水声探测技术综述

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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

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

１９９５年完成了实验样机。作用距离达到４００ｍ，分辫率达到ｌＯｃｍ。国外目前的发展趋势是提高分辨牢和作用深度。声层析技术是美国人于１９７９年提ｍ来的概念，其原理类似于医疗器械ｃＴ，它通过溯量声速传播的时间来计算传播路径上的平均温度，通过测冒声在双声线传播的时问差来测量上升流、通量、涡流等动力参数ＡＴ仳计划利用了声层析中的测温方法，可以监测两点之间万公里级距离内的温度平均变化，从而监测气候波动与温度渡动之｜’日Ｊ的相关关系。我闺已经参加了ＡＴｏＣ计划。这是目前国际上很热ｆ】的一项研究计划和实验技术。水下声多媒体通讯技术在水下声｜冬１像、数据及语音通讯中有重要应用价值，是很有开发前景的高技术，关键要解决的ｎｑ题是增加传输距离，提高图像的分辨率，降低误码率。国外正在研究１００ｋｉｎ级的声数据传输技术。目前６ｋｍ左右的声数据传输技术已成熟，并已ｆ暂品化，波特率为１２００，国内已开展了一些研究，取得较好的成果。

６结论与展望

海洋环境要比陆地环境更为复杂、更为恶劣、更为多变。在海洋环境下作业将遇到盐雾、海水、高压、台风、大浪等恶劣环境的干扰，长时间１ｊ作的水下仪器设备还要受到海洋附着生物的污损，海上试验仪器设备还可能受到渔民的干扰。这些环境条件都为海洋观测技术的发展增加了很多的风险．也增加了很多的困难。一台经室内检测和试验非常优良的仪器设备，投入海上使用时，会因细小的水密不良或盐雾对接插件的腐蚀，使全套仪器功能损失殆尽，变为”废铜烂铁”或根本不能Ｉ：作，而这套仪器有可能投入数白．万

元的巨资因此发展海洋高技术要有良好的经济支撑能力，会有较大的风险。另外，海洋环境的多变性，也增加了海洋技术发展的难度。如卫星遥感在陆地环境和资源遥感探测中已发挥ｒ重大作用，地理信息系统（ＧＩ固也已获得较为广泛的应用，但１ｌ星遥感在海洋环境和资源遥感探测中的资料利用率却相当低，要在海洋上建海洋地理信息系统（ｃＩ固也是相当困难的事。因此，对海洋环境的监测往往要求实时连续监测，以期能较为真实地反映海洋环境，这也增加ｒ海洋观测技术发展的难度。

参考文献

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ｐ等：（Ａ＋／．ｚ）罴＋∥ｂｐ孥：（Ａ＋ｐ）警＋ｐｖ２心

口ｋ堡；旦＋堡

。

（１）（２）（３）

式中８＝墼Ｏｘ＋鲁＋警表示在声波扰动下

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，融２’Ｏｙ２。出２为拉普拉斯算子，ｐ为密度。由（１ｘ２Ｋ３）可算得：

（４）

’、『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

’ｑ＝鼯ｃ一／工一叵

讽假如—个冉适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问图像。它以小孔径的基阵获得大孔径基阵才具有的分辨率，国际上一直到１９９２年才在技术上有所突破，并且ｆＩ｛现了被动和主动两种工作方式的合成孔径声呐，

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电荷时，将互相吸引而产生力当电荷变化使力

『１１昊曾庆，声波检测的发射与接收，中国地质灾害与防治学报切，１９９８．９

ｆ２１曾台英，贾叔仕，水声换能器及其研究和发展，但表教术与传感器叨，２００２

，

网李启虎，水声学研究进展，声学学彻，２００１．７

『４１孙兵，自适应滤波技术在水声信号处理器中的应用，桂林工学院学报ＩＪｌ，２００８．１１

嘲朱光文，发展海洋观测高技术。海洋技术叨。

】９９７．Ｊ２

（武汉）机械与电子信息学院检测技术与自动化

装置专业在读硕士，研究方向为无损检测技术。

作者简介：黄威（１９潍）。男，中国地质大学

一６一

中国新技术新产品

万方数据

水声探测技术综述

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：

黄威

中国地质大学,机械与电子信息学院,湖北,武汉,430074中国新技术新产品

CHINA NEW TECHNOLOGIES AND PRODUCTS2010，\"\"(50次

参考文献(5条

1. 吴曾庆 声波检测的发射与接收[期刊论文]-中国地质灾害与防治学报 1998(92. 曾台英. 贾叔仕 水声换能器及其研究和发展 20023. 李启虎 水声学研究进展[期刊论文]-声学学报 2001(4

4. 孙兵 自适应滤波技术在水声信号处理器中的应用[期刊论文]-桂林工学院学报 2008(45. 朱光文 发展海洋观测高技术 1997(12

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1.期刊论文 邢军. 刘忠. 彭鹏菲. XING Jun. LIU Zhong. PENG Peng-fei 深海水声探测特性研究 -舰船科学技术2009,31(6

为改善水声探测系统的信号检测性能,研究了在深海环境下水声探测的特性.在对浅海和深海声传播特性进行比较的基础上,分析了深海声传播的优越性.通过对不同海洋深度声源的声传播特性仿真分析,证明了深海环境有利于实现远距离声传播.在一定信号接收带宽的情况下,计算了位于深海区域的水声探测系统对安静型潜艇的最大被动水声探测距离,进一步证明了深海环境有利于实现远程水声探测.研究结果为在深海环境下探测安静型潜艇提供了理论依据.

2.学位论文 张鹏程 光纤光栅在水声探测中的应用 2005

论文详细论述了光纤光栅的传感机理，比较了目前已经提出的各种光纤光栅传感解调方案的优缺点，结合对光纤光栅传感原理的理论分析，确定了利用M-Z干涉仪检测光栅反射波长移动的方案，深入研究了稳定干涉仪工作点相位的原理，用主动相位反馈的方法克服了相位诱导信号衰落，并给出了仿真结果，证明了方案的可行性。

论文最后利用新型器件——光环行器，设计了一种带法拉第旋转镜的迈克耳逊干涉仪干涉解调法，同时克服了干涉仪工作点相位漂移和干涉光偏振态随机变化导致的信号衰落，并改善了干涉仪输出信号的信噪比，探索性的提出了一种基于干涉解调法的时分复用光纤光栅传感阵列。以上干涉法检测方案的提出，在光纤光栅水听器这一领域具有一定的创新意义，使得利用光纤干涉仪来解调光纤光栅波长编码更好地走向了实用化。

3.会议论文 宫继祥 海洋环境与水声探测的相关性

简要介绍了海洋环境诸多因素能影响声纳探测的性能,并以实例分析了水下环境与声纳战术使用的相关性.对未来声纳技术的深入研究提出了个人的粗浅见解。

4.学位论文 朱殿尧 水声图像处理与模式识别 2008

本论文主要进行水声图像处理和模式识别领域的算法研究和开发。包括图像处理的基本算法、基于脉冲耦合神经网络(PCNN的图像处理算法、形态学图像处理算法及目标识别算法。

本文所研究了图像处理的基本算法中图像的旋转和非整数倍缩放算法并将其用于实现目标识别的旋转不变性和尺度不变性。灰度直方图均衡用于解决水声图像通常较暗这一问题。本文提出了一种新的二值化算法叫做直方图平滑二值化算法，并将其推广实现了图像的快速多阈值分割。此外，还对一种自适应确定二值分割阈值的Otsu算法进行深入研究，并广泛用于本文的其它部分。

PCNN算法是目前图像处理领域中一种较新的算法，是图像处理算法中的热门课题。本文对基于PCNN二值图像边缘提取、细化和去噪算法进行了重点研究，其中二值图像去噪算法是对同行提出的基于PCNN的灰度图像去噪算法中的关键参数进行改进而实现的，达到了很好的去噪效果。

对于形态学图像处理进行了广泛深入的研究，利用二值形态学的开启、闭合操作为后续的目标识别提供了高质量的中间结果。将形态学平滑算法、形态学梯度算法与对应功能的常规算法进行比较分析，阐明了它们各自优缺点和特性。将高帽变换用于侧扫声纳图像目标的预处理，将阴影区作为目标特征以用于目标识别。

最后在上述各种算法基础之上计算区域的特征向量，开发出了侧扫声纳目标自动探测算法，高度对称目标自动识别算法和矩形与(椭圆形区域自动分类识别算法。在矩形与(椭圆形区域自动分类识别算法部分提出了一种新的无孔区域周长算法，解决了周长计算中的陷阱点难题。

综上所述，本论文对水声图像的预处理、特征提取和模式识别进行了广泛深入的研究，解决了一些热点问题，并取得了若干独创性成果。

5.期刊论文 许策. 章新华. 卢海杰. Xu Ce. Zhang Xinhua. Lu Haijie 编队水声探测时抗同频干扰的空间分集法研究 -舰船电子工程2010,30(5

编队水声探测是对潜搜索的常用手段和有效途径,同频干扰是编队水声探测时主动声纳的主要干扰之一.在对同频干扰分类研究的基础上,对几种常用的同频干扰抑制方法进行了研究和总结,并给出了空间分集法的实现方法以及抗同频干扰的效果.同时,通过两种编队队形对空间分集法的性能做了仿真分析.

6.学位论文 谢斌 MEMS仿生矢量水声传感器设计及其工艺研究 2007

随着声隐身技术的发展，水下运动目标的辐射噪声大幅度下降，这对噪声测试技术提出了新的挑战，尤其是低频、远距离探测。矢量水声传感器的发展和应用，大大提高了对安静型目标的探测能力，矢量水声传感器相关技术正在成为水声工程领域令人瞩目的研究方向之一。目前对矢量水声传感器来说急需解决的几个问题是：1，高灵敏度问题： 2，甚低频检测问题；3，矢量水声传感器的小型化问题；4，抗噪声干扰问题等。

以上问题可以以MEMS技术平台为依托，开发新型传感器制作技术，并通过微系统集成技术途径得到解决。本文基于MEMS技术基本理论，提出采用量子阱薄膜的介观压阻原理实现水声信号的检测，利用MEMS工艺技术制作小型矢量水声传感器。期望利用量子阱薄膜材料的高灵敏度压阻效应，提高矢量水声传感器的探测灵敏度；利用声学柱体的仿生原理和声学原理实现传感器低频矢量探测，并且利用MEMS技术实现小型化。

论文根据鱼类侧线器官仿生原理，提出了一种新型MEMS仿生矢量水声传感器。文

中概括地介绍了仿生传感器的仿生原理和声学探测原理；完成了以

压敏电阻为敏感元件的水声传感器仿生结构设计并对传感器结构进行了仿真；采用标准的压阻式MEMS加工工艺完成了水声传感器四梁微结构的加工并对水声传感器进行了封装，最后在中科院声学所和715所对MEMS仿生矢量水声传感器进行实验测试。测试结果显示：该仿生矢量水声传感器具有很好低频‘8’字型矢量指向性，声压灵敏度达到-200dB。理论分析和实验测试结果表明，将该仿生传感微结构应用于水声探测是可行的，将鱼类侧线听觉仿生原理和MEMS技术相结合应用于水声探测领域，为新型高性能水声传感器的研究开拓新的方向。

本文研究创新点主要体现在： a本文基于鱼类侧线听觉仿生学原理，首次设计出仿生矢量水声传感器微结构，所以传感器结构新颖。b传感器采用具有介观压阻特性纳米超晶格薄膜作为敏感元件，实现声学信号到电学信号的转化，所以原理新颖。c采用MEMS技术对水声传感器结构进行设计和加工，在矢量水声传感器制作方法新颖。因此本文的研究具有较强的创新性，为开发新型传感器打下基础。

7.会议论文 张庭波 谈潜艇探测声纳技术发展的重要性

随着当代水声对抗技术的发展以及潜艇隐身降噪技术的高速发展,为了能及时的掌握住水下信息对水下目标进行监控,在水下信息战中取得一定的主动权,提高和改善水声声纳探测技术显得尤为重要.本文通过对水声对抗战潜艇隐身降噪的描述,以及对当今俄罗斯研发的新型声纳探测技术的描述,重点探讨了提高和改善水声声纳技术的重要性。

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文章提出了一种水声网络探测节点的运动目标参数估计方法,即基于模型匹配原理的估计算法.给出了算法的原理和仿真分析.

9.会议论文 王燕. 方尔正 激光探测水下声信号方法原理与对比研究 2009

10.会议论文 李晶. 于定勇. 刘华兴 水声探测海浪破碎发生率的实验研究 2007

本文采用置于水下的被动声以内探测海面破碎波,选取所测信号的声谱级水平(SSL作为波浪破碎判据,该方法属于非接触测量,不会干扰波浪破碎现象本身,并且隐蔽性好,适用于恶劣的天气条件。海上实验进行于渤海莱州湾海域,不同于传统的观测方式,采用水下监听与海面观测相结合的方式获得海面破碎的有效数据,并进一步验证依赖于波龄的风浪破碎概率的理论模式,结果表明实测数据与理论曲线符合良好。另外,本研究以LABVIEW作为虚拟仪器开发平台,自行设计出可连续监测的便携式数据采集系统。

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