聲波在目標(biāo)上的反射和散射

聲波在目標(biāo)上的反射和散射第1頁/共99頁主要內(nèi)容

聲吶目標(biāo)強(qiáng)度TS；

常見聲吶目標(biāo)TS值的特性；

目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量；目標(biāo)回聲信號；剛性和彈性球體的散射場特性；

殼體目標(biāo)的回波信號；

散射聲場理論計(jì)算方法。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射2第2頁/共99頁1、目標(biāo)強(qiáng)度TS目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小，從回聲強(qiáng)度角度描述目標(biāo)的聲學(xué)特性。定義：式中，為入射波強(qiáng)度；為離目標(biāo)等效聲中心1米處的回聲強(qiáng)度。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射35.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

第3頁/共99頁（1）測量距離在遠(yuǎn)場進(jìn)行測量Ir，并按球面波衰減規(guī)律將測量值換算至目標(biāo)等效聲中心1m處。（2）目標(biāo)等效聲中心假想的點(diǎn)，可位于目標(biāo)的外部或內(nèi)部；射線聲學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為回聲是由該點(diǎn)發(fā)出。目標(biāo)QCPIr1m水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射45.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

第4頁/共99頁（3）回聲強(qiáng)度回聲強(qiáng)度Ir是入射波方向和回波方向的函數(shù)。在收發(fā)合置情況，回聲強(qiáng)度僅是入射波方向的函數(shù)，稱之為“反向反射”或“反向散射”。（4）參考距離

參考距離通常取1m。多數(shù)聲吶為收發(fā)合置型的，因此主要討論反向散射情況目標(biāo)回聲問題。

通常情況下，水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度TS為正值，為什么不能說回聲強(qiáng)度高于入射聲強(qiáng)度？

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射55.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

第5頁/共99頁2、剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度①剛性不動球體：半徑a，ka>>1，k為波數(shù)；②反射聲線：局部平面鏡反射定律；

③球體剛性：聲能不會透入球體內(nèi)部；④理想反射體：聲能無損失被反射。

散射聲功率：局部范圍入射聲功率：a水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射65.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

第6頁/共99頁入射聲功率等于散射聲功率：尤立克《水聲原理》從總體角度上進(jìn)行推導(dǎo)。

求得：剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度：結(jié)論：當(dāng)ka>>1，剛性球TS值與聲波頻率無關(guān)，只與球半徑有關(guān)；是考慮鏡反射的平均結(jié)果，不是嚴(yán)格解。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射75.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

第7頁/共99頁軍事需要：探潛、反潛、水聲對抗聲吶目標(biāo)（潛艇、魚雷、水雷等）強(qiáng)度備受各海軍強(qiáng)國重視；軍事保密原因，公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料較少，且年代久遠(yuǎn)；我們僅對聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度特性作一般性討論。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射85.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第8頁/共99頁1、潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度潛艇實(shí)測目標(biāo)強(qiáng)度值具有離散性，而且與方位、頻率、脈沖寬度、深度和距離有關(guān)。（1）測試艇：柴油動力潛艇（2）測試時(shí)間：二次大戰(zhàn)前后（3）正橫方向：12～40dB，平均值25dB

18艘潛艇正橫方向目標(biāo)強(qiáng)度直方圖

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射95.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第9頁/共99頁（1）空間方位特性潛艇目標(biāo)強(qiáng)度與方位角關(guān)系曲線呈“蝴蝶形”圖形。①測試頻率：24kHz②A為戰(zhàn)前、40次平均③B為戰(zhàn)后、5次平均潛艇目標(biāo)強(qiáng)度隨方位的變化

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射105.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第10頁/共99頁（1）空間方位特性（A曲線）♀在艇的舷側(cè)正橫方向上，目標(biāo)強(qiáng)度值最大，平均達(dá)25dB，系由艇殼的鏡反射引起；♀在艇首和艇尾方向，目標(biāo)強(qiáng)度最小，約10～15dB，系由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；♀在艇首和艇尾20度附近，比相鄰區(qū)域高出1～3dB，可能是由潛艇的艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射115.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第11頁/共99頁（2）隨測量距離的變化通常近距離測量的目標(biāo)強(qiáng)度值有可能小于遠(yuǎn)距離的測量值，且隨著測量距離變大目標(biāo)強(qiáng)度值也逐漸變大，到了某個(gè)距離后，目標(biāo)強(qiáng)度值不再隨距離而變。產(chǎn)生原因：♀指向性聲吶入射聲束照射目標(biāo)面積隨測量距離變化?！鈳缀涡螤畋容^復(fù)雜物體的回聲強(qiáng)度隨距離的衰減規(guī)律不同于點(diǎn)源聲場，聲強(qiáng)隨距離變化不遵循球面規(guī)律。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射125.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第12頁/共99頁（2）隨測量距離的變化♀在近場（距離小于），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從柱面波規(guī)律，即?！庠谶h(yuǎn)場（距離大于），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從球面波規(guī)律，即?！馊舴謩e在近場和遠(yuǎn)場進(jìn)行測量，然后按照球面波規(guī)律歸算到目標(biāo)聲中心1m處。

為了要得到穩(wěn)定可靠的測量結(jié)果，應(yīng)在遠(yuǎn)場進(jìn)行測量，即測量距離。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射135.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第13頁/共99頁（3）隨脈沖長度的變化設(shè)入射波脈沖長度為，若物體表面上A點(diǎn)和B點(diǎn)所產(chǎn)生回聲在脈沖寬度內(nèi)被同時(shí)接收到，則有：♀隨著脈沖長度的增加，對回聲有貢獻(xiàn)物體表面積相應(yīng)增大；

♀脈沖長度由短逐漸變長時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度值也由小逐漸變大，直到脈沖長度變?yōu)楹?，目?biāo)強(qiáng)度值就不再隨脈沖長度而變化。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射145.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第14頁/共99頁（3）隨脈沖長度的變化♀目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化實(shí)質(zhì)還是對回聲有貢獻(xiàn)的目標(biāo)表面積大小不同引起的?！庠谡龣M方向上目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖長度變化現(xiàn)象不明顯。由于目標(biāo)沿入射波方向上的長度很小，且回聲形成主要是鏡反射過程（脈寬減小效應(yīng)）。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射155.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第15頁/共99頁（4）隨頻率的變化試驗(yàn)測試結(jié)果：潛艇目標(biāo)強(qiáng)度值不存在明顯頻率效應(yīng)?！饪赡鼙粚?shí)測值的離散性所掩蓋；♀潛艇目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和幾何形狀十分復(fù)雜，產(chǎn)生回聲的機(jī)理是多種多樣的。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射165.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第16頁/共99頁（5）隨航行深度的變化♀深度對潛艇尾流回聲有影響，對其結(jié)構(gòu)的目標(biāo)強(qiáng)度值原則上沒有影響?！馍疃葘y試結(jié)果的影響表現(xiàn)對聲傳播特性的影響，并沒有影響到產(chǎn)生回聲的機(jī)理。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射175.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第17頁/共99頁2、魚雷和水雷的目標(biāo)強(qiáng)度基本形狀：帶平頭或半球體的圓柱體；幾何尺度：長度1米至數(shù)米，直徑0.3米至1米；兩者不同：魚雷尾部安裝有推進(jìn)器；水雷雷體上安裝有翼及凹凸不平處。目標(biāo)強(qiáng)度特點(diǎn)：♀正橫方位或頭部目標(biāo)強(qiáng)度值較大——強(qiáng)鏡反射；♀尾部和雷體上小的不規(guī)則部分目標(biāo)強(qiáng)度值較小。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射185.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第18頁/共99頁圓柱形物體目標(biāo)強(qiáng)度：圓柱形物體正橫和端部方位目標(biāo)強(qiáng)度：

式中，a為圓柱半徑，L為圓柱長，是聲波波長。

魚雷和水雷的目標(biāo)強(qiáng)度隨方位、頻率、脈沖寬度和測量距離變化，大體與潛艇的相類似。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射195.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征2、魚雷和水雷的目標(biāo)強(qiáng)度第19頁/共99頁3、魚的目標(biāo)強(qiáng)度魚是探魚聲吶的目標(biāo)。單個(gè)魚體的研究

Cushing（1963年）等人研究結(jié)果：♀測量對象：鱘魚、比目魚、鱸魚、青魚等死魚，安裝薄膜塑料人工魚鰾?！鈱?shí)驗(yàn)條件：聲波頻率30kHz，聲束由上向下垂直照射到魚脊背上，魚處于正常游動狀態(tài)?！鉁y量結(jié)果

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射205.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征第20頁/共99頁單個(gè)魚體的研究

Love（1971年）等人試驗(yàn)研究，獲得魚脊背方向入射時(shí)魚目標(biāo)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式（12kHz~200kHz）：

式中，魚體長度L（cm），頻率f（kHz）。

魚群的研究

將魚群視為一個(gè)整體，如果魚群由N條相距較大魚所組成，則魚群總目標(biāo)強(qiáng)度為TS+10lgN，其中TS是單個(gè)魚體目標(biāo)強(qiáng)度值。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射215.2常見聲吶目標(biāo)TS值的一般特征3、魚的目標(biāo)強(qiáng)度第21頁/共99頁在湖泊或海上現(xiàn)場測量目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值，容易滿足遠(yuǎn)場，能直接測量結(jié)果，但不宜控制和重復(fù)，結(jié)果有一定離散度，測量精度不高。1、現(xiàn)場測量測量原理

①指向性聲源A：向待測目標(biāo)輻射聲波；②接收水聽器B：接收待測目標(biāo)回波；③計(jì)算入射聲強(qiáng)度和回聲強(qiáng)度；④計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度TS值。①測量應(yīng)滿足遠(yuǎn)場條件；②合理選擇發(fā)射信號脈沖寬度；③合理選擇發(fā)射聲源和接收水聽器位置。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射225.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值第22頁/共99頁（1）比較法

測量原理①需要一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度為已知的參考目標(biāo)；②在相同測量條件下分別測量參考目標(biāo)和待測目標(biāo)的回聲級，比較它們的回聲級；③目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射235.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第23頁/共99頁（1）比較法

♀優(yōu)點(diǎn)：

操作簡單，僅測量回聲強(qiáng)度，計(jì)算簡單，是比較實(shí)用的方法?！馊秉c(diǎn)：①需要一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度已知的參考目標(biāo)；②對于復(fù)雜幾何形狀目標(biāo)（潛艇），高逼真的參考目標(biāo)制作比較困難；③對于大目標(biāo)很難保證前后兩次測量條件相同。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射245.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第24頁/共99頁（2）直接法

測量原理①A為收發(fā)合置換能器（為討論方便而假定），它是指向性聲源，聲軸指向待測目標(biāo)；B為被測目標(biāo)；距離r應(yīng)滿足遠(yuǎn)場條件。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射255.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第25頁/共99頁（2）直接法

測量原理②水聽器（聲源）處回聲級：

EL=SL-2TL+TS③待測目標(biāo)強(qiáng)度值：需要測量物理量：聲源級SL、回聲強(qiáng)度Ir和傳播損失TL。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射265.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第26頁/共99頁（2）直接法

♀優(yōu)點(diǎn)：操作比較簡單，不需特殊儀器設(shè)備，是一種基本的測量方法?！馊秉c(diǎn)：需要精確地知道或測量傳播損失值，現(xiàn)場測量難度比較大。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射275.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第27頁/共99頁（3）應(yīng)答器法

測量原理①測量船：安裝發(fā)射器和水聽器Ⅰ各一個(gè)，測量目標(biāo)回聲和應(yīng)答器所輻射的脈沖信號，設(shè)它們聲級差為A分貝。②待測目標(biāo)：安裝應(yīng)答器和水聽器Ⅱ各一個(gè)，相距1米，應(yīng)答器接收聲源發(fā)射聲脈沖后也發(fā)射聲脈沖，水聽器先后接收聲源和應(yīng)答器發(fā)射的脈沖信號，設(shè)它們的聲級差為B分貝。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射285.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第28頁/共99頁（3）應(yīng)答器法

測量原理③目標(biāo)強(qiáng)度值計(jì)算：優(yōu)點(diǎn)不需要確定傳播損失；測量比較簡單，不需要對測試系統(tǒng)做復(fù)雜的絕對校正。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射295.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值1、現(xiàn)場測量第29頁/共99頁在實(shí)驗(yàn)室水池中現(xiàn)場測量小尺度目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值，測量條件遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)場測量條件。2、實(shí)驗(yàn)室測量測量方法：①比較法②直接法水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射305.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值第30頁/共99頁測量條件：①滿足遠(yuǎn)場條件目標(biāo)處于聲源的遠(yuǎn)場，水聽器處于目標(biāo)的遠(yuǎn)場。②滿足自由場條件消聲水池：一般滿足自由場條件；非消聲水池：由于池壁、水面、池底反射聲可能和目標(biāo)回波信號干涉、疊加，影響測量結(jié)果的可信度；根據(jù)水池尺寸，合理選擇脈沖寬度，調(diào)整聲源、目標(biāo)和水聽器三者之間位置，使界面反射脈沖和目標(biāo)回波脈沖在接收時(shí)間上分開。③合理選取發(fā)射信號脈沖寬度為抗多途干擾，要求脈沖寬度窄一些；測量穩(wěn)態(tài)結(jié)果，又要求脈沖寬度不能太窄（包含至少10個(gè)左右波）。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射315.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值2、實(shí)驗(yàn)室測量第31頁/共99頁3、常見聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到的，結(jié)果具有較大的離散性，從統(tǒng)計(jì)的意義上給出了規(guī)律性結(jié)果。目標(biāo)方位TS/dB潛艇小型艇大型艇·有涂層大型艇正橫51025中間3815艇艏或艇尾0510水面艦艇正橫25非正橫15水雷正橫0非正橫-10~-25魚雷隨機(jī)-15鯨魚，30m脊背方向5鯊魚，10m脊背方向-4冰山任意10（最?。┧晫W(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射325.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值第32頁/共99頁4、簡單形狀物體的目標(biāo)強(qiáng)度①理論上可推得一些簡單幾何形狀物體目標(biāo)強(qiáng)度值理論計(jì)算公式。②雷達(dá)技術(shù)中對簡單幾何形狀物體的目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算公式用于聲吶目標(biāo)僅是一種近似值?！饴晠饶繕?biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不滿足剛性條件；♀聲吶目標(biāo)不滿足不動理想條件。③復(fù)雜幾何形狀目標(biāo)可分解成若干簡單幾何形狀子目標(biāo)，通過子目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值的合成得到其目標(biāo)強(qiáng)度值。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射335.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值第33頁/共99頁5、目標(biāo)TS值的降低（1）低頻條件下目標(biāo)強(qiáng)度值的降低在低頻，工程實(shí)現(xiàn)難度大，可以通過減小目標(biāo)的體積，來降低目標(biāo)強(qiáng)度值。（2）高頻條件下目標(biāo)強(qiáng)度值的降低①改變目標(biāo)幾何形狀；②表面覆蓋消聲被覆；③主動抵消；④采用薄調(diào)諧材料。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射345.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測量和常見目標(biāo)TS值第34頁/共99頁目標(biāo)回波：聲波在傳播途中遇到障礙物時(shí)產(chǎn)生散射聲波中，返回聲源方向那部分聲波。目標(biāo)回波是散射波的一部分，是入射波與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的，它攜帶目標(biāo)的某些特征信息。測量回波信號——分析處理——提取目標(biāo)特征（先驗(yàn)知識）——目標(biāo)檢測和識別?；仡櫋獯竽繕?biāo)：目標(biāo)前方次級聲波——反射波；目標(biāo)后方次級聲波——繞射波?！庑∧繕?biāo)：向空間各方向輻射次級聲波——散射波?！馀c波長相當(dāng)目標(biāo)：反射、繞射、散射均起作用?！庠诼晫W(xué)中，近場次級聲波——衍射波；遠(yuǎn)場次級聲波——散射波。在這里，統(tǒng)稱為散射波。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射355.4目標(biāo)回波第35頁/共99頁1、回波信號的形成（1）目標(biāo)鏡反射鏡反射是幾何反射過程，服從反射定律。曲率半徑大于波長的目標(biāo)，回波基本由鏡反射過程產(chǎn)生，與垂直入射點(diǎn)相鄰的目標(biāo)表面產(chǎn)生相干反射回聲。（2）目標(biāo)散射目標(biāo)表面不規(guī)則性，如棱角、邊緣和小凸起物，其曲率半徑小于波長，回波由散射過程產(chǎn)生。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射365.4目標(biāo)回波第36頁/共99頁水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射375.4目標(biāo)回波1、回波信號的形成第37頁/共99頁（3）目標(biāo)再輻射一般聲吶目標(biāo)為彈性物體，在入射聲波的激勵(lì)下，目標(biāo)某些固有振動模式被激發(fā)，向周圍介質(zhì)輻射聲波，它是目標(biāo)回聲組成部分，稱為非鏡反射回波。它與目標(biāo)力學(xué)參數(shù)、狀態(tài)以及與入射聲波相對位置等因素有關(guān)。窄平面波脈沖入射到鋁球上接收到的回波脈沖串。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射385.4目標(biāo)回波1、回波信號的形成第38頁/共99頁（4）回音廊式回聲（環(huán)繞波）聲波入射到A點(diǎn)除產(chǎn)生鏡反射波外，還有折射波投射到目標(biāo)內(nèi)部。折射波在目標(biāo)內(nèi)部傳播，在B、C、…上同樣產(chǎn)生反射和折射，到達(dá)G點(diǎn)時(shí)，折射波恰好在返回聲源的方向上，它是回波的一部分。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射395.4目標(biāo)回波1、回波信號的形成第39頁/共99頁彈性散射波－圓柱傾斜入射時(shí)彈性散射波（湯渭霖、陳德智）水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射405.4目標(biāo)回波1、回波信號的形成第40頁/共99頁彈性散射波－圓柱斜入射螺旋環(huán)繞波（鮑小玲）水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射415.4目標(biāo)回波1、回波信號的形成第41頁/共99頁彈性散射波的作用－高分辨率聲吶的有限長圓柱聲圖像水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射425.4目標(biāo)回波1、回波信號的形成第42頁/共99頁回波與入射波的差異（1）多普勒頻移運(yùn)動目標(biāo)回波頻率和入射波產(chǎn)生差異，這種差異的大小與入射波頻率f及目標(biāo)與聲源之間距離變化率V有關(guān)：式中，c是海水中的聲速。可以估計(jì)目標(biāo)的速度。

目標(biāo)接近聲源時(shí)，取正號；目標(biāo)遠(yuǎn)離聲源時(shí)，取負(fù)號。舉例：聲吶工作頻率10kHz，聲源以10節(jié)（5.15m/s）的相對速度趨近目標(biāo)時(shí)，回波頻移為69Hz

。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射435.4目標(biāo)回波2、回波信號的一般特征第43頁/共99頁（2）脈沖展寬目標(biāo)回聲是由整個(gè)目標(biāo)表面上的反射體和散射體產(chǎn)生，整個(gè)物體表面都對回波有貢獻(xiàn)。由于傳播路徑不同，目標(biāo)表面不同部分產(chǎn)生回波到達(dá)接收點(diǎn)在時(shí)間上有先有后，加寬了回聲信號的脈沖寬度。平面波以掠射角入射到長為L的目標(biāo)上，在收發(fā)合置條件下，回波脈沖將比入射脈沖展寬：在窄脈沖入射下，目標(biāo)為許多散射體組成復(fù)雜目標(biāo)，回聲脈沖展寬明顯；若回聲主要過程是鏡反射，回聲脈沖展寬可以忽略。舉例：潛艇在正橫方向，回波展寬為10ms，在首尾方位，回波展寬為100ms。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射445.4目標(biāo)回波2、回波信號的一般特征第44頁/共99頁（3）包絡(luò)不規(guī)則性

回聲包絡(luò)是不規(guī)則的，當(dāng)鏡反射不起主要作用時(shí)更是如此。

原因：目標(biāo)上各散射體散射波互相迭加干涉引起的。在目標(biāo)回聲中，還可能有個(gè)別的亮點(diǎn)，是由目標(biāo)上某些部位的產(chǎn)生鏡反射引起的。例如，潛艇的指揮臺，幾何亮點(diǎn)和彈性亮點(diǎn)。（4）調(diào)制效應(yīng)

產(chǎn)生原因：螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起目標(biāo)的散射截面產(chǎn)生周期性變化，引起回聲幅度周期性變化。運(yùn)動船體與其尾流產(chǎn)生的兩種回波干涉引起調(diào)制效應(yīng)。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射455.4目標(biāo)回波2、回波信號的一般特征第45頁/共99頁上節(jié)講述通過實(shí)驗(yàn)測量聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值；本節(jié)講述通過理論計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度值及其物理特性。常見聲吶目標(biāo)幾何形狀基本接近于球形或柱形，將其視為球體或圓柱體，簡化數(shù)學(xué)運(yùn)算，結(jié)果也適用于實(shí)際聲吶目標(biāo)。剛性不動球體物理含義：剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球內(nèi)部運(yùn)動；不動：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射465.5剛性球體散射聲場第46頁/共99頁

取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重合，并取x軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為a。入射平面波聲壓為：為書寫方便，將時(shí)間因子省略。

設(shè)散射波聲壓為，它滿足波動方程：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射475.5剛性球體散射聲場第47頁/共99頁考慮入射波對x軸對稱性，散射波也關(guān)于x軸對稱，則它與變量無關(guān)，則：利用分離變量法，有勒讓德方程：

貝塞爾方程：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射485.5剛性球體散射聲場第48頁/共99頁

根據(jù)勒讓德方程的解有（m為分離變量時(shí)引入常數(shù)，根據(jù)勒讓德方程性質(zhì)，m必須是非負(fù)整數(shù)）：根據(jù)貝塞爾方程的解有：根據(jù)輻射條件水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射495.5剛性球體散射聲場第49頁/共99頁散射波聲壓的解為：待定常數(shù)，由邊界條件確定對于剛性球體有：為了確定待定系數(shù)，需要將入射波展開：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射505.5剛性球體散射聲場第50頁/共99頁根據(jù)邊界條件，可確定待定系數(shù)：對于散射波的遠(yuǎn)場，利用球漢克爾函數(shù)在大宗量條件下近似展開：散射波聲壓表達(dá)式為：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射515.5剛性球體散射聲場第51頁/共99頁遠(yuǎn)場散射波聲壓為：遠(yuǎn)場散射波聲壓為：記：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射525.5剛性球體散射聲場第52頁/共99頁在低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變得復(fù)雜；低頻時(shí)，剛球背面散射波很弱，隨著頻率的增加，背部散射波逐漸增強(qiáng)。剛球遠(yuǎn)場散射波強(qiáng)度：散射波振幅正比于入射波振幅；散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅隨距離的衰減；散射波具有明顯指向性。剛性不動球的目標(biāo)強(qiáng)度表達(dá)式

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射535.5剛性球體散射聲場第53頁/共99頁常見聲吶目標(biāo)是由金屬材料制成的，均為彈性體；對于彈性體，入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場。與剛性球體比較：（1）彈性球體散射波強(qiáng)度隨頻率變化出現(xiàn)極大、極小變化；剛性球體散射波強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)。（2）還存在其它方面差別，研究這些差別，有助于聲吶目標(biāo)的檢測和識別。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射545.6彈性物體散射聲場及其特性第54頁/共99頁1、平面波在彈性球體上的聲散射分析：與剛性球體的散射場計(jì)算過程作對比相同點(diǎn)：散射波聲壓滿足相同的波動方程，解法相同，形式解相同；不同點(diǎn)：確定形式解中待定系數(shù)的邊界條件不同。邊界條件：1）法向應(yīng)力連續(xù)2）法向位移連續(xù)或法向質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù)3）切向應(yīng)力為零

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射555.6彈性物體散射聲場及其特性第55頁/共99頁考慮點(diǎn)聲源置于S處，它距球心的距離為r0，空間任意點(diǎn)P處入射聲場為：將球坐標(biāo)系原點(diǎn)置于球心處，則：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射565.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第56頁/共99頁水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射575.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第57頁/共99頁入射聲波表達(dá)式為：在遠(yuǎn)場條件下，則有：沿x軸入射平面波球函數(shù)展開式水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射585.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第58頁/共99頁彈性球體散射聲場表達(dá)式為：考慮收發(fā)合置情況下的回波：切向應(yīng)力為零法向應(yīng)力連續(xù)水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射595.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第59頁/共99頁水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射605.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第60頁/共99頁遠(yuǎn)場條件下回波表達(dá)式為：彈性球體散射聲場比剛性球體復(fù)雜，與球體組成材料的彈性參數(shù)有關(guān)。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射615.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第61頁/共99頁

上世紀(jì)60年代，Hickling引入形態(tài)函數(shù)來討論散射聲場與頻率的關(guān)系，彈性球的形態(tài)函數(shù)定義為：

散射聲場為：

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射625.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第62頁/共99頁結(jié)論：彈性球（鋼球和鋁球）形態(tài)函數(shù)隨頻率有極大、極小變化；剛性球形態(tài)函數(shù)在低頻段起伏振蕩，隨著頻率的增高，逐漸趨于1；聲學(xué)軟球形態(tài)函數(shù)在很低頻段大于1，隨著頻率的增加很快降至1

。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射635.6彈性物體散射聲場及其特性1、平面波在彈性球體上的聲散射第63頁/共99頁具有明顯頻率特性（1）寬脈沖入射信號散射強(qiáng)度隨頻率作極大、極小急劇變化，回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。（2）窄脈沖入射信號回波為一脈沖串，每個(gè)脈沖之間的間隔基本相等，脈沖幅度逐漸衰減，波形基本不變。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射645.6彈性物體散射聲場及其特性2、彈性物體散射聲場一般特征第64頁/共99頁波形畸變解釋（1）回波來自物體表面的散射波、透入物體內(nèi)部經(jīng)內(nèi)表面反射、透射到達(dá)的波，入射波激勵(lì)下的再輻射波；（2）長脈沖時(shí)，水聽器可在同一時(shí)刻接收上述各種波迭加而成，它們經(jīng)由不同途徑到達(dá)接收點(diǎn)（相位不同），迭加結(jié)果使得回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變；（3）短脈沖時(shí)，上述各種波不會在同一時(shí)刻到達(dá)接收點(diǎn)，所以接收到的是一個(gè)脈沖串。由于各個(gè)脈沖到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間不同，它們之間不會發(fā)生干涉迭加，不產(chǎn)生大的畸變。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射655.6彈性物體散射聲場及其特性2、彈性物體散射聲場一般特征第65頁/共99頁以彈性球?yàn)槔f明回波強(qiáng)度隨頻率急劇起伏的原因：設(shè)入射波頻譜為，則有：回波可表示為

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射665.6彈性物體散射聲場及其特性2、彈性物體散射聲場一般特征第66頁/共99頁入射波為長脈沖，其頻譜較窄，所以頻率稍許變化時(shí)，和相對位置可能發(fā)生很大的變化，它們乘積也相應(yīng)有較大變化，導(dǎo)致回波強(qiáng)度隨頻率急劇變化；入射波為短脈沖，其頻譜較寬，所以頻率稍許變化時(shí)，和相對位置產(chǎn)生不大的變化，它們乘積也相應(yīng)有不大變化，回波強(qiáng)度不會隨頻率稍許變化產(chǎn)生急劇變化。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射675.6彈性物體散射聲場及其特性2、彈性物體散射聲場一般特征第67頁/共99頁“非鏡”反射效應(yīng)

Finney在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，對于浸在水中彈性薄板，在聲波入射角滿足如下關(guān)系：在入射方向上有強(qiáng)反射，不滿足鏡反射規(guī)律，稱“非鏡反射”。進(jìn)一步研究表明，當(dāng)聲波入射角滿足如下關(guān)系：

也同樣發(fā)生非鏡反射。水中聲速

板中彎曲波波速

板中縱波波速水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射685.6彈性物體散射聲場及其特性2、彈性物體散射聲場一般特征第68頁/共99頁空間指向性彈性物體散射聲場具有空間指向性特性水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射695.6彈性物體散射聲場及其特性2、彈性物體散射聲場一般特征第69頁/共99頁實(shí)際聲吶目標(biāo)的結(jié)構(gòu)更類似于殼體——如潛艇、水雷、魚雷等。聲吶目標(biāo)本身是殼體或填充某種材料的殼體——回聲信號攜帶殼體或填充材料的某些特征。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射705.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第70頁/共99頁水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射715.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第71頁/共99頁以彈性球殼為例討論殼體目標(biāo)回聲信號—?dú)んw結(jié)構(gòu)復(fù)雜，回聲信號復(fù)雜，理論計(jì)算分析處理復(fù)雜繁瑣。1、穩(wěn)態(tài)回波信號接收點(diǎn)R處回聲信號：形態(tài)函數(shù)是殼體材料的彈性參數(shù)、密度、球殼內(nèi)外半徑、球殼兩側(cè)流體介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)、入射波頻率函數(shù)。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射725.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第72頁/共99頁（1）形態(tài)函數(shù)隨ka變化對殼體目標(biāo)，隨著ka值的變化，有劇烈的極大、極小變化，且比實(shí)心球更為劇烈。充水鋼球殼回聲信號的形態(tài)函數(shù)實(shí)心鋼球回聲信號的形態(tài)函數(shù)水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射735.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第73頁/共99頁（2）形態(tài)函數(shù)隨球殼厚度變化與殼體厚度有著十分密切的關(guān)系；

厚殼和薄殼具有一定相似性，但后者變化比前者劇烈；

隨著殼厚的增加，隨ka的變化逐漸趨于實(shí)心球體。充水鋼球殼回聲信號的形態(tài)函數(shù)水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射745.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第74頁/共99頁（3）形態(tài)函數(shù)隨殼內(nèi)填充物變化

當(dāng)ka值大于10以后，隨ka值作比較有規(guī)則變化。內(nèi)真空鋼球殼回聲信號的形態(tài)函數(shù)水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射755.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第75頁/共99頁（4）殼體目標(biāo)散射聲場的空間指向性特性對應(yīng)取極大值和極小值的空間指向性，更為復(fù)雜。內(nèi)真空鋼球殼散射聲場的空間指向性水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射765.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第76頁/共99頁2、短脈沖入射時(shí)的回聲信號短脈沖入射時(shí)充水球殼的回聲脈沖：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射775.7殼體目標(biāo)上的回聲信號第77頁/共99頁在短脈沖入射時(shí)，殼體目標(biāo)回波由一串脈沖構(gòu)成；（1）第一個(gè)回波脈沖為殼面的鏡反射回波；后續(xù)回波脈沖為入射波激勵(lì)殼體固有振動再輻射聲脈沖；（2）短脈沖條件下，輻射脈沖各自獨(dú)立，隨著脈寬逐漸變寬，輻射脈沖連成一片。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射785.7殼體目標(biāo)上的回聲信號2、短脈沖入射時(shí)的回聲信號第78頁/共99頁脈沖寬度大小對回聲脈沖結(jié)構(gòu)有明顯影響；（1）當(dāng)時(shí)，脈沖中心頻率稍有變化，回波脈沖結(jié)構(gòu)改變不明顯；（2）當(dāng)時(shí)，脈沖中心頻率細(xì)微變化，回波脈沖結(jié)構(gòu)改變明顯。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射795.7殼體目標(biāo)上的回聲信號2、短脈沖入射時(shí)的回聲信號第79頁/共99頁理論求解散射聲場——分離變量法：——形狀規(guī)則物體（正交坐標(biāo)系）——邊界條件簡單（硬或軟邊界）——嚴(yán)格解析解。

數(shù)值求解散射聲場——數(shù)值方法：——形狀不規(guī)則物體（正交坐標(biāo)系無法描述）——分離變量法不滿足——數(shù)值方法計(jì)算量大（尤其高頻）。高頻近似計(jì)算方法——赫姆霍茨積分方法：——形狀規(guī)則物體——硬或軟邊界——嚴(yán)格解析解；——形狀不規(guī)則物體或邊界條件復(fù)雜——物理概念清晰——數(shù)值解（數(shù)值積分方法）。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射805.8Helmholtz積分方法求解散射聲場第80頁/共99頁1、Helmholtz積分解設(shè)物體位于無限流體介質(zhì)中，物體外表面為封閉凸曲面S，它外法線方向?yàn)閚；點(diǎn)源位于點(diǎn)A，由赫姆霍茨積分公式得B點(diǎn)散射聲場解：

散射聲場勢函數(shù)水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射815.8Helmholtz積分方法求解散射聲場第81頁/共99頁

利用邊界條件，將被積函數(shù)中未知量用已知量表示。（1）被積函數(shù)簡化設(shè)物體表面S是剛性的，則：

入射波勢函數(shù)：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射825.8Helmholtz積分方法求解散射聲場1、Helmholtz積分解第82頁/共99頁（1）被積函數(shù)簡化設(shè)觀察點(diǎn)在目標(biāo)遠(yuǎn)場，考慮遠(yuǎn)場條件，得：

同理，在條件下，得：

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射835.8Helmholtz積分方法求解散射聲場1、Helmholtz積分解第83頁/共99頁（1）被積函數(shù)簡化剛性物體表面上散射聲場等于入射聲場（精確近似），有：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射845.8Helmholtz積分方法求解散射聲場1、Helmholtz積分解第84頁/共99頁（2）散射聲場的積分解剛性物體散射場的Helmholtz積分解：

如果考慮反向散射（收發(fā)合置）：

剛性物體散射聲場積分解。

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射855.8Helmholtz積分方法求解散射聲場1、Helmholtz積分解第85頁/共99頁2、菲涅爾半波帶近似赫姆霍茨積分解：需要知道物體表面曲面方程，運(yùn)算繁瑣，計(jì)算量大。費(fèi)涅爾半波帶方法：它是一種近似，簡化運(yùn)算量。

赫姆霍茨積分解物理意義：物體表面上各點(diǎn)在入射聲波的激勵(lì)下，作為次級聲源輻射次級聲波，它們在接收點(diǎn)迭加成為散射聲波，次級聲波的相位為，即聲波往返路程。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射865.8Helmholtz積分方法求解散射聲場第86頁/共99頁菲涅爾半波帶方法：收發(fā)合置情況，它位于B點(diǎn)，設(shè)物體表面距B點(diǎn)最近點(diǎn)為C，距離為r0。以B點(diǎn)為球心，以r0半徑，它與物體相切于點(diǎn)C，然后半徑每次增加1/4波長，將物體表面分割成N個(gè)環(huán)帶，稱為費(fèi)涅爾半波帶。相鄰半波帶的散射波在B點(diǎn)聲程差為，相位相差。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射875.8Helmholtz積分方法求解散射聲場2、菲涅爾半波帶近似第87頁/共99頁第i菲涅爾半波帶的散射聲場為：若物體表面上共分為N個(gè)波帶，則總散射聲場為：水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射885.8Helmholtz積分方法求解散射聲場2、菲涅爾半波帶近似第88頁/共99頁當(dāng)物體比波長大很