBL）、超短基线（USBL）。 长基线水声定位系统的基阵长度在几公里到几十公里的量级，利用测量水下目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。超短基线定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。 长基线定位系统由预先布设的参考声信标阵列和测距仪组成，通过距离交汇解算目标位置需要事先测阵，作业成本高，主要应用于局部区域高精度定位。超短基线定位系统则是由多元声基阵与声信标组成，通过测量距离和方位定位，其优点为尺寸小、使用方便，缺点是定位误差与距离相关，且仅适用于大范围作业区域跟踪。短基线定位系统由装载在载体上的多个接收换能器和声信标组成，通过距离交汇获得目标位置，短基线作业简便，但其精度易受到载体形变等因素影响。而通过组合方式的综合定位系统融合了超短基线及长基线定位，兼顾了超短基线作业的简便性和长基线的定位精度。  目前，随着水下无人航行器技术及水声通信技术的发展，水下无人航行器集群作业在海洋环境监测、海洋资源开发与利用及海洋国防安全等领域呈现出重要潜在应用价值，未来，声学/惯性一体化导航定位将成为水下无人航行器集群作业的主流。惯性导航技术能够连续输出姿态、速度、位置等信息，具有短时精度保障能力，但其误差会随时间发散；水声定位技术能够获得无累积误差的位置信息，但是受海洋声传播特性的影响，存在数据更新慢、容易受多途及突发性噪声干扰出现无效数据的缺点。而水声/惯性一体化导航定位则能够兼得两者的优点，可有效抑制导航系统位置误差的发散，适合于水下高精度长航时导航定位。 水声定位系统最早起源于军用，用于水下潜器的定位与通信等，后来逐渐引人到商用与民用领域。水声定位技术在海洋工程领域应用广泛，正发挥着极其重要的作用，为海洋工程的对接、建造、引导等提供定位服务。目前，也已广泛应用于海洋探测与开发、海底管道铺设、海洋油气资源开发、沉船打捞、跨海大桥建设、海洋环境监测、水下航行器定位、海洋大地测量基准建设等领域。 1 END 1 ■本文依据我平台编发的相关学术资料内容综合撰写   |
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