第1章 聲納及聲納方程

1、第一章第一章 聲納及聲納方程聲納及聲納方程1.1 1.1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 什么叫聲納？什么叫聲納？SonarSonarund und vigation and vigation and anginganging利用水下聲信息進行探測、識別、定位、導航和通訊的系統(tǒng)。1.1 1.1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 聲納分類聲納分類 按照工作方式分類：主動聲納和被動聲納 1.1 1.1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 主動聲納信息流程主動聲納信息流程： 1.1 1.1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 被動聲納（噪音聲納站）信息流程被動聲納（噪音聲納站）信息流程： 1.1 1.

2、1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 主、被動聲納信息流主、被動聲納信息流程有何區(qū)別？程有何區(qū)別？1.1 1.1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 主、被動聲納工作信息流程基本組成？主、被動聲納工作信息流程基本組成？ 1. 海水介質(zhì)海水介質(zhì)2. 被探測目標被探測目標3. 聲納設備聲納設備聲納工作信息流程三個基本環(huán)節(jié)聲納工作信息流程三個基本環(huán)節(jié) 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 什么叫聲納參數(shù)？什么叫聲納參數(shù)？ 將影響聲納設備工作的因素稱為聲納參數(shù)。 闡述聲納參數(shù)定義、物理意義推導聲納方程 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) n聲源級聲源級SLSLn指向性指數(shù)指向性指數(shù)DIDIT Tn傳播損失傳播

3、損失TLTLn目標強度目標強度TSTSn傳播損失傳播損失TLTLn指向性指數(shù)指向性指數(shù)DIDIR Rn噪聲級噪聲級NLNLn等效平面波混響級等效平面波混響級RLRLn檢測閾檢測閾DTDT1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) n聲源級聲源級SLSLn傳播損失傳播損失TLTLn指向性指數(shù)指向性指數(shù)DIDIR Rn噪聲級噪聲級NLNLn檢測閾檢測閾DTDT1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 聲源級聲源級SLSL描述主動聲納所發(fā)射聲信號的強弱：10lg10 rIISLSL反映發(fā)射器輻射聲功率大小。 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 解釋原因：它可以提高輻射信號的強度，相應也提高回聲信號強度，增加接收信號的信

4、噪比，從而增加聲納的作用距離。 如何提高主動聲納作用距離？如何提高主動聲納作用距離？1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 發(fā)射指向性指數(shù)發(fā)射指向性指數(shù)DIDIT TNDDTIIDIlg10 物理含義：1. 在相同距離上，指向性發(fā)射器聲軸上聲級高出無指向性發(fā)射器輻射聲場聲級的分貝數(shù)；2. DIT越大，聲能在聲軸方向集中的程度越高；就有利于增加聲納的作用距離。 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 聲源級與聲功率的關(guān)系聲源級與聲功率的關(guān)系假設：1. 介質(zhì)無聲吸收；2. 聲源為點源；3. 輻射聲功率為Pa(W) 214mWPIar 無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系： 77.170lg10 aPSL常識：

5、船用聲納 Pa為幾百瓦幾千瓦，DIT為1030dB， SL約為210240dB。有指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系： TaDIPSL 77.170lg101.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 傳播損失傳播損失TLTL定量描述聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化：rIITL1lg10 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 目標強度目標強度TSTS定量描述目標反射本領的大小 ：1lg10rirIITSIr1m常識：1. 不同目標回波不一樣； 2. 回波與入射波特性和目標特性有關(guān)。1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 海洋環(huán)境噪聲級海洋環(huán)境噪聲級NLNL海洋環(huán)境噪聲：由海洋中大量的各種各樣的噪聲源發(fā)出的聲波構(gòu)成

6、的，它是聲納設備的一種背景干擾背景干擾。NL是度量環(huán)境噪聲強弱的量 ：0lg10IINLN 注意：IN是測量帶寬內(nèi)測量帶寬內(nèi)或1Hz頻帶內(nèi)頻帶內(nèi)的噪聲強度。主動聲納背景干擾1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 環(huán)境噪聲環(huán)境噪聲平穩(wěn)的、各向同性的混混 響響非平穩(wěn)的、非各向同性的1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 定量描述混響干擾的強弱。定義：強度已知的平面波軸向軸向入射到水聽器上，水聽器輸出電壓值；將水聽器移置于混響場中，聲軸指聲軸指向目標向目標，水聽器輸出電壓值。 等效平面波混響級等效平面波混響級RLRL10lgRL 水聽器輸出端混響功率參考聲強信號產(chǎn)生的功率1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 定義：

7、接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIR R聲功率聲功率指向性水聽器產(chǎn)生的噪指向性水聽器產(chǎn)生的噪噪聲功率噪聲功率無指向性水聽器產(chǎn)生的無指向性水聽器產(chǎn)生的lg10 RDI注意：指向性水聽器的軸向靈敏度等于無指向性水聽器的靈敏度。 物理含義：接收系統(tǒng)抑制背景噪聲的能力。 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIR假設：1.水聽器靈敏度為單位值；2.噪聲場為各向同性，單位立體角內(nèi)的噪聲功率為I Ii i。無指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓為： 44iiNmIdImR1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIR指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓為： 44,db

8、mIdbImRiiD 是歸一化的聲束圖函數(shù)。 ,b1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIR 4,4lg10lg10dbRRDIDNR注意：參數(shù)DIR只對各向同性噪聲場中的平面波信號（是完全相關(guān)信號）有意義；否則需用陣增益來代替DIR。 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIR陣增益： 4444,10lg,SbdNbdAGSdNd 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 接收指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)DIDIR簡單幾何形狀換能器陣增益： 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 定義：設備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值()。 檢測閾檢測

9、閾DTDT功率功率水聽器輸出端上的噪聲水聽器輸出端上的噪聲信號功率信號功率剛好完成某種職能時的剛好完成某種職能時的lg10 DT注意：對于同種職能的聲納設備，檢測閾值的設備，其處理能力，性能也。 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 從能量角度描述了海水介質(zhì)、聲納目標和聲納設備的特性和效應?？偨Y(jié)總結(jié)SLSLTLTLTSTSTLTLDTDTDIDIR RNLNLRLRL1.3 1.3 聲納方程聲納方程 1.將海水介質(zhì)、聲納目標和聲納設備作用聯(lián)系在一起；2.將信號與噪聲相聯(lián)系；3.綜合考慮水聲所特有的各種現(xiàn)象和效應對聲納設備的設計和應用所產(chǎn)生影響的關(guān)系式。聲納方程聲納方程1.3 1.3 聲納方程聲納方

10、程 信號級-背景干擾級 檢測閾設備工作帶寬內(nèi)部分背景噪聲才起干擾作用。1.3 1.3 聲納方程聲納方程 主動聲納方程主動聲納方程信號級（回聲信號級）：SL-2TL+TS背景干擾級：NL-DI注意：換能器聲軸指向？ 1.3 1.3 聲納方程聲納方程 主動聲納方程主動聲納方程處理器處電信號信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主動聲納方程（噪聲背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）DT注意：適用于收發(fā)合置型聲納，對于收發(fā)分置聲納，往返傳播損失不能簡單用2TL表示；適用于背景干擾為各向同性的環(huán)境噪聲情況。 1.3 1.3 聲納方程聲納方程 主動聲納方程主動聲納方程主動聲納方程（混響背

11、景）：（NL-DI）（SL-2TL+TS）-RLDT1.3 1.3 聲納方程聲納方程 被動聲納方程被動聲納方程 噪聲源發(fā)出的噪聲直接由噪聲源傳播至接收換能器； 噪聲源發(fā)出的噪聲不經(jīng)目標反射，即無TS； 背景干擾為環(huán)境噪聲。1.3 1.3 聲納方程聲納方程 被動聲納方程被動聲納方程（SL-TL）-（NL-DI）DT注意：SL噪聲源輻射噪聲的聲源級。 被動聲納存在混響背景聲納方程嗎？為什么？被動聲納存在混響背景聲納方程嗎？為什么？1.4 1.4 組合聲納參數(shù)組合聲納參數(shù) 回聲信號級：SL-2TL+TS加到主動聲納接收換能器上的回聲信號的聲級噪聲掩蔽級：NL-DI+DT工作在噪聲干擾中的聲納設備正常

12、工作所需的最低信號級 混響掩蔽級：RL+DT工作在混響干擾中的聲納設備正常工作所需的最低信號級 回聲余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主動聲納回聲級超過噪聲掩蔽級的數(shù)量 優(yōu)質(zhì)因數(shù)：SL-（NL-DI+DT）對于被動聲納，該量規(guī)定最大允許單程傳播損失；對于主動聲納，當TS=0時，該量規(guī)定了最大允許雙程傳播損失 品質(zhì)因數(shù)：SL-（NL-DI）聲納接收換能器測得的聲源級與噪聲級之差 1.5 1.5 聲納方程的應用聲納方程的應用聲納方程應用聲納方程應用 聲納設備性能預報聲納設備性能預報：已知設備特點和若干參數(shù)，對其它聲納參數(shù)進行估計，如估計優(yōu)質(zhì)因數(shù)； 聲納設備設計聲納設備設計：預先規(guī)定設備

13、職能及各項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，根據(jù)聲納方程綜合評價各參數(shù)的影響，對參數(shù)合理選取和設備最佳設計，例如工作頻率的選取DI、TL。1.5 1.5 聲納方程的應用聲納方程的應用Figure of Merit (FOM)Figure of Merit (FOM) 1.5 1.5 聲納方程的應用聲納方程的應用Range ?Range ? 根據(jù)根據(jù)FOM FOM 可以預報聲納可以預報聲納作用距離作用距離. . FOM FOM 越高越高, , 允許的信號傳播損失允許的信號傳播損失 越大越大，則聲納作用距離則聲納作用距離 越遠越遠. . 檢測概率檢測概率 被動聲納被動聲納 如果如果 FOM TL FOM TL 則則

14、檢測概率檢測概率 50% 50% 如果如果 FOM TL FOM TL 則則 檢測概率檢測概率 50% 2TL FOM 2TL 則則 檢測概率檢測概率 50% 50% 如果如果 FOM 2TL FOM 2TL 則則 檢測概率檢測概率 50% DTKnownCan MeasureFunction ofEquipmentCan MeasureExperimentallyONLY UNKNOWN1.7 1.7 聲納方程及聲納參數(shù)確定聲納方程及聲納參數(shù)確定 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 聲納方程及聲納參數(shù)確定聲納方程及聲納參數(shù)確定 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 聲納方程及聲納參數(shù)確定聲納方程及聲納參數(shù)確定 Scattering /