声波在目标上的反射和散射

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1、声声波波在在目目标标上上的的反反射射和和散散射射vv水下目标含义水下目标含义水下目标含义水下目标含义u军事目标：舰船、潜艇、鱼雷、水雷 u民用目标：鱼群u礁石等u无限延展非均匀体：深水散射层、海面、海底等 反射体、散射体反射体、散射体回波信号回波信号有规信号有规信号散射体散射体回波信号回波信号统计信号（混响）统计信号（混响）vv研究声呐目标回波特性意义研究声呐目标回波特性意义研究声呐目标回波特性意义研究声呐目标回波特性意义u主动声呐目标检测和识别的依据u对声呐设备的设计和应用有重要意义 vv本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容 u目标强度参数定义 u常见声呐目标的目标强度值

2、和特性 u刚性和弹性球体散射场特性 u目标回波 u壳体目标的回波信号 u求解散射声场的理论方法vv目标强度目标强度目标强度目标强度TSTS： 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小。vv定义：定义：定义：定义： 式中， 为入射波强度； 为离目标声中心1米处的回声强度。5.1 目标强度目标强度 目目目目标标标标Q QC CP PIr1mv目标的声学中心：假想的点，可位于目标的外部或内部，回声由该点发出。 v收发分置：回声强度是入射波方向和回波方向的函数。v收发合置：回声强度仅是入射波方向的函数，反向反射或反向散射。 多数声呐为收发合置型的，因此本章主要讨论反向散射情况目标回声问题。 通常情况下，

3、水下目标的目标强度TS为正值，为什么不能说回声强度高于入射声强度？ 5.1 目标强度目标强度 5.1 目标强度目标强度 vv刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度刚性不动球体：半径a，ka1，k为波数 。反射声线：局部平面镜反射定律。 球体刚性：声能不会透入球体内部。理想反射体：声能无损失被反射。 散射声功率： 局部范围入射声功率：a5.1 目标强度目标强度 入射声功率等于散射声功率：尤立克水声原理从总体角度上进行推导。 求得：刚性大球的目标强度： 结论：结论：TSTS值与声波频率无关，只与球半径有关。值与声波频率无关，只与球半径有关。v军事需要：探潜、反潜、

4、水声对抗v研究声纳目标（潜艇、鱼雷、水雷等）目标强度备受各海军强国重视；v军事保密原因，公开发表的文献资料较少，且年代久远；v我们仅对声纳目标目标强度作一般性讨论。5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度v潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度和距离有关。v测试艇：柴油动力潜艇v时间：二次大战前后。v正横方向：1240dB，平均值25dB 18 18艘潜艇正艘潜艇正艘潜艇正艘潜艇正横方向目标强横方向目标强横方向目标强横方向目标强度直方图度直方图度直方图度直方图 5

5、.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随方位的变化随方位的变化随方位的变化随方位的变化 潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。 测试频率：24kHz A为战前、40次平均 B为战后、5次平均潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度随方位的变化随方位的变化随方位的变化随方位的变化 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随方位的变化随方位的变化随方位的变化随方位的变化v特点（A曲线） 在艇的舷侧正横方向上， 目标强度值最大，达25dB

6、， 系由艇壳的镜反射引起； 在艇首和艇尾方向，目标 强度最小，约1015dB， 系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起； 在艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出13dB，可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生； 在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及附属物产生散射的多种叠加。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随距离的变化随距离的变化随距离的变化随距离的变化 近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远距离处的目标强度测量值： 当使用指向性声呐在近处进行目标强度测量时，由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部，仅有部分表面对回声

7、有贡献； 某些几何形状比较复杂物体的回声随距离衰减的规律不同于点源声场。 在圆柱体正横在圆柱体正横在圆柱体正横在圆柱体正横方向上目标强方向上目标强方向上目标强方向上目标强度与距离的关度与距离的关度与距离的关度与距离的关系系系系 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随距离的变化随距离的变化随距离的变化随距离的变化 在近场（距离小于 ），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即 。 在远场（距离大于 ），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即 。 若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面波规律归算到目标声中心1m处。 为了

8、要得到稳定的测量结果，应在远场进行测量，即测量距离 。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化 设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上A点和B点所产生回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有： 随着脉冲长度的增加，对回声有贡献物体表面积相应增大； 脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大，直到脉冲长度变为 后，目标强度值就不再随脉冲长度而变化。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度v

9、v随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化 在正横方向上目标强度随脉冲在正横方向上目标强度随脉冲在正横方向上目标强度随脉冲在正横方向上目标强度随脉冲长度变化的现象不明显。因为这时长度变化的现象不明显。因为这时长度变化的现象不明显。因为这时长度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波方向上的长度很小，目标在入射波方向上的长度很小，目标在入射波方向上的长度很小，目标在入射波方向上的长度很小，并且几何镜反射是形成回声的主要并且几何镜反射是形成回声的主要并且几何镜反射是形成回声的主要并且几何镜反射是形成回声的主要过程。在测量目标上的单个亮点处过程。在测量目标上的单个亮点处过程。在

10、测量目标上的单个亮点处过程。在测量目标上的单个亮点处目标强度峰时，该效应也不显著目标强度峰时，该效应也不显著目标强度峰时，该效应也不显著目标强度峰时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。（脉宽减小效应）。（脉宽减小效应）。（脉宽减小效应）。5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随频率的变化随频率的变化随频率的变化随频率的变化 二次大战期间，曾用12、24和60千赫的频率进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强度的频率响应，但测量结果表明：潜艇目标强度不存在明显的频率效应，如果有的话，也被实测值的不确定性（离散性）所掩盖。

11、 潜艇目标的结构和几潜艇目标的结构和几潜艇目标的结构和几潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产生何形状十分复杂，产生何形状十分复杂，产生何形状十分复杂，产生回声的机理是多种多样回声的机理是多种多样回声的机理是多种多样回声的机理是多种多样的。的。的。的。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度潜艇目标强度vv随深度的变化随深度的变化随深度的变化随深度的变化 深度对目标强度值影响，不是影响了潜艇本身，而是深度变化会引起声传播变化。 深度对潜艇尾深度对潜艇尾深度对潜艇尾深度对潜艇尾流回声有影响。流回声有影响。流回声有影响。流回声有影响。 vv

12、鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度v形状：带平头或圆头的圆柱体v尺度：长度1米至数米，直径米至1米v两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上安装有翼及凹凸不平处。v目标强度的特点： 正横方位或头部目标强度值较大强镜反射； 尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度v正横方位上圆柱形物体的目标强度： 式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， 是声波波长。 若 ， ， ，可得

13、 。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。 鱼雷和水雷的目标强度随方鱼雷和水雷的目标强度随方鱼雷和水雷的目标强度随方鱼雷和水雷的目标强度随方位、频率、脉冲宽度和测量距离位、频率、脉冲宽度和测量距离位、频率、脉冲宽度和测量距离位、频率、脉冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。变化，大体与潜艇的相类似。变化，大体与潜艇的相类似。变化，大体与潜艇的相类似。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv鱼目标强度（自学）鱼目标强度（自学）鱼目标强度（自学）鱼目标强度（自学）v鱼是探鱼声呐的目标。 vv单个鱼体的研究单个鱼体的研究单个鱼体的研究单个鱼体的研究 介绍英国Cushing

14、（1963年）等人研究结果 : 测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼，安装薄膜塑料人工鱼鳔。 实验条件：声波频率30kHz，声束由上向下垂直照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。 5.2 常见声呐常见声呐目标目标强度特征目标目标强度特征 vv鱼目标强度（自学）鱼目标强度（自学）鱼目标强度（自学）鱼目标强度（自学）vv单个鱼体的研究单个鱼体的研究单个鱼体的研究单个鱼体的研究 测量结果：鱼体长与目标强度的关系，图中直线为TS值与10lgV之间的关系，V是鱼的体积。 vv鱼群的研究鱼群的研究鱼群的研究鱼群的研究 视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较大鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，

15、其中TS是单个鱼体目标强度值。 vv目标强度测量原理目标强度测量原理目标强度测量原理目标强度测量原理目标目标目标目标A AB B5.3 目标强度的实验测量目标强度的实验测量指向性声源A：向待测目标辐射声波接收水听器B：接收待测目标回波 计算入射声强度和回声强度计算目标强度TS值合理选择发射信号脉冲宽度合理选择发射声源和接收水听器位置5.3 目标强度的实验测量目标强度的实验测量vv比较法比较法比较法比较法vv测量原理测量原理测量原理测量原理 将已知目标强度目标作为参考目标； 在相同的测量条件下分别测量参考目标和待测目标的回声级，比较它们的回声级。参考参考参考参考目标目标目标目标A AB B待测待

16、测待测待测目标目标目标目标A AB Bvv目标强度计算目标强度计算目标强度计算目标强度计算 参考目标的目标强度值为TS0 待测目标的目标强度值： 目标强度的实验测量目标强度的实验测量Ir为待测目标回声强度I0为参考目标回声强度vv优缺点优缺点优缺点优缺点 优点：优点：优点：优点： 操作和计算简单，是比较实用的方法。 缺点：缺点：缺点：缺点： 需要一个目标强度已知的参考目标； 对于大目标（例如潜艇）很难保证前后两次测量条件相同。 目标强度的实验测量目标强度的实验测量vv直接法直接法直接法直接法vv测量原理测量原理测量原理测量原理 A为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待

17、测目标；B为被测目标；距离r应满足远场条件。 目标强度的实验测量目标强度的实验测量vv目标强度计算目标强度计算目标强度计算目标强度计算 水听器处的回声级EL： EL=SL-2TL+TS 回声级定义：I0为参考声强 目标强度的实验测量目标强度的实验测量 待测目标强度值TS： TS=EL+2TL-SLvv优缺点优缺点优缺点优缺点 优点：优点：优点：优点： 操作比较简单，不需特殊的仪器设备。 缺点：缺点：缺点：缺点： 需要精确地知道或测量传播损失值。 目标强度的实验测量目标强度的实验测量 目标强度的实验测量目标强度的实验测量vv应答器法应答器法应答器法应答器法v1952年，Urick和Pieper提

18、出的不需确定传播损失的测量方法。 vv测量原理测量原理测量原理测量原理 待测目标上安装水听器和应答器各一个，应答器接收声源辐射声脉冲后也辐射声脉冲，水听器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它们的声级差为B分贝。 在水面船上安装发射器和水听器，水听器接收目标回声和应答器所辐射的脉冲声信号，设它们的声级差为A分贝。 目标强度的实验测量目标强度的实验测量vv目标强度计算目标强度计算目标强度计算目标强度计算 待测目标强度值：TS=B-A vv优点优点优点优点 不需要确定传播损失；不需要对声源、应答器和两个水听器作绝对校正。 目标强度的实验测量目标强度的实验测量 目标强度的实验测量目标强度的实验测量

19、vv实验室测量实验室测量实验室测量实验室测量vv测量方法：测量方法：测量方法：测量方法：比较法和直接法。 vv注意事项注意事项注意事项注意事项声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离应满足远场条件。测试条件应满足自由场条件。 消声水池：满足自由场条件； 非消声水池：根据水池尺寸，合理选择脉冲宽度，调整声源、目标和水听器三者之间位置，使反射信号和回波信号在接收时间上分开。 合理选择发射信号脉冲宽度 选取依据：测试环境满足自由场条件；测量结果要达到稳态。一般，声呐目标的目标强度值是根据实验测量得到的，结果具有较大的离散性，从统计的意义上给出了上述的规律性结果。目标目标方位角方位角TS TS 分

20、贝分贝潜艇潜艇正横艇首尾正横与首尾之间+25+10+15水面舰艇水面舰艇正横非正横+25（高值不确定）+15（高值不确定）水雷水雷正横非正横+10+10-25鱼雷鱼雷头-20长度为长度为L L的鱼的鱼背向-54+19lgL 常见常见声波声波目标的目标强度目标的目标强度vv简单几何形状物体目标强度（自学）简单几何形状物体目标强度（自学）简单几何形状物体目标强度（自学）简单几何形状物体目标强度（自学）从理论上（雷达技术）可以推得一些简单几何形状物体目标强度值的理论计算公式；掌握球体、柱体和椭球体目标强度公式；声呐目标不满足刚性、不动理想条件，表中所列公式仅是近似值。 常见常见声波声波目标的目标强度

21、目标的目标强度1 1、什么是目标强度？请写出刚性球体、什么是目标强度？请写出刚性球体（ka1ka1）目标强度的表达式。）目标强度的表达式。2 2、潜艇目标散射强度随方位变化有哪些、潜艇目标散射强度随方位变化有哪些特点？请分析影响潜艇的目标强度值特点？请分析影响潜艇的目标强度值的因素有哪些？的因素有哪些？3 3、测量柱形目标的、测量柱形目标的TSTS值时，发现值时，发现TSTS值随值随测量距离而变，说明这种变化关系及测量距离而变，说明这种变化关系及其原因。其原因。4 4、在高频远场条件下，简单地用能量守、在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为恒关系推出半径为a a的刚性球目标强度的刚性球目标强度TSTS值表达式。值表达式。 作业作业THE END