第十六讲第5章声波在目标上的反射和散射85.2且标强度的实验测量、常见声呐目标的目标强度、目标回波本讲主要内容1、目标强度的实验测量（重点、难点）口比较法测量目标强度口直接法测量目标强度口应答器法口实验室测量2、常见声呐目标的目标强度（了解）3、简单几何形状物体的目标强度（掌握）4、目标回波（重点）口回波信号的形成口回波信号的一般特征一、目标强度的实验测量1、测量原理目标强度测量示意图如下图所示：A：是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。B：是水听器，接收来自目标的回波。测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射声场的远场区：水听器应位于目标散射声场的远场区。AB1目标1根据且标强度的定义：1.TS =10lg计算入射声强度和回声强度。2、比较法测量原理：利用已知目标强度的参考目标，在相同的测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强度，比较它们的回声强度即可。目标强度的计算：设参考目标的目标强度值为TSo，待测目标的目标强度值为TS:BAI参考BA1待测I.目标I.目标
第十六讲 第 5 章 声波在目标上的反射和散射 §5.2 目标强度的实验测量、常见声呐目标的目标强度、目标回 波 本讲主要内容 1、目标强度的实验测量（重点、难点） ❑ 比较法测量目标强度 ❑ 直接法测量目标强度 ❑ 应答器法 ❑ 实验室测量 2、常见声呐目标的目标强度（了解） 3、简单几何形状物体的目标强度（掌握） 4、目标回波（重点） ❑ 回波信号的形成 ❑ 回波信号的一般特征 一、目标强度的实验测量 1、测量原理 目标强度测量示意图如下图所示： A：是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声信号的脉冲宽度根据测量条件 合理选择。 B：是水听器，接收来自目标的回波。 测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射声场的远场区；水听器应位于目 标散射声场的远场区。 根据目标强度的定义： i r 1 r I I TS 10lg = = 计算入射声强度和回声强度。 2、比较法 测量原理：利用已知目标强度的参考目标，在相同的测量条件下测量参考目标和 待测目标的回声强度，比较它们的回声强度即可。 目标强度的计算：设参考目标的目标强度值为 TS0，待测目标的目标强度值为 TS：
L+TS。TS = 10lg6式中，Io为参考目标回声强度；I为待测目标回声强度。适用范围：适用于短距离下小物体的测量。优缺点：优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的大小和结构要保证其目标强度近似理想几何物体目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前后两次测量条件相同。3、直接法测量原理图：A为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目标；B为被测目标：距离r应满足远场条件。且标强度的计算：水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS1EL =10lg10回声级的定义：TS = 10lg :L+2TL-SL1o待测目标强度值：说明：该方法需测量三个物理量。优缺点：优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是一种基本测量方法。缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。4、应答器法1952年，Urick和Pieper提出的不需确定传播损失的测量方法。测量原理图：1*应答器、一水听器E水听器应答器脉冲应答器脉冲B(分贝）入射脉冲目标回声A（分贝）
0 0 r TS I I TS =10lg + 式中， I0为参考目标回声强度； Ir为待测目标回声强度。 适用范围：适用于短距离下小物体的测量。 优缺点： 优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。 缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的大小和结构要保证其目标强 度近似理想几何物体目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前 后两次测量条件相同。 3、直接法 测量原理图： A 为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目 标； B 为被测目标；距离 r 应满足远场条件。 目标强度的计算： 水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS 回声级的定义： 0 r I I EL =10lg 待测目标强度值： 2TL SL I I TS 10 lg 0 r = + − 说明：该方法需测量三个物理量。 优缺点： 优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是一种基本测量方法。 缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。 4、应答器法 1952 年，Urick 和 Pieper 提出的不需确定传播损失的测量方法。 测量原理图：
1）待测目标上安装水听器和应答器各一个，应答器接收声源辐射声脉冲后也辐射声脉冲，水听器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它们的声级差为B分贝。2）在水面船上安装声源和水听器，水听器接收目标回声和应答器所辐射的脉冲声信号，设它们的声级差为A分贝。且标强度的计算：待测且标强度值：TS=B-A优点：不需要确定传播损失；不需要对声源、应答器和两个水听器作绝对校正。5、实验室测量测量方法：比较法和直接法。注意事项：1）声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离应满足远场条件一两个远场2）测试条件应满足自由场条件一一个自由场消声水池满足自由场条件：非消声水池的池壁、池底和水面水底反射声会直接影响测量结果的可信度，应消除反射声的影响。根据水池的长、宽、深，合理选择脉冲宽度，适当调整声源、目标和水听器三者之间的位置，使界面反射信号和回波信号在接收时间上分开。3）合理选择发射信号脉冲宽度一一个脉宽选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）：测量结果要达到稳态（不能过窄）。二、常见声呐目标的目标强度目标TS分贝方位角潜艇正横+25艇首尾+10正横与首尾之间+15正横水面舰艇+25（高值不确定）非正横+15（高值不确定）水雷正横+10非正横+10~-25鱼雷头-20背向长度为L的鱼-54+191gl提示：一般，声呐目标的目标强度值是根据实验测量得到的，结果具有较大的离散性，上表是从统计的意义上给出的规律性结果。三、简单几何形状物体的目标强度
1）待测目标上安装水听器和应答器各一个，应答器接收声源辐射声脉冲后也辐射 声脉冲，水听器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它们的声级差为 B 分贝。 2）在水面船上安装声源和水听器，水听器接收目标回声和应答器所辐射的脉冲声 信号，设它们的声级差为 A 分贝。 目标强度的计算： 待测目标强度值：TS=B-A 优点：不需要确定传播损失；不需要对声源、应答器和两个水听器作绝对校正。 5、实验室测量 测量方法：比较法和直接法。 注意事项： 1）声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离应满足远场条件—两个远场 2）测试条件应满足自由场条件—一个自由场 消声水池满足自由场条件；非消声水池的池壁、池底和水面水底反射声会 直接影响测量结果的可信度，应消除反射声的影响。根据水池的长、宽、深， 合理选 择脉冲宽度，适当调整声源、目标和水听器三者之间的位置，使界面反 射信号和回波信号在接收时间上分开。 3）合理选择发射信号脉冲宽度—一个脉宽 选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）；测量结果要达到稳态（不 能过窄）。 二、常见声呐目标的目标强度 提示：一般，声呐目标的目标强度值是根据实验测量得到的，结果具有较大的离 散性，上表是从统计的意义上给出的规律性结果。 三、简单几何形状物体的目标强度
t形状目标强度符号入时方向条件=10lgtaia2-主曲率半径ka,,kag>1任何凸曲面+=距离垂直于表面r>a起=2元/波长ka>1/4大Q=球半径任意球r>a体V球体积ka16/2粗日二柱半径垂直于柱轴r>a细4=柱半径垂直于柱轴kaL/与法线成角aL:/24(sinβ/p)"cos*8βkLsing无限4垂直于平面(平面)平A=平板面积有限(4)aL=平板的最大线度垂直于平板任何形状>1[=平板的最小线度与含有α边a,b=矩形的边长((]0s矩形的法线平面品》11.A提示：声呐目标不满足刚性、不动的理想条件，表中所列公式得到的仅是一种近似值。作为一种估计，这些公式在实际工作中是十分有用的。四、且标回波1、且标回波概述声波在传播途中遇到障碍物时产生的散射声波中，返回声源方向的那部分声波。它是散射波的一部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目标的某些特征信息。1）大目标：目标前方次级声波反射波：目标后方的次级声波绕射波。散射波。2）小目标：向空间各方向辐射的次级声波-3）与声波波长相当目标：反射、绕射、散射过程均起作用。4）在声学中，近场的次级声波一衍射波：远场的次级声波-散射波。本书中统称为散射波。5）测量目标回波的应用
提示：声呐目标不满足刚性、不动的理想条件，表中所列公式得到的仅是一种近 似值。作为一种估计，这些公式在实际工作中是十分有用的。 四、目标回波 1、目标回波概述 声波在传播途中遇到障碍物时产生的散射声波中，返回声源方向的那部分声 波。它是散射波的一部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目标的某些 特征信息。 1）大目标：目标前方次级声波——反射波；目标后方的次级声波——绕射波。 2）小目标：向空间各方向辐射的次级声波——散射波。 3）与声波波长相当目标：反射、绕射、散射过程均起作用。 4）在声学中，近场的次级声波——衍射波；远场的次级声波——散射波。本书 中统称为散射波。 5）测量目标回波的应用
测量回分析处波信号理回波目标检提取目测识别标特征2、回波信号的形成1且标镜反射镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。2）且标散射目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径一般小于波长，由散射过程产生回波。3）且标再辐射一般声呐目标为弹性物体，在入射声波的激励下，目标的某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波，它是目标回声的组成部分，称之为非镜反射回波，与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝球上的回波脉冲串。Mm4）回音廊式回声（环绕波）声波入射到A点除产生镜反射波外，还有折射波透射到目标内部。折射波在目标内部传播，在B、C、..上同样产生反射和折射，到达G点时，折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。3、回波信号的一般特征1）多卜勒频移运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异的大小Af与入射波频率及目标与声源之间距离变化率V有关，满足如下关系：F=±2V7c提示：目标接近声源时，取正号：目标远离声源时，取负号。举例：声呐工作频率10kHz，声源以10节(5.15m/s)的相对速度趋近目标，回波频移69Hz。2）脉冲展宽目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体产生，整个物体表面都对回波有贡献。由于传播路径不同，目标表面不同部分产生的回波到达接收点
2、回波信号的形成 1）目标镜反射 镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由 镜反射过程产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。 2）目标散射 目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径一般小于波长，由散 射过程产生回波。 3）目标再辐射 一般声呐目标为弹性物体，在入射声波的激励下，目标的某些固有振动模式被 激发，向周围介质辐射声波，它是目标回声的组成部分，称之为非镜反射回 波，与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位置等因素有关。如下图所 示，窄平面波脉冲入射到铝球上的回波脉冲串。 4）回音廊式回声（环绕波） 声波入射到 A 点除产生镜反射波外，还有折射波透射到目标内部。折射波在 目标内部传播，在 B、C、.上同样产生反射和折射，到达 G 点时，折射波恰 好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。 3、回波信号的一般特征 1）多卜勒频移 运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异的大小 f 与入射波频率 f 及目标与声源之间距离变化率 V 有关，满足如下关系： f c V f 2 = 提示：目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。 举例：声呐工作频率 10 kHz，声源以 10 节(5.15m/s)的相对速度趋近目标，回波 频移 69Hz。 2）脉冲展宽 目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体产生，整个物体表面都对 回波有贡献。由于传播路径不同，目标表面不同部分产生的回波到达接收点
时，时间上有先有后加宽了回声信号的脉冲宽度。如图，平面波以掠射角①入射到长为L的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲展宽：F12LcoseLcosc提示：回声脉冲的这种展宽现象，在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成的复杂目标，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展宽可以忽略。举例：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为10ms，在首尾方位，回波展宽为100ms。3）包络不规则性回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用时更是如此。产生原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目标回声中，还可能有个别亮点，这是由目标上某些部位产生镜反射引起。例如，潜艇的指挥台。4）调制效应产生原因：（1）螺旋奖旋转引起目标的散射截面产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。（2）运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制效应。总结：通过本讲学习，掌握目标强度的测量方法以及回波特性；了解常见典型声呐目标的目标强度经验公式。习题：1在非消声水池中测量自标回声信号时，应注意些什么？设自标强度TS。的自标在入射声波照射下产生的回声强度为Iro，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得回波强度为Ir，求该目标的TS值。2简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若“直接测量法”布置为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间距分别为R1，R2；（Rz>>d入：d：被测物体最大线度；入：声波波长）。接收器接收的点声源辐射声压幅值为Pi，接收的被测物体散射声压幅值为Ps：问：被测物体的目标强度（TS值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收）3写出目标回声信号级表达式：目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？
时，时间上有先有后加宽了回声信号的脉冲宽度。如图，平面波以掠射角 入 射到长为 L 的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲展宽： c 2Lcos 提示：回声脉冲的这种展宽现象，在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成的 复杂目标，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展 宽可以忽略。 举例：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为 10ms，在首尾方位，回波展宽 为 100ms。 3）包络不规则性 回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用时更是如此。 产生原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目标回声 中，还可能有个别亮点，这是由目标上某些部位产生镜反射引起。 例如，潜艇的指挥台。 4）调制效应 产生原因：（1）螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化，引起回声 幅度周期性变化。（2）运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起 的调制效应。 总结：通过本讲学习，掌握目标强度的测量方法以及回波特性；了解常见典型声呐目 标的目标强度经验公式。 习题： 1 在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度 TS0 的目标在入 射声波照射下产生的回声强度为 Ir0，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替 代原目标，测得回波强度为 Ir，求该目标的 TS 值。 2 简述实验测量水下物体目标强度（TS 值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量 中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若‘直接测量法’布置为：在开阔水域， 点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间距分别为 R1，R2；（R2>>d2 / λ；d：被测物体最大线度；λ：声波波长）。接收器接收的点声源辐射声压幅值为 Pi，接收的被测物体散射声压幅值为 Ps；问：被测物体的目标强度（TS 值）如何计 算？（声波球面扩展，不计海水声吸收） 3 写出目标回声信号级表达式；目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其 产生的原因？