水声学-声波在目标上的反射和散射4

HEU
14
二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 随方位的变化
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；
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；
表面声道中，以小于临界角发出的声线在声道的某个深 度上反转向海面传播，遇海面又经海面反射向下传播， 如是重复以上过程而得以远距离传播。
天气晴好，同一台声呐在早晨的作用距离远还是下午的作 用距离远，为什么？
早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道， 而下午一般不会形成表面声道。即使不出现表面声道时， 早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早晨的作用距 离远于下午，这就是下午效应。
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。
：深度对潜艇尾流回声有影响。
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
21
二、常见声呐目标的目标强度
鱼雷和水雷目标强度
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
20
二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 随频率的变化
二战期间测量结果表明：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。
：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。
1）当使用指向性声呐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
HEU
16
二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度
提示：多数声呐为收发合置型的，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？
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
8
一、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
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
7
一、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。
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
HEU
15
二、常见声呐目标的目标强度
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：
HEU
17
二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度
随测量距离的变化
在近场（距离小于 r0），回声强度随距离的衰减服 从柱面波规律，即 1 r 。
在远场（距离大于 r0），回声强度随距离的衰减服 从球面波规律，即 1 r 2 。
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，则结果必然是远场测 量值大于近场测量值。
HEU
2
0、第五章小结
邻近海面的水下点源声场 声压振幅随距离的变化特征（近场/远场） 传播损失
表面声道 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 声影区的概念 传播损失（近距离/远距离）
College of Underwater Acoustic Engineering
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： I A / r1 远距离处： I B / r22 过渡距离： A / r0 B / r02 解得：
B Ar0
TS1 10 lg Ar1 / Ii TS2 10 lg Ar0 / Ii
College of Underwater Acoustic Engineering
θ i 到 θi dθi 范围内的入射声功率：
dWi Iidscosθi
ds 2 πa2sinθidθi
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
9
一、目标强度
刚性大球的目标强度 从 θ i 到 θi dθi
入射的声波被限制 在 θ1 到 θ2 的范 围内。
小逐渐变大，直到脉冲长度变为0 2Lsinθ c 后，目标 强度值就不再随脉冲宽度的变化而变化。
：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；正横方向，TS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，脉宽减小效应也不显著。
散射声功率：
2 1 <
o o
>
dWr Ir 2 πr2 sin 2θi 2 dθi
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
10
一、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：
dWi dWr 刚性大球的目标强度：
Ir Ii
a2 4r2
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
5
一、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 研究声呐目标回波特性的意义 A）主动声呐目标检测和识别的依据 B）对声呐设备的设计和应用有重要意义
：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 r L2 λ 。
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
18
二、常见声呐目标的目标强度
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
HEU
23
二、常见声呐目标的目标强度
鱼雷和水雷目标强度 正横方位上圆柱形物体的目标强度： TS 10 lg aL2 2λ 举例：若 a 0.2m ，L 1.5m ，λ 0.03m ，可得目标强度 值 TS 9dB 。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。 ：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。
HEU
3
0、第五章小结
深海负梯度 声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念
深海负跃层 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） 虚源法
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
4
0、第五章测试
画出表面声道声速分布和典型声线，应用射线理论解释声 波在表面声道中远距离传播的原因。
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
6
一、目标强度
目标强度概念
物理意义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大小
定义：
TS 10lg Ir Ii r1
Incident
C
Target
1m
Ir
Echo
： r 1 表示距离目标声中心1米； 目标声中心为假想的点； 目标声中心不一定等同几何中心。
HEU
27
THE END
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
28
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
25
二、常见声呐目标的目标强度
鱼目标强度 单个鱼体的研究
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
TS 10lg Ir 10lg a2
Ii r1
4
：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。 尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导。
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
11
二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？
18艘潜艇正横方 向目标强度直方图
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
13
二、常见声呐目标的目标强度
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。
College of Underwater Acoustic Engineering