第十五讲第5章声波在目标上的反射和散射S5.1且标强度及常见声呐且标的目标强度的一般特征本进主要内容1、目标强度（重点、难点）1）目标强度概念2）刚性大球的目标强度2、常见声呐目标的目标强度的一般特征（重点）1）潜艇的目标强度2）鱼雷和水雷的目标强度3）鱼的目标强度二、且标强度1、且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、海底等2、研究声呐且标回波特性的意义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3、定义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大小，其定义为TS =101g目标10式中,I为入射声波强度；I为离目标声中心1米处的回声强度。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。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且标回声问题。问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？为什么？4、刚性大球的目标强度1）大球：ka>>1，k为波数2）刚性：声能不会透入球体内部3）反射声线：局部平面镜反射定律4）理想反射体：声能无损失地被球面所反射
第十五讲 第 5 章 声波在目标上的反射和散射 §5.1 目标强度及常见声呐目标的目标强度的一般特征 本讲主要内容 1、目标强度（重点、难点） 1）目标强度概念 2）刚性大球的目标强度 2、常见声呐目标的目标强度的一般特征（重点） 1）潜艇的目标强度 2）鱼雷和水雷的目标强度 3）鱼的目标强度 一、目标强度 1、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、海底等 2、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 3、定义：目标强度 TS 定量描述目标声反射本领的大小，其定义为 i r 1 r I I TS 10lg = = 式中， Ii为入射声波强度； Ir为离目标声中心 1 米处的回声强度。 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。 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？为什么？ 4、刚性大球的目标强度 1）大球：ka>>1，k 为波数 2）刚性：声能不会透入球体内部 3）反射声线：局部平面镜反射定律 4）理想反射体：声能无损失地被球面所反射
e,到e.+do.范围内的入射声功率：dW, =Idscosods = 2 元a'sin0,d0从到+do入射的声波被限制在e,到e,的范围内。散射声功率：dW, =I.2元r2.sin 20..2d0根据入射声功率等于散射声功率有：dW, =dW.求得I_a?14r2结论：TS值与声波频率无关，只与球半径有关提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导二、常见声呐且标的且标强度的一般特征1、潜艇的且标强度问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？1）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。2）测试艇：柴油动力潜艇3）时间：二战前后。4）正横方向：12～40dB，平均值25dB18艘潜艇正横方向目标强度直方图5）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。潜艇目标强度随方位的变化
到 范围内的入射声功率： 从 到 入射的声波被限制 在 到 的范围内。 散射声功率： 根据入射声功率等于散射声功率有： dWi = dWr 求得 2 2 i r 4r a I I = 结论：TS 值与声波频率无关，只与球半径有关。 提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导 二、常见声呐目标的目标强度的一般特征 1、潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？ 1）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。 2）测试艇：柴油动力潜艇 3）时间：二战前后。 4）正横方向：12～40dB，平均值 25dB 5）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。 潜艇目标 强度随方 位的变化 i d i θi θ + θ i i dscos i dW = I θ i i 2 ds = 2πa sinθ dθ i d i θ + θ i θ 1 θ 2 θ i i 2 dWr = I r 2πr sin 2θ 2dθ > < o o 1 2
①在艇的航侧正横方向上，目标强度值最大，达25dB，系由艇壳的镜反射引起；②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；③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；④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。6）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: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？以长为L的柱体目标强度测量为例：近距离处：[=A/r1远距离处：I=B/r22中过渡距离：A/ro=B/ro2量解得：B=AroTS/=10lg Ar1/lTS2=10lg Aro/lo-L/h距商①在近场（距离小于ro），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即：8 1/r②在远场（距离大于），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即：8 1/r2③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，则结果必然是远距离测量值大于近距离测量值。提示：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>L/α7）随脉冲宽度的变化设入射波脉冲长度为T，若物体表面上A点和B点所产生的回声在脉冲宽度T内被同时接收到，则有：t2BD≤cT/2AB.sin0≤cT/2>2L.sin0/c≤T
①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； ②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； ③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； ④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。 6）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： 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？ 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/r2 2 过渡距离：A/r0=B/r0 2 解得：B=Ar0 TS1=10lg Ar1/Ii TS2=10lg Ar0/Ii ①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 ②在远场（距离大于 ），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即： 2 1 r ③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，则结果必然是远距离测量值大于近距离测量值。 提示：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 L λ 2 7）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： A B t t 1 t 2 t
①随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面积相应增大：②脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大，直到脉冲长度变为t。=2Lsino/c后，目标强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。提示：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；在正横方向上目标强度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，该效应也不显著（脉宽减小效应）。8）随频率的变化二战期间，人们曾用12、24和60千赫的频率进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强度的频率响应，但测量结果表明：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。提示：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。9）随深度的变化深度对目标强度值影响，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。提示：深度对潜艇尾流回声有影响。3、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。1）且标强度的特点：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。2）正横方位上圆柱形物体的且标强度：aL?TS = 10 lg22式中，a为圆柱半径，L为圆柱长，入是声波波长举例：若a=0.2m，L=1.5m，入=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。提示：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。4、鱼且标强度1）单个鱼体的研究：英国Cushing（1963年）等人的研究结果：①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。②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。T州-..③测量结果：鱼体长与目标*：63h(05)强度的关系如右图。-30图中直线为TS值与系目-35.75+301gl（黑米）10lgV之间的关系，oV是鱼的体积。20 70 80 100.120in鱼长（星米）2）鱼群的研究
①随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面积相应增大； ②脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大，直到脉冲长度变为 后，目标强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。 提示：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；在正横方向 上目标强度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，该效应也不显著（脉宽减小效应）。 8）随频率的变化 二战期间，人们曾用 12、24 和 60 千赫的频率进行潜艇目标强度的测量，试图确 定潜艇目标强度的频率响应，但测量结果表明：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。 提示：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。 9）随深度的变化 深度对目标强度值影响，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。 提示：深度对潜艇尾流回声有影响。 3、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。 1）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。 2）正横方位上圆柱形物体的目标强度： 2 λ aL TS 10lg 2 = 式中，a 为圆柱半径，L 为圆柱长， λ 是声波波长 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。 提示：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。 4、鱼目标强度 1）单个鱼体的研究： 英国 Cushing（1963 年）等人的研究结果: ①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。 ②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。 ③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。 2）鱼群的研究 2Lsin c 0 = θ
视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中TS是单个鱼体目标强度值。总结：通过本讲的学习，掌握声呐目标强度的概念，以及典型目标的目标强度。作业：1、目标强度TS是如何定义的？其物理意义为何？目标强度值可以大于零，这是为什么？2、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
视鱼群为一个整体，如果鱼群由 N 条相距较大的鱼所组成，则鱼群总目标 强度为 TS+10lgN，其中 TS 是单个鱼体目标强度值。 总结：通过本讲的学习，掌握声呐目标强度的概念，以及典型目标的目标强度。 作业： 1、目标强度 TS 是如何定义的？其物理意义为何？目标强度值可以大于零，这是为什 么？ 2、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