第六章 声波在目标上的反射和散射

第六章 声波在目标上的反射和散射

水下目标：

潜艇、鱼雷、水雷、礁石等物体：反射体、散射体→回波信号→有规

深水散射层、海面、海底等：散射体→回波信号→统计特性（混响研究范畴） 研究声呐目标回波特性的意义：

主动声呐目标检测和目标识别。 本章的主要内容：

目标强度参数定义→常见声呐目标的目标强度值和特性→刚性和弹性球体散射场特性→目标回波→壳体目标的回波信号→求解散射声场的理论方法。

6.1 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，它的定义：

1

r i

r I I lg

10T S ==

式中，i I 为入射波强度；r I 是离目标声中心1米处的回声强度。

✧ 目标的声学中心：假想的点，可位于

目标的外部或外部，回声由该点发出。

✧ 收发分置：回声强度r I 是入射波方向和回波方向的函数。

✧ 收发合置：回声强度r I 仅是入射波方向的函数，反向反射或反向散射。

多数声呐为收发合臵型的，因此本章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？

2、刚性大球的目标强度

刚性不动球体：半径a ，ka>>1，k 为波数。 反射声线：局部平面镜反射定律。 局部范围入射声功率：

i

i 2

i i i d θsin θπa 2ds dscos θI dW ==

球体刚性：声能不会透入球体内部。 理想反射体：声能无损失被反射。 散射声功率：i i 2r r d θ2θ2sin πr 2I dW ⋅⋅⋅=

由于r i dW dW =，因此有，22

i r r

4a I I =

该球的目标强度：4

a lg 10I I

lg 10TS 2

1

r i

r

===

✧ 刚性大球的目标强度值与声波频率无关，只与球半径有关。

尤立克《水声原理》从总体角度上进行推导。

6.2 常见声呐目标的目标强度一般特征

1、潜艇的目标强度

潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度和距离有关。

测试艇：柴油动力潜艇 时间：二次大战前后

✧ 正横方向

目标强度值：12～40dB ，平均值25dB （正横方向）

图 18艘潜艇正横方向目标强度直方图 图 潜艇目标强度随方位的变化

✧ 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。具有如下特点：

♀ 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；

♀ 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。

✧ 随距离的变化

近距离处潜艇目标强度测量值由可能小于远距离处的目标强度测量值： ♀ 当使用指向性声呐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；

♀ 某些几何形状比较复杂物体的回声随距离衰减的规律不同于点源声场。

举例：长度为L 的柱体

♀ 在近场（当距离小于0r ），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即r 1∝。 ♀ 在远场（当距离大于0r ），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即2

r 1∝。 ♀ 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。

图 在圆柱体正横方向上目标强度与距离的关系

为了要得到稳定的测量结果，应在远场进行测量，即测量距离λL r 2

>。

✧ 随脉冲宽度的变化

设入射波脉冲长度为τ，若物体表面上的A 点和B 点所产生的回声在脉冲宽度τ内被同时接收到，则有

2c BD τ= 2c sin AB τθ=⋅

式中，c 为声速。随着脉冲长度τ的增加，对声有贡献的物体表面积响应增大。

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

c sin L 20θ=τ后，目标强度值就不再随脉冲长度而变化。

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。在测量目标上的单个亮点处目标强度峰时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。

✧ 随频率的变化

二次大战期间，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，如果由的话，也被实测值的不确定性（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。

随深度的变化

深度对目标强度值影响，不是影响了潜艇本身，而是深度变化会引起声传播变化。

深度对潜艇尾流回声有影响。

2、鱼雷和水雷的目标强度

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：

♀ 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。 正横方位上圆柱形物体的目标强度：

λ

2aL lg 10T S 2

=

式中，a 为圆柱半径，L 为圆柱长，λ是声波波长。

若m 0.2a =，m 1.5L =，m 0.03λ=，可得dB 9TS =。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。

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。