现在是2020年 为什么人类船只的水下回声定位仍然不如海豚？
出品：科普中国
制作：望墨溢（西北工业大学航海学院）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
在长江边长大的小伙伴们，一定看过沿江江豚的雕像。前几天，可爱的江豚终于出现在武汉的江面上。
江豚(来源：微博宜昌发布)
经过几百万年的发展，江豚已经进化出了强大的生物声纳，可以利用回声定位系统对水下复杂环境进行探测和跟踪，但是我们的船只在这方面要逊色很多。
水下到底有多复杂？是0202。人工声纳不准确。因为……声波在水下是弯的！
01. 定位，从扔球开始
在黑暗中，如果不用眼睛看，怎么才能知道前方是否有目标，目标又在哪个方向呢？
可以试试“抛球法”:向四面八方抛一个球。如果球没有弹回，说明那个方向(探测距离内)没有目标。如果球反弹回来，说明那个方向有目标。
(来源：作者所画)
又怎么才能确定目标在什么位置呢？
给定扔球的时间和反弹的时间，这个延迟差就是距离翻倍(球来回)所用的时间。如果知道球的速度，就可以确定目标的距离。结合目标的方向，可以确定目标的位置。
(来源：作者所画)
在水下，最常见的“球”是声波(声纳)。当人们第一次使用声纳时，他们认为声波是沿直线传播的.
02.探测，早晚“看”的不一样
20世纪二三十年代，人们发现了一个奇怪的现象：声纳探测器可以在早上探测到远处的静止目标，一旦中午，同一套设备对同一目标的探测性能下降，甚至无法探测到。
这种回波检测设备，性能每天下午都在下降，叫午后效应（Afternoon Effect）.曾经有人甚至怀疑下午操作者注意力不集中，导致操作失误。
(来源：作者所画)
另外，当人们沿着声纳测得的方向寻找目标时，即使是在最好的早晨，也总是有很大的误差。
(来源：作者所画)
后来人们成功研制出深度温度计，发现海水的温度分布并不均匀。比如浅海地区，离海面越近，温度越高。就这样，人们开始从声波在海水中的传播特性来研究“午后效应”背后的原因。
03.午后效应，声波原来会拐弯？
原来在声波沿直线传播，是建立在声速处处相等.的前提下，然而海水的温度变化会使不同深度的声速不同，产生声速分布（Sound Velocity Profile）.往往认为海水符合层状介质模型，即海水可以分为多个水平层，同一水平层的声速是相同的。
在经典的层状介质模型中，浅水中最常见的声速分布是负梯度（Negative Gradient）模型，即深度越大，声速越小.模型
(来源：作者所画)
虽然总是在海水中，但当声波从一个声速层传播到另一个声速层时，会发生折射（Refraction）。而且折射定律和光从空气传播到水中是一样的，满足Snell折射定律（Law of Refraction）.(声波和电磁波区别巨大，这里只指折射定律)
你可以回忆一下，筷子在水面上“折叠”是因为光在空气中传播速度快(疏介质，Thinner Medium)，在水中传播速度慢(http://www . Sina.com/)。
不断的折射导致声波在水中以曲线而不是直线传播。类似于密介质，Denser Medium.根据斯内尔折射定律，可以证明声波总是向声速减小的方向弯曲。
(来源：作者所画)
这就解释了为什么沿着声纳的“看”方向寻找目标总是会有很大的误差(人的声音明显遵循一条曲线，所以你要在直线上寻找，所以误差小，我输了)。
通过进一步研究声速在海水中的分布，发现声速不仅与温度有关，还与压力、盐度等因素密切相关。同时，用光线表示用光波的传播轨迹，我们往往用声线（Sound Ray）表示声波的传播轨迹,在整个海洋中最常见的声速分布曲线如下
西太平洋附近声速分布模型(来源：作者绘制)
负梯度声速分布往往只出现在浅海区域
我们以04.声影区，变化的声纳盲区.为例在浅海中，由于海面的存在，直达声线的传播空间是有界的，所以有一个不经过任何反射的弯曲声线称为直达声线（Direct Sound Ray）恰好与海面相切。
到达临界声线（Critical Sound Ray）.就像一个盲点(除非你有一面镜子来反射你的视线，否则你看不到杯子后面的钥匙)。这个地区叫做在临界声线区域内的目标，声纳总有声线可以探测到，而这个区域外的目标，声线不经过反射就永远探测不.
(来源：作者所画)
声影区的范围主要由声影区（Acoustic Shadow Zone）和位置的声纳决定。如果声纳位置固定，当声速分布发生变化时，声影区域的范围也会发生变化。
回到“下午效应”:上午海水温度低，声速符合负梯度分布。只要目标不在声影区域，就可以检测到总声线。中午以后，由于海面受到太阳照射，温度升高，声速分布发生变化，甚至可能变成声速分布分布。
(来源：作者所画)
声速分布的变化会导致声影面积的变化。早上没有落入声影区的可探测目标，下午可能会落入新的声速分布下的声影区。
(来源：作者所画)
这解释了“下午效应”:正梯度（Positive Gradient）
由于海水声速分布的改变，导致早上能探测到的目标，下午却落入了声影区，因此信号显著减弱，甚至完全消失。
我们知道声速在海水中不是常数，所以声线是弯曲的。根据声波的05.应用：全新的目标定位，可以进行全新的目标定位。传播特性（Propagation Property）,这就是人类科技是如何不断更新的。但是这个时候，还是需要注意以下几点。
发现规律，修正规律，利用规律
我们知道直达声的传播特性，但当目标在声影区时，仍然无法探测到。这时，你可以用（1）声影区目标的探测来探测目标。
声线在海水中的传播往往是有界的，最常见的界面是海面和海底。虽然直射的声线无法到达声影区，但是从界面反射的声线可以。
(来源：作者所画)
反射声线虽然可以探测到目标，但由于受界面影响和传播距离长，其性能不稳定。因此，电影目标的定位还需要进一步发展。
反射声线（Reflected Sound Ray）
复习“投球”检测目标。事实上，由于（2）运动目标的探测,的存在，这是一堆反弹的球，不可能直接看到球什么时候回来。这时我们观察收到的球，看哪一个瞬间最像“抛出”的球，认为是传播时间。
(来源：作者所画)
然而，如果目标正在移动，由于环境噪声（Environmental Noise）,的存在，回波波形将被拉伸或压缩，导致变形，从而无法找到“最像”的球，即无法搜索传播时间。
(来源：作者所画)
这时我们往往会猜测目标可能的速度，根据速度将“抛”出来的球分几组拉伸，然后分别“寻找最佳图像”。这样不仅可以确定传播时间，还可以确定目标的速度(决定拉伸程度)。
(来源：作者所画)
“寻找最佳图像”的操作称为多普勒效应（Doppler Effect）,“拉伸”的操作称为互相关（Cross Correlation）,整个过程称为频率补偿（Frequency Compensation）或脉冲压缩（Pulse Compression）.
这种方法是为非折射的直线传播信号提出的，但它仍然适用于水下折射的弯曲传播声信号，这是由于匹配滤波（Matched Filtering）.效应。这类似于红色(低频)筷子插入水中，不能变成紫色(高频)筷子的事实。
最后给出了上述西太平洋完整声速分布的声学线图。图中曲线为直射声线和反射声线，无声线的空白区域为声影区域。
西太平洋附近的声音图(来源：作者绘制)
参考
[1]刘伯生，雷佳宇。流体声学原理(第二版)[M]。哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社。
