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第44章 声呐与鱼群探测器

如果不算军事用途,那就可以认为,声呐在捕鱼业中应用得最广泛了。20世纪30年代第一次使用声呐时,就真正地改变了整个渔业的面貌。在辽阔的大海中,捕鱼作业不在瞎摸了。确实,最初使用鱼群探测器,只能发现大的鱼群,因此,阿拉斯加、挪威、太平洋沿岸各国、前苏联和日本的渔夫使用鱼群探测器大规模捕捞鲱鱼和沙丁鱼;他们只是在探测到大鱼群之后才放下大鱼网、拖网。当然,利用鱼群探测器探测大鱼群,现在也是最容易不过的事。但现在的鱼群探测器甚至在恶劣的天气时,在拖网捕鱼的最大深度,也能记录到离海底50厘米处一条单独的大鱼身上反射回来的信号。通过鱼群探测器的应用,可以研究回声探测的一些理论问题以及用声在水下“视”物的问题。

鱼群探测器在最早的鱼群探测仪以及最简单类型的现代鱼群探测器(回声探测器)中,声波束都是垂直向下发射的。回声探测仪在中等深度的水中最为有效,虽然,根据某些乐观的看法,回声探测仪也可用于深水探测。要做到这一点,就必须使发出的(以及接收的)声束的宽度约为30°,脉冲功率为200瓦,脉冲持续时间为1毫秒钟,探测器工作频率为3万赫的探测器。用这样的鱼群探测器,可以在100米的深度发现一条单独的鲱鱼,或者在200米的深度发现一条大鳕鱼。

当然,要辨认出一条单独的鱼,这条鱼必须同其他目标(特别是海底)保持一定距离,位于沿着垂直方向大于脉冲宽度、沿着水平方向大于声束宽度的地方。1毫秒钟的脉冲宽度在水中为1.5米;在深度约180米的水中,声束宽度为100米。因此,在声束宽度和探测深度规定的这个范围内,不可能区别出单独的一条鱼。即使这一地区有几条鱼在游动,鱼群探测器仍然只能记录到一个反射信号。

怎样提高鱼群探测器的分辨本领呢?对这个问题的回答是十分清楚的:使声束更窄,使脉冲更短。这些改变,全可用提高频率来完成。事实上,要发出宽度为30°、频率为3万赫的声束,可以使用横向尺寸约为所发射的声的两个波长(约10~15厘米)的换能器。如果我们想获得宽度为2°的声束,那就得使用直径比发出的声波长大30倍的换能器(就是说,约150厘米)。这种尺寸的换能器,价值非常昂贵,使用时很不方便。因此,最简单的方法是提高频率、缩小波长。

用高频声工作,我们既能获得较窄的声束,又能获得较短的脉冲。要形成频率为30万赫、宽度为1°的声束,所需的换能器,横向尺寸不大于30厘米。那样的话,在深度180米探测的范围可缩小到沿水平方向为3米,沿垂直方向为1毫米。

但是,声呐探测能力的提高是靠牺牲它的其他性能取得的,因为声的穿透力随着它的频率的增加而减弱。增加声脉冲的功率,可以补偿这一效应。即使如此,在频率超过10万赫时,窄声束声呐的有效远程就受到限制(180~270米)。使用窄声束声呐还产生另外的问题。问题在于,无论如何,必须使声呐的窄声束恰恰同步于船只的运动,否则,反射信号将从船只旁边通过而无法记录,我们也就收不到大鱼群位置的信息。长期的试验证明了窄声束声呐用于探测鱼群以及确定鱼群密度的价值。使用某些鱼群探测仪,不仅可以确定鱼的大小,而且可以判明它们的种类。

从工作频率3万赫转到30万赫时,噪声的类型实际上也在变化。到现在为止,我们都是假定声呐记录到惟一声波,就是我们发出的信号的回声。很遗憾,问题实际上要复杂很多。首先,大海本身就是噪声源;其次,大海充满人类活动造成的声音(例如,船舶发动机螺旋桨的噪声)。海洋噪声可以分为两类:波浪运动、海洋动物和鱼类造成的海洋本身噪声和分子不规则运动造成的“热”噪声。声呐以低于10万赫的频率工作时,主要的干扰就是海洋本身噪声。在频率大于10万赫时,热噪声就成了主要干扰。这两种噪声的性质都很不规则。这就使得声呐的应用受到某些限制。当然,利用特殊的电子装置,可以使噪声的影响降低到最小限度。这里主要的问题是增大发射器的功率和改进信噪比,这就能相当地扩大声呐的使用范围。

声呐的灵敏度和作用距离,在更大的程度上受到混响的限制。水中的异物、水密度的不均匀性、水—空气的分界面和大洋底对脉冲的散射形成混响。在这种情况下,简单地提高脉冲的功率于事丝毫无补。因为混响效应也以同样的比例增强。如果降低脉冲持续时间,就能降低混响效应,因为脉冲传递的能量,与功率和持续时间的乘积成正比。因此,我们可以再一次肯定,利用尽可能短的脉冲是合理的。

主要的混响源是海底。考虑到这一事实,研制出了一种新型的声呐——有机械控制声束装置的声呐。这种声束可以向水平面和垂直面的任何方向发射。最早的这种类型的声呐,能发射水平束宽为10°、垂直束宽只有2°的声束。它的工作频率是6.1万赫,而脉冲持续时间略大于1毫秒钟。

从在声束区游动的鱼群反射回来的信号,同海底散射的信号同时到达接收机。因为海底散射信号的强度比有效信号高出许多,因此,有效信号实际上完全看不见。使用上述类型的窄声束(在水平面小于20°)声呐,可以大大降低混响效应,并能发现在深度100~180米的海底附近游动的鱼群。

但是,减少声束宽度会降低水下空间探测的速度和效率。要提高速度和效率,可以使用电子扫描系统。同其他装置相比,这种系统能提供更清晰、更详细的水下景色图象。最近20年来正在紧张地研制这种声呐。

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