第1章声纳及声纳方程

1、第一章第一章 声纳及声纳方程声纳及声纳方程1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 什么叫声纳？什么叫声纳？SonarSonarund und vigation and vigation and anginganging利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 声纳分类声纳分类 按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳 1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 主动声纳信息流程主动声纳信息流程： 1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 被动声纳（噪音声纳站）信息流程被动声纳（噪音声纳站）信息流程： 1.1 1.

2、1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 主、被动声纳信息流主、被动声纳信息流程有何区别？程有何区别？1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 主、被动声纳工作信息流程基本组成？主、被动声纳工作信息流程基本组成？ 1. 海水介质海水介质2. 被探测目标被探测目标3. 声纳设备声纳设备声纳工作信息流程三个基本环节声纳工作信息流程三个基本环节 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 什么叫声纳参数？什么叫声纳参数？ 将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数。 阐述声纳参数定义、物理意义推导声纳方程 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 n声源级声源级SLSLn指向性指数指向性指数DIDIT Tn传播损失传播

3、损失TLTLn目标强度目标强度TSTSn传播损失传播损失TLTLn指向性指数指向性指数DIDIR Rn噪声级噪声级NLNLn等效平面波混响级等效平面波混响级RLRLn检测阈检测阈DTDT1.2 1.2 声纳参数声纳参数 n声源级声源级SLSLn传播损失传播损失TLTLn指向性指数指向性指数DIDIR Rn噪声级噪声级NLNLn检测阈检测阈DTDT1.2 1.2 声纳参数声纳参数 声源级声源级SLSL描述主动声纳所发射声信号的强弱：10lg10 rIISLSL反映发射器辐射声功率大小。 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 解释原因：它可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信

4、噪比，从而增加声纳的作用距离。 如何提高主动声纳作用距离？如何提高主动声纳作用距离？1.2 1.2 声纳参数声纳参数 发射指向性指数发射指向性指数DIDIT TNDDTIIDIlg10 物理含义：1. 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数；2. DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 声源级与声功率的关系声源级与声功率的关系假设：1. 介质无声吸收；2. 声源为点源；3. 辐射声功率为Pa(W) 214mWPIar 无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 77.170lg10 aPSL常识：

5、船用声纳 Pa为几百瓦几千瓦，DIT为1030dB， SL约为210240dB。有指向性声源辐射声功率与声源级的关系： TaDIPSL 77.170lg101.2 1.2 声纳参数声纳参数 传播损失传播损失TLTL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rIITL1lg10 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 目标强度目标强度TSTS定量描述目标反射本领的大小 ：1lg10rirIITSIr1m常识：1. 不同目标回波不一样； 2. 回波与入射波特性和目标特性有关。1.2 1.2 声纳参数声纳参数 海洋环境噪声级海洋环境噪声级NLNL海洋环境噪声：由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成

6、的，它是声纳设备的一种背景干扰背景干扰。NL是度量环境噪声强弱的量 ：0lg10IINLN 注意：IN是测量带宽内测量带宽内或1Hz频带内频带内的噪声强度。主动声纳背景干扰1.2 1.2 声纳参数声纳参数 环境噪声环境噪声平稳的、各向同性的混混 响响非平稳的、非各向同性的1.2 1.2 声纳参数声纳参数 定量描述混响干扰的强弱。定义：强度已知的平面波轴向轴向入射到水听器上，水听器输出电压值；将水听器移置于混响场中，声轴指声轴指向目标向目标，水听器输出电压值。 等效平面波混响级等效平面波混响级RLRL10lgRL 水听器输出端混响功率参考声强信号产生的功率1.2 1.2 声纳参数声纳参数 定义：

7、接收指向性指数接收指向性指数DIDIR R声功率声功率指向性水听器产生的噪指向性水听器产生的噪噪声功率噪声功率无指向性水听器产生的无指向性水听器产生的lg10 RDI注意：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的灵敏度。 物理含义：接收系统抑制背景噪声的能力。 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR假设：1.水听器灵敏度为单位值；2.噪声场为各向同性，单位立体角内的噪声功率为I Ii i。无指向性水听器产生的均方电压为： 44iiNmIdImR1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR指向性水听器产生的均方电压为： 44,db

8、mIdbImRiiD 是归一化的声束图函数。 ,b1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR 4,4lg10lg10dbRRDIDNR注意：参数DIR只对各向同性噪声场中的平面波信号（是完全相关信号）有意义；否则需用阵增益来代替DIR。 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR阵增益： 4444,10lg,SbdNbdAGSdNd 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR简单几何形状换能器阵增益： 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 定义：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值()。 检测阈检测

9、阈DTDT功率功率水听器输出端上的噪声水听器输出端上的噪声信号功率信号功率刚好完成某种职能时的刚好完成某种职能时的lg10 DT注意：对于同种职能的声纳设备，检测阈值的设备，其处理能力，性能也。 1.2 1.2 声纳参数声纳参数 从能量角度描述了海水介质、声纳目标和声纳设备的特性和效应。总结总结SLSLTLTLTSTSTLTLDTDTDIDIR RNLNLRLRL1.3 1.3 声纳方程声纳方程 1.将海水介质、声纳目标和声纳设备作用联系在一起；2.将信号与噪声相联系；3.综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。声纳方程声纳方程1.3 1.3 声纳方程声纳方

10、程 信号级-背景干扰级 检测阈设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用。1.3 1.3 声纳方程声纳方程 主动声纳方程主动声纳方程信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS背景干扰级：NL-DI注意：换能器声轴指向？ 1.3 1.3 声纳方程声纳方程 主动声纳方程主动声纳方程处理器处电信号信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）DT注意：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。 1.3 1.3 声纳方程声纳方程 主动声纳方程主动声纳方程主动声纳方程（混响背

11、景）：（NL-DI）（SL-2TL+TS）-RLDT1.3 1.3 声纳方程声纳方程 被动声纳方程被动声纳方程 噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器； 噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS； 背景干扰为环境噪声。1.3 1.3 声纳方程声纳方程 被动声纳方程被动声纳方程（SL-TL）-（NL-DI）DT注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。 被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？1.4 1.4 组合声纳参数组合声纳参数 回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级：NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声纳设备正常

12、工作所需的最低信号级 混响掩蔽级：RL+DT工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级 回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量 优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失 品质因数：SL-（NL-DI）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差 1.5 1.5 声纳方程的应用声纳方程的应用声纳方程应用声纳方程应用 声纳设备性能预报声纳设备性能预报：已知设备特点和若干参数，对其它声纳参数进行估计，如估计优质因数； 声纳设备设计声纳设备设计：预先规定设备

13、职能及各项战术技术指标，根据声纳方程综合评价各参数的影响，对参数合理选取和设备最佳设计，例如工作频率的选取DI、TL。1.5 1.5 声纳方程的应用声纳方程的应用Figure of Merit (FOM)Figure of Merit (FOM) 1.5 1.5 声纳方程的应用声纳方程的应用Range ?Range ? 根据根据FOM FOM 可以预报声纳可以预报声纳作用距离作用距离. . FOM FOM 越高越高, , 允许的信号传播损失允许的信号传播损失 越大越大，则声纳作用距离则声纳作用距离 越远越远. . 检测概率检测概率 被动声纳被动声纳 如果如果 FOM TL FOM TL 则则

14、检测概率检测概率 50% 50% 如果如果 FOM TL FOM TL 则则 检测概率检测概率 50% 2TL FOM 2TL 则则 检测概率检测概率 50% 50% 如果如果 FOM 2TL FOM 2TL 则则 检测概率检测概率 50% DTKnownCan MeasureFunction ofEquipmentCan MeasureExperimentallyONLY UNKNOWN1.7 1.7 声纳方程及声纳参数确定声纳方程及声纳参数确定 Passive SL TL NL + DI DT Solve for TL TL = SL NL + DI DT Active SL 2TL +

15、TS RL DT () SL 2TL + TS NL + DI DT () Solve both for TL 2TL = SL + TS RL DT ( 2TL = SL + TS NL + DI DT () What do you do with this? 1.7 1.7 声纳方程及声纳参数确定声纳方程及声纳参数确定 TRANSMISSION LOSS (TL)TRANSMISSION LOSS (TL)Sound energy in water suffers two types of losses:SpreadingAttenuationCombination of these 2 losses:Combination of these 2 losses:1.7 1.7 声纳方程及声纳参数确定声纳方程及声纳参数确定 Scattering /