第五章 声波在目标上的反射和散射

第四章知识要点 邻近海面的水下点源声场 表面声道 深海声道 声压振幅随距离的变化特征（近场/远场） 传播损失 表面声道特征 反转深度、临界声线、跨度的概念 传播损失（近距离/远距离） 深海声道 深海声道特征 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

深海负梯度 深海负跃层 均匀浅海声场 声影区的概念 传播损失（近距离/远距离） 声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念 概念 对声传播的影响 均匀浅海声场 传播损失与距离的关系（近/中等/远距离） 虚源表示的基本思想 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

本章主要内容 目标强度（重点） 常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点） 目标强度概念 刚性大球的目标强度 潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

本章主要内容 目标强度的实验测量（重点） 常见声纳目标的目标强度（了解） 简单几何形状物体的目标强度（了解） 比较法测量目标强度 直接法测量目标强度 应答器法 实验室测量 常见声纳目标的目标强度（了解） 简单几何形状物体的目标强度（了解） College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

本章主要内容 目标回波（重点） 刚性球体的散射声场（了解） 声波在弹性物体上的散射（了解） 回波信号的形成 回波信号的一般特征 刚性不动球体的声散射 刚性不动微小球粒子对平面波的散射 声波在弹性物体上的散射（了解） 平面声波在弹性球体上的散射 弹性物体散射声场的一般特征 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

本章主要内容 壳体目标上的回波信号（了解） 用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解） 稳态回波信号 短脉冲入射时的回声信号 赫姆霍兹积分解 菲涅尔半波带近似法 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度 目标强度概念 水下目标 1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷 2）民用目标：鱼群 3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等 研究声纳目标回波特性的意义 A）主动声纳目标检测和识别的依据 B）对声纳设备的设计和应用有重要意义 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度 目标强度概念 定义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大小，其定义为 式中， 为入射声波强度； 为离目标声中心1米处的回声强度。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度 目标强度概念 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。 收发分置（bistatic）：回声强度是入射方向和回声方向的函数。 收发合置（monostatic）：回声强度仅是入射方向的函数，即为反向反射或反向散射。 提示：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。 问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？为什么？ College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度 刚性大球的目标强度 大球：ka>>1，k为波数 刚性：声能不会透入球体内部 反射声线：局部平面镜反射定律 理想反射体：声能无损失地被球面所反射 到 范围内的入射声功率： College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度 刚性大球的目标强度 从 到 入射的声波被限制 在 到 的范 围内。 散射声功率： 从 到 入射的声波被限制 在 到 的范 围内。 散射声功率： College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

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： 求得 刚性大球的目标强度： 结论：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。 提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 艇首 正横方向 潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？ College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 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。 测试艇：柴油动力潜艇 时间：二战前后。 正横方向：12～40dB， 平均值25dB 18艘潜艇正横方向目标强度直方图 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 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。 潜艇目标强度随方位的变化 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 随方位的变化 1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达25dB，系由艇壳的镜反射引起； 4）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。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 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距离处的目标强度测量值，其原因是： 1）当使用指向性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； 2）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减规律不同于点源声场。 问题：如何解释？ College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 随测量距离的变化 以长为L的柱体 目标强度测量为例： 近距离处： 远距离处： 过渡距离： 解得： College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 随测量距离的变化 1）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 。 1）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 。 2）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 。 3）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1m处，则结果必然是远距离测量值大于近距离测量值。 提示：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 。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 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点所产生的回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有： College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 随脉冲宽度的变化 1）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； 2）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的变化而变化。 提示：TS随脉冲宽度的变化关系决定了TS测量时的最小脉冲宽度；但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度时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度 随频率的变化 二战期间，人们曾用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。 提示：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。 随深度的变化 深度对目标强度值的影响不是影响了潜艇本身，而是深度变化引起声传播规律的变化。 提示：深度对潜艇尾流回声有影响。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 鱼雷和水雷目标强度 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 鱼雷和水雷目标强度 形状：带平头或圆头的圆柱体 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。 目标强度的特点 1）正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射 2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 鱼雷和水雷目标强度 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 举例：若 ， ， ，可得目标强度值 。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。 提示：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。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 鱼目标强度 鱼是探鱼声纳的目标 单个鱼体的研究 英国Cushing（1963年）等人的研究结果: 1）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。 2）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。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度的一般特征 鱼目标强度 单个鱼体的研究 3）测量结果：鱼体长与目标 强度的关系如右图。图中直 线为TS值与10lgV之间的关系， V是鱼的体积。 鱼群的研究 视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中TS是单个鱼体目标强度值。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 测量原理 目标强度测量示意图如下图所示： A是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。 B是水听器，接收来自目标的回波。 测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射声场的远场区；水听器应位于目标散射声场的远场区。 A B Ii 目标 Ir College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 测量原理 根据目标强度的定义： 计算入射声强度和回声强度 比较法 利用已知目标强度的参考目标，在相同的测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强度，比较它们的回声强度即可。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 比较法 目标强度的计算 设参考目标的目标强 度值为TS0，待测目标的 目标强度值为TS： 式中， 为参考目标回声强度； 式中， 为参考目标回声强度； 为待测目标回声强度。 A B Ii 参考 目标 I0 A B Ii Ir 待测 目标 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 比较法 适用范围 适用于短距离下小物体的测量。 优缺点 优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。 缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的大小和结构要保证其目标强度近似理想几何物体目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前后两次测量条件相同。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 直接法 测量原理图 A为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目标； B为被测目标；距离r应满足远场条件。 A B College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 直接法 目标强度的计算 水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS 回声级的定义： 待测目标强度值： 说明 该方法需测量三个物理量。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 直接法 优缺点 优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是一种基本测量方法。 缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。 应答器法 1952年，Urick和Pieper提出的不需确定传播损失的测量方法。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 应答器法 测量原理图 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 应答器法 测量原理图描述 1）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。 2）在水面船上安装声源和水听器，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。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 应答器法 目标强度的计算 待测目标强度值：TS=B-A 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。 实验室测量 测量方法：比较法和直接法。 注意事项 1）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-两个远场 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标强度的实验测量 实验室测量 注意事项 2）测试条件应满足自由场条件-一个自由场 消声水池满足自由场条件；非消声水池的池壁、池底和水面水底反射声会直接影响测量结果的可信度，应消除反射声的影响。根据水池的长、宽、深，合理选择脉冲宽度，适当调整声源、目标和水听器三者之间的位置，使界面反射信号和回波信号在接收时间上分开。 3）合理选择发射信号脉冲宽度-一个脉宽 选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）；测量结果要达到稳态（不能过窄）。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

常见声纳目标的目标强度 提示：一般，声纳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，上表是从统计的意义上给出的规律性结果。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

简单几何形状物体的目标强度 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

简单几何形状物体的目标强度 提示：声纳目标不满足刚性、不动的理想条件，表中所列公式得到的仅是一种近似值。作为一种估计，这些公式在实际工作中是十分有用的。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 目标回波概述 声波在传播途中遇到障碍物时产生的散射声波中，返回声源方向的那部分声波。它是散射波的一部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目标的某些特征信息。 大目标：目标前方次级声波——反射波；目标后方的次级声波——绕射波。 小目标：向空间各方向辐射的次级声波——散射波。 与声波波长相当目标：反射、绕射、散射过程均起作用。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 目标回波概述 在声学中，近场的次级声波——衍射波；远场的次级声波——散射波。本书中统称为散射波。 测量目标回波的应用 测量回波信号 分析处理回波 目标检测识别 提取目标特征 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的形成 目标镜反射 镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。 目标散射 目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径一般小于波长，由散射过程产生回波。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的形成 目标再辐射 一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的激励下，目标的某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波，它是目标回声的组成部分，称之为非镜反射回波，与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝球上的回波脉冲串。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的形成 回音廊式回声（环绕波） 声波入射到A点除产生镜反射波外，还有折射波透射到目标内部。折射波在目标内部传播，在B、C、…上同样产生反射和折射，到达G点时，折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的一般特征 多卜勒频移 运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异的大小 与入射波频率f及目标与声源之间距离变化率V有关，满足如下关系： 提示：目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。 举例：声纳工作频率10 kHz，声源以10节(5 .15m/s)的相对速度趋近目标，回波频移69Hz。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的一般特征 脉冲展宽 目标回声是由整个目标表面 上的反射体和散射体产生，整个 物体表面都对回波有贡献。由于 传播路径不同，目标表面不同部分产生的回波到达接收点时，时间上有先有后，加宽了回声信号的脉冲宽度。如图，平面波以掠射角 入射到长为L的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲展宽： College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的一般特征 脉冲展宽 提示：回声脉冲的这种展宽现象，在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成的复杂目标，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展宽可以忽略。 举例：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为10ms，在首尾方位，回波展宽为100ms。 包络不规则性 回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用时更是如此。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

目标回波 回波信号的一般特征 包络不规则性 产生原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目标回声中，还可能有个别亮点，这是由目标上某些部位产生镜反射引起。例如，潜艇的指挥台。 调制效应 产生原因：（1）螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。（2）运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制效应。 College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University

课堂小测验三 在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的刚性大球目标强度TS值的表达式。 测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系，解释其原因。 实验室水池中测量水下目标的目标强度应注意哪些事项？ College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University