第1章声呐及声呐方程

1、第第1 1章章 声呐及声呐方程声呐及声呐方程声呐声呐（Sonarund und vigation and vigation and anginganging）利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯系统。1.1 1.1 声呐及其工作方式声呐及其工作方式 水声学第1章声呐及声呐方程21.1 1.1 声呐及其工作方式声呐及其工作方式 声呐分类声呐分类 按照工作方式分类：主动声呐和被动声呐 水声学第1章声呐及声呐方程3主动声呐信息流程主动声呐信息流程： 1.1 1.1 声呐及其工作方式声呐及其工作方式 被动声呐（噪音声呐站）信息流程被动声呐（噪音声呐站）信息流程： 水声学第1章声呐及声呐方程4

2、1.1 1.1 声呐及其工作方式声呐及其工作方式 水声学第1章声呐及声呐方程5主被动声呐有何区别？主被动声呐有何区别？ 主动声呐：主动声呐： 声源：通过接收目标回波实现目标探测（声源：通过接收目标回波实现目标探测（SL、TS）；）； 传播路径：双程（传播路径：双程（2TL）；）； 背景干扰：环境噪声和混响（背景干扰：环境噪声和混响（NL、RL）。）。 被动声呐：被动声呐： 通过接收被探测目标辐射噪声实现目标探测（通过接收被探测目标辐射噪声实现目标探测（SL）；）； 传播路径：单程（传播路径：单程（TL）；）； 背景干扰：环境噪声（背景干扰：环境噪声（NL）。）。1.1 1.1 声呐及其工作方式

3、声呐及其工作方式 主、被动声呐工作信息流程基本组成？主、被动声呐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、声呐、声呐设备设备声呐工作信息流程三个基本环节声呐工作信息流程三个基本环节 水声学第1章声呐及声呐方程61.1.2 2 声呐声呐参数参数声呐参数声呐参数 将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。 1、阐述声呐参数定义、物理意义；2、推导声呐方程。 水声学第1章声呐及声呐方程71.1.2 2 声呐声呐参数参数 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

4、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DTDT主动声呐主动声呐水声学第1章声呐及声呐方程81.1.2 2 声呐声呐参数参数 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DTDT被动声呐被动声呐水声学第1章声呐及声呐方程91.1.2 2 声呐声呐参数参数 1 1、主动声呐声源级、主动声呐声源级SLSL（S Source ource L Levelevel）描述主动声呐所发射声信号的强弱：10lg10 rIISLI为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强；I0为参

5、考声强(均方根声压为1微帕平面波对应声强)；p声源级反映了发射器辐射声功率的大小。声源级反映了发射器辐射声功率的大小。 水声学第1章声呐及声呐方程101.1.2 2 声呐声呐参数参数 p将发射器做成具有一定的发射指向性；p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，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。 如何提高主动声呐作用距离？如何提高主动声呐作用距离？水声学第1章声呐及声呐方程111.1.2 2 声呐声呐参数参数 发射指向性指数发射指向性指数DIDIT T（D Directivity irectivity I Indexndex）NDDTIIDIlg10 物理含义：

6、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；就有利于增加声呐的作用距离。 水声学第1章声呐及声呐方程121.1.2 2 声呐声呐参数参数 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 距离声源声中心1米处声强： 水声学第1章声呐及声呐方程131.1.2 2 声呐声呐参数参数 声源级与声功率的关系声源级与声功率的关系无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 77.170lg10 aPSL有指向性声源辐射声功率与声源级的关系： TaDI

7、PSL 77.170lg10：船用声呐 Pa为几百瓦几千瓦，DIT为1030dB，SL约为210240dB。水声学第1章声呐及声呐方程141.1.2 2 声呐声呐参数参数 2 2、被动声呐声源级、被动声呐声源级SLSL（S Source ource L Levelevel） 接收水听器声轴方向上、离目标声学中心1米处测得的目标辐射噪声强度IN和参考声强之比的分贝数：010lgNISLI 注意注意：（1）目标辐射噪声强度的测量应在目标的远场进行，并修正至目标声学中心1m处；（2）IN指的的接收设备工作带宽内的噪声强度；（3）辐射噪声谱源级：1010lgNISLIf 水声学第1章声呐及声呐方程15

8、1.1.2 2 声呐声呐参数参数 3 3、传播损失、传播损失TLTL（T Transmission ransmission L Lossoss） 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rIITL1lg10 引起声强衰减的原因：（1）由于海水介质本身的声吸收；（2）声波传播过程的波阵面扩展（几何扩展）；（3）海水中各种不均匀体的声散射。水声学第1章声呐及声呐方程161.1.2 2 声呐声呐参数参数 4 4、目标强度、目标强度TSTS（T Target arget S Strengthtrength）定量描述目标反射本领的大小 ：110lgrirITSI Ir1m常识：目标反射本领有差异。（

9、1）不同目标回波不一样；（2）回波与入射波特性（频率、波阵面形状）和目标特性（几何形状、材料等）有关。水声学第1章声呐及声呐方程171.1.2 2 声呐声呐参数参数 5 5、海洋环境噪声级、海洋环境噪声级NLNL（N Noise oise L Levelevel） 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的，它是声呐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的噪声强度。海洋环境噪声谱级：海洋环境噪声谱级：1010lgNINLIf 水声学第1章声呐及声呐方程181.1.2 2 声呐声呐参数参数 主动声呐背景

10、干扰环境噪声环境噪声平稳的、各向同性的混混 响响非平稳的、非各向同性的水声学第1章声呐及声呐方程191.1.2 2 声呐声呐参数参数 （1）定量描述混响干扰的强弱；（2）利用平面波声级声级来度量混响场的强弱。定义：已知强度为I的平面波轴向轴向入射到水听器上，水听器输出电压值V；将水听器移置于混响场中，声轴声轴指向目标指向目标，水听器输出电压值也为V，则该平面波声级就是混响级。 6 6、等效平面波混响级、等效平面波混响级RLRL（R Reverberation everberation L Levelevel）010lgIRLI 水声学第1章声呐及声呐方程201.1.2 2 声呐声呐参数参数 7

11、 7、接收指向性指数、接收指向性指数DIDIR R（D Directivity irectivity I Indexndex）声声功功率率指指向向性性水水听听器器产产生生的的噪噪噪噪声声功功率率无无指指向向性性水水听听器器产产生生的的lg10 RDI注意：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：物理含义：接收系统抑制抑制背景噪声的能力。 水声学第1章声呐及声呐方程211.1.2 2 声呐声呐参数参数 水听器自由场（电压）灵敏度：水听器自由场（电压）灵敏度：水听器输出端的开路电压u与自由场中引入水听器前其声中心处声压p比值：pMu pV Pa20lg1plprrMM

12、MMVPa例子：例子：若水听器自由场（电压）灵敏度为-200dB，假设入射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电压为多少？水声学第1章声呐及声呐方程221.1.2 2 声呐声呐参数参数 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Ii。无指向性水听器产生的噪声功率为：无指向性水听器产生的噪声功率为： 44iiNmIdImRm为与灵敏度有关的比例常数； 是单位立体角。d水声学第1章声呐及声呐方程231.1.2 2 声呐声呐参数参数 44,dbmIdbImRiiD 是归一化的声束图函数。 ,b指向性水听器产生的噪声功率为：指向性水听器产生的噪声功率为： 水声

13、学第1章声呐及声呐方程241.1.2 2 声呐声呐参数参数 4,4lg10lg10dbRRDIDNR注意注意：参数参数DIR只对各向同性噪声场中的平面波信号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（是完全相关信号）有意义；否则需用阵增益AG来来代替代替DIR。 根据接收指向性指数定义：水声学第1章声呐及声呐方程251.1.2 2 声呐声呐参数参数 换能器基阵的阵增益： 4444,10lg,SbdNbdAGSdNd 水声学第1章声呐及声呐方程261.1.2 2 声呐声呐参数参数 简单几何形状换能器指向性： 水声学第1章声呐及声呐方程271.1.2 2 声呐声呐参数

14、参数 定义：设备刚好能正常工作所需处理器输入端处理器输入端信噪比值() 8 8、检测阈、检测阈DTDT（D Detection etection T Thresholdhreshold）功功率率水水听听器器输输出出端端上上的的噪噪声声信信号号功功率率刚刚好好完完成成某某种种职职能能时时的的lg10 DT注意：对于同种职能的声呐设备，检测阈值的设备，其处理能力，性能也。 常识：声呐设备接收器接收声呐信号和背景噪声，两部分的比值（信噪比）即接收带宽内的信号功率与工作带宽内（或1Hz带宽内）的噪声功率之比，它影响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作，“判决”就越可信。水声学第1章声呐及声呐方程

15、281.3 1.3 声呐方程声呐方程 1.将海水介质、声呐目标和声呐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呐设备的设计和应用所产生影响的关系式。声呐方程声呐方程水声学第1章声呐及声呐方程291.3 1.3 声呐方程声呐方程 基本考虑基本考虑信号级-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。水声学第1章声呐及声呐方程301.3 1.3 声呐方程声呐方程 主动声呐方程主动声呐方程信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS背景干扰级：NL-DI（接收阵抑制背景噪声）注意：换能器声轴指向？ 水声学第1章声呐及声呐方程311.3 1.3 声

16、呐方程声呐方程 主动声呐方程主动声呐方程接收信号的信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主动声呐方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）DT注意：适用于收发合置型声呐，对于收发分置声呐，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。 水声学第1章声呐及声呐方程321.3 1.3 声呐方程声呐方程 主动声呐方程主动声呐方程主动声呐方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RLDT水声学第1章声呐及声呐方程331.3 1.3 声呐方程声呐方程 被动声呐方程被动声呐方程 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，

17、即无TS； 背景干扰为环境噪声，不存在混响干扰。水声学第1章声呐及声呐方程341.3 1.3 声呐方程声呐方程 被动声呐方程被动声呐方程（SL-TL）-（NL-DI）DT注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。 被动声呐存在混响背景声呐方程吗？为什么？被动声呐存在混响背景声呐方程吗？为什么？水声学第1章声呐及声呐方程351.4 1.4 组合声呐参数组合声呐参数 回声信号级：回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声呐接收换能器上的回声信号的声级。噪声掩蔽级：噪声掩蔽级：NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声呐设备正常工作所需的最低信号级。 混响掩蔽级：混响掩蔽级：RL+DT工作在混响干扰中的声呐设备正常

18、工作所需的最低信号级。 回声余量：回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声呐回声级超过噪声掩蔽级的数量。 优质因数：优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声呐，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声呐，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失 。品质因数：品质因数：SL-（NL-DI）声呐接收换能器测得的声源级与噪声背景干扰级之差。 水声学第1章声呐及声呐方程361.5 1.5 声呐方程声呐方程的应用的应用 声呐方程应用声呐方程应用 声呐设备性能预报声呐设备性能预报：已知设备特点和若干参数，对其它声呐参数进行估计，如估计优质因数； 声呐设备设计声呐设备设计：预先规定

19、设备职能及各项战术技术指标，根据声呐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，例如工作频率选取DI、TL。水声学第1章声呐及声呐方程371.5 1.5 声呐方程声呐方程的应用的应用 Figure of Merit (FOM)Figure of Merit (FOM)定义定义 被动声呐允许的最大单程传播损失；主动声呐允许的最被动声呐允许的最大单程传播损失；主动声呐允许的最大双程传播损失大双程传播损失. . 令令 TL TL 或或2TL = FOM, 2TL = FOM, 则可知允许的水声信号传播损失则可知允许的水声信号传播损失. .被动声呐被动声呐 FOMP = SL NL + DI DT主动声呐主动声呐 FOMA = SL + TS RL DT (混响背景混响背景) FOMA = SL + TS NL + DI DT (噪声背景噪声背景)水声学第1章声呐及声呐方程381.5 1.5 声呐方程声呐方程的应用的应用 Range ?Range ? 根据根据FOMFOM 可以预报声呐可以预报声呐作用距离作用距离。 FOM FOM 越高越高, , 允许信号传播损失允许信号传播损失 越大越大，则声呐作用距离则声呐作用距离 越远越远。 检测概率检测概率 被动声呐被动声呐 如果如果 FOM TL FO