水声学-声波在目标上的反射和散射4

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THE END
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表面声道中，以小于临界角发出的声线在声道的某个深 度上反转向海面传播，遇海面又经海面反射向下传播， 如是重复以上过程而得以远距离传播。
天气晴好，同一台声呐在早晨的作用距离远还是下午的作 用距离远，为什么？
早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道， 而下午一般不会形成表面声道。即使不出现表面声道时， 早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早晨的作用距 离远于下午，这就是下午效应。
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 随方位的变化
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
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 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。
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BD c 2
B
A t1
t
t2 t
AB sin c 2
2Lsin / c
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度
随脉冲宽度的变化
随着脉冲宽度的增大，对回声有贡献的物体表面积 相应增大；脉冲宽度由短逐渐变长时，目标强度值也由
艇 首
正横方向
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度和测量 距离等因素有关。 测试艇：柴油动力潜艇 时间：二战前后。 正横方向：12～40dB， 平均值25dB
小逐渐变大，直到脉冲长度变为0 2Lsinθ c 后，目标 强度值就不再随脉冲宽度的变化而变化。
：TS随脉冲宽度的变化关系决定了TS测量时的最小脉冲 宽度；正横方向，TS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；当测量目标上的单个亮点 处的目标强度时，脉宽减小效应也不显著。
1）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；
2）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减 规律不同于点源声场。
问题：如何解释？
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度
随测量距离的变化
以长为L的柱体
目标强度测量为例：
近距离处： I A / r1 远距离处： I B / r22 过渡距离： A / r0 B / r02 解得：
B Ar0
TS1 10 lg Ar1 / Ii TS2 10 lg Ar0 / Ii
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一、目标强度
目标强度概念
物理意义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大小
定义：
TS 10lg Ir Ii r1
Incident
来自百度文库
C
Target
1m
Ir
Echo
： r 1 表示距离目标声中心1米； 目标声中心为假想的点； 目标声中心不一定等同几何中心。
提示：多数声呐为收发合置型的，本章主要讨论反向反射 情况下的目标回声问题。 问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？
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一、目标强度
刚性大球的目标强度 大球：ka>>1，k为波数 刚性：声能不会透入球体内部 反射声线：局部平面镜反射定律 理想反射体：声能无损失地被球面所反射
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一、目标强度
目标强度概念 水下目标 1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷 2）民用目标：鱼群 3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底 研究声呐目标回波特性的意义 A）主动声呐目标检测和识别的依据 B）对声呐设备的设计和应用有重要意义
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。
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度
随测量距离的变化
近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远距离处 的目标强度测量值，其原因是：
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二、常见声呐目标的目标强度
鱼目标强度 单个鱼体的研究
测量结果：鱼体长与目标 强度的关系如右图。图中直 线为TS值与10lgV之间的关系， V是鱼的体积。 鱼群的研究 视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较大的鱼所
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0、第五章小结
邻近海面的水下点源声场 声压振幅随距离的变化特征（近场/远场） 传播损失
表面声道 表面声道特征 反转深度、临界声线、跨度的概念 传播损失（近距离/远距离）
深海声道 深海声道特征 声影区的概念 传播损失（近距离/远距离）
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TS 10lg Ir 10lg a2
Ii r1
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：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。 尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导。
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？
散射声功率：
2 1 <
o o
>
dWr Ir 2 πr2 sin 2θi 2 dθi
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一、目标强度
刚性大球的目标强度 根据入射声功率等于散射声功率有：
dWi dWr 刚性大球的目标强度：
Ir Ii
a2 4r2
：为了要得到稳定的测量结果，测量应在远场进行，即 测量距离 r L2 λ 。
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 随脉冲宽度的变化
设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上A点和B点所 产生的回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：
随深度的变化
深度对目标强度值的影响，不是影响了潜艇本身， 而是深度变化引起声传播规律的变化。
：深度对潜艇尾流回声有影响。
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二、常见声呐目标的目标强度
鱼雷和水雷目标强度
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二、常见声呐目标的目标强度
鱼目标强度 鱼是探鱼声呐的目标 单个鱼体的研究 英国Cushing（1963年）等人的研究工作: 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。
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二、常见声呐目标的目标强度
鱼雷和水雷目标强度 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
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0、第五章小结
深海负梯度 声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念
深海负跃层 概念 对声传播的影响
均匀浅海声场 传播损失与距离的关系（近/中等/远距离） 虚源法
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0、第五章测试
画出表面声道声速分布和典型声线，应用射线理论解释声 波在表面声道中远距离传播的原因。
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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 随频率的变化
二战期间测量结果表明：潜艇目标强度不存在明显 的频率效应，如果有的话，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。
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二、常见声呐目标的目标强度
鱼雷和水雷目标强度 正横方位上圆柱形物体的目标强度： TS 10 lg aL2 2λ 举例：若 a 0.2m ，L 1.5m ，λ 0.03m ，可得目标强度 值 TS 9dB 。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也随方位、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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二、常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度
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 r 2 。
若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面波规 律归算到距目标声中心1m处，则结果必然是远场测 量值大于近场测量值。
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一、目标强度
目标强度概念
目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或外部， 回声由该点发出。
收发分置（bistatic）：回声强度是入射方向和回声方 向的函数。
收发合置（monostatic）：回声强度仅是入射方向的函 数，即为反向反射或反向散射。
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。
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三、本讲作业
在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的 刚性球目标强度TS值的表达式。
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第六章 声波在目标上的反射和散射
第十五讲 目标强度
本讲主要内容
第五章小结与测试 目标强度
目标强度概念 刚性大球的目标强度 常见声呐目标的目标强度 潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度 本讲作业
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θ i 到 θi dθi 范围内的入射声功率：
dWi Iidscosθi
ds 2 πa2sinθidθi
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一、目标强度
刚性大球的目标强度 从 θ i 到 θi dθi
入射的声波被限制 在 θ1 到 θ2 的范 围内。