第6章-海洋中的混响

第6章海洋中的混响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声海洋环境噪声、舰船自噪声混响混响产生：是由海洋中大量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过程。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。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：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。6.1海洋混响基本概念6.1海洋混响基本概念1、混响的分类（1）海洋中散射体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，形成介质物理特性的不连续性。（2）混响声信号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。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。混响信号紧跟在发射信号之后，它像一阵长的、随时间缓慢衰减的颤动声响。6.1海洋混响基本概念1、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1~2kHz。6.1海洋混响基本概念1、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）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）海面混响海面的不平整性和波浪形成的海面气泡层对声波散射所形成的混响。（3）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。6.1海洋混响基本概念2、散射强度——表征散射体（面）声散射本领的一个基本物理量。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。issvIISlg10式中，Is是在远场测量后再归算到单位距离处。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效平面波混响级或混响预报。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。6.1海洋混响基本概念3、等效平面波混响级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；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：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：10lgrefIRLI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。6.1海洋混响基本概念4、混响研究的基本假定声线直线传播，计及球面衰减和海水吸收；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；散射体数量极多，单位体积元和面元含有大量散射体；只考虑散射体的一次散射，不考虑散射体间的多次散射；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。6.2体积混响1、对混响有贡献的区域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有先有后。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。6.2体积混响1、对混响有贡献的区域以体积混响为例：考虑收发合置情况，位于O点，发射脉冲宽度为；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；发射脉冲结束后的时刻，该扰动球的内外半径为：c2/t2/1ctrcctr2/2OCBAc2cr1r0r26.2体积混响1、对混响有贡献的区域解释：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。2/t2/t22/t2/t注意：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；上述推导也适用于海面和海底混响，圆环替代球壳。6.2体积混响2、体积混响理论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。,b6.2体积混响2、体积混响理论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；),(),(0bI6.2体积混响2、体积混响理论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dV处的入射声强度为；),(20/),(rbI6.2体积混响2、体积混响理论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；dVSrbIV20/),(incscatVIIS/6.2体积混响2、体积混响理论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；40/),(rdVSbIV6.2体积混响2、体积混响理论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；),(bbb40/),(),(rdVSbbIV6.2体积混响2、体积混响理论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：VVsdVbbrSII),(),(40VVrefdVbbrSIIRL),(),(1lg10406.2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：VVsdVbbrSII),(),(1402、体积混响理论体积混响的等效平面波混响级：dbbrcSIIRLVref2012lg106.2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：2/c22cdVrd体积混响等效平面波混响级：2、体积混响理论积分计算：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。6.2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04011ddbb2402lg10rrcSIIRLVref2、体积混响理论积分计算：6.2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2/ctr散射强度2、体积混响理论2402lg101lg10lg10lg10rcrSIIRLVref22lg10lg40rcrSSLRLV6.2体积混响体积混响等效平面波混响级的理论公式：2lg102lg20cctSSLRLV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：如何减小混响，即如何抗混响？在不影响作用距离的前提下，适当减小发射信号声功率；采用尖指向性的收发换能器，以得到窄的组合波束；发射信号采用窄脉冲宽度。2、体积混响理论6.2体积混响如何提高主动声纳的作用距离？2、体积混响理论6.2体积混响3、深水体积混响源及其特征研究方法：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：（1）在海水某个深度上，有较强的回声强度，称该层为深水散射层（DSL），层深在180~900m，典型深度是400m；（2）深水散射层具有一定厚度，典型厚度为90m；6.2体积混响3、深水体积混响源及其特征研究结果：（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，反应层具有多层结构；——低频选频特性是鱼类或含气鱼鳔所造成。6.2体积混响3、深水体积混响源及其特征研究结果：（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3~5dB/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。6.2体积混响3、深水体积混响源及其特征研究结果：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：6.2体积混响4、舰船尾流6.2体积混响4、舰船尾流概念：航行中的舰船螺旋桨所产生的一条含气泡湍流。特点：宽度变化：开始时，其宽度与船宽一样，以后逐渐增宽；深度变化：开始时，厚度约2倍船吃水深度，后逐渐发生变化；持续时间：保持时间长，延伸很远。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。LWrSLELlg10lg406.2体积混响4、舰船尾流尾流强度W：用来描述尾流声散射作用的参量。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）：rL产生回声级的尾流长度：入射声等效平面角束宽：6.3海水中气泡的声学特性海面混响形成：海面起伏不平整性、波浪产生小气泡对声波的散射。海面混响特性：与水中气泡的声学特性密切相关。6.3海水中气泡的声学特性1、海面表层内的空气泡海面气泡层：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：分布曲线的稳定性与风浪无关，浓度最大的气泡半径为（1~1.8）×10-2cm。——气泡消失过程决定了气泡半径分布曲线的形状。6.3海水中气泡的声学特性2、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：声散射：气泡的存在使介质出现不连续性；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；热传导：气泡压缩、膨胀过程与水介质产生热传导作用；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，取决于气泡大小、浓度和声波频率等。6.3海水中气泡的声学特性3、小气泡的共振频率0200/VSPD等效弹性系数20)(kacSRs辐射声阻kacSms0共振质量00SPF总压力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：6.3海水中气泡的声学特性3、小气泡的共振频率小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗：kaaPikacSZm220031气泡谐振频率：00321Paf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：3/1cmg41.10Paf/33.00kHzcm6.3海水中气泡的声学特性3、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：0PkHzmdaf1.0133.0