第5章 声波在目标上的反射和散射
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水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 12
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（2）随测量距离的变化 通常近距离测量的目标强度值有可能小于远距离的
测量值，且随着测量距离变大目标强度值也逐渐变大，
到了某个距离后，目标强度值不再随距离而变。
产生原因：
♀指向性声呐入射声束照射目标面积随测量距离变化。
鱼是探鱼声呐的目标。 单个鱼体的研究 Cushing（1963年）等人研究结果： ♀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。 ♀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。 ♀测量结果
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 21
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（3）随脉冲长度的变化
♀目标强度随脉冲宽度的变化实质还是对回声有贡献
的目标表面积大小不同引起的。
♀在正横方向上目标强度随脉冲长度变化现象不明显。
由于目标沿入射波方向上的长度很小，且回声形
成主要是镜反射过程（脉宽减小效应）。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
16
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
5.1 声呐目标的目标强度
2、刚性大球的目标强度
①刚性不动球体：半径a，ka>>1，k为波数；
②反射声线：局部平面镜反射定律； ③球体刚性：声能不会透入球体内部； ④理想反射体：声能无损失被反射。 局部范围入射声功率：
d i i
Ii
dWi I i dscosθ i ds 2 πa 2sinθ i dθ i
3、鱼的目标强度
单个鱼体的研究
Love（1971年）等人试验研究，获得鱼脊背方向入射时鱼目 标强度经验公式：
TS 19.1lg L 0.9 lg f 62
0.7 L 90
式中，鱼体长度L（cm），频率f（kHz）。
鱼群的研究 将鱼群视为一个整体，如果鱼群由N条相距较大鱼所组成， 则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中TS是单个鱼体目标强度值。
g 1
h c1 c
23
4 2 ka 2 3ka 2 a
水声学
4 1
1 - gh 1 g 4 2 3 gh 1 2 g
2
2
第5章 声波在目标上的反射和散射
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
4、海洋生物声散射模型
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
19
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
2、鱼雷和水雷的目标强度
圆柱形物体目标强度：
aL2 sin 2 2 TS 10lg cos 2 λ
圆柱形物体正横和端部方位目标强度：
kL sin
（2）充气鱼鳔模型 鱼鳔是鱼体散射的重要散射体，水中气泡散射响应：
4 2 2 2 a f0 f 1 1 Q
Q 3 ~ 10
（3）体长模型 更接近于实际鱼体，体长模型：
最大侧方向 背部方向
水声学
2 0.064L 2.28 2 0.041L 1.94
5.1 声呐目标的目标强度
1、目标强度TS
目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，从回
声强度角度描述目标的声学特性。
定义：
Ir TS = 10 lg Ii
r=1
式中， I i 为入射波强度； I r 为离目标等效声中心1米 处的回声强度。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 4
5.1 声呐目标的目标强度
（1）测量距离 在远场进行测量Ir，并按球面波衰减规律将测量值 换算至目标等效声中心1m处。
（2）目标等效声中心
假想的点，可位于目标的外部或内部；射线声学观
点认为回声是由该点发出。
Q Ir
1m
C 目 标 P
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
5
5.1 声呐目标的目标强度
（3）回声强度 回声强度Ir是入射波方向和回波方向的函数。
①测量应满足远场条件； ②合理选择发射信号脉冲宽度； ③合理选择发射声源和接收水听器位置。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 25
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
（1）比较法 测量原理
①需要一个目标强度为已知的参考目标； ②在相同测量条件下分别测量参考目标和待测目标的回声级， 比较它们的回声级； ③目标强度的计算：
第5章 声波在目标上的反射 和散射
水下目标含义：
（1）军事目标：舰船、潜艇、鱼雷、水雷等； （2）礁石等； 反射体、散射体→回波信号→有规信号； （3）无限延展非均匀体：深水散射层、海面、海底等。 散射体→回波信号 →无规信号 →统计信号(混响)。
研究声呐目标回波特性意义
（1）主动声呐的目标检测和识别的依据； （2）对声呐设备的设计和应用有重要意义。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
27
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
（2）直接法
测量原理 ①A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。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
28
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 2
主要内容
声呐目标强度TS；
常见声呐目标TS值的特性； 目标强度实验测量； 目标回声信号； 刚性和弹性球体的散射场特性； 壳体目标的回波信号； 散射声场理论计算方法；
声散射逆问题。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 3
第5章 声波在目标上的反射和散射 24
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
在湖泊或海上现场测量当目标的目标强度值，容易满足远场， 能直接测量结果，但不宜控制和重复，结果有一定离散度，测 量精度不高。 测量原理 ①指向性声源A：向待测目标辐射声波； ②接收水听器B：接收待测目标回波； ③计算入射声强度和回声强度； ④计算目标强度TS值。
为了要得到稳定可靠的测量结果，应在远场进行测量， 即测量距离 r L2 λ 。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 14
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（3）随脉冲长度的变化
设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上A点和B点所产生回 声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：
BD c 2
11
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（1）空间方位特性 ♀ 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； ♀ 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； ♀ 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。
18艘潜艇正 横方向目标强 度直方图
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
10
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（1）空间方位特性 潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。
①测试频率：24kHz百度文库
②A为战前、40次平均
③B为战后、5次平均
潜艇目标强度 随方位的变化
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
♀几何形状比较复杂物体的回声强度随距离的衰减规
律不同于点源声场，声强随距离变化不遵循球面规律。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 13
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（2）随测量距离的变化
♀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 。 ♀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 r2 。 ♀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目标声 中心1m处。
aL2 a2 TS1 10 lg TS 2 10 lg 2λ 4 式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， λ 是声波波长。
鱼雷和水雷的目标强度随方位、频率、脉冲宽度和测量距离
变化，大体与潜艇的相类似。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 20
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
3、鱼的目标强度
Ir TS = 10lg + TS0 I0
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
26
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
（1）比较法
♀ 优点：
操作简单，仅测量回声强度，计算简单，是比较实用的方法。 ♀ 缺点： ①需要一个目标强度已知的参考目标； ②对于复杂几何形状目标（潜艇），高逼真的参考目标制作比 较困难； ③对于大目标很难保证前后两次测量条件相同。
• 军事保密原因，公开发表的文献资料较少，且年代久远；
• 我们仅对声呐目标的目标强度特性作一般性讨论。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
1、潜艇的目标强度
潜艇实测目标强度值具有离散性，而且与方位、频率、脉 冲宽度、深度和距离有关。 （1）测试艇：柴油动力潜艇 （2）测试时间：二次大战前后 （3）正横方向：12～40dB，平均值25dB
（2）直接法 测量原理 ②水听器（声源）处回声级： EL=SL-2TL+TS ③待测目标强度值：
Ir EL = 10 lg I0
Ir TS = 10 lg + 2TL SL I0
需要测量物理量：声源级SL、回声强度Ir和传播损失TL。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 29
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
♀深度对测试结果的影响表现对声传播特性的影响，
并没有影响到产生回声的机理。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
18
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
2、鱼雷和水雷的目标强度
基本形状：带平头或半球体的圆柱体； 几何尺度：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。 目标强度特点： ♀正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射； ♀尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。
（4）随频率的变化 试验测试结果：潜艇目标强度值不存在明显频率效应。 ♀可能被实测值的离散性所掩盖； ♀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。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（5）随航行深度的变化 ♀深度对潜艇尾流回声有影响，对其结构的目标强度 值原则上没有影响。
结论：当ka>>1，刚性球TS值与声波频率无关，只与球半径有 关；是考虑镜反射的平均结果，不是严格解。
尤立克《水声原理》从总体角度上进行推导。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 8
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
• 军事需要：探潜、反潜、水声对抗 • 声呐（潜艇、鱼雷、水雷等）目标强度备受各海军强国重视；
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 22
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
4、海洋生物声散射模型
描述海洋生物声散射特性的反向散射截面：
Ir 4 Ii
TS 10 lg 4
r 1
海洋生物声散射特性研究的模型：
（1）高通液体球模型
海洋生物非球形、不均匀，高通液体球是一个近似模型：
散射声功率： dWr Ir 2 πr2 sin 2 θi 2 dθi
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射
a
7
5.1 声呐目标的目标强度
入射声功率等于散射声功率： dWi dWr
2 I a 求得： r Ii 4 r 2
刚性大球的目标强度：
Ir T S 10lg Ii
a2 10lg 4 r 1
在收发合置情况，回声强度仅是入射波方向的函数，称 之为“反向反射”或“反向散射”。
（4）参考距离 参考距离通常取1m。
多数声呐为收发合臵型的，因此主要讨论反向散射情况目标回声 问题。 通常情况下，水下目标的目标强度TS为正值，为什么不能说回声 强度高于入射声强度？
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 6
AB sin c 2
♀随着脉冲长度的增加，对回声有贡献物 体表面积相应增大；
♀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 sinθ c 后，目标强度值就不再随脉冲 长度而变化。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 15
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（2）随测量距离的变化 通常近距离测量的目标强度值有可能小于远距离的
测量值，且随着测量距离变大目标强度值也逐渐变大，
到了某个距离后，目标强度值不再随距离而变。
产生原因：
♀指向性声呐入射声束照射目标面积随测量距离变化。
鱼是探鱼声呐的目标。 单个鱼体的研究 Cushing（1963年）等人研究结果： ♀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。 ♀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。 ♀测量结果
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 21
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（3）随脉冲长度的变化
♀目标强度随脉冲宽度的变化实质还是对回声有贡献
的目标表面积大小不同引起的。
♀在正横方向上目标强度随脉冲长度变化现象不明显。
由于目标沿入射波方向上的长度很小，且回声形
成主要是镜反射过程（脉宽减小效应）。
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
5.1 声呐目标的目标强度
2、刚性大球的目标强度
①刚性不动球体：半径a，ka>>1，k为波数；
②反射声线：局部平面镜反射定律； ③球体刚性：声能不会透入球体内部； ④理想反射体：声能无损失被反射。 局部范围入射声功率：
d i i
Ii
dWi I i dscosθ i ds 2 πa 2sinθ i dθ i
3、鱼的目标强度
单个鱼体的研究
Love（1971年）等人试验研究，获得鱼脊背方向入射时鱼目 标强度经验公式：
TS 19.1lg L 0.9 lg f 62
0.7 L 90
式中，鱼体长度L（cm），频率f（kHz）。
鱼群的研究 将鱼群视为一个整体，如果鱼群由N条相距较大鱼所组成， 则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中TS是单个鱼体目标强度值。
g 1
h c1 c
23
4 2 ka 2 3ka 2 a
水声学
4 1
1 - gh 1 g 4 2 3 gh 1 2 g
2
2
第5章 声波在目标上的反射和散射
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
4、海洋生物声散射模型
水声学
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
2、鱼雷和水雷的目标强度
圆柱形物体目标强度：
aL2 sin 2 2 TS 10lg cos 2 λ
圆柱形物体正横和端部方位目标强度：
kL sin
（2）充气鱼鳔模型 鱼鳔是鱼体散射的重要散射体，水中气泡散射响应：
4 2 2 2 a f0 f 1 1 Q
Q 3 ~ 10
（3）体长模型 更接近于实际鱼体，体长模型：
最大侧方向 背部方向
水声学
2 0.064L 2.28 2 0.041L 1.94
5.1 声呐目标的目标强度
1、目标强度TS
目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，从回
声强度角度描述目标的声学特性。
定义：
Ir TS = 10 lg Ii
r=1
式中， I i 为入射波强度； I r 为离目标等效声中心1米 处的回声强度。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 4
5.1 声呐目标的目标强度
（1）测量距离 在远场进行测量Ir，并按球面波衰减规律将测量值 换算至目标等效声中心1m处。
（2）目标等效声中心
假想的点，可位于目标的外部或内部；射线声学观
点认为回声是由该点发出。
Q Ir
1m
C 目 标 P
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5
5.1 声呐目标的目标强度
（3）回声强度 回声强度Ir是入射波方向和回波方向的函数。
①测量应满足远场条件； ②合理选择发射信号脉冲宽度； ③合理选择发射声源和接收水听器位置。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 25
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
（1）比较法 测量原理
①需要一个目标强度为已知的参考目标； ②在相同测量条件下分别测量参考目标和待测目标的回声级， 比较它们的回声级； ③目标强度的计算：
第5章 声波在目标上的反射 和散射
水下目标含义：
（1）军事目标：舰船、潜艇、鱼雷、水雷等； （2）礁石等； 反射体、散射体→回波信号→有规信号； （3）无限延展非均匀体：深水散射层、海面、海底等。 散射体→回波信号 →无规信号 →统计信号(混响)。
研究声呐目标回波特性意义
（1）主动声呐的目标检测和识别的依据； （2）对声呐设备的设计和应用有重要意义。
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5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
（2）直接法
测量原理 ①A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。
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
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5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 2
主要内容
声呐目标强度TS；
常见声呐目标TS值的特性； 目标强度实验测量； 目标回声信号； 刚性和弹性球体的散射场特性； 壳体目标的回波信号； 散射声场理论计算方法；
声散射逆问题。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 3
第5章 声波在目标上的反射和散射 24
5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
在湖泊或海上现场测量当目标的目标强度值，容易满足远场， 能直接测量结果，但不宜控制和重复，结果有一定离散度，测 量精度不高。 测量原理 ①指向性声源A：向待测目标辐射声波； ②接收水听器B：接收待测目标回波； ③计算入射声强度和回声强度； ④计算目标强度TS值。
为了要得到稳定可靠的测量结果，应在远场进行测量， 即测量距离 r L2 λ 。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 14
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（3）随脉冲长度的变化
设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上A点和B点所产生回 声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：
BD c 2
11
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（1）空间方位特性 ♀ 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； ♀ 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； ♀ 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。
18艘潜艇正 横方向目标强 度直方图
水声学
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（1）空间方位特性 潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。
①测试频率：24kHz百度文库
②A为战前、40次平均
③B为战后、5次平均
潜艇目标强度 随方位的变化
水声学
第5章 声波在目标上的反射和散射
♀几何形状比较复杂物体的回声强度随距离的衰减规
律不同于点源声场，声强随距离变化不遵循球面规律。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 13
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（2）随测量距离的变化
♀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 。 ♀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 r2 。 ♀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目标声 中心1m处。
aL2 a2 TS1 10 lg TS 2 10 lg 2λ 4 式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， λ 是声波波长。
鱼雷和水雷的目标强度随方位、频率、脉冲宽度和测量距离
变化，大体与潜艇的相类似。
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
3、鱼的目标强度
Ir TS = 10lg + TS0 I0
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5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
（1）比较法
♀ 优点：
操作简单，仅测量回声强度，计算简单，是比较实用的方法。 ♀ 缺点： ①需要一个目标强度已知的参考目标； ②对于复杂几何形状目标（潜艇），高逼真的参考目标制作比 较困难； ③对于大目标很难保证前后两次测量条件相同。
• 军事保密原因，公开发表的文献资料较少，且年代久远；
• 我们仅对声呐目标的目标强度特性作一般性讨论。
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
1、潜艇的目标强度
潜艇实测目标强度值具有离散性，而且与方位、频率、脉 冲宽度、深度和距离有关。 （1）测试艇：柴油动力潜艇 （2）测试时间：二次大战前后 （3）正横方向：12～40dB，平均值25dB
（2）直接法 测量原理 ②水听器（声源）处回声级： EL=SL-2TL+TS ③待测目标强度值：
Ir EL = 10 lg I0
Ir TS = 10 lg + 2TL SL I0
需要测量物理量：声源级SL、回声强度Ir和传播损失TL。
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5.3 目标强度实验测量和常见目标TS值 1、现场测量
♀深度对测试结果的影响表现对声传播特性的影响，
并没有影响到产生回声的机理。
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
2、鱼雷和水雷的目标强度
基本形状：带平头或半球体的圆柱体； 几何尺度：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。 目标强度特点： ♀正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射； ♀尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。
（4）随频率的变化 试验测试结果：潜艇目标强度值不存在明显频率效应。 ♀可能被实测值的离散性所掩盖； ♀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。
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
（5）随航行深度的变化 ♀深度对潜艇尾流回声有影响，对其结构的目标强度 值原则上没有影响。
结论：当ka>>1，刚性球TS值与声波频率无关，只与球半径有 关；是考虑镜反射的平均结果，不是严格解。
尤立克《水声原理》从总体角度上进行推导。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 8
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
• 军事需要：探潜、反潜、水声对抗 • 声呐（潜艇、鱼雷、水雷等）目标强度备受各海军强国重视；
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5.2 常见声呐目标TS值的一般特征
4、海洋生物声散射模型
描述海洋生物声散射特性的反向散射截面：
Ir 4 Ii
TS 10 lg 4
r 1
海洋生物声散射特性研究的模型：
（1）高通液体球模型
海洋生物非球形、不均匀，高通液体球是一个近似模型：
散射声功率： dWr Ir 2 πr2 sin 2 θi 2 dθi
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射
a
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5.1 声呐目标的目标强度
入射声功率等于散射声功率： dWi dWr
2 I a 求得： r Ii 4 r 2
刚性大球的目标强度：
Ir T S 10lg Ii
a2 10lg 4 r 1
在收发合置情况，回声强度仅是入射波方向的函数，称 之为“反向反射”或“反向散射”。
（4）参考距离 参考距离通常取1m。
多数声呐为收发合臵型的，因此主要讨论反向散射情况目标回声 问题。 通常情况下，水下目标的目标强度TS为正值，为什么不能说回声 强度高于入射声强度？
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 6
AB sin c 2
♀随着脉冲长度的增加，对回声有贡献物 体表面积相应增大；
♀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 sinθ c 后，目标强度值就不再随脉冲 长度而变化。
水声学 第5章 声波在目标上的反射和散射 15
5.2 常见声呐目标TS值的一般特征