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开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787547850923
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*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。
《深海声学技术与装备》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，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*成果，又详细深入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，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。
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最佳非相干检测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
21世纪人类进入了大规模开发和利用海洋的时期。在经济全球化深入发展和资源日渐匮乏的背景下，世界各国纷纷规划、制定和实施海洋发展战略，大举向海洋进军。当前，我国已成为世界第二大经济体，经济日益向外向型、高度依赖海洋等方面发展，对海洋资源、海洋空间的依赖程度大幅提高。然而我国发展面临着诸多问题： 海洋国土和海洋主权不断遭受挑战；对外贸易依存度日益加大，海上运输安全通道相对较脆弱，在管辖海域外的海洋权益也需要不断加以维护和拓展；某些国家对我国构筑封锁岛链，遏制中国走向深蓝……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。党的十八大提出了“两个一百年”奋斗目标，做出了“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”的战略部署。2013年我国开始实施“一带一路”，建设“21世纪海上丝绸之路”已成为推动海洋强国建设的重要举措。党的十九大报告中又进一步规划了“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的发展战略，将进一步推动海洋强国的高质量发展。
深海是地球上迄今为止最大的未知区域，蕴藏着人类社会未来发展的各种战略资源和能源，被誉为21世纪人类可持续发展的战略“新疆域”，有着无限的开发潜力，这为实施海洋强国战略提供了绝佳的历史机遇。发展我国深海技术是中华民族实现伟大复兴的历史性选择，刻不容缓。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国防实力、提高装备技术水平具有深远意义，发展深海装备同样离不开深海技术。因此，走向深海是我国实现海洋强国战略的重要标志。
习近平总书记在2016年全国科技创新大会上首次明确提出了“深海进入、深海探测、深海开发”，为我们描绘了“深海三部曲”。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在“深海三部曲”中发挥不可替代的巨大作用。这是由于声波仍然是迄今为止水介质中唯一能够远距离传输信息的载体，声学技术和装备是进行深海信息感知、信息传输、信息处理的最有效手段，是水下信息体系建设的核心装备。目前水声技术和装备已广泛应用于深海环境监测，深海资源勘探，深海探测、通信、导航等领域，在“深海三部曲”中的地位和作用将日益凸显。
在这一大背景下，深海声学技术与装备的研究越来越受到关注。多年以来，我国浅海声学装备技术取得了较快发展，成果众多，它们能直接用于深海吗？众所周知，水声技术发展和装备运用效能都严重受制于海洋水声声场特性的影响，而大量研究表明深海和浅海的水声声场特性差异很大，使得适用于浅海的水声模型、水声技术和装备难以直接应用到深海。浅海水声声场传播的主要特点如下： 声线与海面、海底多次接触（受海底影响更为严重），传播复杂，起伏大，背景噪声高；声场传播的波导干涉效应明显，在频谱上表现为频率选择特性，与距离关系密切；季节变化对浅海传播的影响很大，一般在冬天正梯度、等声速或弱负梯度的水文条件下，声线与海底不易接触时，传播距离远，而在夏天强负梯度的水文条件下，声线与海底易接触时，传播距离较近。而深海水声声场特性具有传播模式多样、背景噪声低、运用复杂等显著特点，具有深海声道轴、会聚区、可靠声路径等有利的声学效应。深海声速分布存在极小值的特性，使得出射声线不断向声速极小值的深度上弯曲，不受海面和海底反射而保留在声道内传播，形成深海声道轴（声速极小值所对应的深度）。在中纬度海区的声道轴位于水下1000m左右，在极地海区的声道轴则接近海面。深海会聚区效应使得到达海面的各声线聚集，形成类似于透镜聚焦的作用，在会聚区内声强增强10dB左右，会聚区间隔一般为50～60km。深海可靠声路径（RAP）是除海面波导和深海声道之外的第三声道。与前两条声道有盲区不同，RAP在中等距离内能全方位照亮目标，不存在盲区，具有很多独特优势。可见，深海水声声场特性决定了深海声学装备工作原理与浅海存在很大区别，深海水声传播模式及其应用的多样化决定了深海声学装备种类的多样化。
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。作者及其研究团队长期从事水声技术与装备研制，自“十五”以来在国家863计划等多个项目的支持下，在深海水声传感、深海探测、深海环境监测、深海水声通信、深海拖曳系统等方面取得了一些成果，也熟悉国内外技术发展趋势，希望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绵薄之力。
本书立足深海探测与开发，从深海声学装备研发与应用的角度出发讨论了深海声学技术与装备的主要原理、相关方法和现有成果，内容包括深海声场建模、深海声信号处理、深海水声通信、深海水声换能器、深海声学测量等技术，以及通信、测流、测温、地层/地貌成像等七类典型深海声学装备。
全书共7章。第1章讨论了深海声场建模技术，给出了深海典型水文环境、深海声场特性、深海背景噪声场和混响场等深海声学环境特性，以及深海声场模型与计算方法，探讨了典型深海传播模式的产生机理，并通过仿真和海上试验数据重点分析了表面波导、会聚区、海底弹射、表面波导泄漏、可靠声路径等深海声场传播规律。第2章讨论了深海声信号处理技术，主要介绍了通过利用深海声场效应来提高探测和定位能力的信号处理技术，包括基于海底弹射的目标检测与定位、会聚区与影区目标辨识、基于可靠声路径的目标检测与定位、影区目标探测等技术。第3章讨论了深海水声通信技术，在分析深海水声通信面临的干扰问题的基础上，重点介绍了非相干水声通信技术、高速相干水声通信技术、扩频水声通信技术及时反水声通信技术。第4章讨论了深海水声换能器技术，主要介绍深海换能器的组成和分类、深海装备对换能器的需求、深海换能器的设计方法、深海声学材料及国内外典型的深海换能器。第5章讨论了深海声学测量技术，较系统地介绍了深海水听器测量技术、深海换能器测量技术和深海声学材料测量技术。第6章讨论了深海拖曳系统装备，其任务是将机动平台上配置的深海装备送到指定深度以开展水下作业，是深海装备工作所必需的共性配套装置；重点介绍了适用于拖曳线列阵和拖体的典型收放存储装置及其配套绞车、收放架等的工作原理，以及仿真建模与设计方法。第7章讨论了深海典型声学装备，包括通信、测流、测温、地层/地貌成像等七类典型装备的工作原理、系统组成、主要功能性能、试验验证等。
本书是作者及其研究团队多年来在国家863计划、国家重点研发计划、预先研究等方面工作成果的总结，同时参考了国际上该领域近年来的研究进展。研究团队成员刘福臣博士、林旺生博士、张宏滔博士、郝浩琦研究员、洪有财研究员、陈毅研究员等参与了相关研究工作，范进良研究员、郑广赢博士、陈洪高工等对本书进行了仔细审阅和校对，对此表示衷心感谢。此外，中国船舶集团有限公司第七○四研究所田立群认真阅读初稿并提出许多具体修改意见，在此一并致谢。
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最新成果，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，限于作者水平，不当之处在所难免，敬请读者包涵与批评指正。
周利生
2020年3月于杭州
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