第九章 主动声呐信号
第九章 主动声呐信号
测不准原理源于量子力学
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常用的声呐信号——CW
Continuous wave
时间函数
频谱函数 模糊函数
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常用的声呐信号——CW
多普勒和距离的估计精度 以 作为门限 取 的截面
取
，令 ，令
的截面
CW
时延
0.6T 0.3T
频移
0.88/T 0.44/T
距离
450T 225T
20
信号测量精度
测量精度 模糊度图与时延轴两个交点间时延差一半定义为信 号的时延测量精度；模糊度图与频移轴两个交点间 频移差一半定义为信号的频移测量精度； 不确定性（测不准原理Hesisenberg不等式） 信号波形在频率轴和时间轴上的扩张不可能同时小 于某一界限 t f 1
信号模糊图 以 ( , ) 绘成的三维图形，表达了相邻目标的模糊程度。 信号模糊度图 信号模糊图的最大值下降到 -3dB处的截面图一般呈椭圆形 ，形象的称之为信号的模糊椭圆或信号的模糊度图，它是 平面上的二维图形。 模糊度图反映了相邻目标距离（时延）和速度（频移）分 辨的能力，也反映了目标距离、速度的测量精度。 截面的大小说明了模糊图曲面的陡峭程度。曲面越陡，则 截面越小，因而相邻目标越易分辨。 需要对目标距离和速度精确测量时，我们只能确切的知道 测量值在模糊度图确定的范围内，而不能以无限精度确定 目标的距离或速度，因而信号的模糊函数又称为信号的不 确定函数。
为 sr (t ) 与 h(t )的卷积，即
y( ) sr (t )h( t )dt s(t )s[t (t0 0 )]e j 20t dt (t0 0 , 0 )
主动声呐相控信号源的研究与实现
主动声呐相控信号源的研究与实现作者：王鑫淦尹子源李安阳来源：《声学与电子工程》2021年第03期摘要针对主动声呐相控发射的应用需求，提出一种基于单片FPGA的相控信号源方案。
该相控信号源采用单片FPGA内部构建单个DDS和多个RAM来实现，DDS用来产生正弦信号，RAM用来实现延时输出，且RAM的存储深度只与通道间最大延时量有关。
经Modelsim 功能仿真和实际测试表明，所提相控信号源方案具有相控精度高、资源占用少、控制简单灵活等特点，适合于工程应用。
关键词主动声呐；相控信号源；发射波束形成对于主动声呐发射系统，相控发射能够使发射阵具有一定指向性，从而将能量集中在某一方向上，获得发射指向性增益，用较小的发射功率探测到更远距离的目标。
此外相控发射还能形成多个发射指向性波束，提高主动声呐的探测效率[1]。
相控发射的核心为相控信号源的设计，文献[2-3]采用了DSP和FPGA相结合的方案来实现相控信号源，该方案需要DSP计算波形数据，再传递给FPGA进行相控输出，软硬件较为复杂，并且遇到传输误码时，将导致波形输出异常，影响发射系统正常工作。
文献[4]中提出的相控信号源是对调制以后的SPWM信号进行延时输出控制，因为SPWM信号的采样率一般是基频信号的10倍以上，所以延时输出时所需的数据存储器空间大大增加，硬件配置要求较高。
文献[5]中采用多片DDS集成芯片AD9959来实现相控发射信号源，并通过FPGA对多片AD9959进行同步控制，该方案硬件成本高、控制复杂、并且不适合小型化设计。
本文针对相控信号源的应用需求，提出了一种新颖的基于单片FPGA的相控信号源实现方法。
该方案克服了以往相控信号源的一些弊端，硬件成本低、控制简单、可靠性高。
1相控发射原理主动声呐中，相控发射是基于发射波束形成原理，就是将产生的多路信号经过处理（如延时、相移）后作为一定几何排列的多元基阵的驱动信号，转换成声波后在水介质中自然传播，形成空间指向性的方法[6]。
主动声纳均匀线列阵的混响仿真研究
，
Ｊｍ ｄ
＝ ｃｓ 一～一 ｏ 一
、 （） ， ４
归一化 多普 勒频 率 与 空 间锥 角 Ｏ 的余 弦呈 一 次 线性 ｌ ２ ａ ０时 ， ） ＝９ 。 基阵轴 向与运 动方 向垂直 ， 为前视 声纳 称 阵 ， 型代 表 有球 鼻 艏 、 雷制 导 声 纳等 。此 时， （ ） 典 鱼 式 ３ 简
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ：Ｒｅ ｅ ｂ ｒ ｔ ｎ ｉ ｏ ｅ ｏ ｅ ｍａｎ ｆ ｃｏ ｈ ｔｌ ｔｔ ｅ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｏ ｈ ｃｉ ｅ ｓ ｎ ｒ Ｔ ｒ ｍｏｅ ｖ ｒ ｅ ａｉ ｓ ｎ ｆｔ ｉ ａ ｔ ｒ ｔ ａ ｉ ｈ ｅ ｒ ａ ｃ ｆｔ ｅ ａ ｔ ｏ ａ ． ｏ ｐ ｏ ｔ ｏ ｈ ｓ ｍｉ ｆ ｖ ｓｕ ｙ ｏ ｈ ｏｍａｉｎ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｈ ｃ ａ ｉ ｅ ｅ ｂ ｒ ｔ ｎ，ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｄ ｒ ｅ ｈ ｔｅ ｔ ａ ｅａｉ ｎ ｈ ｐ ｂ — ｔ ｄ ｎ ｔ ｅ ｆｒ ｔ ｃ ａ ｉｍ ｆｔ ｅ ｏ ｅ ｎｃ ｒｖ ｒ ｅ ａｉ ｏ ｏ ｈ ｓ ａ ｅ ｅ ｖ ｄ ｔ ｅ ｍａｈ ｍａｉ ｌｒ ｌｔ ｓ ｉ ｅ ｉ ｃ ｏ
ＫＩＹ Ｗ Ｏ ＲＤ Ｓ：Ｏｃ ａ ｉ ｅ ｅ ｂ ｒ ｔｏ Ｅ ｅ ｎｃ ｒｖ ｒ ｅ ａｉ ｎ；Ｕｎｆ ｒ ｉｅ ｒａ ｒ ｙ；Ｓｉ ａ ｉｎ；Ｓ ｃ —ｔｍ ｅ ｓ ｅ ｔａ ｉｏ ｍ ｌｎ ａ ｒａ ｍｕｌｔｏ ｐａ ｅ ｉ ｐ ｃ ｒ
混 响信号也是 比较难获得 的 Ｊ 。因此 ， 有必要在深入研究 海
化 为
，
＝
（） ５
ｄｍ ａ ｘ
２ 混 响的空 时模型
当声纳基阵载体运动时 ， 载体 与散 射体之 间具 有相对运 动， 且不同空间锥角方 向上 的相对速 度不 同 ， 即从不 同方 向 入射 的混响多普勒 频率也 不 同， 现为频率 轴上 的扩 展 ， 表 有 可能在频域上与 目标 回波 的频 谱混叠 在一 起。因此有 必要 分析研究这种扩展 ， 即混响 的空 时二维耦 合特性 ， 以提高 现 有 主动声纳 的混 响抑 制能力 。 如图 １ 所示 ， 收发合 置声纳基 阵的载体 以速度 沿 轴 方 向匀 速直线运动 ， 基阵轴 向与运动方 向夹角 为 ６ 散射体 Ｐ ，
声纳的工作原理初中物理
声纳的工作原理初中物理声纳是一种利用声波进行探测和测量的技术，广泛应用于海洋、气象、人工捕鱼和潜艇等领域。
声纳的工作原理主要包括发射声波、接收回波和分析处理三个步骤。
首先，声纳通过发射器将电信号转化为声波信号。
发射器通常由压电晶体构成，当外加电压改变时，晶体会发生振动，振动声波就会在水中传播。
振动的频率决定了声波的音调，而振动的幅度则决定了声波的强度。
发射的声波在水中传播，遇到介质的边界时发生反射，并形成回波。
当声波遇到目标物体时，一部分声能被目标物体吸收，另一部分则被散射或反射回来。
被反射回来的声波称为回波。
接下来，声纳通过接收器接收到回波信号。
接收器内通常有一个压电晶体或麦克风，能够将回波转化为电信号。
接收器接收到回波后，会将声能转化为电能，并将其放大，以便进行后续的分析和处理。
最后，声纳对接收到的回波信号进行分析处理，以获取目标物体的相关信息。
常用的处理方法包括测量回波的延迟时间、计算声波的传播速度和分析回波的特征。
通过测量回波的延迟时间，可以确定目标物体与声纳的距离。
因为声波在水中的传播速度是已知的，所以通过计算声波的传播时间，可以得到目标物体与声纳的距离。
通过计算声波的传播速度，可以推断出目标物体的运动状态。
声波的速度是与介质的特性有关的，而目标物体的运动会改变介质的特性。
因此，通过测量声波的传播速度的变化，可以了解目标物体的运动状态。
分析回波的特征可以获取目标物体的形状、大小和材料等信息。
不同形状、大小和材料的目标物体会对声波产生不同的散射和反射效果，通过分析回波的特征，可以对目标物体进行识别和辨别。
总之，声纳利用声波的传播和反射特性，通过发射声波、接收回波和分析处理，实现对目标物体的探测和测量。
它在海洋勘测、潜艇导航、渔业捕捞等领域发挥着重要作用。
声纳的分类
如我们所已知的，声纳的另一种主要分类方法是分成主动声纳和被动声纳。
回音站、测深仪、通信仪、探雷器等等均可归入主动声呐类，而噪音站、侦察仪等则归人被动声呐类。
有目的地主动从系统中发射声波的声呐称为主动声呐。
它可用来探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。
主动声呐发射某种形式的声信号．利用信号在水下传播途中障碍物或目标反射的回波来进行探测。
由于目标信息保存在回波之中，所以可根据接收到的回波信号来判断目标的存在，并测量或估计目标的距离、方位、速度等参量。
具体地说，可通过回波信号与发射信号问的时延推知目标的距离，由回波波前法线方向可推知目标的方向，而由回波信号与发射信号之间的频移可推知目标的径向速度。
此外由回波的幅度、相位及变化规律，可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。
主动声呐主要由换能器基阵（常为收发兼用）、发射机（包括波形发生器、发射波束形成器）、定时中心、接收机、显示器、控制器等几个部分组成。
利用接收换能器基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测目标的声呐称为被动声呐。
由于被动声呐本身不发射信号，所以目标将不会觉察声呐的存在及其意图。
目标发出的声音及其特征，在声呐设计时并不为设计者所控制，对其了解也往往不全面。
声呐设计者只能对某预定目标的声音进行设计，如目标为潜艇，那么目标自身发出的噪声包括螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的动水噪声，以及各种发动机的机械振动引起的辐射噪声等。
因此被动声呐（噪音站）与主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目标发出的噪声。
此时，目标噪声作为信号，且经远距传播后变得十分微弱。
由此可知，被动声呐往往工作于低信噪比情况下，因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措施。
被动声纳没有发射机部分。
声呐信号处理引论
声呐信号处理引论声呐是一种利用声波进行探测的技术，被广泛应用于海洋勘探、水下测量、海底地质调查等领域。
声呐系统通过发射声波的方式，将声波传播到目标物体表面，然后接收回波信号，并通过信号处理技术将信号转换为可视化的图像或数据。
声呐信号处理是声呐技术中非常重要的一部分，它包括了信号的采集、滤波、解调、分析、处理和显示等多个环节。
在声呐信号处理中，信号的质量和分析结果直接关系到声呐系统的性能和应用效果。
声呐信号处理要进行信号采集。
在采集过程中，声呐系统需要在指定的范围内发射声波，并接收回波信号。
采集到的信号通常包括了目标物体的位置、形状、大小、距离等信息。
然后，声呐信号处理需要对采集到的信号进行滤波。
由于信号在传播过程中会受到各种干扰，因此需要对信号进行处理，滤除掉不必要的噪声和杂波。
常用的滤波方法包括了低通滤波、高通滤波、带通滤波等。
接着，声呐信号处理需要进行解调，将信号转换为数字信号。
解调是将模拟信号转换为数字信号的过程，它可以将声波信号转换为数字信号，并将其存储在计算机中，以便进行后续的处理和分析。
在解调之后，声呐信号处理需要对信号进行分析和处理。
在分析过程中，声呐系统可以通过分析信号的幅度、频率、相位等参数，确定目标物体的位置、形状、大小、距离等信息。
在处理过程中，声呐系统可以对信号进行滤波、增强、去噪等操作，以提高信号的质量和分析结果的准确性。
声呐信号处理需要将分析结果进行显示。
通常，声呐系统会将分析结果以图像或数据的形式呈现给用户，以便用户进行进一步的分析和应用。
声呐信号处理是声呐技术中非常重要的一部分，它直接关系到声呐系统的性能和应用效果。
通过对声呐信号进行采集、滤波、解调、分析、处理和显示等多个环节的处理，可以得到准确的目标物体信息，为海洋勘探、水下测量、海底地质调查等领域的应用提供了有力的支持。
主动声呐抗同频干扰技术方法研究
主动声呐抗同频干扰技术方法研究主动声呐抗同频干扰技术方法研究随着现代海洋开发利用的不断深入，海洋声环境日益变得复杂多变，声信号的抗干扰技术也成为了海洋采集、探测及监测的一个重要研究方向。
在水下声信号通信、探测和定位中，同频干扰是一个重要的问题，它不仅会影响到信号传输效果，还会影响到信号识别和水下目标的监测。
同频干扰的出现是由于水下有多个声源同时传输信号，导致其频率相同或相近，难以分辨，从而干扰信号的传输和处理。
在天然声和人工声的混合环境中，同频干扰是不可避免的，因此需要寻求有效的技术手段来应对同频干扰问题。
主动声呐技术是一种有效的抗同频干扰技术。
该技术主要是利用旁通干扰信号对目标信号进行预处理来提高信噪比。
主动声呐技术通过巧妙地设计多个发射和接收波束，实现对水下目标信号的重构和抑制。
同时，它可以通过多普勒频率差控制消除“幽灵信号”，进一步增强水下信号的抗干扰性能。
在主动声呐技术中，策略性的波束形成和高灵敏度接收系统是实现抗同频干扰的关键。
当水中存在同频干扰时，波束形成系统可以选择忽略干扰信号，而专注于目标信号，从而实现信道的“自适应”调节。
同时，利用智能算法和信号处理技术对接收系统进行优化，可以提高抗干扰能力，进一步抑制同频干扰信号。
此外，为了进一步提高主动声呐技术的性能，采用多源信号检测与跟踪算法也是一个不错的选择。
通过检测多个具有不同方向的目标信号，可以提高目标信号的可信度和准确性，并排除干扰信号的影响。
综上所述，主动声呐技术已成为水下信号处理中的一种重要手段。
针对同频干扰这一问题，主动声呐技术可以通过波束形成和高灵敏度接收系统来实现自适应信道调节和干扰信号抑制。
此外，采用多源信号检测与跟踪算法还可以提高信号的可信度和准确性。
未来，随着信号处理技术的不断发展和算力的增强，主动声呐技术还将有更广泛的应用前景。
数据分析是现代社会数据化趋势中的重要一环，通过对各种数据进行分析，可以有效地提高企业决策的准确性和效率。
解卷积主动声呐目标回波高分辨时延估计技术
解卷积主动声呐目标回波高分辨时延估计技术下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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声呐定位的基本方法
声呐定位的基本方法
1. 嘿，你知道吗，主动声呐定位就像是我们在黑暗中拿着手电筒去找东西！比如说在大海里，我们发出声波，然后等着声波碰到目标再返回来。
就像你在黑屋子里喊一声，然后根据回声来确定东西在哪里一样。
这神奇吧？
2. 还有哦，被动声呐定位呢，就好像是我们静静地听周围的动静来判断情况。
比如在海底，我们不发出声音，而是静静地听其他物体发出的声音来确定它们的位置，是不是很有意思？
3. 你想想啊，通过测量声波到达的时间来定位，不就像是跑步比赛中计算到达终点的时间来确定名次嘛！比如说测量从发出声波到收到回波的时间，就能算出目标的距离啦。
4. 另外呀，利用声波的频率变化来定位，这不就跟听不同音调的声音能分辨出是谁在说话一样嘛！像那种频率突然改变了，嘿，那就说明目标有变化啦。
5. 声呐定位还能根据声波的方向呢！这就仿佛你朝着一个方向看就能找到你要找的东西一样。
通过判断声波传来的方向，我们就能大致知道目标在哪个方位了。
6. 接着说，根据多个声呐的信息综合来定位，就像多个人一起告诉你一个东西在哪里，然后你就能更准确地知道啦。
比如不同位置的声呐都收到了信号，一综合，目标的位置就更清楚咯。
7. 还有啊，利用不同声波的特征来定位，不就跟凭借一个人的特点来认出他一样嘛！每种物体反射的声波都有独特的特征，这样就能更好地识别目标啦。
总之，声呐定位的方法真的超厉害，让我们能在大海里找到各种神秘的东西呢！
我的观点结论：声呐定位的这些基本方法真的非常神奇且实用，为我们探索海洋等领域提供了强大的工具。
主动声呐空时自适应处理技术阅读随笔
《主动声呐空时自适应处理技术》阅读随笔一、当前面临的技术挑战与问题在阅读《主动声呐空时自适应处理技术》我深感这一领域的技术挑战与问题之复杂性和多样性。
随着科技的不断发展，主动声呐技术作为现代军事和民用领域的重要技术手段，其空时自适应处理技术的突破与创新至关重要。
当前面临的技术挑战与问题也日益凸显。
声呐信号在复杂环境中的识别与处理是一项巨大的技术挑战，在实际应用中，声呐信号往往受到多种干扰和噪声的影响，如海浪、风、船舶振动等产生的噪声，以及敌方的干扰策略等。
这些干扰因素使得声呐信号的识别与处理变得极为困难，影响了声呐系统的性能发挥。
如何在复杂环境中有效地识别和处理声呐信号，是当前面临的重要问题之一。
其次技术的自适应性与实时性的平衡问题也亟待解决。
主动声呐技术需要在对环境进行感知和判断的基础上，实时地调整其工作参数和策略，以实现空时自适应处理。
在实际应用中，如何根据环境变化快速调整技术参数，保证技术的自适应性与实时性之间的平衡，是一个重要的技术难题。
这需要深入研究自适应算法，提高算法的效率和准确性，以满足实际应用的需求。
随着信息技术的飞速发展，信息安全问题也日益突出。
在主动声呐技术的应用中，如何保证信息的安全性和保密性，防止信息泄露和干扰，是当前面临的重要问题之一。
这需要加强信息技术的安全防护措施，提高系统的抗干扰能力和反探测能力，以确保主动声呐技术的有效应用。
人才和技术创新也是制约主动声呐技术发展的关键，在这一领域，需要高素质、高水平的专业人才进行研究和开发。
还需要不断进行技术创新，突破现有的技术瓶颈，提高主动声呐技术的性能和效率。
《主动声呐空时自适应处理技术》中所涉及的技术挑战与问题具有多样性和复杂性。
要应对这些挑战和问题，需要深入研究、不断探索、勇于创新，推动主动声呐技术的持续发展和进步。
二、未来发展趋势及创新方向在主动声呐空时自适应处理技术领域，随着科技的不断进步和创新，其未来发展趋势与创新方向充满了无限可能和期待。
主动声纳参数设计及作用距离预报的开题报告
主动声纳参数设计及作用距离预报的开题报告一、选题背景主动声纳是一种常见的水声信号探测技术，已广泛应用于海洋测量、海洋探测、生物识别等领域。
在这些应用中，主动声纳需要实现远距离的信号探测，因此需要设计合适的参数以及进行距离预报，从而有效提高探测准确性和可靠性。
二、研究内容本研究旨在设计主动声纳参数，包括发射频率、波形、脉宽、声源级别等，并探究这些参数对探测距离的影响。
同时，利用数值模拟方法，对主动声纳信号在水中传播的过程进行模拟，通过计算信号的损耗和延迟等参数，预测信号在不同距离下的接收强度和到达时间。
最后，将模拟结果与实际测量数据进行对比与分析，验证所设计的参数的有效性及可靠性。
三、研究意义本研究的主要意义在于：1.为主动声纳系统的参数设计提供参考，提高信号探测准确性和可靠性。
2.为主动声纳应用中的距离预测提供技术支持，有效降低应用成本。
3.为水声信号传播特性研究提供方法和思路，有助于深入了解和应用水声信号传播原理。
四、研究方法及步骤本研究将采用以下方法和步骤：1. 将主动声纳设计为多种不同参数的发射源，并进行试验测量，收集信号发射及接收的相关数据。
2. 利用Matlab等软件，对数据进行处理和分析，得出不同参数对信号传播的影响。
3. 利用数值模拟方法，构建主动声纳信号在水中传播的模型，计算信号的传播损耗和时延等参数。
4. 对模拟结果进行验证，并将其与实测数据进行对比和分析，评估所设计参数的有效性及可靠性。
五、预期成果本研究预期获得以下成果：1. 分析不同参数对主动声纳信号传播的影响，确定最优参数组合。
2. 预测信号在不同距离下的接收强度和到达时间，并与实测数据进行对比和分析。
3. 提出主动声纳信号距离预测模型，为实际应用提供技术支持。
4. 发布相关论文和研究成果，促进水声信号传播理论研究和主动声纳应用发展。
声呐(纳)技术 ：主动声呐信号分析
海 洋 噪 声
四
22
6. 干扰形式的差别
装在导流罩内的声纳基阵通常工作在一个极为嘈杂的 环境之中
舰船自噪声随航速的变化
四
23
从上述声呐的工作条件和所具有的特点可以看出，在 选择声呐的参数和结构时，简单套用雷达理论显然是 不合适的。特别是近代声呐技术，要求声呐设计者要 更多地注意水声信道的研究和信息处理问题（如匹配 场处理、时间反转镜技术），以便设计出具有良好性 能的声呐来。
四
10
1. 信息传递速率
声呐的重复频率比雷达慢1000倍，因而声呐的检测效 率比雷达低1000倍。这是由于声波在水中的传播速度 远低于电磁波在空气中的传播速度，二者相差20万倍 。一般来说，声呐需要10秒以上才能确定目标是否存 在。而雷达则只需毫秒量级。
收
发
Ping 1
合
置
R
收
发
Ping 2
合
置
R
Time-varying Response to a Sinusoidal Input
四
17
四
18
4. 传感器尺寸
声呐工作频率低（主动声呐工作频率为近百赫兹到几 百千赫兹），波长较长，而雷达工作频率要比声呐高 103~105倍左右，波长短。水下基阵要比雷达天线大几 倍，基阵结构也较为复杂，且要在水中转动，故必须 有较大的机械耐压强度。
Doppler shift for a path,
fd fcM
1 km
v 65 mile/hour 30 m/s Mradio v / c 107 fd 100 Hz
主动声呐检测信息原理_向大威
等 领 域 的 研 究 人 员 也 能 从 中获 得 伸 益
以及 三 者 之 间的 适 配 关 系
.
最后 用 两 章篇 幅 专 题 讨 论
如 何 根 据 信 道特 征 优 化 选 择 和 设 计 最 佳 波 形 和 接 收 机 的基 本 原 理 和方 法
3
,
.
发展 中
其 缺 点 是 个 别 专 题 讨 论不 够 深 人 有 些 专 题 尚在 , 有 待于 进 一
用 线 性 随 机 时 变空 变 网 络模 型 来 描 述 声 呐 信
、
.
检 测 问 题 的 专 著 因此 对 有关 专 题 如 空 间 场 匹 配 参 数 , 估 计 和 目 标 识 别方 面 的 问 题 讨 论 得 甚 少 但 这 也 是 近
,
,
道 突 出 水 声 信 号 即 传 输 信 号 回 波 和 混 响 的随机 时 变 非 平 稳性 因此 用 两 章 篇 幅 专 题讨 论 了 线 性 随 机 信 道
,
、
.
声 学 领域 内和 关
心 声 学 的 读 者 可 从 中受 益
.
;
,
它 们 对 我 国 声 学 工 作 的开 展 将 起 到 推
·
为 此 本 编 辑 部 特 地 约 请 有 关 学 者 组 写 了 这 批 书评 下 面 谨 以 书籍 出 版 时 间 为 序 向 读 者 推
,
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为 繁 荣 祖 国 的 声 学 事业 我 们 热 忱 欢迎 作 者 和 读 者就 国 内外 有关声 学 声 学 应 用 的 新 书 向 我
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等 匹 配 滤 波技 术 信 道 匹
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配 自 适 应 和 宽 容 接 收等 ) 列 专 题 讨 论
主动式声纳优点
主动式声纳优点
主动声呐是指用于探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素的一种设备。
它由声呐发射某种探测信号，该信号在水中传播的路径上遇到障碍物或目标,反射回来到达发射点被接收,由于目标信息保存在被目标反射回来的回波之中,所以可根据接收到的回波信号来判断目标的参量。
声呐优点是能精确测定目标距离,可探测固定目标。
但其隐蔽性差,作用距离较近,存在混响干扰。
主动舰壳声纳，是安装在舰首的主动声纳，在舰首球鼻中有一个球形或圆柱体的声纳基阵，工作时基阵会主动连续发出一定频率的声音信号，靠声波在目标上的反射来探测和追踪目标。
被动拖曳式声纳，是一个长条状的声纳基阵，工作时由舰艇投放到海中，由一根三千米左右电缆和舰艇相连，工作时基阵本身不发出声音信号，完全靠被动的监听目标传来的噪音信号来探测和追踪目标。
主动声纳的发现距离和追踪精度要明显高于被动声纳，但是主动声纳由于要不断发出探测信号所以有一个致命缺陷，就是隐蔽性非常差，就好比黑夜中一个人用手电筒寻找目标一样，所以舰艇不在迫不得已的情况下一般不使用主动声纳，相比主动声纳，被动声纳可以看成是在黑夜中用耳朵来寻找敌人，尽管这样精确度相对较差，但是在绝大多数情况下还是被用作主要的探测工具，毕竟保护好自己才是第一位的，然后才要考虑如何更好的杀伤敌人。
主动声呐发射波形设计研究
主动声呐发射波形设计研究主动声呐是一种通过向水中发射声波并接收反射信号，来探测水下物体位置和形态的装置。
在设计主动声呐发射波形时，需要考虑到多种因素，以求得最佳的声呐探测效果。
首先，发射波形的频率是影响声呐探测效果的重要因素之一。
一般认为，频率越高，探测距离就越近。
因此，在近距离探测时可采用高频率波形，而在远距离探测时，则应选择低频率波形。
此外，频率也会影响声波的穿透能力和分辨率，因此需要根据探测目标的特点和要求进行选择。
其次，波形的幅度和信噪比也是影响探测效果的重要因素。
幅度决定了声波的能量和穿透深度，因此需要根据探测距离和目标特点进行调整。
信噪比则决定了声波接收的质量，因此需要采用合适的信号处理方法来提高其质量。
另外，波形的类型也是影响探测效果的关键因素之一。
常见的声呐发射波形类型包括脉冲波、连续波、调频（FM）波、正弦波等。
不同类型的波形具有不同的特点和应用场景。
例如，脉冲波形具有高能量和较好的分辨率，适用于探测距离较短的目标；连续波形具有穿透深度大和对深海探测的优势；调频（FM）波形则适用于高精度的测距和图像重建等场景。
除此之外，还需考虑传感器特征、环境因素等多种因素。
例如，水下环境极易受到波浪、涡流等干扰，需要通过噪声抑制等技术进行处理。
同时，声呐传感器的特征也会影响波形的性能，如频率响应、超声波辐射等。
总的来说，主动声呐的发射波形设计需要综合考虑多种因素，以达到最佳的探测效果。
未来随着技术的发展，波形设计将更加智能化和适应性强，能够更好地满足复杂水下环境中的声呐探测需求。
假定现在有一个销售数据的案例，我们所得到的数据包括了每个销售产品的价格、销售数量以及销售时间。
下面我们以此为例进行数据分析。
首先我们需要对数据进行描述性统计，以了解数据的大致分布。
我们可以使用均值、中位数、方差、标准差等指标对数据进行描述。
对于价格这一变量，我们可以计算其均值为$100$美元，标准差为$20$美元。
这说明了本次销售的产品价格大致处于$80-120$美元区间内，但是存在一定的价格波动。
主动声呐方程时间增益
主动声呐方程时间增益主动声呐是一种利用声波进行探测和定位的技术，广泛应用于海洋勘探、军事侦察、海底测绘等领域。
在主动声呐系统中，时间增益是一个重要的参数，它描述了声波信号在传播过程中的能量损失和信噪比的变化情况。
本文将围绕主动声呐方程和时间增益展开讨论，以便更好地理解主动声呐系统的工作原理和性能。
主动声呐方程是描述声波在水中传播过程的数学模型，它基于声波的传播速度、声源和接收器之间的距离以及介质的声学特性等因素。
主动声呐方程可以帮助我们预测声波在水中传播的路径、传播时间和信号强度等信息。
在主动声呐系统中，时间增益是衡量声波信号强度变化的指标。
声波在传播过程中会遇到各种衰减和散射现象，导致信号强度不断减小。
时间增益可以反映声波信号在传播过程中的衰减情况，即声波信号在接收端接收到的强度与声源发射时的强度之比。
时间增益的计算可以基于主动声呐方程和声波传播的基本原理。
声波传播过程中，声波信号受到衰减主要有两个方面的原因：一是声波在传播过程中会发生几何衰减，即声波能量随距离的增加而衰减；二是声波在传播过程中还会受到介质衰减的影响，即介质对声波的吸收和散射。
几何衰减是由于声波在传播过程中能量的扩散导致的。
根据几何衰减的原理，声波信号的强度与距离的平方成反比关系。
即声波传播的距离越远，声波信号的强度越弱。
这种几何衰减的影响可以用时间增益来表示，时间增益与传播距离的平方成反比。
介质衰减是由于介质对声波的吸收和散射导致的。
不同介质对声波的衰减程度不同，常用的描述介质衰减的参数是衰减系数。
衰减系数越大，说明介质对声波的吸收越强，声波信号的强度衰减越快。
时间增益与介质衰减系数成正比。
除了几何衰减和介质衰减，声波在传播过程中还会受到散射的影响。
散射是指声波在传播过程中遇到介质中不均匀性而发生的方向改变现象。
散射会导致声波信号的能量分散，使声波信号在接收端的强度降低。
时间增益与散射的影响也是成反比关系。
时间增益是描述主动声呐系统中声波信号强度变化的重要参数。
主动声呐方程
主动声呐方程
主动声呐方程是互联网上非常流行且有效的一种技术，它能够将声音信号转换成特定频率，而这种频率可以用于寻找潜在的海底物体。
由于它具有高精度的测量能力，可以用于复杂的环境中的测量任务，也因此它得到了广泛的应用。
主动声呐方程最初是通过接收水中发射的声信号来获取海底物体的位置，即将时间和测量距离记录在存储器中。
一旦记录完成，就可以使用数据库计算海底物体的位置和状态。
同时，还可以使用主动声呐方程计算垂直方向的海洋地形，进而获得更丰富的信息供于分析。
此外，主动声呐方程还通过发射和接收声波来计算两个测量点之间的距离，从而可以得到海底物体的细节信息。
由于它具有精确的测量能力，因此可以精确测量并定位海底物体，这对于对海底资源的勘探和利用具有至关重要的作用。
总之，主动声呐方程是一个非常有用而又实用的技术，它可以在互联网中大量应用，为用户提供便捷、安全和可靠的服务。
因此，它得到了海洋科学行业的广泛应用，为海洋事业发展做出了贡献。
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线通信等
10
多普勒示意
声呐发射脉宽T的信号 运动目标径向速度v，在t=0距离声呐L
脉冲前沿经目标反射后t1时刻 到达接收端，这段时间目标向 声呐靠近了vt1/2
脉冲后沿离开发射机的时刻目 标向声呐靠近了vT，经目标反 射后与t2时刻到达接收端
11
多普勒和脉冲压缩
多普勒造成脉宽变化 接收的脉宽为αT,
匹配滤波处理的效果。
18
模糊函数的另一种解释
接收到两个信号
两目标的均方差可衡量两个信号之间的差别
其中 并且该系数可以忽略 所以
可见模糊函数是决定相邻目标分辨力的唯一因素。模
糊函数越大，均方差越小，两个目标就难以分辨，也 就是模糊度越大。
19
信号的固有分辨力
固有分辨力 距离分辨力 模糊度图与时延轴两个交点间的时延差定义为信号 的固有时延（时间）分辨力。描述了两个强度相同 的目标距离分辨的能力。 速度分辨力 模糊度图与频移轴两个交点间的频移差定义为信号 的固有频移（频率）分辨力。描述了两个强度相同 的目标速度分辨的能力。
水声建模及声呐系统分析
李璇
1
第九讲主动声呐信号
声呐信号的传播
研究声呐波形的意义
声呐信号的描述方法 多普勒 模糊函数 常见的声呐信号 CW/FM/BPSK/双曲调频 分析声呐波形的手段 如何声呐波形设计
2
什么是信号
信号是在背景环境下的某种改变或者扰动，包
含了一些信息 扰动可能由电力、光学、机械振动、声波振动 造成 包含的信息可能有
为 sr (t ) 与 h(t )的卷积，即
y( ) sr (t )h( t )dt s(t )s[t (t0 0 )]e j 20t dt (t0 0 , 0 )
通过研究信号模糊函数的特性就可以了解声呐系统
序列等等 频谱宽度 因此可以时间带宽积为1的限制 时间分辨力取决于带宽，频率分辨力取决于脉宽（=CW 子脉冲） 模糊图是图钉形状，频率分辨力强但是稳健性低，多普 勒容限小，检测的计算量大
33
常用的声呐信号——HFM
Hyperbolic frequency modulated
时间函数 将ln 泰勒展开
性和交叉项问题（对于多分量的非平稳信号， 来自不同分量之间的交叉作用形成交叉项）。
35
短时FT
相当于加窗分段FT。当窗函数 w t 为无穷长矩
形窗，STFT退化为FT。
STFTx t , f x w* t e j 2 f d
窗函数应与信号的平稳长度相适应 过窄的窗会使得临近的频谱混淆，过宽的窗会使得
回波简化为
，多普勒仅考虑频移，对于 多普勒频移
13
模糊函数
echo信号sr和replica信号sT的相关函数为
窄带假设下
为频移。 为信号时延， 信号的时间函数描述了信号的时域特性；信号频谱
描述了信号的频域特性；模糊函数描述了信号的时 频域联合特性。 模糊度函数
14
模糊图&模糊度图
忽略次以上项LFM
瞬时频率 带宽 信号频谱幅度是双曲函数 多普勒不变信号： 由于多普勒系数
当
满足
34
时频分析：分析声呐波形的手段
线形时频变换 模糊函数、STFT（短时Fourier变换）、Wavelet、 Gabor，FRFT； 二次型时频变换 Cohen类时频变换，可以更好的地描述信号的瞬时 功率谱密度。 衡量时频分布性能的两个重要因素：时频聚焦
4
测不准原理源于量子力学
21
常用的声呐信号——CW
Continuous wave
时间函数
频谱函数 模糊函数
22
常用的声呐信号——CW
多普勒和距离的估计精度 以 作为门限 取 的截面
取
，令 ，令
的截面
CW
时延
0.6T 0.3T
频移
0.88/T 0.44/T
距离
450T 225T
成匹配误差。匹配滤波的方法将会在时频平面 上得到一条直线（斜率与调频斜率成正比）， 因此在时延和多普勒都未知的情况下无法得到 准确的结果。 为了解决这个问题，引入雷达信号处理中用到 的对称LFM信号，或者称三角调频
30
正调频 在脉宽T内由低频 负调频 在脉宽T内由高频 总脉宽将变成2T
17
模糊函数与匹配滤波器的关系
匹配滤波器是一种线性滤波器。在白噪声背景
下，对发射信号 s(t) 匹配的滤波器脉冲响应函 数 h(t ) s (t0 t )t 0
其中 t 0为匹配滤波器输出最大瞬时信噪比的时刻。 匹配滤波器对具有时延 0和频移 0的回波sr (t ) 的响应
不同波形的分辨能力不同。 不同波形的处理流程不同。针对不同的信号参数，
如振幅、相位、频谱等，会有不同的处理结果，直 接影响声呐的性能。 因此有必要研究声呐信号的波形特性，从而根据不 同的任务和目的，选择和设计相应的发射信号波形
7
Time spread：多径
Frequency spread：多普勒
多普勒频移等效于一定的时延
，会造成匹
配误差。当
28
示例：多普勒引起的测距误差
LFM信号，T=500ms，B=250Hz，10kHz频率
上，10节的多普勒导致的测距误差是多少？
运动造成的频移 多普勒频移对应的时延 时延对应的距离
29
拓展：LFM距离-速度模糊？
LFM信号的多普勒频移等效于一定的时延而造
信号模糊图 以 ( , ) 绘成的三维图形，表达了相邻目标的模糊程度。 信号模糊度图 信号模糊图的最大值下降到 -3dB处的截面图一般呈椭圆形 ，形象的称之为信号的模糊椭圆或信号的模糊度图，它是 平面上的二维图形。 模糊度图反映了相邻目标距离（时延）和速度（频移）分 辨的能力，也反映了目标距离、速度的测量精度。 截面的大小说明了模糊图曲面的陡峭程度。曲面越陡，则 截面越小，因而相邻目标越易分辨。 需要对目标距离和速度精确测量时，我们只能确切的知道 测量值在模糊度图确定的范围内，而不能以无限精度确定 目标的距离或速度，因而信号的模糊函数又称为信号的不 确定函数。
15
模糊函数的性质
模糊函数与信号频谱的关系
原点对称性 原点取得最大值 时延、频移不变性
16
模糊函数的性质
体积不变性
曲面下总体积取决于信号能量，与信号形式无关。 峰值越尖，峰值包含的能量越小，而曲面基
底包含的能量越大，旁瓣干扰将较大 抗旁瓣干扰能力和信号分辨力互斥。旁瓣干扰较小 时，峰值不可能很尖，意味着信号的分辨能力也不 会太高。
v>0，信号被压缩 v<0，信号被扩展
多普勒造成频率变化 窄带下频率为
12
窄带下多普勒的推导
目标以固定径向速度 v运动，发射s(t)，接收到
的信号为
时延 假如
，对于水下声速1500m/s，v<15m/s
压缩系数 δ=2v/c，包含v造成的多普勒频移信息
窄带条件下
调至高频
调至低频
，
作用 LFM信号如果进行对称匹配，使得前一半和后一半 带来的匹配误差正好可以对消，即可消除耦合效应
31
对称LFM的时频图
32
常用的声呐信号——BPSK
Binary phase shift keying
多个CW脉冲组成，第i个子脉冲
相位取 0 和 pi ，由伪随机序列控制，包括 m 序列， golden
时间混淆 Matlab函数：spectrogram
36
LFM信号的短时FT
1 0.8 0.6 0.4 0.2
500 450 400 350 300
Hz
0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
250 200 150 100 50 0
0
500
1000
1500
2000
2500
0.2
0.4
Angle spread：多径（不同的反射、折射）
8
主动声呐信号的描述方法
时间函数（时域） 窄带信号 频谱函数（频域） 时间信号波形s(t)的傅里叶变换
它是复函数，一般写作
模糊函数 反映了时频联合特性
9
多普勒Doppler
多普勒效应 声呐与目标间的相对运动会使接收的信号波形发生 改变，表现为信号频率的偏移、频带的展宽、脉宽 的变化。 水声中多普勒效应影响远大于空气中雷达、无
速度
0.44λ/T 0.22λ/T
分辨力 测量精 度
23
CW的模糊图
模糊度图
24
常用的声呐信号——LFM
Linear frequency modulated
时间函数，M为调频速率
瞬时频率 模糊函数
25
常用的声呐信号——LFM
多普勒和距离的估计精度 以 作为门限 取 的截面
对于1阶的FRFT，即 / 2，退化为普通的FT 对于-1阶的FRFT，即 / 2，退化为普通的IFT
38
LFM信号在合适阶数的FRFT上形成能量聚集
39
主动声呐方程
噪声背景下
SE: signal excess SL: source level TL: transmission loss TS: target strength NL: background noise level DI: directivity index of the receiver array DT: detection threshold