声纳方程

回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声纳回
声级超过噪声掩蔽级的数量 优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声纳，该量 规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当 TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失
1.5 声纳方程的应用
声纳方程应用
• 声纳设备性能预报：已知设备特点和若干参数，对其 声纳设备性能预报 它声纳参数进行估计，如估计优质因数；
1.5 声纳方程的应用 Range ???
• 根据FOM 可以预报声纳作用距离. 根据FOM 可以预报声纳作用距离 作用距离. 越大， – FOM 越高, 允许的信号传播损失 越大，则声纳作用距离 越远. • 检测概率
– 被动声纳 • 如果 FOM > TL 则 检测概率> 50% 检测概率> • 如果 FOM < TL 则 检测概率< 50% 检测概率< – 主动声纳 • 如果 FOM > 2TL 则 检测概率 > 50% • 如果 FOM < 2TL 则 检测概率< 50% 检测概率<
1.1 声纳及其工作方式
主动声纳信息流程： 主动声纳信息流程
1.1 声纳及其工作方式
被动声纳（噪音声纳站）信息流程 被动声纳（噪音声纳站）信息流程：
1.1 声纳及其工作方式
主、被动声纳信息流 程有何区别？ 程有何区别？
1.1 声纳及其工作方式
主、被动声纳工作信息流程基本组成？ 被动声纳工作信息流程基本组成？ 1. 海水介质 2. 被探测目标 3. 声纳设备 声纳工作信息流程三个基本环节
设备，其处理能力强，性能也好。 强 好
1.2 声纳参数
总结
从能量角度描述了海水介质、声纳目标和声纳设 备的特性和效应。
SL RL DT DIR
TL TL NL
TS
1.3 声纳方程
声纳方程
1.将海水介质、声纳目标和声纳设备作用联系在一起； 2.将信号与噪声相联系； 3.综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的 设计和应用所产生影响的关系式。
注意：换能器声轴指向？
1.3 声纳方程
主动声纳方程
处理器处电信号信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）
主动声纳方程（噪声背景）：
（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT
注意：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，
往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干 扰为各向同性的环境噪声情况。
物理含义：接收系统抑制背景噪声的能力。 注意：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水
听器的灵敏度。
1.2 声纳参数
接收指向性指数DI 接收指向性指数DIR
假设：
1.水听器灵敏度为单位值； 2.噪声场为各向同性，单位立体角内的噪声功率为Ii。
无指向性水听器产生的均方电压为：
RN = m ∫ I i dΩ = 4πmI i
1.6 声纳方程的限制
声纳方程瞬态形式
近似处理：时间T内对声波能流密度E求平均而得声强
I=E T
E = ∫ pudt
0
∞
注意：对于长脉冲声纳，T为发射脉冲宽度，回波脉 冲宽度也近似等于此值；对于短脉冲声纳，T一般不 确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。
1.6 声纳方程的限制
声纳方程瞬态形式
短脉冲声纳方程（R. J. Urick）：
1.3 声纳方程
主动声纳方程
主动声纳方程（混响背景）：
（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT （SL-2TL+TS）-RL＝） DT
1.3 声纳方程
被动声纳方程
• 噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器； • 噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS； • 背景干扰为环境噪声。
1.3 声纳方程
Q
r =1
C 目 标 P Ir
1m
常识：1. 不同目标回波不一样；
2. 回波与入射波特性和目标特性有关。
1.2 声纳参数
海洋环境噪声级NL 海洋环境噪声级NL
海洋环境噪声：由海洋中大量的各种各样的噪声源
发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰 背景干扰。 背景干扰 NL是度量环境噪声强弱的量 ：
声纳方程瞬态形式
长脉冲：
τe ≈τ0
SL = SL′
短脉冲 ：
τe > τ0
SL < SL′
1.7 声纳方程及声纳参数确定
声纳方程背景干扰类型确定
根据声纳适用场合，画出回声级、混响掩蔽级和 噪声掩蔽级随距离的变化曲线，并由此合理地选用声 纳方程。
1.7 声纳方程及声纳参数确定
回声级、 回声级、噪声级和混响级与距离的关系
4π
1.2 声纳参数
接收指向性指数DI 接收指向性指数DIR
指向性水听器产生的均方电压为：
RD = m ∫ I i b(θ , ϕ )dΩ = mI i ∫ b(θ , ϕ )dΩ
4π 4π
b(θ , ϕ ) 是归一化的声束图函数。
1.2 声纳参数
接收指向性指数DI 接收指向性指数DIR
RN 4π DI R = 10 lg = 10 lg b(θ , ϕ )dΩ RD ∫4π
• 声纳设备设计：预先规定设备职能及各项战术技术指 声纳设备设计
标，根据声纳方程综合评价各参数的影响，对参数合 理选取和设备最佳设计，例如工作频率的选取—DI、 TL。
1.5 声纳方程的应用 Figure of Merit (FOM)
• 定义
– 被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最 被动声纳允许的最大单程传播损失； 大双程传播损失. 大双程传播损失. – 令 TL 或2TL = FOM, 则可知允许的水声信号传播损失. 则可知允许的水声信号传播损失. • 被动声纳 – FOMP = SL – NL + DI – DT • 主动声纳 – FOMA = SL + TS – RL – DT – FOMA = SL + TS – NL + DI – DT (混响背景 (混响背景) 混响背景) (噪声背景 (噪声背景) 噪声背景)
1.2 声纳参数
什么叫声纳参数？ 什么叫声纳参数？ 将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数。
阐述声纳参数定义、物理意义 推导声纳方程
1.2 声纳参数
主动声纳
声源级SL 声源级SL 指向性指数DI 指向性指数DIT 传播损失TL 传播损失TL 目标强度TS 目标强度TS 传播损失TL 传播损失TL 指向性指数DI 指向性指数DIR 噪声级NL 噪声级NL 等效平面波混响级RL 等效平面波混响级RL 检测阈DT 检测阈DT
IN NL = 10 lg I0
注意：IN是测量带宽内 测量带宽内或1Hz频带内 频带内的噪声强度。 测量带宽内 频带内
1.2 声纳参数
主动声纳背景干扰
环境噪声 混 响 平稳的、各向同性的 非平稳的、非各向同性的
1.2 声纳参数
等效平面波混响级RL 等效平面波混响级RL
定量描述混响干扰的强弱。
定义：强度已知的平面波轴向 轴向入射到水听器上，水 轴向
1.2 声纳参数
被动Leabharlann Baidu纳
声源级SL 声源级SL 传播损失TL 传播损失TL 指向性指数DI 指向性指数DIR 噪声级NL 噪声级NL 检测阈DT 检测阈DT
1.2 声纳参数
声源级SL 声源级SL
描述主动声纳所发射声信号的强弱：
I SL = 10 lg I0
r =1
SL反映发射器辐射声功率大小。
1.2 声纳参数
1.6 声纳方程的限制
声纳方程瞬态形式
声纳方程是用声强度来描述的，而声强度是声能流 在某一时间间隔内的平均值：
1 I= T
∫
T
0
pudt
注意：当声源发射声信号是很短的脉冲信号，由于介 介 目标反射的物理效应，接收到回声信 质的传播效应、目标反射的物理效应 质的传播效应 目标反射的物理效应 号波形会产生严重畸变，上式平均值会得到不确定的 结果，上式不再适用。
1.2 声纳参数
声源级与声功率的关系
假设： 1. 介质无声吸收； 2. 声源为点源； 3. 辐射声功率为Pa(W)
I r =1 = Pa 4π W m 2
(
)
无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL = 10 lg Pa + 170.77
有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL = 10 lg Pa + 170.77 + DI T
1.3 声纳方程
基本考虑
1.声纳方程基本原则：信号级-背景干扰级 1.声纳方程基本原则： 声纳方程基本原则 检测阈
2.背景干扰级含义：设备工作带宽内部分背景噪声才起 2.背景干扰级含义： 背景干扰级含义 干扰作用。
1.3 声纳方程
主动声纳方程
信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS 背景干扰级：NL-DI
注意：参数DIR只对各向同性噪声场中的平面
波信号（是完全相关信号）有意义；否则需用 阵增益来代替DIR。
1.2 声纳参数
接收指向性指数DI 接收指向性指数DIR
阵增益：
S (θ , ϕ )b (θ , ϕ ) d Ω ∫4π AG = 10 lg ∫4π S (θ , ϕ )d Ω N (θ , ϕ )b (θ , ϕ ) d Ω ∫4π ∫4π N (θ , ϕ )d Ω
1.2 声纳参数
接收指向性指数DI 接收指向性指数DIR
简单几何形状换能器阵增益：
1.2 声纳参数
检测阈DT 检测阈DT
定义：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的
信噪比值(SNR SNR)。 SNR
刚好完成某种职能时的 信号功率 DT = 10 lg 水听器输出端上的噪声 功率
注意：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低 较低的 较低
SL = 10 lg E − 10 lg τ e
回声脉冲宽度：
τe = τ0 +τt +τm
1.6 声纳方程的限制
声纳方程瞬态形式
脉冲能流密度是平均声强与其脉冲宽度的乘积 ：
10 lg E = SL′ + 10 lg τ 0
等效声源级 ：
SL = SL′ + 10 lg τ 0 τ e
1.6 声纳方程的限制
听器输出电压值；将水听器移置于混响场中，声轴指 声轴指 向目标，水听器输出电压值。 向目标
水听器输出端混响功率 RL = 10 lg 参考声强信号产生的功率
1.2 声纳参数
接收指向性指数DI 接收指向性指数DIR
定义：
无指向性水听器产生的 噪声功率 DI R = 10 lg 指向性水听器产生的噪 声功率
常识：船用声纳 Pa为几百瓦～几千瓦，DIT为10～30dB， SL约为210～240dB。
1.2 声纳参数
传播损失TL 传播损失TL
定量描述声波传播一定距离后声强度的衰 减变化：
I1 TL = 10 lg Ir
1.2 声纳参数
目标强度TS 目标强度TS
定量描述目标反射本领的大小 ：
Ir TS = 10 lg Ii
• 根据水声传播理论可以预报水声传播损失 根据水声传播理论可以预报水声传播损失
1.5 声纳方程的应用 Prop Loss Curve
Max Range DP Max Range BB FOM = 70 dB
1.5 声纳方程的应用 Prop Loss Curve
Max Range DP Max Range CZ FOM = 90 dB
被动声纳方程
（SL-TL）-（NL-DI）＝DT
注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。 被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？ 被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？
1.4 组合声纳参数
回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器 品质因数：SL-（NL-DI）声纳接收换能器测得的声
上的回声信号的声级 源级与噪声级之差 噪声掩蔽级：NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声纳 设备正常工作所需的最低信号级 混响掩蔽级：RL+DT工作在混响干扰中的声纳设备 正常工作所需的最低信号级
如何提高主动声纳作用距离？ 如何提高主动声纳作用距离？
解释原因：它可以提高辐射 信号的强度，相应也提高回 声信号强度，增加接收信号 的信噪比，从而增加声纳的 作用距离。
1.2 声纳参数
发射指向性指数DI 发射指向性指数DIT
ID DI T = 10 lg I ND
物理含义： 1. 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指 向性发射器辐射声场声级的分贝数； 2. DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利 于增加声纳的作用距离。
第一章 声纳及声纳方程
1.1 声纳及其工作方式
什么叫声纳？ 什么叫声纳？ Sonar—SOund NAvigation Sonar—SOund NAvigation and Ranging 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和 通讯的系统。
1.1 声纳及其工作方式
声纳分类 按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳