2025年声呐原理题库及答案

2025年声呐原理题库及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.声呐系统中，决定声波在海水中传播速度最主要的环境参数是（）A.盐度B.温度C.深度D.海流速度答案：B（声波在海水中的声速公式为c=1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³+1.34(S-35)+0.016D，其中T为温度（℃），S为盐度（‰），D为深度（m）。温度对声速的影响系数最大，约为4.6m/s·℃⁻¹，是主要影响因素。）2.被动声呐的核心功能是（）A.发射声波并接收回波B.仅接收目标辐射噪声C.同时发射和接收信号D.利用目标反射特性定位答案：B（被动声呐不主动发射声波，通过接收目标（如舰船、潜艇）自身辐射的噪声实现探测，区别于主动声呐的“发射-接收”模式。）3.混响干扰主要来源于（）A.海洋生物噪声B.目标反射的散射声波C.发射信号经海面、海底或水中悬浮物的散射回波D.舰艇机械振动噪声答案：C（混响是主动声呐发射的声波在传播过程中经海面、海底、水体中的散射体（如气泡、浮游生物）反射后，返回接收换能器的散射回波集合，是主动声呐的主要干扰源之一。）4.换能器的指向性指数（DI）反映了（）A.换能器发射功率的大小B.换能器对特定方向声波的接收/发射能力C.换能器的工作频率范围D.换能器的耐水压性能答案：B（指向性指数DI定义为换能器在主瓣方向的响应与无指向性换能器的平均响应之比的分贝值，DI越大，换能器对主瓣方向声波的集中能力越强，抗干扰能力越好。）5.声呐方程中，传播损失（TL）的物理意义是（）A.声波在传播过程中因吸收和散射导致的能量衰减B.目标对声波的反射能力C.接收系统的噪声水平D.发射声源的总辐射功率答案：A（传播损失TL表示声波从发射换能器到目标（或接收点）传播过程中，单位面积上声强的衰减程度，通常分为球面扩展损失（与距离r的平方成反比，对应20logr）和吸收损失（与距离r成正比，对应αr，α为吸收系数）。）6.多基地声呐与单基地声呐的主要区别在于（）A.工作频率不同B.发射和接收换能器分置不同位置C.仅用于被动探测D.不考虑传播损失答案：B（多基地声呐系统中，发射机和接收机位于不同的空间位置（如岸基发射、水下接收机或浮标接收），而单基地声呐的发射与接收通常共用同一换能器或同一平台，多基地配置可利用不同路径的回波信息，提高探测隐蔽性和目标定位精度。）7.匹配滤波技术在声呐中的主要作用是（）A.提高发射信号的功率B.抑制海洋环境噪声C.最大化输出信噪比D.扩展工作频率带宽答案：C（匹配滤波是一种最优线性滤波方法，其冲激响应与输入信号的时间反转共轭匹配，可在白噪声背景下使输出信噪比达到理论最大值，是声呐信号处理中提高弱信号检测能力的关键技术。）8.浅海声呐探测的主要难点不包括（）A.多路径效应导致回波重叠B.海底和海面反射引起的混响增强C.声速剖面复杂导致声线弯曲D.声波吸收系数随频率升高而显著降低答案：D（浅海中，声波吸收系数随频率升高而增大（如高频声波在海水中的吸收主要由硫酸镁离子弛豫引起），因此高频声呐在浅海中传播距离受限，而多路径、强混响、复杂声速剖面是浅海探测的典型挑战。）9.被动声呐目标识别的关键特征不包括（）A.目标辐射噪声的线谱频率B.目标的航速C.噪声的宽带谱形状D.调制频率（如螺旋桨轴频、叶片频）答案：B（被动识别主要依赖目标辐射噪声的特征，如线谱（特定机械部件振动产生的离散频率成分）、宽带谱（反映噪声能量随频率的分布）、调制特征（如螺旋桨旋转引起的噪声幅度调制），而航速是通过多普勒频移或时间差定位得到的运动参数，非直接识别特征。）10.声呐系统的作用距离主要取决于（）A.换能器的尺寸B.发射声源级与接收系统灵敏度C.海洋环境噪声级D.以上均是答案：D（作用距离由声呐方程决定：SLTL+TS=NLDI+DT（主动声呐），其中SL为声源级，TL为传播损失，TS为目标强度，NL为环境噪声级，DI为指向性指数，DT为检测阈。因此，换能器尺寸影响DI和TL（与频率相关），发射功率影响SL，接收灵敏度影响DT，环境噪声NL直接参与计算，故各因素均相关。）二、简答题（每题6分，共30分）1.简述主动声呐与被动声呐的工作流程差异，并说明各自适用场景。答案：主动声呐流程：发射机产生电信号→换能器转换为声信号→声波在水中传播→遇到目标后反射/散射→回波被换能器接收→转换为电信号→接收机放大、处理→检测目标。适用场景：目标无主动辐射噪声（如静默潜艇）、需要精确测距测向的场景。被动声呐流程：仅通过换能器接收目标自身辐射的噪声（如机械振动、螺旋桨空化噪声）→信号处理提取特征（线谱、调制频率等）→检测、定位、识别目标。适用场景：目标有明显辐射噪声（如常规动力舰船）、需要隐蔽探测（不暴露自身位置）的场景。2.声呐方程中，“检测阈（DT）”的物理意义是什么？影响DT的主要因素有哪些？答案：检测阈DT是接收系统能够检测到目标回波（或被动目标信号）所需的最小信噪比（SNR），单位为分贝（dB）。DT反映了信号处理算法的检测能力：DT越小，系统对弱信号的检测能力越强。影响因素：①信号处理方式（如匹配滤波、相干积累可降低DT）；②目标信号特性（如脉冲宽度、带宽，宽脉冲或大带宽信号可通过积分提高SNR）；③噪声类型（高斯白噪声下DT较低，非高斯噪声或干扰存在时DT升高）；④虚警概率（要求虚警率越低，DT越高）。3.解释“多路径效应”对声呐探测的影响，并列举两种抑制多路径干扰的技术。答案：多路径效应指声波从发射点到接收点经不同路径（如直接路径、海面反射、海底反射）传播，导致同一目标的回波以不同时间、不同相位到达接收系统，造成回波信号的重叠、畸变或干涉（相长/相消）。影响包括：①测距误差（多路径回波导致时间延迟测量错误）；②目标分辨力下降（多路径回波与直达回波叠加，难以区分邻近目标）；③信号失真（相位差导致相干积累效果降低）。抑制技术：①时间门控（通过设置接收窗口仅保留直达回波，剔除延迟过长的多路径信号）；②自适应波束形成（利用阵列天线对不同方向的多路径信号进行空间滤波，抑制非目标方向的干扰）；③相干信号处理（通过估计多路径信道参数，对回波进行均衡或反卷积，恢复原始信号）。4.说明“目标强度（TS）”的定义及其影响因素。答案：目标强度TS定义为：TS=10log（σ/(4πr²)），其中σ为目标的声散射截面积（单位m²），r为目标到换能器的距离（单位m）。物理意义是：当声波入射到目标时，目标将声波向各个方向散射，TS表示散射波在入射方向（单基地声呐）的强度与入射波在目标处的强度之比的分贝值（相对于1μPa²·m²）。影响因素：①目标的几何形状（如球体、柱体的散射特性差异大）；②目标的材料（刚性、弹性或吸声材料的散射系数不同）；③入射声波的频率（低频时散射与目标尺寸相关，高频时与表面形状相关）；④入射角度（目标对不同方向入射声波的散射能力不同，如潜艇正横方向的TS通常大于首尾方向）。5.简述海洋环境噪声的主要来源及其频率特性。答案：海洋环境噪声按来源分为四类：①湍流噪声（由海水微团的随机运动产生，主要分布在100Hz以下，随深度增加而减弱）；②波浪噪声（由海面波浪、气泡破裂等产生，主要集中在100Hz~10kHz，与风速正相关）；③生物噪声（由海洋生物（如虾、鱼、鲸）发出的声音，频率范围广（100Hz~100kHz），具有区域性和季节性）；④人为噪声（如舰船螺旋桨噪声、工业活动（石油勘探）、航运噪声等，主要分布在10Hz~10kHz，是近岸海域的主要噪声源）。三、计算题（每题10分，共30分）1.某主动声呐系统参数如下：声源级SL=210dB（re1μPa·m），接收指向性指数DI=25dB，检测阈DT=10dB，环境噪声级NL=90dB（re1μPa²/Hz），目标强度TS=15dB，声波传播损失TL=20logr+0.1r（r为距离，单位km）。假设系统工作于窄带，带宽B=1Hz，求最大探测距离r（结果保留两位小数）。答案：主动声呐方程：SLTL+TS=NLDI+DT代入参数：210(20logr+0.1r)+15=9025+10化简得：22520logr0.1r=75即：20logr+0.1r=150采用迭代法求解：假设r=100km，20log100=40，0.1×100=10，总和=50＜150，不满足；r=1000km，20log1000=60，0.1×1000=100，总和=160＞150；r=800km，20log800≈20×2.903=58.06，0.1×800=80，总和≈138.06＜150；r=900km，20log900≈20×2.954=59.08，0.1×900=90，总和≈149.08≈150；r=905km，20log905≈20×2.956=59.12，0.1×905=90.5，总和≈149.62≈150；r≈905km（精确解需更细致迭代，此处近似为905km）。2.某被动声呐接收阵由8元线列阵组成，阵元间距d=0.5m，工作频率f=1kHz，声速c=1500m/s。计算该阵的半功率波束宽度（HPBW）。答案：线列阵的波束宽度公式：HPBW≈0.886λ/L（弧度），其中λ为波长，L为阵长（L=(N-1)d，N为阵元数）。λ=c/f=1500/1000=1.5m；L=(8-1)×0.5=3.5m；HPBW≈0.886×1.5/3.5≈0.379弧度≈21.7度（1弧度≈57.3度）。3.某主动声呐发射脉冲宽度τ=10ms，发射频率f=5kHz，声速c=1500m/s，换能器波束宽度θ=10°（3dB波束宽度）。假设混响主要来源于体积混响，体积混响系数Sv=-40dB（re1m⁻¹），求发射脉冲期间混响时间强度的最大值（结果以dBre1μPa²表示）。答案：体积混响的时间强度公式：R(t)=SL+10log(πr²θ²/4)+Sv2TL(r)，其中r=ct/2（t为时间，r为距离），TL(r)=20logr（假设球面扩展，忽略吸收）。脉冲期间t∈[0,τ]，r∈[0,cτ/2]=[0,1500×0.01/2]=7.5m。混响强度最大时，r=7.5m（脉冲结束时刻），此时：SL=假设为参考值（题目未给，此处假设SL=200dB）；10log(πr²θ²/4)=10log(π×7.5²×(10×π/180)²/4)≈10log(π×56.25×(0.1745)²/4)≈10log(π×56.25×0.0304/4)≈10log(1.34)≈1.27dB；Sv=-40dB；TL=20log7.5≈17.5dB；则R(t)=200+1.27402×17.5=200+1.27-40-35=126.27dB（注：实际计算需根据题目给定的SL值调整，此处为示例）。四、分析题（每题10分，共20分）1.分析浅海环境下主动声呐探测的主要挑战，并提出三种改进措施。答案：浅海环境的主要挑战：①多路径效应显著（声波经海面、海底多次反射，导致回波重叠，测距测向误差大）；②混响干扰强（海底、海面及水体中的散射体（如沙粒、气泡）导致混响级高，掩盖弱目标回波）；③声速剖面复杂（浅海温度、盐度受太阳辐射、径流影响大，声速可能出现负梯度（表面声道）或正梯度（海底声道），声线弯曲导致能量分布不均，作用距离波动大）；④边界反射损失不确定（海底底质（沙、泥、岩石）不同，反射系数差异大，难以准确建模传播损失）。改进措施：①采用宽带信号（如线性调频信号）提高距离分辨力，区分多路径回波；②使用垂直阵或拖曳阵（增加阵长），利用空间滤波抑制非直达路径的干扰；③引入环境自适应处理（通过实时测量声速剖面，修正声线轨迹，优化波束指向）；④采用多基地配置（发射和接收分置，利用不同路径的回波信息，降低单一路径混响的影响）。2.被动声呐目标识别中，如何利用“线谱特征”和“调制特征”区分不同类型的目标？举例说明。答案：线谱特征是目标辐射噪声中离散的频率成分，由机械部件（如发动机、齿轮箱、螺旋桨）的周期性振动产生，具有唯一性。例如，柴油机的线谱通常集中在低频（如50Hz、100Hz，对应曲轴转速），而燃气轮机的线谱频率较高（如300Hz以上，对应涡轮叶片旋转频率）