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1、第三章 水下定位与导航,梅继丹 联系方式：meijidan 电话：0451-82518520 2011.3,3.1 水下定位与导航发展概况 3.2 声纳系统分类及简介 3.3 定位与导航关键技术简介 3.4 目标识别概述 3.5 水声对抗概述 3.6 定位导航领域专家及科研单位 3.7 水下定位、导航技术在海洋资源开发中的应用实例,3.1 水下定位与导航发展概况,什么是导航？,我在哪里？ 要去哪里？ 怎么去？ - “我的地图是什么？”,什么是定位？,我在哪？ 目标在哪？,水面舰导航方法,无线电导航 卫星导航GPS 惯性导航 计算法定位导航（通过测量相对速度或绝对速度来完成）,水下定位与导航,广
2、义上：一切利用水下声波进行定位的技术都应列为水声定位与导航技术范畴。 狭义上：为载体进行定位又具有导航功能的技术手段。,水下定位与导航,1912年铁达尼事件 20世纪70年代，还有勘探及军事需求,与阵长有关的狭义导航系统分类,3.2 声纳系统分类及简介,声纳的定义,什么是声纳？ Sonar：Sound(声) +Navigation(导航) +Ranging(定位) 利用水下声波判断海洋中物体的存在，位置及类型的方法和设备。 是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置. 要点：利用水下声波 功能：探测、定位、跟踪、识别、通讯、导航、制导、武器的
3、射击指挥和对抗等等。,仿生学来源,蝙蝠,机载雷达,海豚,潜艇,仿生学来源,声纳,海豚追踪猎物,声纳的发展简史,1490年，一战前探索阶段。 意大利艺术家、科学家达芬奇发现声管 1827年，瑞典和法国科学家在日内瓦湖测得水中声速 1912年铁达尼沉没，认识到声纳的重要性 19141918一战期间稳定发展阶段 德国用潜艇击沉了协约国（俄、英、法）数千水面舰 1917朗之万首次使用了超声换能器 人们利用双耳效应制成定向仪 19391945 二战声纳技术发展的新阶段 潜艇在海战中地位逐渐突出带来了声纳技术的大发展 二战后电子技术进步带来了声纳技术大发展,换能器的作用： 是将电能转换成声能（发射换能器）
4、，或将声能转换成电能（水听器）,二战中，被击沉的潜艇中，60%是利用声纳发现的 !,1916年研制出被动声纳； 1918年研制成主动声纳； 1930年，回声测深仪开始广泛用于舰船导航； 第二次世界大战后，制成了不用旋转换能器就能进行全景监视的环扫声纳。 60年代初，制成了一代新型声纳，采用预形成多波束、分波束相关和时间压缩相关等新技术。其作用距离比第二次世界大战时提高了10倍。 60年代以来，声纳还广泛用于海洋资源开发，于是相继出现了地貌仪、部面仪、多普勒导航声纳、水下定位系统、钻井船动态定位声纳以及井口重入声纳等。声纳技术已成为海洋遥感的重要手段。,重要历史事件：,声纳的发展简史,按工作原理
5、或工作方式分类： 主动声纳 像雷达一样向外发射声信号，根据回波判断目标性质 目标是潜艇，潜艇是钢质外壳，回声不仅清晰，而且还有拖长的回鸣； 鱼群的回声则低沉而混乱； 目标如果是运动的，那么由于“多普勒效应”，回声的音调应有所变化： 音调不断变高，靠拢，音调不断变低，远离。 被动声纳 不主动发射信号，只接收目标自己辐射的声音信号。,回声侧深仪、侧扫声纳、鱼探仪、声学多普勒海流计,声纳的分类,按运载体系分类： 岸基声纳 多布放在港口、军事基地、重要海上通道。 特点：固定式、尺寸大 舰载声纳 主、被动声纳都有。 作用：探潜、导航、探雷、目标识别等 艇载声纳 主、被动声纳都有，考虑到隐蔽性，多采用被动
6、声纳,声纳的分类,美国的一种潜艇，装备不同用途的声纳有15种之多,艇载声纳,潜艇装备的声纳,艇艏柱状综合声纳（CHA)、主动避碰声纳（MAA)、舷侧被动测向声纳(FA）、舷侧被动测距声纳(PRA)、拖曳线列阵声纳(TA)、侦查声纳（BTA）、本艇噪声监测仪(ONA+ACC)等多型水声探测装备。,1、艇艏多功能声纳,潜艇的艏部远离动力舱室和推进器，受艇体后段噪音与振动影响较低，有利于提高水声探测器材的探测性能，所以潜艇的主水声站一般都会布置在艇艏处。艇艏声纳往往具备主、被动工作能力，并能保障潜艇进行警戒、搜索、跟踪、识别、攻击等多种作战任务。,前苏联633型R级潜艇的艇艏声纳系统，自下而上分别为
7、北极声纳主动基阵、北极声纳被动基阵、水声通讯机、亮光M侦查声纳基阵,1、艇艏多功能声纳,1、艇艏多功能声纳,装备于V级攻击核潜艇的前苏联MTK300红宝石圆柱型声纳基阵，主基阵下方有高频避碰探雷声纳。,俄罗斯885型雅森级攻击核潜艇的阿雅克斯球型声纳基阵直径将达6米,前苏联S级和AK级攻击核潜艇声纳的大型圆柱状基阵,美国弗吉尼亚级攻击核潜艇装备的BQQ10型声纳的球型基阵,1、艇艏多功能声纳,艇艏基阵受到艇体布置的限制，进一步增大声阵孔径和降低工作频段都较为困难，使得声纳的被动探测距离受到了限制。,1、艇艏多功能声纳,2、舷侧阵声纳,舷侧阵声纳是指将众多的水听器，沿着艇体纵向方向，布置在艇体左
8、右两舷侧的声纳。由于舷侧阵声纳可以充分利用艇体长度扩大基阵的声阵孔径，在工作频段上可以进一步降低，所以被动探测距离也得到了有效的提高。,优点： 隐蔽性好 声纳的湿端位于艇体两舷侧所以监测范围大，而且能直接判别目标的方位 舷侧阵在探测距离和探测范围上都优于艇艏声纳系统 没有基阵的收放拖曳问题 ，对潜艇的水下机动影响小,2、舷侧阵声纳,缺点： 受安装条件限制基阵尺寸有限，影响了作用距离 易受到艇体自噪声的干扰,舷侧阵声纳,法国、西班牙设计建造的铀鱼级潜艇舷侧阵声纳,舷侧阵声纳,法国凯旋级战略核潜艇装备的舷侧阵声纳,英国机敏级攻击核潜艇舷侧声纳基阵,舷侧阵声纳,俄罗斯阿库拉级潜艇的舷侧阵声纳,舷侧阵
9、声纳,美国海狼级舷侧测距声纳基阵,弗吉尼亚级舷侧阵测距声纳,不管是艇艏声纳还是舷侧阵声纳，都要受限于艇体布置条件，基阵体积不能无限扩大，声阵孔径受到限制，声纳的工作频段难以进一步降低，在探测距离上无法进一步提高。为了改变这种情况，上世纪6、7十年代国外开始在潜艇上装备拖曳线列阵声纳。 拖曳线列阵声纳是将一连串的水听器按一定间隔排列后，布置到透声的保护导管中，再通过布放机构拖曳于艇体外的声纳系统。拖曳线列阵革命性的打破了以往潜用声纳受限于艇体布置条件的局面，布置在导管中的几百乃至上千个水听器有效的扩大了声阵孔径，将潜用声纳的工作频率降低到了低频甚至极低频，极大的增加了潜用声纳的探测距离。为潜艇水
10、下远程警戒、远程武器的目标指示都提供了有利条件，有效的扩大了潜艇的作战范围，提高了潜艇的作战威慑力。,3、拖曳阵声纳,拖曳线列阵声纳结构图，从左至右分别为： 1、DROGUE段改善线列阵流体动力特性的尾绳段 2、VLM隔离后方拖缆振动的后隔振段 3、B装有温度、深度、航向等非声传感器用于监测线列阵拖曳姿态的后仪表段。 4、A装有水听器的声学段 5、B前仪表段 6、数字段 7、用于隔离前方艇体噪音和拖缆振动的前隔振段 8、拖缆缆绳 9、TOW POINT拖曳点,3、拖曳阵声纳,AN/SQR-18拖曳线列阵声纳，左侧半透明的为安装有水听器等组件的声学段，右边为其拖缆。,3、拖曳阵声纳,弗吉尼亚级潜
11、艇露出了舷侧收容机构中用于安置TB-16D拖曳线列阵声纳的长条容器,俄罗斯潜艇尾舵上的这个物体经常被认为是磁流体推进器，实际上这是俄潜艇用于贮存和布放拖曳线列阵声纳的圆型容器。,3、拖曳阵声纳,2009年6月11日，南海：美国直接派出军舰实施水下探测活动,肇事者为美航母“小鹰”号的“贴身警卫”,潜艇、水面监测船（无暇号） 美军宙斯盾驱逐舰 “约翰麦凯恩”号拖曳声纳与中国潜艇相撞,4、探雷和避碰声纳,探雷和避碰声纳以主动方式工作，工作频率较高一般在几十到数百千赫。因为频段高所以探测距离有限一般在几百米左右，不过较高频段的声纳分辨率好，所以能探测到航道上的一些障碍物，比如礁石、沉船、水雷等异物，帮
12、助潜艇操纵人员避离这些危险物体，保障潜艇水下航行的安全性。在潜艇航行在狭隘航道，或者在高纬度冰层下时，分辨率高的避碰声纳是保障潜艇安全通过水道，对冰面测量厚度进行破冰上浮的必要探测设备。,4、探雷和避碰声纳,英国Thales公司与Intermarine造船厂签署了一项的合同，向8艘意大利猎雷舰提供其Sonar 2093系统。该合同总价值约1亿英镑（1.657亿美元）,5、猎雷声纳,第三章 水下定位与导航,梅继丹 联系方式：meijidan 电话：0451-82518520 2011.3,6、水文环境传感器,老式潜艇的水环境传感器比较简单，一般只安装一个声速梯度仪，用以测量潜艇所在水层声速，让声
13、纳系统利用不同途径的声道，改善探测性能。也能让潜艇利用强负度梯层水层，或者温度跃变层进行隐蔽和机动。现代潜艇安装了更多种类的水环境传感器，具备了更复杂的功能。以俄罗斯潜艇为例通常还装有尾流指示器，来流指示器等水环境传感器，能更好的让艇上人员获悉潜艇所在水层的各种信息，提高潜艇战时的水声对抗能力。同时还具有探测敌水面舰船和潜艇尾流信息的能力，便于潜艇利用尾流制导鱼雷进行快速攻击。,6、水文环境传感器,7、侦查声纳,侦查声纳用来侦测敌潜艇或者自导鱼雷主动声纳信号，可以获得敌主动声纳的工作参数，如方位、发射频率、脉冲宽度、脉冲重复率等。侦查声纳的接收频率较宽，为1千赫至数十千赫之间，观察范围较广有的
14、可以达到360度全方位探测。在基阵形式上一般采用细小的圆柱阵，以布置在艇艏部位居多。该声纳是一种水声对抗设备，用以判定对方的声纳类型，和载体类型，供我方进行针对性的干扰、截获、欺骗等水声对抗。不过现代潜艇的声纳系统工作范围较宽，工作频率较广，所以也可以艇艏声纳或者舷侧阵等其他声纳系统进行侦查声纳的工作，因而部分现代潜艇已经不再装备专门的侦查声纳。,箭头处为早期洛杉矶级核潜艇装备的AN/WLR-9A侦查声纳基阵，后期洛杉矶级取消了该基阵,7、侦查声纳,8、通信声纳,通信声纳也叫水声通信机，一般由几个定向换能器阵组合而成。一般用于潜艇与水面舰船或者水下潜艇编队通信联络使用。该系统通过发射机产生话音
15、或者电报调制信号，再由换能器阵发出，在接收方经接收机处理后，就可送到耳机或者扬声器以及电讯机处，将话音或者电报讯息提供给接收人员。通信声纳的工作距离有限，工作时要向外发射信号，容易暴露潜艇位置，所以仅限于潜艇周围情况明确时使用，有着非常严格的使用限制条件。,掉放声纳,飞机通过电缆吊着一部声纳，由机身的下降或上升调整声纳在海水中的深度。飞机在海面上飞行时，便可拖着声纳进行大面积探测。据国外报道，这种声纳每小时可以搜索海面1000平方公里。,浮标航空声纳,反潜飞机将它们投到预定海域内，它们便可漂浮于海上。反潜飞机可以同时投放许多这种漂浮声纳。声纳着水后，其天线伸出水面，水听器沉入水中。水听器把在海
16、底收到的声信号变成电信号，通过天线发射出去。反潜飞机根据收到的信号可以判断潜艇的位置。,浮标航空声纳,鱼雷、水雷上的声纳设备,水雷引信、鱼雷制导 鱼水雷：又称自航水雷。鱼雷经改装后，能自动潜航至预定的布放点，沉入海底，当作水雷使用。即它是通过鱼雷改装而来的。 水鱼雷：又称自导水雷，是水雷和鱼雷技术相结合的产物。探测到目标后，将鱼雷释放出去，鱼雷自导攻击目标。自导鱼雷兼有水雷的长期威胁作用和鱼雷的主动攻击能力 。,鱼雷、水雷上的声纳设备,岸基声纳,海岸预警声纳 在军港附近海区、重要海峡、主要航道等处安装庞大的声纳换能器基阵，靠岸上的电子计算机控制海底的数以千计的换能器. 在大西洋的亚速尔群岛以北，有一个叫“阿发”的水下监视系统。它的换能器安装在几个水下塔台上，排布成三角形，每边长约35公里。这种系统其警戒范围可达几百公里，能监听进出直布罗陀海峡的所有潜艇，并能用三角定位法确定潜艇位置。,声纳兵的作用,声纳显控台,奥斯卡级核潜艇指挥舱,美托莱多号声呐显控台,海狼级核潜艇指挥舱,声纳显控台,声纳
