第三章 信、干扰与目标特性

第三章 信道、干扰与目标特性3.1 水声信道特性3.1.1 稳定单途信道－自由空间的传播在理想介质自由空间中，信号传输过程如果用一网络来表示，则其脉冲响应为()()0τ-τδ=τh （3.1.1）而传输函数为()0ωτ-=ωe H （3.1.2）式中0τ为发射点至接收点的传播时间。

在实际海洋中，由于各个频率的吸收系数不同，高频衰减比低频衰减要大的多，传输函数的模()ωH 不在等于1，而是随着频率的增高而衰减，这时脉冲响应也不在是δ脉冲，而是有一定宽度的，其展宽程度与距离等因素有关。

3.1.2 稳定多途信道－海底、海面反射以及声速梯度引起折射产生的影响实际海洋不可能是一个自由空间，它存在着海面和海底两个界面。

由于温度、盐度和静压力的影响，海洋中不同深度声速是不同的，存在着声速垂直分布，这就会使声波产生折射。

上下边界的反射和在水中的折射使得实际海洋信道不是单途径信道而是多途径信道。

如果我们把海洋看成是一个具有平滑的上下边界的分层不均匀介质，声波在其中传播将产生稳定的多途信号。

在已知声速－深度分布曲线时，可用射线理论或简正波理论来预测多途结构。

图3.1.1分别给出相应的多途信号的理论预测图和实际图。

图3.1.1 多途信号的理论预测图和实际图图3.1.2 a 给出存在跃层时浅海传播的多途结构；b 给出相应的多途信号。

图中给出了声源和接收点同在跃层上和分别在跃层上下的两种情况。

图3.1.2 ( a) 存在跃层时浅海传播的多途结构(b) 相应的多途信号稳定多途信号用网络来表示时，其脉冲响应可用如下形式来表示：()()∑=τ-τδ=τh i （3.1.3）式中i τ为各个途径信号的时延值。

传输函数为()e A H ωτ-=∑=ω （3.1.4）由于多途信号间的干涉，()ωH 随频率变化有起伏。

3.1.3 时空变信道(1) 随机时变信道－随机起伏海面、粗糙海底、不均匀介质产生的影响由于海面是随机起伏，海底是粗糙不平的，海水存在着宏观的分层不均匀，微观的随温度起伏、湍流、涡流、内波等因素的影响，使得多途信道不是稳定的而是随机时变的，这时脉冲响应函数应该是时间的随机函数。

一个实际信道的脉冲响应可表示为)(())(t h h t h ,~,0τττ+= （3.1.5）相应的传输函数为)(())(t H H t H ,~,0ωωω+= （3.1.6） 式中()ω0H 为传输函数的稳定部分；)(t H ,~ω为传输函数的随机时变部分，其均值为零。

它的特性可用其协方差函数来表征，即 ())(()t t H t H t t ∆+∆+•=∆∆Γ*,~,~,,,ωωωωω （3.1.7）式中Γ称为时频相干函数。

若信道满足广义平稳非相关散射条件，即把信道传播过程看作散射过程时，不同时延和不同频移的散射信号间不相关时，Γ仅与ω∆，t ∆有关，则时频相干函数可写成（t ,∆ω∆）形式。

如将∆ω∆,t 仍用ω，t 表示，并对作傅立叶变换可得：()()dt d e e t ,,R ωωΓ=ϕτϕ-ωτ-⎰⎰ （3.1.8）式中称为R s 散射函数。

散射函数在τ轴上投影)(τs R （也称时间弥散函数）表征了信号随机起伏部分能量沿τ轴弥散分布的情况。

散射函数在ϕ轴（多普勒频移）上的投影)(ϕs R 表征了由于信道的随机时变性而产生的多普勒频移在频率轴上的分布情况。

(2) 随机时空变信道－广义散射函数在讨论传感器阵信号的时空最佳处理时，还需要考虑到随机信道引起的入射角度的弥散，这就要求把随机时变信道讨论推广到空间维得到广义散射函数。

水声信道（z 轴代表深度，信号沿x 方向传播）的传输函数可表示为()()()z y x t H H z y x t H ,,,,~,,,,0ωωω+= （3.1.9）()()z y x t H H ,,,,ω=ω （3.1.10）()22020~/H H H +=γ （3.1.11）其中γ称为相干度。

相干度与观察时间的长度和观察空间的大小有关，时间愈长，空间愈大，相干度就愈低。

这是因为随着时间增长，空间范围扩大，影响传输函数H 变化的因素将愈多。

随机部分H ~的增长将导致相干度下降。

可定义时频空间相干函数()z y x t ,,,,ωΓ的傅立叶变换为广义散射函数()jvy jux t j j s e e e e z y x t w v u R ----⎰⎰⎰⎰⎰Γ=ϕωτωϕτ,,,,),,,,(dtdxdydz d e jwz ω-• （3.1.12）式中τ表示时延；ϕ表示频移；u ，v ，w 为空间频率。

广义散射函数的物理意义可作如下解释：设信道的输入为来自一点源的信号，其模糊度函数具有极高的时频分辨率，而接收机由一尖锐指向性的基阵后接高分辨率的时－频处理器构成。

接收机可测量τ,ϕ,y x θθ,（入射波与X 、Y 轴的夹角）四个参数，其输出构成一个四维显示空间。

对理想单途径信号，在四维显示空间中得到一个点。

在稳定多途信道中将显示多个点，每个点对应一个途径。

这部分用平均扩展函数来表示。

而信道的随机时变部分会在显示器中产生一些“云”。

广义散射函数用来表示这些“云”在四维显示空间中的分布。

3.2 噪声干扰特性3.2.1 海洋环境噪声3.2.1.1 概述粗略的讲，环境噪声就是海洋本身的噪声。

它是用指向性水听器测量到的海洋总噪声背景中的一部分。

它既不是由于水听器及其固有安装方式引起的自噪声，也不是某些局部的可辨别的噪声源产生的噪声，它是除去所有可分辨的噪声源后所剩下的那一部分。

就我们所讨论的来说，环境噪声（ambient noise ）是指那些由周围所有方向传到水听器处的噪声，尽管来自各个方向的噪声各有差异，是各向异性的。

环境噪声级，是指无指向性水听器测得的环境噪声的声强（以分贝表示），参考级是具有均方根声压等于一微帕的平面波声强。

虽然它们实际上是在不同带宽中测得的，但常常把所测得的噪声级折算成1赫带宽的值，并称为环境噪声谱级。

3.2.1.2 深海环境噪声深海环境噪声在不同频率上有不同的特性，随着环境条件例如风速等的变化，在谱的不同部分具有不同的频谱斜率和不同的特征。

因此，噪声必然是由于各种源的组合产生的。

在谱的任何一个区域，这些源中的一个或几个超过其他源而占主要地位。

我们已了解的主要噪声源有：潮汐以及波浪的水静压力效应、地震扰动、海洋湍流、波浪非线性互作用、行船、海面波浪、热噪声等。

图3.2.1是可能观测到的深海环境噪声谱的一个例子。

谱由不同斜率的几部分组成，这几部分在不同的条件下有不同的特征。

如上所述，由于整个频带内噪声源是多重性的，谱也是复杂的。

谱的各频段或区间是可辨的，并与上述的主要噪声源相对应。

图3.2.1 深海噪声谱举例，有五个斜率不同的频段，斜率以分贝/倍频程表示3.2.1.3 浅海环境噪声与比较确定的深海环境噪声情形相反，在近海、海湾和港口，环境噪声的变化很大。

在浅海中，某一频率下的背景噪声系由三类不同形式的噪声混合而成：（1）行船及工业噪声；（2）风成噪声；（3）生物噪声。

在一个特定的时间和地点，噪声级取决于这些源的混合情况。

因这种混合情况随时间、地点而变，所以噪声级也就表现时时处处有显著的变化性。

相对于深海环境噪声级的一定的准确度，海湾、港口和沿海等浅海处的环境噪声级的数据很离散，几乎无法预报。

3.2.1.4环境噪声的间歇源所谓间歇源指的不是持续数小时或数天，而仅是暂时存在的噪声源。

它包括生物发声、20周脉冲（鲸）、雨、爆炸、地震和火山活动等。

3.2.2 混响3.2.2.1 概述海洋本身和其界面包含着许多不同类型的不均匀性，这些不均匀性形成介质物理上的不连续性，因而就阻挡照射到它们上面的一部分声能，并把这部分声能再辐射回去，这种声的再辐射称为散射，而来自所有散射体的散射成分的总和称为混响。

海中产生混响的散射体有三种根本不同的类别。

一种散射体存在于海水本身或体积之中，它引起体积混响。

海面混响是由位于海面上或海面附近的散射体产生的，而海底混响是由位于海底上或海底附近的散射体所引起的。

后面两种混响，由于散射体的分布是二维的，在分析上可以一起作为界面混响来考虑。

散射强度表征混响的一个基本比值。

它等于在参考距离1米处被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度的比值，这个比值以分贝为单位。

以I scat表示单位面积或单位体积所散射的声强度，这一强度是在远场测得后折算到单位距离处的，以I inc表示入射平面波的强度，则散射强度的定义为S s,v=10log(I scat/I inc)对体积混响和界面混响而言，散射强度这个参数的概念可分别以图3.2.1来说明。

散射的方向是指向声源。

对S来讲，它的参考点在相反方向上离单位体积或面积1米处的P 点。

图3.2.1 体积散射和界面散射时，散射强度的定义3.2.2.2体积混响理论我们用RL表示等效平面波的混响级。

这个级是轴向入射平面波在水听器输出端产生的电压，这个电压应与该水听器接收混响时产生的电压相同。

现将等效平面波的混响级RL定义为轴向平面波的入射强度（以分贝为单位），此平面波引起的水听器输出与所研究的混响相同，有：RL=10log( (I0/r4) s v ∫bb’ dV ) （3.2.1）其中I0为单位距离处的轴向强度，b表示发射器的指向性图，dV为在此方向上离开r 处的散射体的体积，s v是距产生散射的单位体积1米处的反向散射强度与入射声波强度的比值。

3.2.2.3界面混响理论界面混响系指散射体不分布在体积中，而分布在几乎很平的界面上时所产生的混响，最显著的散射界面是海面和海底。

界面混响的等效平面波的表达式为：RL s=10log( (I0/r4) s s ∫bb’ dA ) （3.2.2）式中dA是散射界面的面元，其他各项的含义与（3.2.1）式中相同。

3.3 目标特性3.3.1目标辐射噪声特性3.3.1.1 目标辐射噪声的平均功率谱舰船辐射噪声的平均功率谱是由连续分布的宽带噪声谱和在若干个离散频率上的窄带分量—线状谱构成。

舰船噪声的宽带连续噪声谱分量主要由螺旋桨噪声和机械噪声两部分构成。

螺旋桨噪声是由于螺旋桨旋转产生空化造成的。

螺旋桨叶片在水中转动时在叶尖和叶片面上会产生低压和负压区。

随着转速的增加，负压增大到一定限度时，水就会自然破裂产生小气泡形式的空穴，稍后这些气泡破裂产生宽带声脉冲，大量这种气泡破裂声就形成螺旋桨噪声。

这是舰艇噪声宽带连续谱的高频端的主要成份。

螺旋桨空化可分为叶尖涡流空化和叶片表面空化两类。

前者时螺旋桨空化噪声的主要噪声源。

螺旋桨空化噪声的功率谱在高频以6分贝/倍频程斜率下降，在低频功率谱曲线有正斜率，因此存在一个峰值。

在低速度时，螺旋桨并未空化，主要的噪声源是机械噪声，能产生宽带连续谱的噪声源有：泵、管道、阀门中流体的空化，湍流和凝气器排气产生的噪声。