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《海洋传感器与信息获取技术》围绕海洋声学传感器、光学传感器以及磁场传感器等，以实现海洋信息获取作为项目式教学的目标，介绍了各类传感器的基本概念、理论、设计方法和特性；《海洋传感器与信息获取技术》还介绍了各传感器的应用技术，并对水声发射换能器、水听器以及光纤传感器进行了分类讲解。
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目录前言第1章 绪论 11.1 海洋传感器概述 11.2 海洋传感器技术研发概况 21.2.1 海洋传感器技术概况 21.2.2 海洋传感器的分类 171.2.3 海洋传感器的应用 32参考文献 37第2章 声学换能器与基阵 392.1 声学换能器的分类 392.1.1 电动式换能器 392.1.2 电磁式换能器 392.1.3 磁致伸缩换能器 402.1.4 压电换能器 412.2 压电陶瓷的物理性质 422.2.1 压电陶瓷的介电性能 422.2.2 压电陶瓷的弹性性能 462.2.3 压电陶瓷的压电性能 492.3 压电圆环的径向振动 532.3.1 压电方程 532.3.2 波动方程以及等效电路图 532.3.3 导纳和谐振频率 562.3.4 发射性能 572.3.5 接收性能 602.4 压电圆片的厚度振动 612.4.1 压电方程 612.4.2 波动方程 622.4.3 等效电路 632.4.4 导纳和谐振频率 652.4.5 发射性能 672.4.6 接收性能 682.5 压电圆片的径向振动 702.5.1 压电方程 702.5.2 波动方程 702.5.3 等效电路 722.5.4 导纳和谐振频率 732.5.5 工作性能 742.6 换能器与基阵的指向性 762.6.1 单个换能器的指向性 762.6.2 矩形面的指向性 782.6.3 圆形面的指向性 802.6.4 点源基阵的指向性 812.6.5 均匀直线基阵的指向性 812.6.6 均匀圆形基阵 822.6.7 均匀弧形基阵 83第3章 海洋光纤传感器 853.1 海洋光纤传感器的定义与重要性 853.2 光纤传感器的工作原理 863.2.1 光纤传感器的基本原理与光纤光学 863.2.2 光纤传感器件 903.3 海洋光纤传感器的类型 943.3.1 干涉型光纤传感器 943.3.2 光纤光栅型传感器 1053.3.3 分布式光纤传感器 1103.4 海洋光纤传感器测量类型 1143.4.1 光纤海洋盐度传感器 1143.4.2 光纤海洋温度传感器 1153.4.3 光纤海洋压力传感器 1173.5 典型信号解调方法 1193.5.1 波长解调法 1193.5.2 快速傅里叶变换法 1203.5.3 交叉相关解调法 1213.6 光纤水听器的发展及演变 1253.6.1 概述 1253.6.2 干涉型光纤水听器 125参考文献 129第4章 海洋磁传感器 1324.1 海洋磁场特性 1324.1.1 海洋背景磁场 1324.1.2 海水中目标磁异常 1384.1.3 海洋磁探测概述 1444.2 海洋磁探测技术 1454.2.1 磁力仪分类 1454.2.2 海洋磁探测技术搭载平台 1534.2.3 载体平台磁干扰抑制 1584.3 磁探测数据处理 1714.3.1 磁探测基础概念 1714.3.2 磁异常探测数据预处理 1734.3.3 磁异常探测目标检测方法 177参考文献 183
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第1章绪论 1.1海洋传感器概述 传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱[1]。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器技术发展十分迅速。目前世界上从事传感器研制生产的机构已超过6500家。美国、欧洲各国从事传感器研究和生产的厂家有1000余家，日本有800余家。 人类自古以来，一直对海洋抱有浓厚的兴趣。人类对海洋的探索和观测，自远古以来一直没有停止过[2]。随着科学技术的发展，海洋观测技术和手段日臻完善，观测范围也从海面延伸到海洋中，直至海底，甚至到海底下面地质结构中。海洋观测技术的进步，为我们探索和研究海洋提供了新的契机。随着计算机技术、人工智能技术、通信技术和传感器技术的飞速发展，海洋观测进入智能化时代。海洋传感器作为海洋智能观测的“感知者”，它的发展将为海洋探测技术带来革命性颠覆。 海洋领域自然也缺少不了传感器技术，它是海洋仪器设备的基础，其各方面性能是衡量仪器设备好坏的关键，同时也是调查数据质量的保证。海洋传感器在海洋监测、探测和观测领域的应用十分广泛，可测量并提供各种海洋环境要素如温度、盐度、电导率、深度、水色、底质和压力等基本物理海洋学要素的原始数据，传感器不仅可用于海洋科学研究，还是海洋资源开发领域应用不可或缺的重要数据源[3]。 根据测量元素的不同，传感器一般分为物理海洋传感器、化学海洋传感器、物理生物传感器和物理地质及地球物理传感器。①物理海洋传感器：用于观测海洋中的声、光、温度、密度、动力等现象，计算和推导出蒸发、热交换、海流及海水的运动以及海洋中其他多种物理过程，其主要包括温盐深测量仪、海流计、潮位仪、浊度仪和散射计等。②化学海洋传感器：主要用来测定海水中各种溶解物的含量，用于海洋化学要素调查、污染物调查、溶解气体和大气化学分析等。③物理生物传感器：海洋生物种类繁多，从微生物、浮游生物、底栖生物到游泳生物，有相应不同的观测仪器。④物理地质及地球物理传感器：主要用于海洋重力、海洋磁场、海洋地貌、海底资源和海洋地震等探测。海洋传感器和海洋传感系统示意图如图1.1所示[4]。 传感器技术是海洋仪器设备的基础，其各方面性能是衡量仪器设备好坏的关键，同时也是调查数据质量的保证，但是在长期的观测中，传感器的稳定性、漂移、准确度等指标依然是*重要的部分。在海洋探索等领域，海洋传感器应用广泛且作用重要，为海洋科学研究与资源开发提供关键数据支持[5]。因此，开发、研制海洋传感器，意义深远。 1.2海洋传感器技术研发概况 本书主要围绕海洋声学传感器、光学传感器以及磁场传感器展开。随着海洋装备的不断发展，国内外声、光、磁传感器的技术也在不断发展。 1.2.1海洋传感器技术概况 1.海洋声学传感器 1）分布式水下传感器网络 从20世纪60年代起，美军耗费巨资发展固定式水声监视系统，在大西洋和太平洋布设深海水听器阵，通过电缆连接到岸上的分析中心，电缆总长度超过30000n mile（1nmile=1.852km）。该系统是冷战时期美国反潜的主要手段之一[6]。 水听器阵在深水固定，工程难度大，难以维护更新，大量电缆也容易受到鱼群的攻击，因此随着“网络中心战”与美国海军“近海战场空间优势”概念的提出，新一代水下分布式探测技术作为作战网络体系中的一个重要组成部分被提上日程。美国海军的水声网络Seaweb是分布式水下探测技术的典型代表（图1.2）。该计划由美国海军研究所和空海战系统中心主持，其目的是在军事上构建可布放的自主分布系统，用于沿海广大区域的警戒、反潜和反水雷，在民用领域可以实施控制、通信和导航，节点之间采用水下声学通信技术。从1998年起至2008年，Seaweb的研究进展显著，应用场景持续拓展，已在海洋环境测量、水下无人潜航器作为移动节点、潜艇与水声网络通信等多种场合开展试验验证。现今，Seaweb是规模最大的在研实用水声网络，其网络节点已达17个，并且已具有较强的自组织能力，如自动进行节点识别、时钟同步（0.1～1.0s量级）、节点自定位（100m量级）、节点更新和失效后的网络重新配置等[7]。 近年来，美国海军信息战系统司令部、海军研究办公室和国防部高级研究计划局等部门相继表示，将继续为水下分布式系统引入更先进的技术，其中可部署自主分布式系统（deployable autonomous distributed system，DADS）成为发展的重点[8]。该系统能够显著提高美国海军在近海区域的情报、侦察和监视能力，有效应对来自敌方国家低噪声柴电潜艇的威胁。DADS是利用布放于海床的分布式无人传感器节点建立的近海海域警戒系统，节点固定布放在水深50～300m的海底，传感器节点间距2～5km，由潜艇、水面舰艇、飞机或UUV等布放，每个节点重16～19kg，设计寿命为180天。节点包含一个由28个水听器和3个磁力计组成的阵，附带*立的信号处理单元，采用水声调制解调器同其他节点或网关进行链接，主要用于侦测和跟踪近海水域的水面和水下目标。系统由探测节点、通信网关和控制终端组成。位于探测节点中的信号处理部件完成检测、识别、特征提取、跟踪、航迹关联等功能，然后通过通信网关将信息发送至控制终端，终端可以对节点和网关进行控制，并显示系统当前状态和侦察情报的信息。DADS目前仍处于不断测试、不断完善的阶段[9]。美国海军水下传感器网络概念图如图1.3所示。 在美国海军潜艇联合会2006年举办的潜艇技术论坛上，美国宾夕法尼亚州立大学披露了当今世界上*先进的水下网络计划之一——美国近海水下持续监视网（persistent littoral undersea surveillance network，PLUSNet）计划。该计划是以巡航导弹核潜艇（SS-GN）为母船、以UUV等作为活动节点构建的大规模有缆与无线综合集成网络。该网络由多个搭载半自主传感器的潜航器组成，这些潜航器具备相互通信能力，且无须人为指令即可自主做出基本决策，进而实现多种预设功能。PLUSNet计划由美国宾夕法尼亚州立大学承担研发工作，耗资2770万美元，美国海军曾希望其能在2015年前后具备完全作战能力[10]。 2）声学矢量传感器 矢量水听器是继标量水听器之后的一种新型接收换能器，可以空间共点同步拾取声场某点处的声压和质点振速，这种声压与振速联合信息处理相较于传统的单纯声压信息处理具有良好的抗相干干扰能力和线谱检测能力。随着矢量水听器技术的不断发展，在实际应用中对其性能的要求也不断提高，如在岸站建设及海岸预警等方面的远程检测和识别能力显得日益重要。这一包含矢量信息的多信息检测系统正越来越被各国所重视，矢量水听器相关研究近年来成为国际研究热点之一，其研究成果对民用和军用相关的水下目标检测识别都具有重要意义。 在国外，矢量水听器是继标量水听器后的热门研究课题。矢量水听器的研制工作*早始于20世纪40年代的美国，以美国学者50年代发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的**论文为标志[11]。后来，苏联、英国、日本、法国逐步开展了这方面的研究工作。2002年，电气电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的海洋工程学会会议与展览（Oceanic Engineering Society Conference and Exposition，OESCE）设立了“声质点振速传感器”专题，所涉及的内容广泛，反映了一些最新研究进展[12]。 矢量传感器设计采用的原理有：电动原理（动圈式），如美国专利“水下声强探头”压电原理，形式上多种多样，据相关统计，自20世纪中期以来，国外在该领域已累计申请了百余项专利，涵盖多种设计方案。国外声矢量传感器应用较多，已应用于声矢量鱼雷引信、声峰值检测系统、潜艇声呐系统等，其中，美国的“DIFAR”声呐系统采用的是SV1、SV2这两种型号的振速水听器。美国利用水听器准基阵的SWALLOW浮标系统，由8个阵元组成基阵，150m等间距垂直布放，工作深度为400～1300m，分析频带为0.6～20Hz，对于舰船辐射噪声的次声分量，声强信噪比的增益比单纯的声压测量高3～6dB。另外，美国的Franklin、Barry及Benjamin也具有代表性，其所制作的矢量水听器都是采用压电原理，其中，Benjamin借助美国印刷电路板公司的T356B08型加速度计，并采用部分集成电路工艺，制作出的矢量水听器，频响范围为100～2000Hz，单位重力加速度灵敏度达100mV，尺寸为10～20cm[13]。 矢量水听器的应用，不仅检测信息量加大，而且*低检测频率已经达到0.6Hz的次声频段，外形尺寸也是越来越小。 随着技术的持续发展，各类技术需求日益增长，为满足岸站建设需要，服务海岸预警声呐系统，实现远程检测与识别，低频检测能力愈发显得重要。另外，由于核动力潜艇的出现，潜艇隐身等新技术的普遍采用，反潜问题受到各国空前的重视。一种有效的方法是转向测试螺旋桨低频噪声，安静型潜艇和舰船的本征噪声都在低频段，这就需要低频段的矢量水听器，即要求探测换能器具有低频检测能力。低频三维空间全向矢量检测器已成为新的技术需求，这种低频矢量水听器的研制成功预期可以解决远程传播低频信号的检测问题。同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测的需求也愈发迫切。 光纤振速型矢量水听器，可探测“次声”峰值噪声，布阵后适合作为海岸警戒声呐，探测安静型潜艇、海啸预警。其具有易于多单元复用、能够无电源工作、长距离信号传输能力强等技术优势。微光学结构光纤水听器技术直接将传感器刻在光纤上，具有体积小、易于波 分复用、制作工艺相对简单、性能可靠等优点，适用于大型岸基海域防卫警戒系统、舰载声呐阵、海洋噪声监测阵等应用场景，尤其在水听器拖曳阵部署中具有显著优势。 将压阻原理、微机电系统（micro-electromechanical system，MEMS）技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的尝试。采用压阻原理的微结构矢量水听器可以使矢量型水听器尺寸微型化，探测灵敏度优于压电陶瓷式水听器，并且，压阻效应的优势是可以测量直到零频的低频范围，适用于低频测量，可用于安静型潜艇的探测。通过MEMS技术，可以实现敏感检测部分与信号处理电路的集成设计，所有这些都可以在芯片上实现规模化集成。在一个衬底上将传感器、信号处理电路、执行器集成起来构成MEMS，是人们很早以来的一个愿望，这一愿望的实现是以MEMS技术为支撑的。MEMS技术具有3M特点，即微型化（miniaturization）、微电子化（micro electronization）、大批量生产（mass production），这使得MEMS技术的发展显示出强大的生命力，它把信息系统的微型化、多功能化、智能化以及可靠性水平提高到新的高度。仿生MEMS声矢量传感器如图1.4所示。 声呐用传感器的研究工作有了突飞猛进的发展，采用新技术的水下声学传感器的研究工作不断深入。从整体发展历程来看，水下声学传感器的应用分为标量水听器的应用、矢量水听器的应用、光纤水听器的应用、MEMS水听器的应用几个技术阶段。目前，国外正处于从标量水听器的应用向矢量水听器的应用、光纤水听器的应用转变的阶段，MEMS水听器的应用还处于实验室研究阶段。 3）拖曳阵声呐 传统的大功率声呐都要依托舰艇平台，因而受到许多限制：①空间有限，特别是容纳阵列声呐的空间有限，制约了声呐性能的提高；②来自舰艇平台的自噪声（包括航行噪声、水噪声）是声呐工作的重要干扰源；③对水面舰艇来说，声呐不能根据水文条件（声速分布情况）的变化而改变声呐深度，因此不能随时接
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