黄云鹏+林育生

摘 要 超声波技术应用范围广泛，利用其在水中和空气中传播特性，分别应用到船用导航设备测深仪、多普勒计程仪、声相关计程仪、船舶气象仪中，为船舶系统提供水深、航速、风向、风速、温度等导航信息，对于船舶航行安全具有重要意义。

【关键词】超声波 导航设备 应用 声相关 多普勒 换能器

1 引言

超声波技术应用范围广泛，发展日趋成熟。船用导航设备主要用于船舶的航行导航，它为船舶系统提供航向、航速、航程、航迹、位置、水平姿态、水深、气象要素等导航信息。超声波技术从上世纪第二次世界大战期间开始应用到船舶导航系统中，最典型的应用是水深测量，通过半个多世纪的发展，目前各种测深仪产品和技术已经非常成熟和普及。随着技术进步，超声波技术在导航设备中的应用领域越来越广泛，逐步应用到测量航速、风速风向、温度等领域，二十世纪六十年代初美国研制了第一台多普勒计程仪，二十世纪七十年代后期美国通用电气公司提出了声相关测速的理论并研制了声相关计程仪样机，二十世纪八十年代意大利研制了超声波风速仪原理样机。国内相关领域的研究相对滞后，目前测深仪研究比较成熟，产品较多；多普勒计程仪、超声波风传感器研究方兴未艾，陆续有新产品推出；声相关计程仪的研究起步较晚，产品进入样机阶段。本文着重论述超声波应用到船舶导航领域的主要技术及产品。

2 超声波技术

2.1 超声波

超声波是指频率大于20kHz的声波，因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。一般把频率大于15kHz的声波认为是超声波。超声波可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。声波是目前人类掌握的唯一能在大海中远距离传递信息和能量的载体，声波之所以成为水下最佳信息载体，是因其与电磁波等其它物理场相比，在水介质中衰减系数最小，可以远距离传播。

超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；另一类是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。较为常用的是压电式超声波发生器。

基于超声波的研究成果很多，广泛应用到医疗、勘探、测量、导航等领域，下面介绍应用到船舶导航领域的主要技术。

2.2 回声测距原理

声波可以借助于水这个良好的介质传播很远的距离，当声波在水中遇到不同的介质如海底、鱼群、水中气泡等，会产生反射。由于声波在水中传播的平均速度约为1500m/s，因此，只要知道声波脉冲从发射出去到收到回波的时间就可以计算出目标的距离。假定向被测目标发射声波脉冲到接收到从该目标返回的声波脉冲的时间为Δt，平均声速为C，则被测目标的距离H为：

式中C为海水中声速。如果要获得更精确的结果，需要对声速进行修正。

2.3 多普勒效应

1842年奥地利物理学家Christian Johann Doppler发现了多普勒效应（Doppler effect），即当声波被一物体反射回来时，若声波发射源与反射体之间存在相对运动，反射波将产生一个多普勒频移。根据多普勒效应，当船舶以θ角度向海底或某一水层发射超声波、接收反射回波时，船舶航速为V，其在超声波发射及接收方向上的速度分量为Vcosθ，f为发射频率，则回波的多普勒频移Δf（回波频率与入射频率之间的差值）为：

式中，c为海水中的声速（m/s）。将上式变换可以求得V值：

在计程仪安装好之后，

为固定值，只要测得Δf就可以求出航速V。公式（3）为单波束多普勒计程仪测速公式。

2.4 波形不变性

向海底发射声波的回波的幅度主要取决于海底底质的反射系数及水深。当船舶航行时，由于返回的信号是由大量海底散射体的回波干涉而形成，因而幅度有起伏。这种干涉状况随着接收器的位置的变化而变化，但对于不同位置的接收器，如果发射器的位置也不同，那么它们有可能遇到相同的干涉效果。也就是说，如果在一条移动的船上，用单一的一个发射器，那么在两个分开的接收器上接收的信号，除了有一个时延外，没有什么不同，这就是“波形不变性”原理。因此，如果已知接收器间隔和时延，就可以求出船舶的航行速度。

假设船首和船尾接收器之间的距離为S（称为换能器基线），发射器位于中间S/2处。当船舶以航速V航行时，船首接收换能器在t1时刻接收到由发射换能器发射的沿垂直方向传播到海底某点后被反射的回波信号f1（t1），船舶继续航行了S/2距离，船尾接收换能器在t2时刻接收到了来自海底同一位置反射的回波信号f2（t2）。由于f1（t1）和f2（t2）是海底同一位置反射的回波信号，两者的传播路径及所含的水声信息完全相同，因此f1（t1）和f2（t2）是两个相关的信号，两者的接收时间差τ称为相关延时。则船舶的航速为：

上式称为声相关计程仪的测速原理公式，式中S为已知常数，只需求得τ就可以计算出航速V的值。

2.5 脉冲声时法

声波在空气中的传播速度会受空气流动（即风）的影响，同向时声波传播速度加快，反向时声波传播速度减慢。为此提出了利用测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法--脉冲声时法，又称时差法。其原理如下：在不考虑其它因素影响的理想状态下，由发射探头发射的一组超声波脉冲到达接收探头的传播时间t1为：

其中，L为传播距离，v0为静风下的声速，v为风速，当风向和超声波传播方向一致时为正，反之为负。采用双向测量，反向上超声波的传输时间t2为：

消去v0，得到风速v的测量公式为：

该结果是探头所在方向上的相对风速。要测量二维平面上的风速，可以同时测量互相垂直的两个方向上风速后计算而得。要测量三维空间的风速大小还需增加测量竖直方向上的风速。

3 导航设备中的应用

超声波在导航设备中的应用主要利用前面提到的技术，进行水深测量、航速测量、风速风向和温度测量。其中，水深测量功能是测深仪应用回声测距原理而实现的；航速测量功能是多普勒计程仪应用多普勒效应而实现的；航速测量和水深测量功能由声相关计程仪应用“波形不变性”原理而实现的；气象仪应用脉冲声时法等方法，实现风速风向和温度测量功能。

3.1 水深测量

水深测量理论依据是回声测距原理，这是超声波在导航系统中最早和最成熟的应用。测深仪通过安装的船底的换能器向海底发射声波信号，根据接收到回波的时间，计算出海底深度。

3.1.1 换能器

GB/T 3947-1996《声学名词术语》中换能器（transducer）的定义是自一种类型的系统接收信号而向另一种类型的系统供应相应的信号，使输入信号的某一所需特征出现于输出的器件。水声换能器（underwater sound transducer）是指将其他形式的能量转换为声能向水中辐射，或将接收到的水声信号转换为其他能量形式的信号的换能器。测深仪换能器是一种水声换能器，安装在船舶底部，它是测深仪最主要的功率部件，其作用是将发射机输出的电信号转换为声信号向海底发射并将海底反射回波转换为电信号再输出到接收机。

早期使用的换能器是由压电晶体与金属质量块组成的朗之万型换能器，后经产品升级换代，换能器性能有很大的提高。近年来，出现了许多新概念和新方法，水声换能器正面临着新一轮的产品换代，超磁致伸缩稀土换能器、高性能电致伸缩陶瓷（PMN2X） 换能器、矢量水听器、压电复合材料换能器、低频大面积PVDF 水听器、光纤水听器等研究活跃，代表了换能器研究的发展动态。

3.1.2 测深仪

测深仪是一种水声导航设备，它能提供船舶所处位置的水深信息。其测量水深的基本原理就是回声测距原理。从探测方式上讲，回声测深仪属于主动声纳。1925年，美国研制成功世界上第一台声学测深仪，20世纪70年代不少国家建立了回声测深仪的有关标准和规范。我国第一台测深仪为前苏联产品的仿制品，于1965年仿制成功，1995年建立了国标GB/T 8016-1995《船用回声测深设备通用技术条件》。随着技术的发展，测深仪从单频测深仪向双频、多频测深仪发展，从单波束向多波束测深仪发展，除测量水深外，在海底地形地貌测量和海底地质勘察中发挥重要作用。

测深仪设备可以分为湿端和干端两大组成部分。其中，湿端是指安装在水下的部分，又称为水下声系统，由水声换能器或换能器阵及有关声学构件组成，其功能主要完成声-电、电-声能量转换，并与干端一起完成滤波功能。干端是指安装在舱室内的不与水接触的部分，由设备主机及接口部件组成，包括控制部分（或计算机系统）、发射系统、接收系统、显示模块、电源和接口模块等，主要功能是信号产生、发送、接收、处理、计算、数据显示、控制等。测深仪常用的工作频率包括：20kHz、40kHz、90kHz。

3.2 航速测量

超声波航速测量的理论依据是多普勒效应和“波形不变性”原理，利用该理论分别研制出多普勒计程仪（Doppler log）和声相关计程仪（acoustic correlation log）。超声波航速测量与传统的航速测量理论不同，传统的航速测量设备主要有基于法拉第电磁感应定律的电磁计程仪（electromagnetism log）和基于柏努利原理的水压计程仪（pressure log），均属于相对计程仪，测量的航速是船舶相对于水流的运动速度；而多普勒计程仪和声相关计程仪属于绝对计程仪，测量的航速是船舶相对于海底的运动速度。

3.2.1 多普勒计程仪

多普勒计程仪根据声波的多普勒效应来测量船舶相对于大地的运动速度或相对于海水层的运动速度。二十世纪六十年代初美国就开始研制多普勒计程仪，1966年开始装船。法国1972年研制出第一批产品。国内二十世纪九十年代初期开始出现多普勒计程仪产品。

多普勒计程仪利用换能器向海底发射声波，不断接收回波，根据回波频移量的大小，计算出船舶相对于海底或水层的运动速度。工作频率20kHz至2MHz。多普勒计程仪具有测速精度高、门限速度小、能够测量船舶纵、横向速度等特点。

多普勒计程仪可以分为一元多普勒計程仪、二元多普勒计程仪和三元多普勒计程仪。一元多普勒计程仪即单轴多普勒计程仪，它安装有两个换能器，分别向船艏和船艉方向发射和接收超声波（双波束），可以测量船舶前进和后退速度；二元多普勒计程仪即双轴多普勒计程仪，它在船底靠近船艏安装有四个换能器，分别向船艏、船艉、左舷和右舷方向发射和接收超声波（四波束），可以测量船舶前进、后退速度及船首左右方向的移动速度；三元多普勒计程仪即三轴多普勒计程仪，除了二元多普勒计程仪的功能外，还在船尾安装有两个换能器，分别向船艉的左舷和右舷方向发射和接收超声波（六波束），测量船艉左右方向的移动速度。

多普勒计程仪系统一般由主机柜、主显示器、水下换能器基阵、水门阀组件、接线盒以及电源箱组成，按功能分成五个子系统：发射系统、接收系统、测温系统、波形发生及信号/数据处理系统和电源系统。

借助多普勒计程仪，可以实现船舶综合导航，这对于潜艇长时间水下航行时推算位置具有重要意义。

3.2.2 声相关计程仪

二十世纪七十年代后期，美国通用电气公司提出了声相关测速的理论，利用空间相关方法测量水中载体速度，研制了中等深度的ACL样机。八十年代后期，美国RDI公司采用空间相关的方法研制了75kHz ACCP样机和大深度22kHz ACCP样机。英国Marine Acoustics Limited公司21世纪初开发了中等深度的声相关计程仪。国内从20世纪90年代开始研究声相关测速技术，中国科学院声学研究所等单位，目前处于样机阶段，还没有成熟的产品。

声相关计程仪是一种绝对计程仪，具有测量精度高、能够测量绝对航速、航程以及船舶横向移动速度等优点，除具有多普勒计程仪的优点外，还兼有测深仪的功能，可以测量水深。根据不同的测速目的，相关测速声纳可以分为“声相关流速剖面仪”（ACCP：Acoustic Correlation Current Profiler）和“声相关计程仪”（ACL：Acoustic Correlation Log）。

声相关计程仪分为时间相关计程仪和空间相关计程仪两种。时间相关计程仪原理是在運动方向上放置两个位置固定的接收基元，这样相关矢量固定，只要找出相关最大值对应的相关延时，就可以利用公式（4）求出航速值。空间相关计程仪原理是利用多个接收基元组成一个接收阵，发射基元发射两个具有固定延时的相同信号，在固定相关延时的前提下对相关矢量进行搜索，从而得到航速。

声相关计程仪通常由电子柜（包括发射系统、电源系统、放大器、相关处理器等）、换能器和显示器组成。工作频率常用22kHz、75kHz等，换能器阵一般由几十个均匀分布的接收阵元组成。

3.3 风速风向测量

国外将超声波应用于测量风速风向的研究起步较早，上世纪八十年代初意大利G.C.Aprilesi等人研制了超声波风速仪的原理样机，目前技术比较成熟，产品较多，如芬兰的VAISALA、英国的GILL公司产品。由于技术封锁、保密等原因，国外超声波产品技术实现手段不清楚。国内近年来也开始这一领域的研究，处于原理样机到工程样机阶段，实际应用产品不多，投入实用还有很多实际问题需要解决。

超声波风速风向测量原理包括超声波速差式测风法和超声波漩涡式测风法两大类。其中，超声波速差式测风法可以分为时差法、相位差法、频差法等，国内常用脉冲声时法（即时差法）。超声波风速风向传感器是传统风杯/风向标/螺旋桨旋转式风速风向传感器的理想替代产品，具有精度高、体积小、重量轻、无磨损、坚固耐用、无启动风速限制、使用简便等特点。

对测量结果的准确性进行分析，国外产品技术比较成熟，精度较高。英国Gill公司超声波风速仪与美国YOUNG公司的三轴风速仪进行对比实验，试验结果表明超声波风速仪的误差在2.5%左右，加入温度补偿模块后误差降低到0.03%左右；据某气象局使用对比，某型超声波测风仪测量的风速值比自动站测风仪的风速值低20%，两种仪器风速的日变化规律与气候变化规律基本一致。

3.4 温度测量

根据时差法求出风速后，可以由C=L（1/t1+1/t2）/2同时求得超声波波速。而大气中的超声波波速为：

其中e为水汽分压，P为大气压，单位均为百帕，T为绝对温度，单位为开尔文。不同温度下的e值可以根据计算公式算出。因此由超声波的波速即可计算得出相应的温度值。目前市场上已经有利用超声波测量温度的产品出现。

4 发展展望

笔者认为超声波技术在导航设备中的应用前景极为广阔，发展方向如下：

（1）从超声波在导航设备中的应用来看，随着技术的进步，将来超声波在导航设备中的应用会更加广泛和成熟，在船舶航行安全中发挥重要的作用。表现为现有应用的研究更加深入、技术更加成熟、测量精度更高、性能更佳；逐步拓宽到目前未知领域的应用。

（2）从航速测量设备发展角度来看，一是采用超声波技术的设备将起主导作用，传统的水压式计程仪和电磁式计程仪将逐步退出，多普勒计程仪和声相关计程仪逐渐成为主流产品；二是声相关计程仪无疑是最具发展潜力，将是各国重点发展的方向；三是声相关计程仪具有测量水深的功能，在高端应用（如大船、作战舰艇、潜艇等）中有替代测深仪的可能。

（3）从产品的军事用途来看，多普勒计程仪和声相关计程仪在军事领域的作用尤为突出，可以配合惯导实现潜艇长时间水下远航导航，是今后研究的重点课题。从探测方式上讲，测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪均属于主动式声纳，容易暴露己方目标，今后隐蔽性能的改进将是研究的一个重要方向。

（4）从换能器的技术发展来看，换能器的材料、工艺等技术研究活跃，包括新材料水声换能器、新结构、新机理水声换能器、新型水听器技术、宽带换能器技术等方面，换能器性能有很大的提高，如矢量水听器、光纤水听器，从而提高设备的可靠性和精度。

（5）在风向风速和温度测量方面，国内研究方兴未艾，目前技术及产品还不够成熟，随着研究的深入，在测量理论、测量精度、产品实用性等方面将会取得突破，不断有成熟的应用产品出现，逐渐替代传统的风杯/风向标/螺旋桨旋转式风速风向传感器。

5 结束语

本文简要介绍了超声波技术及其在导航设备中的应用情况。随着技术的进步，在航速测量方面水压式计程仪和电磁式计程仪将逐步退出，采用超声波技术的多普勒计程仪和声相关计程仪逐渐成为主流产品，特别是声相关计程仪，其发展潜力极大，并有替代测深仪的趋势。在风向风速和温度测量方面，随着研究的深入，国内将不断有成熟的应用产品出现。可以预见，将来超声波在导航设备中的应用会更加广泛和成熟，对船舶航行安全起到十分重要的作用。

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