第5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射2

1、u軍事目標(biāo)：艦船、潛艇、魚雷、水雷 u民用目標(biāo)：魚群u礁石等u無限延展非均勻體：深水散射層、海面、海底等 反射體、散射體反射體、散射體回波信號(hào)回波信號(hào)有規(guī)信號(hào)有規(guī)信號(hào)散射體散射體回波信號(hào)回波信號(hào)統(tǒng)計(jì)信號(hào)（混響）統(tǒng)計(jì)信號(hào)（混響）u主動(dòng)聲吶目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的依據(jù)u對(duì)聲吶設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有重要意義 u目標(biāo)強(qiáng)度參數(shù)定義 u常見聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值和特性 u剛性和彈性球體散射場(chǎng)特性 u目標(biāo)回波 u殼體目標(biāo)的回波信號(hào) u求解散射聲場(chǎng)的理論方法 目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小。 iIrI式中， 為入射波強(qiáng)度； 為離目標(biāo)聲中心1米處的回聲強(qiáng)度。rir=1ITS =10lgI5.1 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度 Ir

2、1mv目標(biāo)的聲學(xué)中心：假想的點(diǎn)，可位于目標(biāo)的外部或內(nèi)部，回聲由該點(diǎn)發(fā)出。 v收發(fā)分置：回聲強(qiáng)度是入射波方向和回波方向的函數(shù)。v收發(fā)合置：回聲強(qiáng)度僅是入射波方向的函數(shù)，反向反射或反向散射。 多數(shù)聲吶為收發(fā)合置型的，因此本章主要討論反向散射情況目標(biāo)回聲問題。 通常情況下，水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度TS為正值，為什么不能說回聲強(qiáng)度高于入射聲強(qiáng)度？ 5.1 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度 5.1 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度 剛性不動(dòng)球體：半徑a，ka1，k為波數(shù) 。反射聲線：局部平面鏡反射定律。 球體剛性：聲能不會(huì)透入球體內(nèi)部。理想反射體：聲能無損失被反射。 ii2iiidsina2dsdscosIdWii2rrd22sinr2Id

3、W 散射聲功率： 局部范圍入射聲功率：aiIi id 5.1 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度 入射聲功率等于散射聲功率：ridWdW 22irr4aII4alg10IIlg10TS21rir尤立克水聲原理從總體角度上進(jìn)行推導(dǎo)。 求得：剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度： 結(jié)論：結(jié)論：TSTS值與聲波頻率無關(guān)，只與球半徑有關(guān)。值與聲波頻率無關(guān)，只與球半徑有關(guān)。v軍事需要：探潛、反潛、水聲對(duì)抗v研究聲納目標(biāo)（潛艇、魚雷、水雷等）目標(biāo)強(qiáng)度備受各海軍強(qiáng)國(guó)重視；v軍事保密原因，公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料較少，且年代久遠(yuǎn)；v我們僅對(duì)聲納目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度作一般性討論。5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 5.2 常見聲吶常見聲吶

4、目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 v潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度與方位、頻率、脈沖寬度、深度和距離有關(guān)。v測(cè)試艇：柴油動(dòng)力潛艇v時(shí)間：二次大戰(zhàn)前后。v正橫方向：1240dB，平均值25dB 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 潛艇目標(biāo)強(qiáng)度與方位角關(guān)系曲線呈“蝴蝶形”圖形。 測(cè)試頻率：24kHz A為戰(zhàn)前、40次平均 B為戰(zhàn)后、5次平均5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 v特點(diǎn)（A曲線） 在艇的舷側(cè)正橫方向上， 目標(biāo)強(qiáng)度值最大，達(dá)25dB， 系由艇殼的鏡反射引起； 在艇首和艇尾方向，目標(biāo) 強(qiáng)度最小，約1015dB， 系由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；在艇首和艇尾20度附

5、近，比相鄰區(qū)域高出13dB，可能是由潛艇的艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生； 在其它方向上呈圓形，系由潛艇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及附屬物產(chǎn)生散射的多種疊加。 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 近距離處潛艇目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量值有可能小于遠(yuǎn)距離處的目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量值： 當(dāng)使用指向性聲吶在近處進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，由于指向性的關(guān)系，聲束不能照射到目標(biāo)的全部，僅有部分表面對(duì)回聲有貢獻(xiàn)； 某些幾何形狀比較復(fù)雜物體的回聲隨距離衰減的規(guī)律不同于點(diǎn)源聲場(chǎng)。 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 Lr2在近場(chǎng)（距離小于 ），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從柱面波規(guī)律，即 。 在遠(yuǎn)場(chǎng)（距離大于 ），回聲強(qiáng)度隨距

6、離的衰減服從球面波規(guī)律，即 。若分別在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，然后按照球面波規(guī)律歸算到目標(biāo)聲中心1m處。0rr10r2r1 為了要得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，即測(cè)量距離 。 Lr25.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 設(shè)入射波脈沖長(zhǎng)度為 ，若物體表面上A點(diǎn)和B點(diǎn)所產(chǎn)生回聲在脈沖寬度 內(nèi)被同時(shí)接收到，則有： 2cBD2csinAB隨著脈沖長(zhǎng)度的增加，對(duì)回聲有貢獻(xiàn)物體表面積相應(yīng)增大； 脈沖長(zhǎng)度由短逐漸變長(zhǎng)時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度值也由小逐漸變大，直到脈沖長(zhǎng)度變?yōu)?后，目標(biāo)強(qiáng)度值就不再隨脈沖長(zhǎng)度而變化。 csinL20 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 5.2

7、常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 二次大戰(zhàn)期間，曾用12、24和60千赫的頻率進(jìn)行潛艇目標(biāo)強(qiáng)度的測(cè)量，試圖確定潛艇目標(biāo)強(qiáng)度的頻率響應(yīng)，但測(cè)量結(jié)果表明：潛艇目標(biāo)強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)，如果有的話，也被實(shí)測(cè)值的不確定性（離散性）所掩蓋。 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 深度對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度值影響，不是影響了潛艇本身，而是深度變化會(huì)引起聲傳播變化。 v形狀：帶平頭或圓頭的圓柱體v尺度：長(zhǎng)度1米至數(shù)米，直徑0.3米至1米v兩者不同：魚雷尾部安裝有推進(jìn)器；水雷雷體上安裝有翼及凹凸不平處。v目標(biāo)強(qiáng)度的特點(diǎn)：正橫方位或頭部目標(biāo)強(qiáng)度值較大強(qiáng)鏡反射； 尾部和雷體上小的不規(guī)則

8、部分目標(biāo)強(qiáng)度值較小。 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 v正橫方位上圓柱形物體的目標(biāo)強(qiáng)度： 式中，a為圓柱半徑，L為圓柱長(zhǎng)， 是聲波波長(zhǎng)。 2aLlg10TS2m0.2a m1.5L m0.03 dB9TS 若 ， ， ，可得 。該值與水雷正橫方向上的測(cè)量值基本相符。 m0.2a m1.5L m0.03 dB9TS 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 v魚是探魚聲吶的目標(biāo)。 介紹英國(guó)Cushing（1963年）等人研究結(jié)果 :測(cè)量對(duì)象：鱘魚、比目魚、鱸魚、青魚等死魚，安裝薄膜塑料人工魚鰾。實(shí)

9、驗(yàn)條件：聲波頻率30kHz，聲束由上向下垂直照射到魚脊背上，魚處于正常游動(dòng)狀態(tài)。 5.2 常見聲吶常見聲吶目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度特征 測(cè)量結(jié)果：魚體長(zhǎng)與目標(biāo)強(qiáng)度的關(guān)系，圖中直線為TS值與10lgV之間的關(guān)系，V是魚的體積。 視魚群為一個(gè)整體，如果魚群由N條相距較大魚所組成，則魚群總目標(biāo)強(qiáng)度為TS+10lgN，其中TS是單個(gè)魚體目標(biāo)強(qiáng)度值。 iIrI5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量指向性聲源A：向待測(cè)目標(biāo)輻射聲波接收水聽器B：接收待測(cè)目標(biāo)回波 計(jì)算入射聲強(qiáng)度和回聲強(qiáng)度計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度TS值合理選擇發(fā)射信號(hào)脈沖寬度合理選擇發(fā)射聲源和接收水聽器位置5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)

10、驗(yàn)測(cè)量將已知目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)作為參考目標(biāo)；在相同的測(cè)量條件下分別測(cè)量參考目標(biāo)和待測(cè)目標(biāo)的回聲級(jí)，比較它們的回聲級(jí)。iIiIrI0I參考目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值為TS0待測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值：r00ITS =10lg+TSI5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量Ir為待測(cè)目標(biāo)回聲強(qiáng)度I0為參考目標(biāo)回聲強(qiáng)度操作和計(jì)算簡(jiǎn)單，是比較實(shí)用的方法。 需要一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度已知的參考目標(biāo)； 對(duì)于大目標(biāo)（例如潛艇）很難保證前后兩次測(cè)量條件相同。 5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量A為收發(fā)合置換能器（為討論方便而假定），它是指向性聲源，聲軸指向待測(cè)目標(biāo)；B為被測(cè)目標(biāo)；距離r應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的

11、實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量水聽器處的回聲級(jí)EL： EL=SL-2TL+TS回聲級(jí)定義：r0IEL =10lgII0為參考聲強(qiáng)5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量待測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值TS： TS=EL+2TL-SL 操作比較簡(jiǎn)單，不需特殊的儀器設(shè)備。 需要精確地知道或測(cè)量傳播損失值。 5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量v1952年，Urick和Pieper提出的不需確定傳播損失的測(cè)量方法。 待測(cè)目標(biāo)上安裝水聽器和應(yīng)答器各一個(gè)，應(yīng)答器接收聲源輻射聲脈沖后也輻射聲脈沖，水聽器先后接收聲源和應(yīng)答器發(fā)射的脈沖信號(hào)，設(shè)它們的聲級(jí)差為B分貝。 在水面船上安裝發(fā)

12、射器和水聽器，水聽器接收目標(biāo)回聲和應(yīng)答器所輻射的脈沖聲信號(hào)，設(shè)它們的聲級(jí)差為A分貝。5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量 待測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值：TS=B-A 不需要確定傳播損失；不需要對(duì)聲源、應(yīng)答器和兩個(gè)水聽器作絕對(duì)校正。5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量5.3 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量比較法和直接法。 聲源與目標(biāo)之間的距離和目標(biāo)與水聽器之間的距離應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。測(cè)試條件應(yīng)滿足自由場(chǎng)條件。 消聲水池：滿足自由場(chǎng)條件； 非消聲水池：根據(jù)水池尺寸，合理選擇脈沖寬度，調(diào)整聲源、目標(biāo)和水聽器三者之間位置，使反射信號(hào)和回波信號(hào)在接收時(shí)間上分開。 合理選擇發(fā)射信號(hào)脈沖寬度 選取依據(jù)

13、：測(cè)試環(huán)境滿足自由場(chǎng)條件；測(cè)量結(jié)果要達(dá)到穩(wěn)態(tài)。一般，聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的，結(jié)果具有較大的離散性，從統(tǒng)計(jì)的意義上給出了上述的規(guī)律性結(jié)果。目標(biāo)目標(biāo)方位角方位角TS TS 分貝分貝潛艇潛艇正橫艇首尾正橫與首尾之間+25+10+15水面艦艇水面艦艇正橫非正橫+25（高值不確定）+15（高值不確定）水雷水雷正橫非正橫+10+10-25魚雷魚雷頭-20長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為L(zhǎng) L的魚的魚背向-54+19lgL5.4 常見常見聲波聲波目標(biāo)目標(biāo)的目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度強(qiáng)度從理論上（雷達(dá)技術(shù)）可以推得一些簡(jiǎn)單幾何形狀物體目標(biāo)強(qiáng)度值的理論計(jì)算公式；掌握球體、柱體和橢球體目標(biāo)強(qiáng)度公式；聲吶目標(biāo)不滿足剛性、不動(dòng)理想條件，表中所列公式僅是近似值。 5.4 常見常見聲波聲波目標(biāo)目標(biāo)的目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度強(qiáng)度1 1、什么是目標(biāo)強(qiáng)度？請(qǐng)寫出剛性球體、什么是目標(biāo)強(qiáng)度？請(qǐng)寫出剛性球體（ka1ka1）目標(biāo)強(qiáng)度的表達(dá)式。）目標(biāo)強(qiáng)度的表達(dá)式。2 2、潛艇目標(biāo)散射強(qiáng)度隨方位變化有哪些、潛艇目標(biāo)散射強(qiáng)度隨方位變化有哪些特點(diǎn)？請(qǐng)分析