到底声纳的导航和测距是怎么回事？

当船只在茫茫大雾中航行，当潜艇要在漆黑的深海探测地形，当潜水员要寻找水下失事的飞机黑匣子，最离不开的设备就是声纳——哪怕雷达能探测几百上千公里，在水里电磁波衰减极快，根本没法用，只有声波能在水下长距离传播，声纳就是利用声波实现导航和测距的设备。很多人只听过声纳的名字，不知道它到底怎么实现导航和测距，今天我们就从基础原理到实际应用，把声纳导航和测距讲清楚，看完你就明白，为什么声纳是水下世界的“眼睛”。

一、先搞懂：为什么偏偏是声波?水下探测只能用声纳

要讲声纳，首先得回答一个问题：为什么水下导航测距不用我们熟悉的雷达、可见光，偏偏用声波?

我们知道，电磁波在空气中传播衰减很小，所以雷达能用来探测远距离目标，但电磁波在水里衰减非常快，频率越高衰减越快，无线电波要在水里传播，哪怕是功率非常大的长波，传输距离也只有几公里，可见光在水里会被悬浮颗粒散射，清澈的海水里也只能传几十米，浑水里几米就看不见了，根本没法用来探测远距离目标。

而声波不一样，声波是机械波，在水里传播的时候，衰减比电磁波小得多，频率为1kHz的声波，在海水里传播上千公里，衰减都不到一半，低频声波甚至能绕地球好几圈，所以只有声波能满足水下远距离探测的需求，声纳就是“声音导航与测距”(Sound Navigation And Ranging)的缩写，从名字就能看出来，它天生就是用来干这事的。

声纳的核心原理其实非常简单：就是我们初中物理学过的回声定位——主动发射声波，声波碰到目标会反射回来，声纳接收反射的回波，计算声波发射到接收的时间差，再结合水里的声速，就能算出目标的距离，再结合接收回波的方向，就能得到目标的位置，从而实现导航和测距，就是这么朴素的原理，但实际应用里有很多细节优化，才能实现高精度的导航测距。

二、测距：声纳怎么算出目标离我们有多远?

声纳测距是导航的基础，先有准确的测距，才能实现定位导航，我们先说说声纳测距到底是怎么实现的。

1. 最基础的脉冲测距：时间差算距离

现在主动声纳最常用的测距方法就是脉冲测距法，原理非常好理解：声纳换能器发射一个短促的声波脉冲，声波在水中以速度v传播，碰到目标之后反射回波，声纳接收回波，记录从发射到接收的时间差t，那么声波从声纳到目标再走回来，一共走了2倍的距离，所以目标距离R就是：R = (v * t) / 2，公式非常简单，小学生都能算。

举个例子，海水里的声速大约是1500m/s，如果声纳发射脉冲之后，经过0.1秒收到回波，那么距离就是(1500 * 0.1)/2=75米，一秒收到回波就是750米，非常直观。

这个方法看起来简单，实际要做准，有两个关键点：一个是声速要测准，水里的声速不是固定的，会受水温、盐度、水压影响，水温每升高1℃，声速大约增加4.5m/s，盐度每升高1‰，声速增加大约1.3m/s，深度每增加100米，声速增加大约1.7m/s，所以高精度测距都会放一个声速仪实时测声速，修正计算结果，不然测距误差会很大。另一个关键点是准确检测到回波的到达时间，要排除噪声干扰，准确找到回波的前沿，不然时间差算错，距离就错了。

2. 调频连续波测距：适合高精度近距测量

除了脉冲测距，还有一种常用的测距方法叫调频连续波测距(FMCW)，适合近距高精度测距。原理是发射频率随时间线性变化的连续声波，比如频率从10kHz线性升高到20kHz，发射波碰到目标反射回来，反射波和发射波之间会有一个频率差，这个频率差和目标距离成正比，计算出频率差就能算出距离。

调频连续波的优点是，发射功率低，不容易被敌方截获，而且测距精度比脉冲测距高，近距离测量能达到厘米级甚至毫米级精度，所以现在民用的小型测深仪、水下机器人避障，很多都用调频连续波声纳，适合近距离高精度测距。

3. 测距的精度和盲区：怎么平衡?

声纳测距有一个矛盾：脉冲越短，测距盲区越小，精度越高，但是脉冲能量小，探测距离近;脉冲越长，能量大，探测距离远，但是盲区大，精度低。所以设计的时候要根据需求选，远距离探测用长脉冲，然后通过信号处理提高精度，近距离高精度测量用短脉冲，满足精度要求。

一般来说，民用小型声纳测距精度能做到距离的0.1%-1%，比如测100米距离，误差大概0.1-1米，高精度的近距声纳能做到厘米级误差，足够满足导航需求。

三、导航：声纳怎么帮设备在水下找方向、定位置?

测距是基础，最终要实现导航，也就是让载体(船只、潜艇、水下机器人)知道自己在哪里，该往哪里走，声纳导航主要分两种场景：地形匹配导航、信标导航、避障导航，我们一个个说。

1. 回声测深导航：确定水深和位置

最基础的声纳导航就是回声测深，船上装一个单波束测深声纳，向下发射声波，测出水深，然后和海图上的水深对比，就能确定船只的位置，这是早期航海最常用的导航方法，哪怕现在有GPS，GPS在水下没法用，潜艇水下航行，还是离不开测深声纳导航。

现在很多船都用多波束测深声纳，能同时发射几十个波束，一次就能测出一片区域的水深，绘制出三维海底地形图，不仅能导航，还能用来探测海底沉船、矿产资源，用途非常广。

2. 海底地形匹配导航：长航时潜航的核心

现代核潜艇或者长航程无人水下潜航器，长时间在水下航行，不能浮出水面接收GPS，也不能用无线电导航，最常用的就是地形匹配导航，原理就是预先把航行区域的海底地形图存在潜航器的计算机里，潜航器用侧扫声纳或者多波束声纳实时测量当前的海底地形，把实时测量的地形和预先存储的地形图做匹配，就能算出潜航器当前的位置，误差能做到几十米甚至几米，足够长时间水下导航用，不需要浮出水面，隐蔽性非常好，这是现在战略潜艇最核心的导航技术之一。

3. 声纳信标导航：精准定位水下目标

如果要让水下机器人精准到达某个目标位置，或者打捞沉船，常用长基线声纳信标导航：在海底预先布放几个已知位置的声纳信标，水下载体上的声纳发射信号，信标收到之后回复信号，载体计算和每个信标的距离，用三角定位法就能算出自己的精确位置，精度能达到米级甚至亚米级，非常适合近岸作业、水下工程的精准导航。

还有一种短基线和超短基线导航，是把基阵放在船底，水下目标上带一个声纳信标，基阵接收信标的信号，计算不同基元之间的相位差，就能算出目标的方向和距离，实现定位导航，现在打捞作业、水下勘探都常用这种方法，不用在海底布放多个信标，只需要船上装一个基阵就能用，非常方便。

4. 避障导航：让水下机器人自己走

现在越来越多的水下机器人用来做管道检测、大坝检测，这些场景需要声纳实时探测前方的障碍物，实时测距，然后规划路径避开障碍物，这就是声纳避障导航：一般用机械扫描或者电子扫描的成像声纳，360度扫描周围环境，生成周围的障碍物分布图，实时告诉机器人哪里有障碍物，距离多远，机器人就能自动绕开，实现自主导航，很多无人机舱的水下巡检机器人，都是靠声纳避障才能在复杂的水下环境里自主航行。

四、主动声纳和被动声纳：导航测距用哪种?

声纳分主动声纳和被动声纳，两种的工作方式不一样，适合不同的导航测距场景：

主动声纳：自己发射自己收，民用导航基本都用它

主动声纳就是自己发射声波，自己接收回波，我们上面说的测距、测深、地形匹配，大部分都是主动声纳，优点是能主动探测，不需要目标发出声音，任何静止的、运动的目标都能探测，测距精度高，适合导航测距，民用场景几乎都是主动声纳。

缺点是主动发射声波，容易被敌方反潜设备探测到，暴露自己位置，所以军事上潜艇潜行的时候一般不用主动声纳，只用被动声纳。

被动声纳：只接收不发射，隐蔽性好

被动声纳不发射声波，只接收目标发出的噪声，比如船只发动机的噪声，就能探测到目标的方向，但是因为没有发射信号，没法直接测时间差，所以测距比较麻烦，一般需要多个被动声纳组网，或者用运动基阵测距，精度比主动声纳差，但是隐蔽性好，适合军事潜艇隐蔽导航探测，民用导航用的比较少。

大部分用于导航测距的民用声纳都是主动声纳，只有少数用于海洋科考监测，监测鲸鱼、船只的被动声纳，才会用被动测距。

五、影响声纳导航测距精度的几个关键因素

很多人用声纳会发现，实际测距误差比标称大很多，其实都是这些因素影响的，我们提前说一下，避开这些坑精度就能上去：

1. 声速误差：最常见的误差来源

我们前面说了，声速受水温盐度深度影响，很多便宜的声纳直接用固定的1500m/s计算，实际海里面声速可能是1480m/s也可能是1530m/s，测1000米距离误差就能有十几米，所以高精度测量一定要实时测声速，修正结果，尤其是深度变化大、水温变化大的区域，这个修正非常重要。

2. 声波折射：海水分层导致路径弯曲

海水温度不一样，声速不一样，所以海水经常会分成不同的层，声波在不同声速的层里传播会发生折射，路径不是直线，就会导致测距和测方向误差，深海里有时候会形成声发通道，声波会沿着通道传播，路径弯曲很大，所以远距离导航一定要做折射修正，用声速剖面计算声波实际传播路径，修正位置误差。

3. 噪声干扰：混响和海洋噪声掩盖回波

声纳的干扰主要有两种：一种是混响，就是声波碰到海底、水中悬浮物的反射，会掩盖目标的回波，近距离的时候混响尤其严重;另一种是海洋环境噪声，比如风浪噪声、船只航行噪声、海洋生物的噪声，都会干扰回波检测，所以声纳都需要做滤波和信号处理，把目标回波从噪声里提取出来，信号处理不好，就测不到目标，或者测距错误。

4. 换能器精度：基阵精度决定方向误差

导航不仅需要测距，还需要测方向，方向误差来自换能器基阵的精度，基阵的阵元安装误差，相位误差，都会导致方向测量不准，进而导致位置误差，高精度导航需要高精度的换能器基阵，校准好误差，才能得到准确的方向。

六、现代声纳导航测距的典型应用，看看都用在哪里

声纳导航测距现在已经用在各行各业，我们举几个常见的应用，大家就能有直观的感受：

1. 船舶导航和测深

所有的民用船舶都必须装回声测深仪，就是最简单的单波束声纳，实时测量水深，防止船舶搁浅，进港的时候靠岸，也能用测深声纳确认位置，现在大型船舶还会装多波束测深系统，绘制航道地形图，保证航行安全。

2. 水下机器人自主导航

现在水下机器人用来做跨海大桥桥墩检测、海底管道检测、水库大坝检测，这些场景GPS没用，可见光也看不清，机器人靠成像声纳实时扫描周围环境，测距避障，实现自主导航，能自动沿着管道走，自动避开障碍物，不需要人遥控，非常方便。

3. 潜艇水下长航时导航

战略核潜艇需要在水下潜伏几个月，不能浮出水面接收GPS，只能靠惯性导航加地形匹配导航，惯性导航长时间航行会有累积误差，定期用声纳测量海底地形，和预先存储的地形图匹配，修正惯性导航的误差，就能一直保持高精度的位置，保证潜艇不迷路，能准确到达预定位置，这是现代核潜艇核心技术之一。

4. 打捞和搜救

海上空难、沉船事故，要找黑匣子和沉船，首先就是用侧扫声纳扫描海底，测绘出海底障碍物的位置，测距定位，然后再派潜水员或者水下机器人过去打捞，侧扫声纳能扫几公里宽的范围，快速找到目标位置，比拖网搜索效率高太多。

5. 自动驾驶船舶

现在新兴的自主驾驶船舶，除了用GPS，还需要声纳实时探测前方的航标、礁石、其他船只，测距定位，避免碰撞，在近岸复杂水域，声纳是不可缺少的导航传感器。

声纳的导航和测距，说穿了就是利用“回声定位”的基本原理，结合不同的信号处理和定位方法，满足不同场景的需求——核心就是利用了声波能在水下长距离传播的特性，弥补了电磁波和可见光在水下没法用的缺陷，成了水下世界独一无二的“眼睛”。

从早期一战的时候用来探测冰山和潜艇，到现在民用工程、海洋科考、军事航海，声纳技术已经发展了一百多年，现在还在不断进步：现在已经有了合成孔径声纳，成像分辨率能达到厘米级，能看到海底几十厘米大小的目标;还有小型化的微型声纳，能装在掌心大小的水下机器人上，实现自主导航。

对于我们普通人来说，可能很少接触声纳，但其实我们日常用的进口海鲜、海上运输的商品，潜水勘探的海底资源，都离不开声纳导航测距，它藏在水面之下，默默支撑着海洋开发和航海安全，是现代海洋活动离不开的核心技术。