水声学第六章 声波在目标上的反射和散射
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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； 2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐 渐变大，直到脉冲长度变为 0 2 L sin θ c 后，目标 强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。 提示：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；但在正横方向上目标强度随脉冲 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，该效应也不显著（脉宽减小效应）。ຫໍສະໝຸດ 222019/1/22
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随频率的变化 二战期间，人们曾用12、24和60千赫的频率 进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强 度的频率响应，但测量结果表明：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。 提示：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。 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。 提示：深度对潜艇尾流回声有影响。
1）正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射
2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。
2019/1/22
25
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
正横方位上圆柱形物体的目标强度：
aL2 T S 10 lg 2λ
式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， λ 是声波波长 举例：若 a 0.2 m ， L 1.5 m ，λ 0.03 m，可得目标 强度值 TS 9 dB 。该值与水雷正横方向上的测量值 基本相符。 提示：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。
dWi dWr
求得
Ir a2 2 Ii 4 r
刚性大球的目标强度：
Ir T S 10lg Ii a2 10lg 4 r 1
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
2019/1/22 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？
概念 对声传播的影响 传播损失与距离的关系（近/中等/远距离） 虚源表示的基本思想
深海负梯度
深海负跃层
均匀浅海声场
2019/1/22
3
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 潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度
常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）
2019/1/22
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
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）
2019/1/22
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 刚性不动球体的声散射 刚性不动微小球粒子对平面波的散射 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
20
2019/1/22
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
B
t2
t
A
t1
t
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：
BD c 2
2019/1/22
AB sin c 2
2 L sin / c
目标强度的实验测量
比较法 目标强度的计算 A 设参考目标的目标强 度值为TS0，待测目标的 目标强度值为TS： A Ir T S 10lg T S0 I0 式中， I 0 为参考目标回声强度； I r 为待测目标回声强度。
B
I0 B Ir
Ii
参考 目标 待测 目标
Ii
2019/1/22
2019/1/22
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
TS1 10lg Ar 1 / Ii TS2 10lg Ar0 / I i
2
2019/1/22 11
目标强度
刚性大球的目标强度
入射的声波被限制
在 θ 1 到 θ 2 的范 围内。 散射声功率：
2
o
o
1
dWr Ir 2 πr sin 2 θi 2 dθi
2
2019/1/22 12
> <
从 θ i 到 θ i dθ i
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：
2019/1/22
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼目标强度 单个鱼体的研究 3）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 大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN， 其中TS是单个鱼体目标强度值。
31
目标强度的实验测量
比较法 适用范围 适用于短距离下小物体的测量。 优缺点 优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。 缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的 大小和结构要保证其目标强度近似理想几何物体 目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前 后两次测量条件相同。
2019/1/22
15
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 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
2019/1/22
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。
2019/1/22
29
目标强度的实验测量
测量原理 根据目标强度的定义：
Ir T S 10lg Ii
r 1
计算入射声强度和回声强度 比较法 测量原理 利用已知目标强度的参考目标，在相同的 测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强 度，比较它们的回声强度即可。
30
2019/1/22
2019/1/22 26
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼目标强度
鱼是探鱼声纳的目标
单个鱼体的研究 英国Cushing（1963年）等人的研究结果:
1）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼， 安装薄膜塑料人工鱼鳔。
2）实验条件：声波频率30kHz，声束由上向下垂直 照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。
32
目标强度的实验测量
直接法 测量原理图 A为收发合置换能器（为讨论方便而假定）， 它是指向性声源，声轴指向待测目标； B为被测目标；距离r应满足远场条件。
A
B
2019/1/22
33
目标强度的实验测量
直接法 目标强度的计算 水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS
回声级的定义：
6
刚性球体的散射声场（了解）
声波在弹性物体上的散射（了解）
2019/1/22
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 赫姆霍兹积分解 菲涅尔半波带近似法
用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）
2019/1/22
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
2019/1/22
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 r0 ），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 r0 ），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。 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 。
艇 首
正横方向
2019/1/22 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
2019/1/22
2019/1/22
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
Ir T S 10lg Ii
r 1
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。
2019/1/22
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。 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？
2019/1/22
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？
23
2019/1/22
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
2019/1/22
24
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
形状：带平头或圆头的圆柱体
尺度：长度1米至数米，直径0.3米至1米 两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上 安装有翼及凹凸不平处。 目标强度的特点
第六章 声波在目标上的反 射和散射
第五章知识要点
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） 深海声道特征
2
表面声道
深海声道
2019/1/22
声影区的概念 传播损失（近距离/远距离） 声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念
10
2019/1/22
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 θ i dθ i 范围内的入射声功率：
dWi Ii dscosθi
ds 2 πa sinθi dθi
28
2019/1/22
目标强度的实验测量
测量原理 目标强度测量示意图如下图所示： A是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声 信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。 B是水听器，接收来自目标的回波。 测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐 射声场的远场区；水听器应位于目标散射声场 的远场区。 A B Ir Ii 目标
Ir EL 10lg I0
待测目标强度值： 说明 该方法需测量三个物理量。
Ir T S 10 lg 2 T L SL I0
2019/1/22
34
目标强度的实验测量
直接法 优缺点 优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是 一种基本测量方法。 缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。 应答器法 1952年，Urick和Pieper提出的不需确定传播 损失的测量方法。
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； 2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐 渐变大，直到脉冲长度变为 0 2 L sin θ c 后，目标 强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。 提示：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；但在正横方向上目标强度随脉冲 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，该效应也不显著（脉宽减小效应）。ຫໍສະໝຸດ 222019/1/22
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随频率的变化 二战期间，人们曾用12、24和60千赫的频率 进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强 度的频率响应，但测量结果表明：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。 提示：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。 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。 提示：深度对潜艇尾流回声有影响。
1）正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射
2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
正横方位上圆柱形物体的目标强度：
aL2 T S 10 lg 2λ
式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， λ 是声波波长 举例：若 a 0.2 m ， L 1.5 m ，λ 0.03 m，可得目标 强度值 TS 9 dB 。该值与水雷正横方向上的测量值 基本相符。 提示：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。
dWi dWr
求得
Ir a2 2 Ii 4 r
刚性大球的目标强度：
Ir T S 10lg Ii a2 10lg 4 r 1
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
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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 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？
概念 对声传播的影响 传播损失与距离的关系（近/中等/远距离） 虚源表示的基本思想
深海负梯度
深海负跃层
均匀浅海声场
2019/1/22
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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 潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度
常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）
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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
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）
2019/1/22
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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 刚性不动球体的声散射 刚性不动微小球粒子对平面波的散射 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
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2019/1/22
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
B
t2
t
A
t1
t
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：
BD c 2
2019/1/22
AB sin c 2
2 L sin / c
目标强度的实验测量
比较法 目标强度的计算 A 设参考目标的目标强 度值为TS0，待测目标的 目标强度值为TS： A Ir T S 10lg T S0 I0 式中， I 0 为参考目标回声强度； I r 为待测目标回声强度。
B
I0 B Ir
Ii
参考 目标 待测 目标
Ii
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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
TS1 10lg Ar 1 / Ii TS2 10lg Ar0 / I i
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目标强度
刚性大球的目标强度
入射的声波被限制
在 θ 1 到 θ 2 的范 围内。 散射声功率：
2
o
o
1
dWr Ir 2 πr sin 2 θi 2 dθi
2
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从 θ i 到 θ i dθ i
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：
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼目标强度 单个鱼体的研究 3）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 大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN， 其中TS是单个鱼体目标强度值。
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目标强度的实验测量
比较法 适用范围 适用于短距离下小物体的测量。 优缺点 优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。 缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的 大小和结构要保证其目标强度近似理想几何物体 目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前 后两次测量条件相同。
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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 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
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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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目标强度的实验测量
测量原理 根据目标强度的定义：
Ir T S 10lg Ii
r 1
计算入射声强度和回声强度 比较法 测量原理 利用已知目标强度的参考目标，在相同的 测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强 度，比较它们的回声强度即可。
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼目标强度
鱼是探鱼声纳的目标
单个鱼体的研究 英国Cushing（1963年）等人的研究结果:
1）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼， 安装薄膜塑料人工鱼鳔。
2）实验条件：声波频率30kHz，声束由上向下垂直 照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。
32
目标强度的实验测量
直接法 测量原理图 A为收发合置换能器（为讨论方便而假定）， 它是指向性声源，声轴指向待测目标； B为被测目标；距离r应满足远场条件。
A
B
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目标强度的实验测量
直接法 目标强度的计算 水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS
回声级的定义：
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刚性球体的散射声场（了解）
声波在弹性物体上的散射（了解）
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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 赫姆霍兹积分解 菲涅尔半波带近似法
用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）
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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
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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 r0 ），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 r0 ），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。 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 。
艇 首
正横方向
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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 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
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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
Ir T S 10lg Ii
r 1
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。
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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。 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？
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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？
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
形状：带平头或圆头的圆柱体
尺度：长度1米至数米，直径0.3米至1米 两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上 安装有翼及凹凸不平处。 目标强度的特点
第六章 声波在目标上的反 射和散射
第五章知识要点
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） 深海声道特征
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表面声道
深海声道
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声影区的概念 传播损失（近距离/远距离） 声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念
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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 θ i dθ i 范围内的入射声功率：
dWi Ii dscosθi
ds 2 πa sinθi dθi
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目标强度的实验测量
测量原理 目标强度测量示意图如下图所示： A是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声 信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。 B是水听器，接收来自目标的回波。 测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐 射声场的远场区；水听器应位于目标散射声场 的远场区。 A B Ir Ii 目标
Ir EL 10lg I0
待测目标强度值： 说明 该方法需测量三个物理量。
Ir T S 10 lg 2 T L SL I0
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目标强度的实验测量
直接法 优缺点 优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是 一种基本测量方法。 缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。 应答器法 1952年，Urick和Pieper提出的不需确定传播 损失的测量方法。