水声探测技术综述
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
声波威超声波)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F.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 限介质中不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: 尸
罢+(1)
0H日 (),+)+V(2)
p:(+).6O+v
"(3)
0Z
疗』Ou.Ou
式中言表示在声波扰动下
体积相对变化,为体积膨胀率,tlx~tl…u,分别表 示X,Y,z方向的位移,入和为拉梅常数, vz:++
0xOy为拉普拉斯算子,p为密度.
由(1)(2邸)可算得:
=
~/p(1+E(1)-(1o)(4) e=J=(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(4)(5)可算出介质的动弹性力学参数E,G及 .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.在声纳中的地位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 器或水听器I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
声音一些则使用分开的发射器和水听器.通 常按换能器的机理把水声换能器分为5类. 3.I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. 3.2静电换能器
当在一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 一
6一中国新技术新产品
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 圈中的电流引起磁极面间缝隙中力的变化产 生膜片的振动从而幅射声波
3.4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.
3-5压电换能器一
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,采用了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 信号的有效陛,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 点是具有时变和自动调整性能.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,而无需知道信号的结构和信号的实际知 识,假如一个自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,则可自动调整为一个带 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,而且还缩短了信 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 海流剖面测量技术,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.合成孑L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,并且出现了 被动和主动两种工作方式的合成孑L径声呐, 1995年完成了实验样机,作用距离达到400m, 分辫率达到10em.国外目前的发展趋势是提 高分辨率和作用深度.声层析技术是美国人于 1979年提出来的概念,其原理类似于医疗器械 cT,它通过溯量声速传播的时问来计算传播路 径上的平均温度,通过测量声在双声线传播的 时间差来测量上升流,通量,涡流等动力参数
A,I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间的相关关 系.我国已经参加了AToCii~,l.这是目前国际 上很热门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图像,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,关键要解决的问题是增加传输距离,提高图 像的7JY')I"率,降低误码率.国外正在研究100km 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,并已商品化,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 间工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"或根本不能丁作,而这套仪器有可能 投入数百万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 测中已发挥了重大作用,地理信息系统fGJs)也
已获得较为广泛的应用,但卫星遥感在海洋环 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fGIs)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, 这也增加了海洋观测技术发展的难度. 参考文献
[1】吴曾庆,声波检测的发射与接收,中国地质灾 害与防治lJJ,1998.9
[21曾台英,贾叔仕,水声换能器及其研究和发 展,仪表技术与传感器,2002
l31李启虎,水声学研究进展,声学学赧,20012 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JJ1,2008.11 [5]朱光文,发展海洋观测高技术,海洋技术叨,
1997.12
作者简介:黄威(1984一),男,中国地质大学 (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.