水下侦察兵——声纳

声纳（Sonar）一词是第二次世界大战期间起用的，它是由“声音”、“导航”和“测距”三个英文单词的字头组成的。声纳相当于水下雷达，不过它不是利用电磁波而是利用水下声波来判断海洋中物体的存在、位置及类型，或进行水下通信。

人们自然要问，为什么不用电磁波而要用声波来作水下探测的工具呢？这是因为海水是电的良导体，电能在海水中能很快地以热的形式耗散掉，所以在同样的频率下，电磁波的衰减比声波要快得多，传播距离也短得多。因此几十年来尽管很多国家都在研究非声学的水下探测方法（如磁探测、红外线探测），但就目前来讲，声波仍是水下探测和通信的主要手段。

二次世界大战后，随着水声物理学和无线电技术的飞速发展，声纳技术进步很快，声纳的种类越来越多，功能越来越完善。图1是一个基本的声纳系统方框图，它有两种工作方式。一种叫主动声纳，电信号经功率放大后由放在水下的发射换能器将电能转换成声能发射出去，当它碰到一个目标时就会产生反射信号（或称回声），反射信号被接收换能器接收并转换成电信号，由接收机进行处理，提取所需的信息并显示出来。另一种叫被动声纳，目标被发现是由于目标本身所辐射出的噪声，例如舰艇螺旋浆的噪声。

水下电声换能器是声纳系统的关键器件之一，它把电能转换成水中声能，或是反过来把水下声能转换成电能，其功能与雷达天线相似，要求一定的方向性与灵敏度。电声换能器常用的有动圈式、静电式、磁致伸缩式、压电式等类型。为了提高效率往往把很多换能器在水下排成某种特定的阵式，这种技术称为布阵，它是声纳理论中的一个重要课题。

声纳技术初显身手是在军事上，在这一方面声纳的应用是极为广泛的。

扫雷舰上的探雷器是一种主动声纳。在扫雷过程中，扫雷器在水下不断用声波扫描，当声波碰到水雷时就产生反射，由探雷器检测出来并测定其位置（见图2）。目前，国外探测沉底雷的作用距离大约为300～500公尺。

声制导鱼雷是一种装了被动声纳的攻击型武器。一般在鱼雷的头部装有接收换能器，这些换能器沿鱼雷头布成一个阵，鱼雷内部装有一部小型的信号接收机。当携有鱼雷的舰艇发现敌方目标时，就发射鱼雷，这时装在鱼雷上的被动声纳开始工作，它根据敌方目标噪声传来的方向，不断自动调节本身的航向，跟踪并击中目标（参看图4）。

声纳技术在第二次世界大战后获得迅速发展，是出于反潜战争的需要。潜水艇具有良好的潜航性能，它能潜入水下几十至几百米，潜伏几昼夜，对海上船只进行神出鬼没的攻击，因此曾一度震慑海上。二次大战期间德国法西斯就曾利用潜艇在公海上对各国的商船、邮船进行惨绝人寰的袭击。而目前发展的核动力潜艇在水下能潜伏几个月，潜航能力可绕地球几圈，所能造成的威胁更大。面对这种状况，世界各国都加紧研究对策。这也就加速了声纳技术的发展。

声纳也可按其使用范围分为岸用声纳、船用声纳和飞机用声纳三类。岸用声纳是在水下布设固定的接收器和发射器，如同水下哨兵。许多这样的声纳就构成了水下固定的反潜予警网。技能器所接收到的信号通过海底电缆送到岸上的数据处理中心。一旦敌方潜艇接近，预警网就会迅速发出警报。例如美国的恺撒—素苏斯系统是一种设在美国东西海岸的被动式防潜预警系统，1952年建成，目前已发展到第五代，其有效作用距离大约为80浬（1浬≈1.85公里）。船用声纳一般装在船体的下面或者镶嵌在船体上，也有拖曳于船尾的。其用途为探测目标、通讯、识别和射击指挥。飞机上用的声纳有吊放式、拖曳式和无线电声纳浮标几种类型。由于飞机的机动性很大，所以，以军舰或陆地为基地的反潜直升飞机应用很广。图3是反潜直升飞机利用无线电声纳浮标探测潜艇的示意图。直升飞机在它搜索的海区投放若干个浮标，浮标上的换能器立即开始接收水下的各种噪声，并用这些噪声调制高频信号后发射出去。飞机上收到信号后，由小型计算机根据多个浮标所发的信号进行分析判断、确定水下是否有目标及其准确位置。一般浮标的头部装有染料，入水后在水面形成鲜明的色彩，便于飞机上的工作人员观测。美国研制的P—3C反潜飞机最多能携带87个声纳浮标，工作时由计算机控制能同时监视31个声纳浮标。岸用、船用、飞机用三类声纳组成了水下——水面——空中的立体防御系统，由此可见声纳在现代海战中的地位是何等重要。

浩瀚无垠的海洋象是一只巨大的聚宝盆。随着科学技术的发展，人们日益重视对海洋资源的探索、研究和开发，许多国家都投入了巨额资金。在这场向海洋进军的战斗中、声纳也是人们的得力助手之一。

渔业上用的渔探仪就是一种主动声纳，用它探测鱼群可以大大提高劳动生产率，有的渔探仪还带有彩色显示系统，可以帮助渔民在不同的深度捕获鱼群。

开发海底资源及航海都需要了解海底地貌情况，尤其是沿海大陆架的详细地貌材料，而这项任务的完成，同样要借助于声纳仪器。最初的地貌仪实际上是一种近程侧扫声纳，作用距离约为1000米，最大水深为200米左右。六十年代之后，侧扫声纳发展很快，现在已能用于深海，最大斜距可达20公里左右。另外，人们利用回声探测仪已经准确地测知海洋最深处的太平洋马里亚纳海沟的最大深度为11022米。

利用声纳回声定位原理设计制造的声学波浪仪、声学验潮仪、声速计、声学海流计等，在海洋水文物理学研究方面应用极为广泛。

有些国家在港口和主要航道上布设应答声纳，大型的油轮和商船装上了导航声纳就可以和应答声纳进行联络，由后者给船只导航，保证巨轮安全进出港口和靠离码头。

此外，海底石油和天然气的开发也要利用声纳。在水下钻探石油，如果油井暂时不开采，就要将油井在水下封好。这时可以安放一个小型声纳，称为释放器，这样，当下一次再来寻找这口井时，只要在水面发一个声信号，释放器收到此信号后就会自动弹起，指示出油井的精确位置。还有一种遥控声纳可布放在钻井、油泵附近，以防止破坏和海上掠夺。

声纳技术的理论基础是水声物理学、信号处理理论、换能器及换能器材料的理论等。要想使声纳技术为人类作出更大贡献，就必须开展深入的理论研究。在这方面，人们已作了不少工作，取得了一些成绩，也还有许多重大课题尚待解决。

六十年代以前研制的船用声纳，无一例外地都是利用声音的直达传播或重复的表面反射途径，作用距离十分有限，一般只有几浬，而且受水文条件影响极大。到了六十年代，随着水声物理研究的进展，人们发现声音在水下传播，在一定条件下也会聚焦形成会聚带，处于这种会聚带中的目标，很容易被发现。利用会聚带模型的声纳系统，目前可以在距船30～35浬、65～70浬、100～105浬的地方测到目标，这就大幅度增加了船用声纳的作用距离。

人们发现，在海洋的深处，由于海水受太阳辐射热的影响很小，水温终年不变，同时海水的静压力随着深度的增加越来越大，声速也随之而增加，于是在海洋深处会出现一个稳定的深海声道。把声源放在声道轴上，声音转播的损失非常小，几公斤的炸药在声道轴上爆炸，可在数千浬外接收到爆炸波。利用这一点可协助飞机或潜艇发出失事报告。舰艇或飞机失事时，自动弹出一个约一公斤重的信号弹，信号弹沉到深海声道轴处自动爆炸，这样沿岸的预警声纳系统就可以记录下爆炸信号并计算出大体正确的出事地点。

日新月异地发展着的无线电技术也不断地改变声纳的面貌。二次大战期间，主动声纳发射和接收的都是一个窄波束，这种被人们称为“探照灯式声纳”对目标的搜索率极低。到了二次大战末，由于应用了电子扫描技术就出现了扫描声纳，它可以连续提供360°范围内的距离和方位信息。六十年代后，声纳技术又开始利用电子计算机技术，发展了数字多波束声纳，这种声纳在用被动方式工作时也可以实现360°的全景观察。目前，国外正在积极研究将自适应信号处理技术应用到声纳中去。这样的声纳本身就是一部专用电子计算机，它可以根据环境噪声的变化自动调整自身系统，以便最大限度地抑制干扰和最有效地检测信号。

随着对信号检测理论的深入研究，出现了多种信号形式的主动声纳，它们的分辨能力和作用距离都有大幅度提高。例如在水下有些信号（加短脉冲信号）会产生很大的干扰背景，影响信号的检测，而随机信号产生的干扰背景却“干净”一点，因此人们就创造了一种编码信号，它的频谱很接近于随机信号，叫作伪随机信号。主动声纳如果发射这种伪随机信号，再利用脉冲压缩技术就可以提高检测能力。

水声学中一个颇有希望的新分支是非线性声学。非线性声学是用来描述大振幅波的声学理论。大振幅波在介质中传播时，声速不仅与介质本身的特性有关，而且随声压的增加而变大。两个高频、大振幅波由于相互间的非线性作用，可以产生一个频率较低的差频波。这个差频波具有频率低、指向性高、换能器尺寸小等优点。利用非线性声波相互作用原理制成的声纳系统换能器尺寸小，抗干扰能力强，分辨力强，为提高水下探测能力开辟了一条新的途径。目前，非线性声学刚刚进入实用阶段，例如七十年代初问世的参量降测深仪，还是非线性声学应用的头一个产儿。它具有强大的生命力但也还存在许多问题，尤其是它的转换效率很低，妨碍了它的广泛应用。要想使非线性声学技术日臻完善，还要作大量的工作。

我们伟大的祖国海岸线长、岛屿多、海洋资源丰富。声纳是我们保卫祖国的重要军事电子设备，也是我们开发海洋资源、建设祖国的有用工具。我们一定要尽快发展我国的声纳技术，努力赶上世界先进水平。(李启虎)