深海声学技术与装备

无论从历史还是从现实考虑，中华民族的伟大复兴需要从陆地走向海洋，对建设海洋强国提出了迫切需求。深海装备技术是实现国家海洋科技战略的重要技术保障，是一个国家科技水平的综合体现，是保持国家经济可持续发展的迫切需要。深海装备技术是舰船科技工业领域重要的基础技术群，大力发展深海技术也是舰船科技自身发展的需要，对于提高我国舰船科技工业整体能力和水平具有重要意义。此外，发展深海装备技术对于增强海军实力、提高海军武器装备技术水平具有深远意义，发展深海武器装备同样离不开深海技术。走向深海，开发和利用深海，都需要深海技术和深海装备先行，深海声学技术和装备将发挥不可替代的巨大作用。目前国内涉及深海声学领域的专业书籍较为缺乏，直接面向应用的、系统性介绍深海声学的专业技术书籍就更少了，难以满足深海发展的紧迫需求。本书内容涉及面较广，既体现了多种典型深海声学装备研发的近期新成果，又深入深海声学模型、深海声信号处理、深海水声通信、深海水声换能器等诸多方面的技术问题，把相关研究成果总结出版，为促进我国深海声学技术与装备的发展贡献一份力量。

本书系统而深入地论述了深海声学技术与装备的主要原理、相关方法和现有成果。全书重视深海声学建模、信号处理、水声换能器等声学技术对装备的支撑作用，既体现了发展深海声学装备的应用需求和近期新成果，又详细深入探讨深海声学模型及基于模型的深海水声探测与通信等技术问题。内容包括两大部分：其一为典型深海声场建模和声场传播规律、利用深海声场效应的目标探测与定位等信号处理方法、深海水声非相干和相干等通信方法、深海水声换能器设计方法和多种典型的深海水声换能器、深海换能器和声学材料的测量方法等深海声学技术。其中深海声场建模是支撑深海声信号处理技术、深海水声通信技术研究的重要物理基础，只有充分挖掘和利用深海声场传播规律，才能大幅提升在深海环境下的目标探测与信息传输能力及环境适应性。深海声信号处理、深海水声通信、深海水声换能器和深海声学测量等技术是研制深海声学装备的专用技术，在深海装备研制中起着核心作用。其二为通信、测流、测温、地层／地貌成像等七类典型深海声学装备的工作原理、系统组成、主要功能性能、试验验证及国内外发展等，相关装备已在深海环境调查等科学研究、深海资源勘探与开发、深海作业等领域得到了广泛应用。 本书可供水声学、声呐技术、深海装备等领域的科技人员及有关专业的高年级本科生、硕士和博士研究生阅读、学习和参考。

第1章深海声传播建模技术1
1.1深海声学环境3
1.1.1深海声速剖面分布4
1.1.2深海声道轴深度7
1.1.3表面波导厚度8
1.1.4临界深度分布9
1.1.5深海噪声特性11
1.2深海声传播建模方法17
1.2.1射线模型19
1.2.2简正波模型23
1.2.3抛物方程法27
1.3典型深海声传播模式分析34
1.3.1会聚区模式34
1.3.2海底弹射模式36
1.3.3表面波导及其泄漏模式38
1.3.4可靠声路径模式41
1.4距离有关深海声场分析44
1.4.1楔形海域44
1.4.2海底山46
1.4.3深海声场相关性分析49
参考文献52
第2章深海声信号处理技术55
2.1基于深海环境适应性的目标检测技术57
2.1.1水下目标检测理论及常用方法57
2.1.2利用海底弹射特性的目标检测方法62
2.1.3可靠声路径区的目标检测方法69
2.1.4提高声影区目标探测能力的手段和新方法74
2.2深海目标被动定位技术76
2.2.1深海声场特征匹配的被动定位方法76
2.2.2深海声线反传定位方法84
2.2.3深海会聚区与影区分辨方法87
2.2.4基于可靠声路径的被动定位方法93
2.3深海声层析技术97
2.3.1声层析基本原理与方法97
2.3.2深海声速剖面反演技术101
2.3.3深海海底声学参数反演技术109
参考文献117
第3章深海水声通信技术119
3.1深海信道对水声通信性能的影响121
3.1.1多途扩展121
3.1.2多普勒压扩122
3.1.3典型深海水声通信信道的多途、多普勒特性124
3.2MFSK非相干水声通信技术126
3.2.1很好非相干检测127
3.2.2MFSK水声通信的分集与编码技术129
3.3PSK相干水声通信技术131
3.3.1单载波时域判决反馈均衡技术132
3.3.2单载波频域均衡技术135
3.4扩频水声通信技术138
3.4.1直接序列扩频水声通信138
3.4.2M元扩频水声通信141
3.5时间反转技术144
3.5.1时反水声通信原理144
3.5.2时反技术在扩频水声通信中的应用148
3.5.3时反技术在单载波相干通信中的应用150
参考文献152
第4章深海水声换能器155
4.1深海换能器的概念与内涵157
4.1.1换能器的组成157
4.1.2换能器的分类158
4.1.3深海装备对换能器的需求 158
4.2深海换能器设计方法159
4.2.1换能器设计方法159
4.2.2深海换能器设计需考虑的问题165
4.2.3典型换能器设计169
4.3深海声学材料199
4.3.1有源材料199
4.3.2无源材料209
4.4典型深海换能器219
4.4.1深海换能器结构220
4.4.2低频深海换能器222
4.4.3中高频深海换能器235
4.4.4深海水听器239
参考文献252
第5章深海声学测量技术255
5.1深海模拟环境构造技术257
5.1.1高压自由场构造技术257
5.1.2高压声压场构造技术260
5.1.3高压声管构造技术261
5.2深海水听器测量技术262
5.2.1高压自由场测量技术262
5.2.2高压声压场测量技术268
5.2.3高压声管测量技术271
5.3深海换能器测量技术274
5.3.1等效电阻抗测量技术274
5.3.2发送响应和声源级测量技术278
5.3.3功率及电声效率测量技术280
5.3.4指向性测量技术285
5.3.5深海长线列阵测量技术292
5.4深海声学材料测量技术296
5.4.1高压声管测量技术297
5.4.2高压自由场测量技术310
5.4.3压力罐近场测量技术312
5.4.4高压导流罩测量技术314
参考文献317
第6章深海拖曳系统技术319
6.1深海拖曳系统的概念与内涵321
6.1.1深海拖曳系统的重要性321
6.1.2深海拖曳系统的组成321
6.1.3深海拖曳系统的设计要求322
6.1.4深海拖曳系统的拖曳工作特性323
6.2深海拖曳系统国内外发展情况323
6.2.1拖曳声呐的发展323
6.2.2国外深海拖曳系统的发展324
6.2.3我国深海拖曳系统的发展326
6.3收放存储装置327
6.3.1典型收放模式介绍327
6.3.2绞车331
6.3.3系留拖缆长度分析331
6.3.4收放架334
6.3.5引导口335
6.3.6控制台335
6.4拖曳缆335
6.4.1拖头337
6.4.2缆形及张力338
6.4.3涡激振动350
6.4.4导流套351
6.4.5导流飘带352
6.4.6拖曳缆防腐蚀设计353
6.4.7拖缆安全系数选取353
6.5拖体353
6.5.1拖体静姿态354
6.5.2拖曳稳定性355
6.5.3利用软件计算拖体流体动力358
6.5.4声性能361
6.5.5拖体可靠性设计365
6.6阻力器365
参考文献366
第7章深海典型声学装备367
7.1深海水声通信MODEM369
7.1.1工作原理与系统组成369
7.1.2国内外发展情况370
7.1.3QMY系列深海水声通信MODEM372
7.2声学多普勒海流剖面仪377
7.2.1工作原理与系统组成377
7.2.2国内外发展情况378
7.2.3典型声学多普勒海流剖面仪378
7.3深海多波束测深系统384
7.3.1工作原理与系统组成384
7.3.2国内外发展情况385
7.3.3DMC型深海多波束测深系统387
7.4浅地层剖面仪389
7.4.1工作原理与系统组成389
7.4.2国内外发展情况391
7.4.3DDT0216型深海超宽频浅地层剖面仪393
7.5合成孔径成像声呐396
7.5.1工作原理与系统组成396
7.5.2国内外发展情况398
7.5.3UUV载荷合成孔径成像声呐400
7.6抛弃式温深剖面仪403
7.6.1工作原理与系统组成403
7.6.2国内外发展情况404
7.6.3抛弃式光纤温深仪405
7.7深海声学层析潜标408
7.7.1工作原理与系统组成408
7.7.2国内外发展情况409
7.7.3深海声学层析潜标系统409
参考文献412