声纳美国10次啦导航

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""#:物理声纳技术及其应用专题编者按-声波是人类迄今为止已知可以在海水中远程传播的能量形式&声纳(.
/,*0)一词是第二次世纪大战期间产生的,它是由声音(.
/',1)、导航(,*2)3*")/,)和测距(0*,3),3)4个英文单词的字头构成的&声纳设备利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置及类型,同时也用于水下信息的传输&现代声纳的发明早于雷达&5657年,法国著名物理学家8&朗之万发明了回声定位声纳,用他的设备可以在水下探测到9::;之外的一块装甲板的回波&雷达的发明则是564;的飞机的回波&声纳技术在国防和国民经济发展中具有十分重要的作用&为了向读者介绍声纳技术的基本物理原理和应用情况,本刊从本期开始,以"声纳技术及其应用"作为专题,陆续发表系列文章(共篇),从不同角度向读者介绍声纳技术领域的最新进展、研究成果和物理问题,希望能引起读者对该领域的关心和兴趣&(中国科学院声学研究所-李启虎)第一讲-进入!
"世纪的声纳技术!
李-启-虎@(中国科学院声学研究所-北京-5::::)摘-要--海洋开发和反潜战的需求是推动声纳技术开发的巨大动力&水声物理、水声信号处理及相关学科的发展又促使声纳设计日趋完善&文章介绍了声纳技术在进入95世纪时所面临的机遇和挑战,水声信号处理领域近期研究的热点问题以及声纳系统设计中的技术创新课题&关键词--95世纪,声纳技术,声纳信号处理012)%13'.
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-国家自然科学基金(批准号:7::芯片,似乎"无所不能",过去很多受计算机能力限制的技术,现在都可以实现了,但是,很不幸,声纳的性能不仅仅依赖于硬件的能力,更大程度上依赖于主导声纳性能的建模技术、微弱信号检测算法、参数估计理论、人工智能等,英国科学家福莱斯特在总结了微电子技术的这种惊人发展之后,在他所著的《高技术社会》中发出了感叹,他说["]:"如果汽车或飞机行业也像计算机行业这样发展,那么今天一辆罗尔斯·罗伊斯汽车的成本将只有$,3#美元;跑"%%万英里仅用4加仑汽油,在$%分钟内便可环绕地球一周,"455&年美国普林斯顿大学电子工程系主任刘必治教授来华演讲时作了类似的对比,他说:"如果汽车行业也像计算机行业那样,今天一辆可以坐7%%%人的'小汽车'的价格应当是%,$&美元,"数字声纳设计者就是面临这样一种局面:硬件的发展向声纳设计者预示,只要你提出理论,我就能实现它;如果今天有一种目标识别的算法需要一个小时才能得出结果,那么4%年之后,用不了4分钟就可完成,微电子技术的这种发展潮流也已部分地改变了信号处理理论的发展方向,$%世纪&%年代中期,当@AIA2JAKA+J)周刊上提供了美国海军的一个有关安静型潜艇的辐射噪声的图[4],表明美国在$%世纪5%年代的海狼级核潜艇噪声和俄罗斯改进的LD-.
0级噪声相当,在近"%—7%年内,潜艇的辐射噪声大约每年下降%,#—4MN,从而使被检测的距离每年缩小%,#—$DO,而声纳技术的改进弥补不了这一下降趋势带来的损失(见图$),潜艇降噪用的是综合的技术,即同时考虑消声瓦和本艇辐射噪声的控制[#,&],称为@G@(1@A,工作扇面为0>B—7/>B(全功能),7CB—7DCB(降功能)];(E)德国12314公司研制的主动拖线阵声纳绞车和拖曳系统定位技术等(见图/,0)&在寻找新型水声换能材料方面,有的研究者认为,镍合金和压电陶瓷材料的设计极限早在.
>年之前就达到了[D]&所以人们开始研究稀土系列元素的磁致伸缩特性,这类材料能产生较大的声功率,并且可以在低频、宽带下稳定工作&美国海洋实验室发现了一种镧和铁的合金,称之为2FGHF,I(6J的磁致伸缩材料,据说已获得应用[;]&这种26J换能器具有良好性能,在合理使用时几乎不变形,样品经过7C;次发射仍完好无损,有可能成为下一代声纳发射换能器的首选材料&在众多水听器中,近年来发展较快的是一种聚偏二氟乙烯(KI(LM),L()NF,FH('IG)NF,KOJ5)薄膜,这是一种柔顺压电材料,加工较方便,压电常数非常高&目前已研制出厚度为7—.
1'@@AB0C(/2公司研制的被动测距声纳DEFFG可以证明,被动测距的相对误差等于测延时的相对误差,即根据这一公式我们就会明白被动测距声纳所面临的问题,举例来说,孔径为H%I的基阵要测量相距为$%I的目标,延时量大约为7""J,如果要求相对误差为7%K,则延时估计误差不能大于7,""J,在海洋环境中要做到这一点非常困难,EC/1[7.
>PO:21,)研制的样机在华盛顿(Q0J'/2P(>2)湖作试验时,甚至得到了一架早先沉没湖底的飞机残骸的"声像"(见图&),图&!
DRHST$的G3G图像(788[1](见图@)&但在1>世纪@>年代初,这个值只有左右&因为为了提高传输速率必须提高信号频率,而一旦频率增高了,传播损失增大,作用距离就下降了&所以!
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13>9=·9:)";E范围内基本均匀&!
&$"目标识别与水下快速运动目标轨迹提取数字式声纳的基本功能是测向和测距,目标识别的功能通常由声纳员通过鉴别目标辐射噪声来完成&随着声纳技术的发展,国外的一些声纳已具备目标识别功能,甚至专门配置鱼雷报警声纳&目标识别和鱼雷报警是两个相关的课题,虽然后者可以抽象为水下快速运动目标的轨迹提取问题,但最后的判决仍离不开识别这一环节&目标识别的关键当然是特征提取&只有对大量目标样本进行设计分析,才有可能确定合适的特征量&于是数据库的建立就是必不可少的,可惜这是缘于高度机密的信息,因而在一定程度上阻碍了识别研究工作的进度&能够在目标识别方面发挥作用的方法很多,如专家系统(最小邻近准则),人工神经网络、聚类分析等,但是目前还没有一种办法被公认为是解决目标识别问题的有效方法&其原因是实验室系统模拟的结果与实际海上的条件差异很大,要寻找出不受传播影响的信号特征非常困难&声纳工作平台的任何机动(这在实验室里不会出现)都会干扰目标识别系统的工作&!
&%"水下蛙人探测声纳(FF0)系统1>>>年2>月,美国导弹驱逐舰G6(8号在也门港口受到恐怖袭击,艇身受到重创&港口警戒问题引起重视&"C22"事件之后,恐怖袭击遍及海陆空各个领域,港口警戒成为国土安全的重要课题&海军基地、大型集装箱码头、港口和HI/(贵宾)浴场的保卫问题已成为水声技术研究的迫切任务&当然,我们需要的是海陆空的立体防护&但是在水下如何发现并阻止蛙人(包括有呼吸和无呼吸系统的潜水者)、水下有人或无人载器的攻击显得尤为重要(见图B,C)&·%&#·声纳技术及其应用专题!
"#卷($%%&年)#期!
01,12图3!
456748公司的99:系统工作示意图图;!
2公司的99:系统工作示意图虽然从原理上讲,99:也是传统意义上的主动或被动声纳,但是在声纳技术的应用上仍面临一些新的挑战,比如,99:通常用于浅海,作用距离较短(例如@AB),这就使声纳工作于混响背景限制的状态,所以能抑制混响和抗多途效应的波形设计显得很重要;又比如,蛙人的目标强度较小(例如6:C5@%DE),检测难度较大,等等,F!
声纳领域的技术创新声纳技术是一门发展迅速、需求迫切、应用前景异常广阔的学科,它不是一门纯理论的学科,它的发展和完善依赖于大量的有准备的海上实验,由于基础研究的特殊性,需要较大的人力、财力投入,深入的基础研究是声纳技术创新的源泉,回顾声纳发展的历史就可以证明这一点,如果没有对不同声速剖面下水声信号传播规律的研究,就不会有变深声纳;如果没有对水声场的时空相关特性的研究,就不会有被动测距声纳;同样,对水声信道的研究为匹配滤波器、水声通信系统提供了正确设计的依据;内波、声层析、匹配场过滤又为远程被动定位技术提供理论支持,只有技术创新才能实现跨越式发展,拖曳式线列阵的出现就是一个很好的例子,声纳设计者在$@世纪初处于这样一种充满机遇和挑战的年代中,一定能取得新的突破、新的成功,参考文献[@]G1AH7,+MIA:N10D>B/1OI>JJ,@;P"[$]E2D=)0D'+0=OG,OI1,Q777,@;;3,3&(@):P3["]RI>J(>I6,8/K'5(>1':1/J(I=S('>/2SIB0(/2(>1'2.
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