水下的千里耳 -- 声呐技术及其应用

人类的进步与向自然界不断学习的能力息息相关，仿生学是典型的表现。前面我们谈了天上飞的蝙蝠和超声波传感器，今天我们来聊聊水里鲸鱼和声呐检测技术及应用，欢迎有相关经验的群友分享自己的经验、看法和观点。

圈子里的专家讨论了很多姿态测量控制、定位、惯性导航方面的内容，对于机器人、无人机、智能/自动驾驶设备来说，相当于它们的小脑，现在我们再花一点时间来讨论与它们的眼睛相关的传感技术应用，比如声波、雷达、激光等等，这是当前实用创新科技前沿最热门的话题之一，是各种新旧技术流派战国纷争之地，也是在谁赢得未来的观念上最具有争议性的话题地带，欢迎大家畅所欲言，发表自己最新的观点和看法。

海洋中的鲸鱼和海豚都是利用类似声呐纳的器官寻找目标和进行沟通，人类通过仿生学研制出声纳系统，利用水下声波来探测、定位和通信。声纳由水声换能器阵列、电子机柜和辅助装置三部分构成。水声换能器阵列包括发射阵列和接收阵列，负责声波的发射、接收和电声信号转换；电子机柜负责通信和控制；辅助装置包括供电、连接、操作、控制等设施。

声纳诞生早期是用于海洋冰山的检测，后来迅速被转为军用，成为各国海军水下监视的主要技术手段，用来探测和跟踪水下目标、以及进行水下通信和导航，保障潜艇以及反潜装置、鱼雷制导、水雷引信等水下武器的使用。同时，深化技术也广泛的用于海洋科研、海底测绘、洋流水文测量、海底石油勘探、鱼群探测等工业民用领域。

声纳分为主动声纳和被动声纳两种类型，前者主动发射声波“照亮”目标，接受目标在水中反射回波来确认目标信息；后者通过被动接受水下目标如潜航器等产生的辐射噪声和水声设备发出的信号来确定目标的方位，所以也被称为水听器。

声纳接收到水中的回波信号后，进行处理和分析，描绘目标的参数，例如根据信号往返时间可确定距离；根据声调高低，各判断目标的性质，如潜艇金属外壳回声清晰且有多长的回音，鱼群的回声低沉而混乱，运动的目标由于“多普勒效应” 回声音调是变化的，音调变高说明正在靠拢、音调变低则说明正在远去。

声纳不仅探测距离和方位，还可以“绘制”目标形状，如实时监控声纳可以通过转动声纳波束、形成某个扇面角度范围内的扫描探测，根据返回的距离和回波强度数据，可以模拟出水下目标的声纳图像，这与医学超声影像非常相似。

声纳的性能与使用环境有很大的相关性，如海水介质分布均匀度、海面和海床地形条件等，都会使声波产生折射、散射和反射等干扰，导致声波线路发生弯曲、信号波动和失真，从而影响声纳的工作距离和测量精度。

随着国家对水下及海洋资源的深入开发，声纳技术必将获得愈加广泛的应用和发展，传感科技人士在这一领域必将大有可为。