声波在目标上的反射和散射

第5章声波在目标上的反射和散射水下目标含义：（1）军事目标：舰船、潜艇、鱼雷、水雷等；（2）礁石等；反射体、散射体→回波信号→有规信号；（3）无限延展非均匀体：深水散射层、海面、海底等。散射体→回波信号→无规信号→统计信号(混响)。研究声呐目标回波特性意义（1）主动声呐的目标检测和识别的依据；（2）对声呐设备的设计和应用有重要意义。水声学第5章声波在目标上的反射和散射2主要内容声呐目标强度TS；常见声呐目标TS值的特性；目标强度实验测量；目标回声信号；刚性和弹性球体的散射场特性；壳体目标的回波信号；散射声场理论计算方法。水声学第5章声波在目标上的反射和散射31、目标强度TS目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，从回声强度角度描述目标的声学特性。定义：式中，为入射波强度；为离目标等效声中心1米处的回声强度。iIrIrir=1ITS=10lgI水声学第5章声波在目标上的反射和散射45.1声呐目标的目标强度（1）测量距离在远场进行测量Ir，并按球面波衰减规律将测量值换算至目标等效声中心1m处。（2）目标等效声中心假想的点，可位于目标的外部或内部；射线声学观点认为回声是由该点发出。目标QCPIr1m水声学第5章声波在目标上的反射和散射55.1声呐目标的目标强度（3）回声强度回声强度Ir是入射波方向和回波方向的函数。在收发合置情况，回声强度仅是入射波方向的函数，称之为“反向反射”或“反向散射”。（4）参考距离参考距离通常取1m。多数声呐为收发合置型的，因此主要讨论反向散射情况目标回声问题。通常情况下，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？水声学第5章声波在目标上的反射和散射65.1声呐目标的目标强度2、刚性大球的目标强度①刚性不动球体：半径a，ka1，k为波数；②反射声线：局部平面镜反射定律；③球体刚性：声能不会透入球体内部；④理想反射体：声能无损失被反射。ii2iiidθsinθπa2dsdscosθIdWii2rrdθ2θ2sinπr2IdW散射声功率：局部范围入射声功率：aiIiid水声学第5章声波在目标上的反射和散射75.1声呐目标的目标强度入射声功率等于散射声功率：ridWdW22irr4aII4alg10IIlg10TS21rir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：当ka1，刚性球TS值与声波频率无关，只与球半径有关；是考虑镜反射的平均结果，不是严格解。水声学第5章声波在目标上的反射和散射85.1声呐目标的目标强度•军事需要：探潜、反潜、水声对抗•声呐目标（潜艇、鱼雷、水雷等）强度备受各海军强国重视；•军事保密原因，公开发表的文献资料较少，且年代久远；•我们仅对声呐目标的目标强度特性作一般性讨论。水声学第5章声波在目标上的反射和散射95.2常见声呐目标TS值的一般特征1、潜艇的目标强度潜艇实测目标强度值具有离散性，而且与方位、频率、脉冲宽度、深度和距离有关。（1）测试艇：柴油动力潜艇（2）测试时间：二次大战前后（3）正横方向：12～40dB，平均值25dB18艘潜艇正横方向目标强度直方图水声学第5章声波在目标上的反射和散射105.2常见声呐目标TS值的一般特征（1）空间方位特性潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。①测试频率：24kHz②A为战前、40次平均③B为战后、5次平均潜艇目标强度随方位的变化水声学第5章声波在目标上的反射和散射115.2常见声呐目标TS值的一般特征（1）空间方位特性（A曲线）♀在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，平均达25dB，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10～15dB，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1～3dB，可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生。水声学第5章声波在目标上的反射和散射125.2常见声呐目标TS值的一般特征（2）随测量距离的变化通常近距离测量的目标强度值有可能小于远距离的测量值，且随着测量距离变大目标强度值也逐渐变大，到了某个距离后，目标强度值不再随距离而变。产生原因：♀指向性声呐入射声束照射目标面积随测量距离变化。♀几何形状比较复杂物体的回声强度随距离的衰减规律不同于点源声场，声强随距离变化不遵循球面规律。水声学第5章声波在目标上的反射和散射135.2常见声呐目标TS值的一般特征（2）随测量距离的变化♀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。0rr10r2r1为了要得到稳定可靠的测量结果，应在远场进行测量，即测量距离。λLr2水声学第5章声波在目标上的反射和散射145.2常见声呐目标TS值的一般特征（3）随脉冲长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：2cBD2csinAB♀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。csinL20θ水声学第5章声波在目标上的反射和散射155.2常见声呐目标TS值的一般特征（3）随脉冲长度的变化♀目标强度随脉冲宽度的变化实质还是对回声有贡献的目标表面积大小不同引起的。♀在正横方向上目标强度随脉冲长度变化现象不明显。由于目标沿入射波方向上的长度很小，且回声形成主要是镜反射过程（脉宽减小效应）。水声学第5章声波在目标上的反射和散射165.2常见声呐目标TS值的一般特征（4）随频率的变化试验测试结果：潜艇目标强度值不存在明显频率效应。♀可能被实测值的离散性所掩盖；♀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。水声学第5章声波在目标上的反射和散射175.2常见声呐目标TS值的一般特征（5）随航行深度的变化♀深度对潜艇尾流回声有影响，对其结构的目标强度值原则上没有影响。♀深度对测试结果的影响表现对声传播特性的影响，并没有影响到产生回声的机理。水声学第5章声波在目标上的反射和散射185.2常见声呐目标TS值的一般特征2、鱼雷和水雷的目标强度基本形状：带平头或半球体的圆柱体；几何尺度：长度1米至数米，直径0.3米至1米；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。目标强度特点：♀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。水声学第5章声波在目标上的反射和散射195.2常见声呐目标TS值的一般特征圆柱形物体目标强度：222aLsinTS10lgcos2λsinkL圆柱形物体正横和端部方位目标强度：式中，a为圆柱半径，L为圆柱长，是声波波长。λ2aLlg10TS21λ4alg10TS22鱼雷和水雷的目标强度随方位、频率、脉冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。水声学第5章声波在目标上的反射和散射205.2常见声呐目标TS值的一般特征2、鱼雷和水雷的目标强度3、鱼的目标强度鱼是探鱼声呐的目标。单个鱼体的研究Cushing（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。♀测量结果水声学第5章声波在目标上的反射和散射215.2常见声呐目标TS值的一般特征单个鱼体的研究Love（1971年）等人试验研究，获得鱼脊背方向入射时鱼目标强度经验公式（12kHz~200kHz）：62lg9.0lg1.19TSfL式中，鱼体长度L（cm），频率f（kHz）。907.0L鱼群的研究将鱼群视为一个整体，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，其中TS是单个鱼体目标强度值。水声学第5章声波在目标上的反射和散射225.2常见声呐目标TS值的一般特征3、鱼的目标强度在湖泊或海上现场测量目标的目标强度值，容易满足远场，能直接测量结果，但不宜控制和重复，结果有一定离散度，测量精度不高。1、现场测量测量原理①指向性声源A：向待测目标辐射声波；②接收水听器B：接收待测目标回波；③计算入射声强度和回声强度；④计算目标强度TS值。①测量应满足远场条件；②合理选择发射信号脉冲宽度；③合理选择发射声源和接收水听器位置。水声学第5章声波在目标上的反射和散射235.3目标强度实验测量和常见目标TS值（1）比较法测量原理①需要一个目标强度为已知的参考目标；②在相同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；③目标强度的计算：ITSTSIr00=10lg+水声学第5章声波在目标上的反射和散射245.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（1）比较法♀优点：操作简单，仅测量回声强度，计算简单，是比较实用的方法。♀缺点：①需要一个目标强度已知的参考目标；②对于复杂几何形状目标（潜艇），高逼真的参考目标制作比较困难；③对于大目标很难保证前后两次测量条件相同。水声学第5章声波在目标上的反射和散射255.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法测量原理①A为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目标；B为被测目标；距离r应满足远场条件。水声学第5章声波在目标上的反射和散射265.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法测量原理②水听器（声源）处回声级：EL=SL-2TL+TS③待测目标强度值：需要测量物理量：声源级SL、回声强度Ir和传播损失TL。102ITSTLSLIr0=lg+10IELIr0=lg水声学第5章声波在目标上的反射和散射275.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法♀优点：操作比较简单，不需特殊仪器设备，是一种基本的测量方法。♀缺点：需要精确地知道或测量传播损失值，现场测量难度比较大。水声学第5章声波在目标上的反射和散射285.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（3）应答器法测量原理①测量船：安装发射器和水听器Ⅰ各一个，测量目标回声和应答器所辐射的脉冲信号，设它们声级差为A分贝。②待测目标：安装应答器和水听器Ⅱ各一个，相距1米，应答器接收声源发射声脉冲后也发射声脉冲，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。水声学第5章声波在目标上的反射和散射295.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（3）应答器法测量原理③目标强度值计算：优点不需要确定传播损失；测量比较简单，不需要对测试系统做复杂的绝对校正。水声学第5章声波在目标上的反射和散射305.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量TLSLSLBTSTLSLTLSLA12122ABTS在实验室水池中现场测量小尺度目标的目标强度值，测量条件远优于现场测量条件。2、实验室测量测量方法：①比较法②直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射315.3目标强度实验测量和常见目标TS值测量条件：①满足远场条件目标处于声源的远场，水听器处于目标的远场。②满足自由场条件消声水池：一般满足自由场条件；非消声水池：由于池壁、水面、池底反射声可能和目标回波信号干涉、叠加，影响测量结果的可信度；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，使界面反射脉冲和目标回波脉冲在接收时间上分开。③合理选取发射信号脉冲宽度为抗多途干扰，要求脉冲宽度窄一些；测量稳态结果，又要求脉冲宽度不能太窄（包含至少10个左右波）。水声学第5章声波在目标上的反射和散射325.3目标强度实验测量和常见目标TS值2、实验室测量3、常见声呐目标的目标强度值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规律性结果。目标方位