第6章海洋中的混响ppt课件

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1、第第6 6章章 海洋中的混响海洋中的混响n n 混响：混响：混响：混响：是主动声呐的一种特殊形式的背景干扰，它限制了声呐设备的作用距离。主动声呐背景干扰噪噪 声声海洋环境噪声、舰船自噪声混混 响响n n 混响产生：混响产生：混响产生：混响产生：是由海洋中大量无规无规散射体对入射声信号产生的散射波在接收点叠加而形成的，它是一个无规的随机随机过程。 n n 混响特点：混响特点：混响特点：混响特点：伴随声呐发射信号而产生的，它与发射信号特性密切相关，而且还与传播声信道特性有关。n n 混响研究：混响研究：混响研究：混响研究：（1）平均特性：从能量观点出发，研究混响平均强度所遵循的规律；（2）统计特性

2、：混响是一个随机过程，研究其概率分布、时空相关特性、空间指向性和频谱特性等统计特性。6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念1 1 1 1、混响的分类、混响的分类、混响的分类、混响的分类（1 1）海洋中散射体）海洋中散射体n 海洋生物、泥沙粒子、气泡、水团等，不平整海面和海底；构成实际海洋的不均匀性不均匀性，形成介质物理特性的不连续性。（2 2）混响声信号）混响声信号n 声呐发射声信号在介质中传播过程中，遇到不均匀介质，产生散射声场。n 海洋中的不均匀性是大量的，它们的散射波在接收点上的总和形成该点的混响。n 混响信号紧跟在发射信号之

3、后，它像一阵长的、随时间缓慢衰减的颤动声响。 6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念1 1 1 1、混响的分类、混响的分类、混响的分类、混响的分类 实测海洋混响信号：水深为1980米，声源为2磅炸药，位于244米水深，水听器深度41米，滤波带宽12kHz。6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念1 1 1 1、混响的分类、混响的分类、混响的分类、混响的分类 根据混响场形成原因不同，混响分为如下三类：（1 1 1 1）体积混响体积混响 海水本身就是散射体，如海水中泥砂粒子、海洋生物，海水本身的不均匀性（水团、湍流等）等引起的混响。（2 2）海面混响）海面混响 海面的不平整性

4、和波浪形成的海面气泡层对声波散射所形成的混响。（3 3）海底混响）海底混响 海底的不平整性、海底表面的粗糙度及其附近散射体形成的混响。 海面混响和海底混响统称为界面混响。海面混响和海底混响统称为界面混响。6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念2 2 2 2、散射强度、散射强度、散射强度、散射强度表征散射体（面）声散射本领的一个基本物理量。表征散射体（面）声散射本领的一个基本物理量。定义：定义：在距散射体（面）1米处，被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度比值的分贝数。式中，Is是在远场测量后再归算到单位距离处。n 散射强度和目标强度是类似的概念，利用散射强度可计算各类混响等

5、效平面波混响级或混响预报。n 通常体积混响的反向散射强度值为-70dB-100dB，远小于海面和海底的反向散射强度值，而海底散射强度值远高于海面。6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念3 3 3 3、等效平面波混响级、等效平面波混响级、等效平面波混响级、等效平面波混响级n 由发射信号本身特性和海中散射体分布等原因，混响声场不是各向同性的；n 在混响为主要背景干扰情况下，等效平面波混响级RL度量混响干扰的大小，声呐方程中用RL替代NL-DI项。等效平面波混响级：等效平面波混响级：若接收器接收来自声轴方向入射的强度为I平面波，其输出端开路电压为V；如将接收器放置在混响声场中，声轴对着目

6、标，若接收器输出端电压也为V，则混响场的等效平面波混响级RL ：混响是随时间衰减的，它对接收信号干扰的大小，应混响是随时间衰减的，它对接收信号干扰的大小，应取声呐信号到达时刻的等效平面波混响级。取声呐信号到达时刻的等效平面波混响级。 6 6.1 .1 海洋混响基本概念海洋混响基本概念4 4 4 4、混响研究的基本假定、混响研究的基本假定、混响研究的基本假定、混响研究的基本假定n 声线直线传播，计及球面衰减和海水吸收；n 任何时刻单位面积上或体积内散射体分布是随机均匀的，且每个散射体对混响的贡献相同；n 散射体数量极多，单位体积元和面元含有大量散射体；n 只考虑散射体的一次散射，不考虑散射体间的

7、多次散射；n 入射脉冲时间足够短，忽略面元和体元尺度范围内传播效应。混响是一个复杂过程，受多种因素的影响，上述假设忽略混响是一个复杂过程，受多种因素的影响，上述假设忽略某些次要因素，只考虑主要因素，但所得理论分析结果仍具有某些次要因素，只考虑主要因素，但所得理论分析结果仍具有普遍指导意义。普遍指导意义。6 6.2 .2 体积混响体积混响1 1 1 1、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域n 海洋中所有散射体的散射波不会都在同一时刻到达接收器海洋中所有散射体的散射波不会都在同一时刻到达接收器它们距离声源和接收器的距离远近不一样，入射声波照射到散射体的时刻

8、有先有后。n 某一时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和某一时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和结论：海洋中部分散射体对某一时刻的混响有贡献。结论：海洋中部分散射体对某一时刻的混响有贡献。6 6.2 .2 体积混响体积混响1 1 1 1、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域以体积混响为例：以体积混响为例：n 考虑收发合置情况，位于O点，发射脉冲宽度为 ；n 根据球面扩展假设，该脉冲在海水中形成一个厚度为 的扰动球壳层；n 发射脉冲结束结束后的 时刻，该扰动球的内外半径为：OCBAr1r0r26 6.2 .2 体积混响体积混响1 1 1

9、 1、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域、对混响有贡献的区域解释：解释： 球壳内的散射体在 时刻的散射波，不能在同一时刻传到接收器。球壳内层半径为r1的A点脉冲后沿脉冲后沿激发的散射波在 时刻开始传向接收点；而半径为r0的B点，脉冲前沿脉冲前沿在时刻 开始向接收点发出散射波，到达A点的时刻恰好也是 ，它们可在t时刻同时到达接收点。注意：注意：n 脉冲的前沿和后沿。位于r1和r0之间的散射体都和B点类似，都会对t时刻的混响有贡献；n 上述推导也适用于海面和海底混响，圆环替代球壳。6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体

10、积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响的等效平面波混响级： 假设海水介质中均匀分布着大量的散射体，指向性发射器的指向性为 。6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响的等效平面波混响级：（1）单位距离处发射换能器轴向声强为I0，则在空间 方向上的声强为 ；6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响的等效平面波混响级：（2）考虑 方向上r处有一体积为dV的体积散射体，假设遵循球面波衰减规律， 则

11、dV处的入射声强度为 ；6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响的等效平面波混响级：（3）根据散射强度定义，则可得在返回声源方向单位距离处的散射声强度为 ；6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响的等效平面波混响级：（4）在入射声波作用下，由dV产生的返回声源处的散射声强度为 ；6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平

12、面波混响级：体积混响的等效平面波混响级：（5）若接收器指向性为 （收发合置则有 ），则对接收器输出端有贡献声强值为 ；6 6.2 .2 体积混响体积混响2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响的等效平面波混响级：（6）散射体分布在整个空间中，单位体积中散射体足够多，则总的散射声强：6 6.2 .2 体积混响体积混响（7）假设每个散射体元有相同贡献，则总散射声强绝对值：（8）根据等效平面波混响级定义，体积混响等效平面波混响级：2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：体积混响

13、的等效平面波混响级：6 6.2 .2 体积混响体积混响对体积混响有贡献的体积是厚度为 的球壳层，则有： 体积混响等效平面波混响级： 2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论积分计算：积分计算：被积函数：被积函数：发射-接收换能器的组合指向性，若将其视为发射-接收组合束宽，则可以用一理想的等效指向性来替代它。6 6.2 .2 体积混响体积混响用理想指向性替代实际组合指向性，则等效平面波混响级为： 设有立体角 ，具有如下指向性：在立体角 内，相对响应为1；在立体角 外，响应为零，即2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论积分计算：积分计算

14、：6 6.2 .2 体积混响体积混响 等效平面波混响级：发射声信号声源级 产生混响体积 散射体到接收器之间的距离 散射强度 2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论6 6.2 .2 体积混响体积混响体积混响等效平面波混响级的理论公式：变化规律变化规律变化规律变化规律：混响声强与入射声强度、发射信号的脉冲宽度、发射-接收换能器的组合指向性束宽等量成正比，与混响时间的平方成反比，与散射体元的散射强度也有关。常识：常识：常识：常识：如何减小混响，即如何抗混响？n 在不影响作用距离的前提下，适当减小发射信号声功率；n 采用尖指向性的收发换能器，以得到窄的组合波束；n 发射

15、信号采用窄脉冲宽度。2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论6 6.2 .2 体积混响体积混响如何提高主动声纳的作用距离？如何提高主动声纳的作用距离？ 2 2 2 2、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论、体积混响理论6 6.2 .2 体积混响体积混响3 3 3 3、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征研究方法：研究方法：研究方法：研究方法： 用测深仪垂直向下发射，测量各个深度层上的散射强度值，分析海底反射信号之前的回波强度随时间的变化关系，研究深水体积混响源及其特征。 研究结果：研究结果：研究结果：研

16、究结果：（1）在海水某个深度上，有较强的回声强度，称该层为深水散深水散射层射层（DSL），层深在180900m，典型深度是400m；（2）深水散射层具有一定厚度，典型厚度为90m；6 6.2 .2 体积混响体积混响3 3 3 3、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征研究结果：研究结果：研究结果：研究结果：（3）深水散射层的深度不是固定不变的，具有昼夜迁移规律，日出日落变化剧烈，深度变化可达几百米；体积混响源是生物性的，是存在于海洋中的海洋生物。（4）深水散射层中散射强度值是变化的，具有频率选择性，在不同深度，层有不同共振频率，反应层具有

17、多层结构；低频选频特性是鱼类或含气鱼鳔所造成。6 6.2 .2 体积混响体积混响3 3 3 3、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征研究结果：研究结果：研究结果：研究结果：（5）深水散射层存在于全地球的海洋中，是全地球海洋声学和生物学上的有规律的特征；（6）深水散射层外散射强度很小，且随深度5dB/300m的平均减小率；（7）深水散射层内散射强度在10kHz以上频率有35dB/倍频程的增长率。刚性小粒子是瑞利四次方散射规律（12dB/倍频程），非生物性泥砂等散射体不是体积混响主要源。6 6.2 .2 体积混响体积混响3 3 3 3、深水

18、体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征、深水体积混响源及其特征研究结果：研究结果：研究结果：研究结果：太平洋两个海区内测得的24kHz的体积散射强度随深度的变化：6 6.2 .2 体积混响体积混响4 4 4 4、舰船尾流、舰船尾流、舰船尾流、舰船尾流6 6.2 .2 体积混响体积混响4 4 4 4、舰船尾流、舰船尾流、舰船尾流、舰船尾流概念：概念：概念：概念： 航行中的舰船螺旋桨所产生的一条含气泡湍流。 特点：特点：特点：特点：n 宽度变化：宽度变化：开始时，其宽度与船宽一样，以后逐渐增宽；n 深度变化：深度变化：开始时，厚度约2倍船吃水深度，后逐渐发生变化；n 持

19、续时间：持续时间：保持时间长，延伸很远。结论结论：尾流可看做一个延伸的大目标，其回声具有混响一些特征。6 6.2 .2 体积混响体积混响4 4 4 4、舰船尾流、舰船尾流、舰船尾流、舰船尾流尾流强度尾流强度尾流强度尾流强度WW： 用来描述尾流声散射作用的参量。定义：定义：定义：定义：单位长度尾流的散射强度，与散射强度相类似一个量；它与舰船类型、航行速度和深度以及频率等量有关。 强度为W尾流上的回声级（适合长脉冲情况）： 产生回声级的尾流长度：入射声等效平面角束宽：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性n n 海面混响形成：海面混响形成：海面混响形成：海面混响形成：海面起伏不

20、平整性、波浪产生小气泡对声波的散射。n 海面混响特性：海面混响特性：海面混响特性：海面混响特性：与水中气泡的声学特性密切相关。6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性1 1 1 1、海面表层内的空气泡、海面表层内的空气泡、海面表层内的空气泡、海面表层内的空气泡 海面气泡层：海面气泡层：海面气泡层：海面气泡层：层厚、气泡浓度及气泡半径取决于水文气象条件。海面气泡大小：海面气泡大小：海面气泡大小：海面气泡大小：分布曲线的稳定性与风浪无关，浓度最大的气泡半径为（11.8）10-2cm。气泡消失过程决定了气泡半径分布曲线的形状。6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特

21、性2 2 2 2、小气泡对声波的吸收作用、小气泡对声波的吸收作用、小气泡对声波的吸收作用、小气泡对声波的吸收作用 海面气泡层中小气泡群对通过声波产生声吸收和声散射作用，产生很大衰减。衰减的原因：衰减的原因：衰减的原因：衰减的原因： n 声散射：声散射：声散射：声散射：气泡的存在使介质出现不连续性； n 再辐射：再辐射：再辐射：再辐射：在入射声波作用下，气泡作受迫振动，作为次级声源向周围介质辐射声能； n 热传导：热传导：热传导：热传导：气泡压缩、膨胀过程与水介质产生热传导作用； n 粘滞性：粘滞性：粘滞性：粘滞性：水介质与气泡的磨擦产生热能。 气泡对声波衰减来自气泡的声散射、声吸收作用，取决于

22、气泡大小、浓度和声波频率等。 6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性3 3 3 3、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率 小气泡类似于谐振腔，在声波的作用下，相当于一个弹性元件，其振动机理类比电路：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性3 3 3 3、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率 小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗：气泡谐振频率： 水中的气泡，取 ，空气的 ，设气泡在水面附近，则 为1标准大气压，则可得谐振频率 ：kHz cm 6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学

23、特性3 3 3 3、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率、小气泡的共振频率 海水中压力 与海水深度d有关，则深度d处的空气泡的共振频率为 ：kHz m cm 6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性4 4 4 4、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 根据机电类比，小气泡的散射功率 就是消耗在电阻 上的功率： 定义散射截面 ，则单个气泡的散射截面：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性4 4 4 4、单个气泡的散射截面、

24、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 根据振动理论，气泡受迫振动时阻尼常数： 散射功率、散射截面与声波频率有关；当 时，气泡处于共振状态，散射功率、散射截面达到最大值：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性4 4 4 4、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 单个气泡的目标强度值： 散射功率、散射截面为：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的

25、声学特性4 4 4 4、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 单个气泡吸收功率、吸收截面为：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性4 4 4 4、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 单个气泡消声作用是由散射作用和吸收作用构成，则消声截面为：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性5 5 5 5、含气泡群水介质中的传

26、播衰减系数、含气泡群水介质中的传播衰减系数、含气泡群水介质中的传播衰减系数、含气泡群水介质中的传播衰减系数 声波在含气泡水中传播衰减系数和传播损失： 设每个气泡消声截面为 ，每 水介质中含有n个气泡，则含气泡水介质中声强传播为：注意：上式忽略气泡间多次散射，仅适用于气泡浓度不大情况注意：上式忽略气泡间多次散射，仅适用于气泡浓度不大情况 。6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性6 6 6 6、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速 n 介质中声速是该介质的一个基本声学参数，反映介质的声学特性，对声波的传播有重大影响。n 当空气溶

27、解于水中，声速不会发生变化；n 当空气不是溶解于水中，而是以小气泡的形式存在于水中。声速将会发生很大变化。6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性6 6 6 6、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速 n 当声波频率远小于气泡共振频率，应用混合液体理论解释含气泡介质的声速变小现象。混合液体的密度和压缩率：6 6.3 .3 海水中气泡的声学特性海水中气泡的声学特性6 6 6 6、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速、含气泡水介质中的声速 含气泡水中的声速气泡含量、声波频率有关；n 当声波频率低于气泡共振

28、频率，气泡的存在使声速明显减小；n 当声波频率远高于共振频率，气泡对声速不产生明显影响；n 声波频率在共振频率附近，随频率变化，声速发生剧烈改变。6 6.4 .4 海面混响海面混响n n 海面混响形成海面混响形成海面混响形成海面混响形成（1）海面风浪作用使海面处于起伏不平的波动状态，海面不平整性对声波散射作用；（2）海面风浪产生大量气泡，在海面形成一定厚度的气泡层，气泡层对声波的散射作用。n 海面混响特性海面混响特性海面混响特性海面混响特性属于界面混响，具有不同于体积混响的机理和特性。6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论 海面

29、对混响有贡献区域：海面对混响有贡献区域：海面对混响有贡献区域：海面对混响有贡献区域： 厚度为H，宽为 球台状圆环，如下图所示。海面混响推导：海面混响推导：海面混响推导：海面混响推导：与体积混响一样，不同是积分体积，散射强度采用界面散射强度 。 6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论 设收发合置换能器位于 点，离海面散射层的距离为h；收发换能器指向性分别为 、 ，声源在散射层上的投影点 到圆环内侧距离为R，声源到圆环内侧的斜距为r。6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论、海面混响

30、理论 类似体积混响的理论处理，对混响有贡献的散射声强：考虑工作在近海面声呐才可能受到海面混响的严重干扰。假设： 6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论 在上述假设条件下，收发换能器垂直指向性不起作用，只有水平指向性才起作用，这样散射面近似在 平面内：6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论 对混响有贡献的散射声强：用一个理想指向性图 替代实际发-收组合的指向性束宽：最终散射声强表达式为：6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海

31、面混响理论、海面混响理论 变化规律：变化规律：变化规律：变化规律：n 层的散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、发-收换能器组合指向性开角；n 层的散射声强度和距离的三次方成反比，也即随时间的三次方衰减。如何抗海面混响？6 6.4 .4 海面混响海面混响1 1 1 1、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论、海面混响理论 海面混响的等效平面波混响级表达式：若散射层内 是均匀的，则 恰好就是界面散射强度 ；则海面混响的等效平面波混响级表达式：体积散射强度和界面散射强度之间的关系：6 6.4 .4 海面混响海面混响2 2 2 2、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度 n

32、 海上测量结果表明：海面散射强度与掠射角、工作频率和海面上风速有关，右图（60kHz）。n 海面散射强度与掠射角、风速的关系大体可分成三个区域。 计算海面混响的RL，必须知道 ，因此，对于海面混响研究实际是对 的研究。 6 6.4 .4 海面混响海面混响2 2 2 2、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度 （1 1 1 1）随风速与掠射角变化随风速与掠射角变化随风速与掠射角变化随风速与掠射角变化n 掠射角小于30o，散射强度几乎不随掠射角而变，但随风速增加而增加。原因原因：气泡散射是主要原因；风浪大，散射层气泡密度变大。n 掠射角在30o70o范围，散射强度值随掠射角增大而迅

33、速增大，而随风速的增长而增大，但随风速变大的速率明显变慢。原因：原因：海表面的反向散射是主要原因。n 掠射角在70o90o范围，尤其是在接近正投射情况下，散射强度值随风速增加反而减小。原因：原因：镜反射是主要原因；风速变大，海面破碎程度严重。结论：结论：结论：结论：在不同掠射角范围内，海面混响产生机理有所不同。 6 6.4 .4 海面混响海面混响2 2 2 2、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度 （2 2 2 2）与频率关系）与频率关系）与频率关系）与频率关系n 小掠射角角度时，具有较强的频率关系，散射强度为3dB/倍频程上升关系；n 接近垂直入射时，此关系不明显。6 6.

34、4 .4 海面混响海面混响2 2 2 2、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度 （3 3 3 3）经验公式）经验公式）经验公式）经验公式 Chapman和Harris等人得到了计算海面反向散射强度的经验公式（风速：030节，频率：0.4kHz6.4kHz）：式中，v为风速，单位节； 为掠射角，单位度；f是频率，单位赫兹。6 6.4 .4 海面混响海面混响2 2 2 2、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度、海面散射强度 （3 3 3 3）经验公式）经验公式）经验公式）经验公式n 利用经验公式计算得到的海面散射强度；n 海面散射强度值介于（-20-60）dB之间，比体积散射

35、强度（-70-100 dB）大很多。6 6.4 .4 海面混响海面混响3 3 3 3、海面散射理论、海面散射理论、海面散射理论、海面散射理论 （1 1 1 1）EchartEchartEchartEchart理论理论理论理论 将海面看作随机不平整表面，混响为海面上次级辐射声源的贡献和，海面散射强度：海面波浪斜率的均方值：6 6.4 .4 海面混响海面混响3 3 3 3、海面散射理论、海面散射理论、海面散射理论、海面散射理论 （2 2 2 2）光栅理论）光栅理论）光栅理论）光栅理论 Marsh等人提出光栅理论：如果将海面作用看作衍射光栅，则海面波高功率谱为： 适用条件：适用条件：适用条件：适用条

36、件：未涉及风速和频率，明显不符合海面散射的实际 物理过程。6 6.4 .4 海面混响海面混响3 3 3 3、海面散射理论、海面散射理论、海面散射理论、海面散射理论 （3 3 3 3）粗糙度描述理论）粗糙度描述理论）粗糙度描述理论）粗糙度描述理论 入射波波长 ，海面不平整的平均高度为h，声波掠射角为 ：注意：注意：注意：注意： 由于海面散射的复杂性及易变性，以上介绍的理论都只由于海面散射的复杂性及易变性，以上介绍的理论都只在一定的范围内才能解释海上实际测量结果。在一定的范围内才能解释海上实际测量结果。6 6.5 .5 海底混响海底混响n n 海底混响形成海底混响形成海底混响形成海底混响形成 海底

37、的起伏不平整特性、海底表面的粗糙度及存在于海底附近的各种散射体对声波的散射作用。n 海底特性海底特性海底特性海底特性 属于界面混响，海底是具有复杂声学特性的界面，是声波的有效反射体，也是声波的有效散射体。6 6.5 .5 海底混响海底混响1 1 1 1、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论 海底散射几何关系如右图。收发合置换能器距离海底高度为H，它们指向性分别为 、 。 根据实际情况， ，所以 ，这使得反向散射过程与换能器垂直指向性基本无关，故 ， 可近似为 ， 。6 6.5 .5 海底混响海底混响1 1 1 1、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论 海底混

38、响的散射声强为： 6 6.5 .5 海底混响海底混响1 1 1 1、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论 用一个理想指向性图 替代发收组合的指向性束宽： 海底散射声强： 变化规律：变化规律：变化规律：变化规律：n 海底散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、收-发组合指向性束宽；n 海底散射声强度和距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。6 6.5 .5 海底混响海底混响1 1 1 1、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论、海底混响理论 海底混响的等效平面波混响级表达式： 海面混响海面混响 体积混响体积混响 6 6.5 .5 海底混响海底混响2 2 2 2、散射声

39、强度随时间衰减、散射声强度随时间衰减、散射声强度随时间衰减、散射声强度随时间衰减 根据等效平面波混响根据等效平面波混响级公式：公式：n 体积混响散射声强度随时间2次方衰减；n 海面混响和海底混响（界面混响）声强度随时间3次方衰减。 混响能量特性（海洋混响的混响能量特性（海洋混响的统计特性）：特性）：n 体积混响的能量随时间的2次方衰减；n 海面混响的能量随时间的3次方衰减；n 海底混响的能量随时间的4次方衰减。6 6.5 .5 海底混响海底混响3 3 3 3、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度 海上实测数据表明，海底散射强度主要受海底底质、掠射角和声波频率等因素影响。 （1

40、 1 1 1）随）随）随）随海底粗糙度、声波频率的变化海底粗糙度、声波频率的变化海底粗糙度、声波频率的变化海底粗糙度、声波频率的变化n 粗糙度不大海底（泥浆底或砂底）：在很宽频率范围内，散射强度随频率以3dB/倍频程增大，即随频率一次方增长；原因：原因：粗糙度小于波长时，散射强度随频率增大。n 粗糙度大海底（岩石、砂和岩石混合海底、贝壳海底）：散射强度基本上与频率基本无关。原因：原因：粗糙度大于波长，海底反向散射与频率无关。 6 6.5 .5 海底混响海底混响3 3 3 3、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度 由实测海底散射强度随频率变化，将海底粗糙度大致分三类：n 类为深

41、海平原：表面粗糙度与入射声波波长相比拟，其散射强度随频率增长，且变化曲线斜率较陡；n 海底山脉：在130kHz频率范围内，散射强度与频率没有明显关系，可用Lambert定律描述； n 介于以上两者之间海底。6 6.5 .5 海底混响海底混响三种类型海底散射强度变化：三种类型海底散射强度变化：三种类型海底散射强度变化：三种类型海底散射强度变化： 6 6.5 .5 海底混响海底混响3 3 3 3、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度 （2 2 2 2）随）随）随）随海底底质的变化海底底质的变化海底底质的变化海底底质的变化 不同海底底质散射强度值随频率、掠射角变化（在24100kH

42、z）：n 岩石、砂质海底的散射强度大于淤泥、泥浆海底的散射强度；n 随着掠射角变大，海底散射强度也变大。6 6.5 .5 海底混响海底混响3 3 3 3、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度、海底散射强度 （3 3 3 3）随）随）随）随声波掠射角的变化声波掠射角的变化声波掠射角的变化声波掠射角的变化n 低频、深海测得的海底散射强度随掠射角变化曲线：n 海底散射强度远大于海面散射强度和体积散射强度。 6 6.5 .5 海底混响海底混响4 4 4 4、关于海底反向散射的理论解释、关于海底反向散射的理论解释、关于海底反向散射的理论解释、关于海底反向散射的理论解释 n 产生海底反向散射的主要原因

43、是海底的起伏不平整性及表层的粗糙度；n 海底对声波的散射作用的本质是将投射到海底的声能量在空间中进行了重新分配；A为反射性能较好的平滑海底，B为产生散射的粗糙海底。 6 6.5 .5 海底混响海底混响4 4 4 4、关于海底反向散射的理论解释、关于海底反向散射的理论解释、关于海底反向散射的理论解释、关于海底反向散射的理论解释 n 强粗糙面上的散射问题可用兰伯特（Lambert）定律描述。 入射声功率被散射至空间各个方向上，每个方向散射声强正比于该方向的正弦：散射强度：反向散射强度：设声能量全部保留在界面上方的半空间，则：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性n 混响是存在海洋中的大量不均匀

44、性对声波的散射所形成的；n 不均性在海洋中的分布是无规的；n 每个不均匀性的散射声波的相位是随机的；n 混响信号的平均强度是随时间衰减的；n 混响是非平稳的随机过程，其均值和方差是随时间变化的。 1 1 1 1、混响的平稳化处理、混响的平稳化处理、混响的平稳化处理、混响的平稳化处理 n 平稳化处理：将非平稳随机过程变为平稳随机过程，使混响信号的均值或方差平稳化；n 动态范围压缩和归一化技术动态范围压缩通常指压缩接收机的输出信号范围，使其适应输入信号的大范围；归一化通常指使接收机输出背景均匀。经典归一化技术：自动增益控制、时间增益控制、对数放大器等。n 通过计算混响的缓慢时变包络作为幅度归一化权

45、系数进行补偿处理，使混响信号的均值平稳化。6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性1 1 1 1、混响的平稳化处理、混响的平稳化处理、混响的平稳化处理、混响的平稳化处理 6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2 2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率 (1) (1) (1) (1) 混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律 设海水中的散射体是离散分布的，第i个散射体产生散射声的时刻为ti、散射声的振幅为ai，发射信号波形为v(t)。

46、 时刻t的混响信号可表示为：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2 2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率 (1) (1) (1) (1) 混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律 假设散射信号波形与入射声信号波形一致，每个散射波的相位在0 内随机取值。 根据中心极限定理，混响瞬时值V满足正态分布正态分布正态分布正态分布规律，概率密度为：n 任何一个散射体散射波对混响的贡献相同；n 对混响有贡献的散射体的数量足够多。n 浅海波导中宽带信号海底混响概率密度函数：（1）瑞利分布

47、：（2）对数正态分布：（3）威布尔分布：（4）K分布：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2 2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率 (1) (1) (1) (1) 混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律混响瞬时值分布规律6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性(2) (2) (2) (2) 混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络） 将混响表示为如下形式：证明：凡是由大量幅度几乎相同，相位在0 内均匀

48、分布的信号叠加后得到的信号，其振幅服从瑞利分布瑞利分布瑞利分布瑞利分布。2 2 2 2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率 混响振幅的概率密度函数为：(2) (2) (2) (2) 混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）对于瑞利分布有：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性混响过程围绕其平均衰减曲线作随机起伏，且起伏率比较大。2 2 2 2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混

49、响的分布函数及平均起伏率 (2) (2) (2) (2) 混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）实测结果表明：实测结果表明：n 单纯体积混响和海面混响符合瑞利分布；n 浅海混响振幅向右偏离瑞利分布，起伏率低于理论值；原因：原因：n 单位体积内散射体数目不够多，则单位时间内到达接收点散射声数目较少，混响瞬时值不能很好遵循正态分布，混响信号振幅分布偏离瑞利分布，起伏率会低于理论值。n 某些个别强散射分量或有规分量参与信号叠加，混响信号振幅遵循广义瑞利分布。6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2

50、2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率 ( ( ( (2 2 2 2) ) ) ) 混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）混响振幅分布规律（混响曲线包络）海面附近低频混响声的概率密度函数：n 瑞利分布n 瑞利混合分布n 泊松瑞利分布n 诶奇沃思分布n 威布尔分布n K分布n 对数正态分布6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2 2、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率、混响的分布函数及平均起伏率 3 3

51、3 3、混响的相关特性、混响的相关特性、混响的相关特性、混响的相关特性 (1) (1) (1) (1) 实测结果实测结果实测结果实测结果n 海底混响垂直方向具有强相干性；n 体积混响垂直方向具有弱相干性。 (2) (2) (2) (2) 空间相关性空间相关性空间相关性空间相关性 球壳内散射体是各自独立的，假设接收系统为窄带接收，则两个水听器接收到散射波声压为：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性3 3 3 3、混响的相关特性、混响的相关特性、混响的相关特性、混响的相关特性 (2) (2) (2) (2) 空间相关性空间相关性空间相关性空间相关性当散射体到水听器的距离r远大于水听器间距l时

52、，则有：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2 2、混响相关性、混响相关性、混响相关性、混响相关性 (2) (2) (2) (2) 空间相关性空间相关性空间相关性空间相关性 V1和V2之间的相关函数K为：相关系数R：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性2 2 2 2、混响相关性、混响相关性、混响相关性、混响相关性 (2) (2) (2) (2) 空间相关性空间相关性空间相关性空间相关性 所有散射元作用的相关系数R：6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性 如果水听器水平指向性开角为 ，并且 ，则：2 2 2 2、混响相关性、混响相关性、混响相关性、混响相关性 (2) (2

53、) (2) (2) 空间相关性空间相关性空间相关性空间相关性 6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性n 混响空间相关系数随间距l振荡衰减形式；n 混响空间相关系数与频率有关。3 3 3 3、频率分布、频率分布、频率分布、频率分布 混响频谱展宽：混响频谱展宽：正弦填充脉冲声呐的混响在频率上与发射频率不完全相合，在频率两侧都有频移，散开成一频带。产生的原因：产生的原因：n 舰艇运动和散射体运动的多普勒效应引起的，有“有正频率”和“负频率”；n 发射脉冲本身有一定的频宽；发射脉冲宽度为 时，其频宽近似为 。 6 6.6 .6 混响统计特性混响统计特性1 1 1 1、混响预报要点、混响预报要点、混

54、响预报要点、混响预报要点 （1）确定设备性能及其环境参数；（2）确定主要混响干扰类型；（3）计算等效平面波混响级；（4）短程混响预报；（5）远程混响预报；（6）关于混响的基本假定是否满足；（7）必要时计入海水介质的声吸收。6 6.7 .7 混响预报混响预报2 2 2 2、目标探测的信混比、目标探测的信混比、目标探测的信混比、目标探测的信混比 信混比：混响对接收信干扰程度的一种相对度量。6 6.7 .7 混响预报混响预报被探测目标的回声信号级和信混比：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报 设声纳工作频率为55kHz，声源级为1

55、20dB，发射脉冲宽度10ms，收发合置换能器为0.3m长的水平线阵，置于淤泥海底上方30m处，求声呐与沉底目标水平距离为180m时的海底等效平面波混响级。2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报解：解：（1）混响为海底混响，等效平面波混响级为：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（2）斜距和声波在的海底掠射角：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（3）海底散射强度：2 2 2 2、混响预报

56、实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（4）等效波束宽度：（5）对混响有贡献的海底散射面积：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（6）等效平面波混响级：（7）若被探测目标为半径1米的沉底刚性球，则目标强度为：接收阵输出端信号的信混比为：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（8）为了提高信混比，需降低对混响有贡献的海底散射面积，所以需将换能器的方向性开角做得更加尖锐，声脉冲宽度也可适当变窄。2 2 2 2、混响预报

57、实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报 设在等声速水层中有一收发合置声呐系统，声源级为150 dB，工作频率50kHz，脉冲宽度为1.0ms，等效立体角束宽为0.2弧度；体积散射强度为-35dB，介质吸收系数 dB/km（f单位为kHz，声波为球面扩展）。求：（1）距离500 m处的体积混响级；（2）若系统信混比为3dB时能发现目标，则系统能否发现位于500 m处的半径为2m的刚性球；（3）若系统不能发现，则系统应采取什么措施，使系统在混响背景上检测到刚球的回波信号。2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7

58、.7 混响预报混响预报解：解：（1）传播损失：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（2）海洋体积的等效平面波混响级：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（3）目标散射强度：回声信号级：2 2 2 2、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例、混响预报实例 6 6.7 .7 混响预报混响预报（4）接收信混比：n 因为ERDT，所以系统不能发现位于500m处半径2米钢球目标。n 为了能检测目标，需减小脉冲宽度和等效束宽。作业作业1.根据混响场特性不同，混响分为

59、哪几类？它们各自产生混响源是什么？2.什么是散射强度？什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。3.若海水的体积散射强度与空间位置无关为 ，声呐的发射、接收指向性函数分别为 和 ；发射声源级SL；信号脉冲宽度 。（1）简述计算海洋混响的最简单模型；（2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响等效平面波混响级 的表达式。 作业作业1.请简述海面散射强度随掠射角、工作频率和海面风速的变化规律？2.用主动声呐探测放置在海底，半径为0.5米的刚性球；收发合置换能器距该球200米，收发合置换能器等效束宽为0.1弧度；查表知该处海底的散射强度为-20分贝；若信号脉冲宽度=5毫秒，求：接收信号的信混比。（海

60、水中声速c=1500m/s；声波球面扩展，不计海水声吸收）作业作业1. 写出（1）目标回声信号级表达式；（2）海底混响的等效平面波混响级表达式。又已知：海底有一刚性球，半径1m；收-发合置换能器，其指向性等效束宽 弧度；收-发合置换能器距海底目标斜距400m；信号脉冲宽度；海底散射强度-25dB；（3）试求：接收信号的信混比。（4）为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：1500m/s；声波球面波扩展；不计海水声吸收）2.为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：1500m/s；声波球面波扩展；不计海水声吸收） 3.混响的瞬时值和振幅各服从什么分布规律？混响的空间相关特性？