1、第六章第六章 声波在目标上的反声波在目标上的反射和散射射和散射第十五讲第十五讲 目标强度目标强度及常见声纳目标的目及常见声纳目标的目标强度的一般特征标强度的一般特征1n邻近海面的水下点源声场邻近海面的水下点源声场q声压振幅随距离的变化特征（声压振幅随距离的变化特征（近场近场/远场远场）q传播损失传播损失n表面声道表面声道q表面声道特征表面声道特征q反转深度、临界声线、跨度的概念反转深度、临界声线、跨度的概念q传播损失（传播损失（近距离近距离/远距离远距离）n深海声道深海声道q深海声道特征深海声道特征第五章知识要点第五章知识要点2q声影区的概念声影区的概念q传播损失（传播损失（近距离近距离/远距
2、离远距离）n深海负梯度深海负梯度q声线的特点与极限声线声线的特点与极限声线q几何作用距离的概念几何作用距离的概念n深海负跃层深海负跃层q概念概念q对声传播的影响对声传播的影响n均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失与距离的关系（传播损失与距离的关系（近近/中等中等/远距离远距离）q虚源表示的基本思想虚源表示的基本思想3n目标强度目标强度q目标强度概念目标强度概念q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度n常见声纳目标的目标强度的一般特征常见声纳目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度q鱼雷和水雷的目标强度鱼雷和水雷的目标强度q鱼的目标强度鱼的目标强度本讲主要内容本讲主要内容4n目标强度目
3、标强度q目标强度概念目标强度概念n水下目标水下目标1 1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷军事目标：潜艇、鱼雷、水雷 2 2）民用目标：鱼群民用目标：鱼群3 3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等 n研究声纳目标回波特性研究声纳目标回波特性的的意义意义A A）主动声纳目标检测和识别的依据主动声纳目标检测和识别的依据B B）对声纳设备的设计和应用有重要意义对声纳设备的设计和应用有重要意义 5n目标强度目标强度q目标强度概念目标强度概念n定义：目标强度定义：目标强度TSTS定量描述目标声反射本领的大定量描述目标声反射本领的大小，其定义为小，其定义为 式中
4、，式中，为入射声波强度；为入射声波强度；为离为离目标声中心目标声中心1米处的回声强度。米处的回声强度。1rirIIlg10TSiIrI6n目标强度目标强度q目标强度概念目标强度概念n目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或外部，回声由该点发出。外部，回声由该点发出。n收发分置（收发分置（bistaticbistatic）：回声强度是入射方向和）：回声强度是入射方向和回声方向的函数。回声方向的函数。n收发合置（收发合置（monostaticmonostatic）：回声强度仅是入射方）：回声强度仅是入射方向的函数，向的函数，即为即为反向反射或反向散射。反
5、向反射或反向散射。提示提示：多数声纳为收发合置型的，本章主要讨论反：多数声纳为收发合置型的，本章主要讨论反向反射情况下的目标回声问题。向反射情况下的目标回声问题。问题问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？为什么？为什么？7n目标强度目标强度q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度n大球：大球：ka1ka1，k k为波数为波数n刚性：声能不会透入球体内部刚性：声能不会透入球体内部n反射声线：局部平面镜反射定律反射声线：局部平面镜反射定律n理想反射体：声能无损失地被球面所反射理想反射体：声能无损失地被球面所反射 到到 范围内的入射声功率：范围内的入射声功
6、率：iiidscosIdW iid iii2dsina2ds 8n目标强度目标强度q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度 从从 到到 入射的声波被限制入射的声波被限制在在 到到 的范的范围内。围内。散射声功率：散射声功率：ii2rrd22sinr2IdWiid i129n目标强度目标强度q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度 根据入射声功率等于散射声功率有：根据入射声功率等于散射声功率有：求得求得 刚性大球的目标强度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。提示提示：尤立克：尤立克水声原理水声原理应用能量守恒进行推导应用能量守恒进
7、行推导 ridWdW 22irr4aII4alg10IIlg10TS21rir10n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度 问题问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？：潜艇不同方位的目标强度是否一样？正横方向正横方向艇艇首首11n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度和测量距离等因素有关。和测量距离等因素有关。n测试艇：柴油动力潜艇测试艇：柴油动力潜艇n时间：二战前后。时间：二战前后。n正横方向：正
8、横方向：121240dB40dB，平均值平均值25dB 25dB 18艘潜艇正横方艘潜艇正横方向目标强度直方图向目标强度直方图12n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n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潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形蝴蝶形”图图形。形。潜艇目标潜艇目标强度随方强度随方位的变化位的变化 13n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随方位的变化随方位的变化1 1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最
9、大，达25dB25dB，系由艇壳的系由艇壳的镜反射镜反射引起；引起；2 2）在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约101015dB15dB，系由艇壳和尾流的系由艇壳和尾流的遮蔽效应遮蔽效应引起；引起；3 3）在艇首和艇尾在艇首和艇尾2020度附近，比相邻区域高出度附近，比相邻区域高出1 13dB3dB，可能是由潜艇的舱室结构的可能是由潜艇的舱室结构的内反射内反射产生；产生；4 4）在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及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附属物产生散射散射的多种叠加。的多种叠加。14n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标
10、的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随测量距离的变化随测量距离的变化 近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远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，其原因是：距离处的目标强度测量值，其原因是：1 1）当使用当使用指向性指向性声纳在近处进行目标强度测量时，声纳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；由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部；2 2）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减衰减规律规律不同于点源声场。不同于点源声场。问题问题：如何解如何解释释？15n常见声纳常见声纳目标的目
11、标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随测量距离的变化随测量距离的变化 以长为以长为L L的柱体的柱体目标强度测量为例：目标强度测量为例：近距离处近距离处：远距离处远距离处：过渡距离过渡距离：解得：解得：1/rAI 22/rBI 200/rBrA0ArB iIArTS/lg1011iIArTS/lg100216n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随测量距离的变化随测量距离的变化1）在近场（）在近场（距离小于距离小于 ），回声强度随距离的衰），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即减服从柱面波规律，即
12、 。2）在远场（）在远场（距离大于距离大于 ），回声强度随距离的衰），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即减服从球面波规律，即 。3）若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面）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距目标声中心波规律归算到距目标声中心1m处，则结果必然处，则结果必然是是远距离远距离测量值测量值大于大于近距离近距离测量值。测量值。提示提示：为了要得到稳定的测量结果，测量应在远为了要得到稳定的测量结果，测量应在远场进行，即测量距离场进行，即测量距离 。0rr10r2r1Lr217n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的
13、目标强度n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设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上，若物体表面上A A点和点和B B点点所产生的回声在脉冲宽度所产生的回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：内被同时接收到，则有：2cBD2csinABcL/sin218n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化1 1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面积相应增大；积相应增大；2 2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小
14、逐渐变大，直到脉冲长度变为渐变大，直到脉冲长度变为 后，目标后，目标强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。提示提示：TSTS随脉冲宽度的变化关系决定了随脉冲宽度的变化关系决定了TSTS测量时的测量时的最小脉冲宽度；最小脉冲宽度；在正横方向上目标强度随脉冲长在正横方向上目标强度随脉冲长度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波方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，并且几何镜反射是形成回声的向上的长度很小，并且几何镜反射是形成回声的主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标强主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标强度时，该效应也不显著（度时，该
15、效应也不显著（脉宽减小效应脉宽减小效应）。）。csinL20 19n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随频率的变化随频率的变化 二战期间，人们曾用二战期间，人们曾用1212、2424和和6060千赫的频率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（值的不确定性（离散性离散性）所掩盖。）所掩盖。提示提示：潜
16、艇目标的结构和几何形状十分复杂，产潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产生回声的机理是多种多样的。生回声的机理是多种多样的。n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，而是深度变化引起声传播身，而是深度变化引起声传播规律的规律的变化。变化。提示提示：深度对潜艇尾流回声有影响。深度对潜艇尾流回声有影响。20n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度21n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度n形状：带平头或圆头
17、的圆柱体形状：带平头或圆头的圆柱体n尺度：长度尺度：长度1 1米至数米，直径米至数米，直径0.30.3米至米至1 1米米n两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上两者不同：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。安装有翼及凹凸不平处。n目标强度的特点目标强度的特点1 1）正横方位或头部目标强度值较大正横方位或头部目标强度值较大强镜反射强镜反射2 2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。22n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度n正横方位上正横方位上圆柱形物体圆柱形物
18、体的目标强度：的目标强度：式中，式中，a a为圆柱半径，为圆柱半径，L L为圆柱长，为圆柱长，是声波波长是声波波长 举例举例：若：若 ，可得目标，可得目标强度值强度值 。该值与水雷正横方向上的测量值。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。基本相符。提示提示：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。2aLlg10TS2m0.2a m1.5L m0.03 dB9TS 23n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼目标强度鱼目标强度n鱼是探鱼声纳的目标
19、鱼是探鱼声纳的目标 n单个鱼体的研究单个鱼体的研究 英国英国CushingCushing（19631963年）等人的研究结果年）等人的研究结果:1 1）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼，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。安装薄膜塑料人工鱼鳔。2 2）实验条件：声波频率实验条件：声波频率30kHz30kHz，声束由上向下垂直声束由上向下垂直照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。24n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼目标强度鱼目标强度n单个鱼体的研究单个鱼体的研究 3 3）测量结果：鱼体长与
20、目标测量结果：鱼体长与目标强度的关系强度的关系如右图。如右图。图中直图中直线为线为TSTS值与值与10lgV10lgV之间的关系，之间的关系，V V是鱼的体积。是鱼的体积。n鱼群的研究鱼群的研究 视鱼群为一个整体，如果鱼群由视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较条相距较大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中其中TS是单个鱼体目标强度值。是单个鱼体目标强度值。25n目标强度目标强度TSTS是如何定义的？其物理意义是如何定义的？其物理意义为何？目标强度值可以大于零，这是为为何？目标强度值可以大于零，这是为什么？什么？n在高频远场条件下，简单地用能量守恒在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为关系推出半径为a a的刚性球目标强度的刚性球目标强度TSTS值值的的表达式。表达式。26
