水声学第六章 声波在目标上的反射和散射
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第六章 声波在目标上的反 射和散射
本章主要内容
目标强度（重点）
目标强度概念 刚性大球的目标强度
常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）
潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度
2020/6/27
4
本章主要内容
目标强度的实验测量（重点）
比较法测量目标强度 直接法测量目标强度 应答器法 实验室测量
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。
提示：多数声纳为收发合置型的，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？ 为什么？
2020/6/27
19
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随测量距离的变化
1）在近场（距离小于 r 0），回声强度随距离的衰 减服从柱面波规律，即 1 r 。
2）在远场（距离大于 r 0），回声强度随距离的衰 减服从球面波规律，即 1 r 2。
3）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 是远距离测量值大于近距离测量值。
2020/6/27
17
常见声纳目标的目标强度的一般特征
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： 1）当使用指向性声纳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？
2020/6/27
18
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
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
T1S1l0gA1/rIi
T2S1l0gA0/rIi
2020/6/27
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。
潜艇目标 强度随方 位的变化
2020/6/27
16
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随方位的变化 1）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； 2）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； 3）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； 4）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。
2020/6/27
8
目标强度
目标强度概念 定义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大 小，其定义为
TS 10lg Ir Ii r1
式中， I i 为入射声波强度； I r 为离目标声中心1米处的回声强度。
2020/6/27
9
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。
常见声纳目标的目标强度（了解） 简单几何形状物体的目标强度（了解）
2020/6/27
5
本章主要内容
目标回波（重点）
回波信号的形成 回波信号的一般特征
刚性球体的散射声场（了解）
刚性不动球体的声散射 刚性不动微小球粒子对平面波的散射
声波在弹性物体上的散射（了解）
平面声波在弹性球体上的散射 弹性物体散射声场的一般特征
10
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
θ i 到 θidθi 范围内的入射声功率：
dW i Iidscθoi s d s2Leabharlann Baidu2a siθn idθi
2020/6/27
11
2020/6/27
21
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随脉冲宽度的变化
1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面 积相应增大；
2020/6/27
正横方向
14
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度 和测量距离等因素有关。 测试艇：柴油动力潜艇 时间：二战前后。 正横方向：12～40dB， 平均值25dB
18艘潜艇正横方 向目标强度直方图
2020/6/27
15
常见声纳目标的目标强度的一般特征
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 θ 1 到 θ 2 的范 围内。
2 1 <
o o
散射声功率：
drW Ir2 π2 s r2 iθ n i2 d θ i
2020/6/27
12
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
求得
Ir a2 Ii 4 r2
刚性大球的目标强度：
TS10lgIr 10lga2
Ii r1
4
结论：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。 提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导
2020/6/27
13
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？
艇 首
2020/6/27
6
本章主要内容
壳体目标上的回波信号（了解）
稳态回波信号 短脉冲入射时的回声信号
用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）
赫姆霍兹积分解 菲涅尔半波带近似法
2020/6/27
7
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、海底等 研究声纳目标回波特性的意义 A）主动声纳目标检测和识别的依据 B）对声纳设备的设计和应用有重要意义
提示：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 。
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20
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随脉冲宽度的变化
t B
t2
A
t
t1
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：
BDc 2 AB sinc 2 2Lsin /c
本章主要内容
目标强度（重点）
目标强度概念 刚性大球的目标强度
常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）
潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度
2020/6/27
4
本章主要内容
目标强度的实验测量（重点）
比较法测量目标强度 直接法测量目标强度 应答器法 实验室测量
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。
提示：多数声纳为收发合置型的，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？ 为什么？
2020/6/27
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随测量距离的变化
1）在近场（距离小于 r 0），回声强度随距离的衰 减服从柱面波规律，即 1 r 。
2）在远场（距离大于 r 0），回声强度随距离的衰 减服从球面波规律，即 1 r 2。
3）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 是远距离测量值大于近距离测量值。
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
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： 1）当使用指向性声纳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？
2020/6/27
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
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
T1S1l0gA1/rIi
T2S1l0gA0/rIi
2020/6/27
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。
潜艇目标 强度随方 位的变化
2020/6/27
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随方位的变化 1）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； 2）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； 3）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； 4）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。
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目标强度
目标强度概念 定义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大 小，其定义为
TS 10lg Ir Ii r1
式中， I i 为入射声波强度； I r 为离目标声中心1米处的回声强度。
2020/6/27
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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。
常见声纳目标的目标强度（了解） 简单几何形状物体的目标强度（了解）
2020/6/27
5
本章主要内容
目标回波（重点）
回波信号的形成 回波信号的一般特征
刚性球体的散射声场（了解）
刚性不动球体的声散射 刚性不动微小球粒子对平面波的散射
声波在弹性物体上的散射（了解）
平面声波在弹性球体上的散射 弹性物体散射声场的一般特征
10
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
θ i 到 θidθi 范围内的入射声功率：
dW i Iidscθoi s d s2Leabharlann Baidu2a siθn idθi
2020/6/27
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随脉冲宽度的变化
1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面 积相应增大；
2020/6/27
正横方向
14
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度 和测量距离等因素有关。 测试艇：柴油动力潜艇 时间：二战前后。 正横方向：12～40dB， 平均值25dB
18艘潜艇正横方 向目标强度直方图
2020/6/27
15
常见声纳目标的目标强度的一般特征
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 θ 1 到 θ 2 的范 围内。
2 1 <
o o
散射声功率：
drW Ir2 π2 s r2 iθ n i2 d θ i
2020/6/27
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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
求得
Ir a2 Ii 4 r2
刚性大球的目标强度：
TS10lgIr 10lga2
Ii r1
4
结论：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。 提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导
2020/6/27
13
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？
艇 首
2020/6/27
6
本章主要内容
壳体目标上的回波信号（了解）
稳态回波信号 短脉冲入射时的回声信号
用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）
赫姆霍兹积分解 菲涅尔半波带近似法
2020/6/27
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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、海底等 研究声纳目标回波特性的意义 A）主动声纳目标检测和识别的依据 B）对声纳设备的设计和应用有重要意义
提示：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 。
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随脉冲宽度的变化
t B
t2
A
t
t1
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：
BDc 2 AB sinc 2 2Lsin /c