第1章声纳及声纳方程

′ Rn < Rr
′ R < Rn
作用距离受噪声限制（噪声掩蔽级II），选噪声声纳方程
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？ Sonar—SOund NAvigation and Ranging SO NA 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
1.1 声纳及其工作方式
主动声纳信息流程：
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，检测阈值较低的 较低
设备，其处理能力强，性能也好。
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。
1.2 声纳参数
主动声纳
声源级SL 指向性指数DIT 传播损失TL 目标强度TS 传播损失TL 指向性指数DIR 噪声级NL 等效平面波混响级RL 检测阈DT
1.2 声纳参数
被动声纳
声源级SL 传播损失TL 指向性指数DIR 噪声级NL 检测阈DT
1.2 声纳参数
声源级SL
描述主动声纳所发射声信号的强弱：
注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。
1.4 组合声纳参数 品质因数：SL-（NL-DI）声纳接收换能器测得的声源级与噪 声级之差 回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器上的回声信 号的声级 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 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
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、噪声级和混响级与距离的关系
• 随距离衰减规律 • 回声曲线随距离下降比混响 掩蔽级曲线要快
Rr < Rn
R < Rr
作用距离受混响限制（噪声掩蔽级I），选混响声纳方程
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 它声纳参数进行估计，如估计优质因数；
• 声纳设备设计：预先规定设备职能及各项战术技术指
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。
1.7 声纳方程及声纳参数确定
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。
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
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。
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入射到水听器上，水
听器输出电压值；将水听器移置于混响场中，声轴指 向目标，混响声作用下，水听器输出电压值。
⎛ I ⎞ RL = 10 lg⎜ ⎟ ⎜I ⎟ ⎝ 0⎠
式中：I是平面波强度。
1.2 声纳参数
接收指向性指数DIR
定义：
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）-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
被动声纳方程
（SL-TL）-（NL-DI）＝DT
(
)
无指向性Байду номын сангаас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
常识：船用声纳 Pa为几百瓦～几十千瓦，DIT为10～30dB， SL约为210～240dB。
1.2 声纳参数
传播损失TL
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。 NL是度量环境噪声强弱的量 ：
IN NL = 10 lg I0
注意：IN是测量带宽内或1Hz频带内的噪声强度。
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
接收指向性指数DIR
⎛ ⎞ RN 4π ⎜ ⎟ DI R = 10 lg = 10 lg ⎜ b(θ , ϕ )dΩ ⎟ RD ⎝ ∫4π ⎠
1.2 声纳参数
接收指向性指数DIR
简单几何形状换能器：
1.2 声纳参数
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
无指向性水听器产生的均方电压为：
RN = m ∫ I i dΩ = 4πmI i
4π
1.2 声纳参数
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
4π
= mI i ∫ b(θ , ϕ )dΩ
4π
b(θ , ϕ ) 是归一化的声束图函数。
1.2 声纳参数
1.1 声纳及其工作方式
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
1.2 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
I SL = 10 lg I0
I0=1微帕
r =1
SL反映发射器辐射声功率大小。
1.2 声纳参数
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DIT
ID DI T = 10 lg I ND
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
定量描述目标反射本领的大小 ：
Ir TS = 10 lg Ii
Q
r =1
C 目 标 Ir
1m
P
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
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
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。