第1章声呐及声呐方程讲义课件.ppt

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1、第1章 声呐及声呐方程,声呐（SonarSOund NAvigation and Ranging）利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯系统。,1.1 声呐及其工作方式,水声学,第1章声呐及声呐方程,2,1.1 声呐及其工作方式,声呐分类 按照工作方式分类：主动声呐和被动声呐,水声学,第1章声呐及声呐方程,3,主动声呐信息流程：,1.1 声呐及其工作方式,被动声呐（噪音声呐站）信息流程：,水声学,第1章声呐及声呐方程,4,1.1 声呐及其工作方式,水声学,第1章声呐及声呐方程,5,主被动声呐有何区别？,主动声呐：声源：通过接收目标回波实现目标探测（SL、TS）；传播路径：双程（2TL）

2、；背景干扰：环境噪声和混响（NL、RL）。被动声呐：通过接收被探测目标辐射噪声实现目标探测（SL）；传播路径：单程（TL）；背景干扰：环境噪声（NL）。,1.1 声呐及其工作方式,主、被动声呐工作信息流程基本组成？,1、海水介质2、被探测目标3、声呐设备,声呐工作信息流程三个基本环节,水声学,第1章声呐及声呐方程,6,1.2 声呐参数,声呐参数 将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。,1、阐述声呐参数定义、物理意义；,2、推导声呐方程。,水声学,第1章声呐及声呐方程,7,1.2 声呐参数,声源级SL指向性指数DIT传播损失TL目标强度TS传播损失TL指向性指数DIR噪声级NL等效平面波混响级R

3、L检测阈DT,主动声呐,水声学,第1章声呐及声呐方程,8,1.2 声呐参数,声源级SL传播损失TL指向性指数DIR噪声级NL检测阈DT,被动声呐,水声学,第1章声呐及声呐方程,9,1.2 声呐参数,1、主动声呐声源级SL（Source Level）,描述主动声呐所发射声信号的强弱：,I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强；I0为参考声强(均方根声压为1微帕平面波对应声强)；声源级反映了发射器辐射声功率的大小。,水声学,第1章声呐及声呐方程,10,1.2 声呐参数,将发射器做成具有一定的发射指向性；解释原因：它可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声

4、呐的作用距离。,如何提高主动声呐作用距离？,水声学,第1章声呐及声呐方程,11,1.2 声呐参数,发射指向性指数DIT（Directivity Index）,物理含义：1、在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数；2、 DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声呐的作用距离。,水声学,第1章声呐及声呐方程,12,1.2 声呐参数,声源级与声功率的关系,假设：1、介质无声吸收；2、声源为点源；3、辐射声功率为Pa(W),距离声源声中心1米处声强：,水声学,第1章声呐及声呐方程,13,1.2 声呐参数,声源级与声功率的关系,无指向性声源辐射声功率与声

5、源级的关系：,有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：,常识：船用声呐 Pa为几百瓦几千瓦，DIT为1030dB，SL约为210240dB。,水声学,第1章声呐及声呐方程,14,1.2 声呐参数,2、被动声呐声源级SL（Source Level）,接收水听器声轴方向上、离目标声学中心1米处测得的目标辐射噪声强度IN和参考声强之比的分贝数：,注意：（1）目标辐射噪声强度的测量应在目标的远场进行，并修正至目标声学中心1m处；（2）IN指的的接收设备工作带宽内的噪声强度；（3）辐射噪声谱源级：,水声学,第1章声呐及声呐方程,15,1.2 声呐参数,3、传播损失TL（Transmission Loss）

6、,定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：,引起声强衰减的原因：（1）由于海水介质本身的声吸收；（2）声波传播过程的波阵面扩展（几何扩展）；（3）海水中各种不均匀体的声散射。,水声学,第1章声呐及声呐方程,16,1.2 声呐参数,4、目标强度TS（Target Strength）,定量描述目标反射本领的大小 ：,Q,C,P,Ir,常识：目标反射本领有差异。（1）不同目标回波不一样；（2）回波与入射波特性（频率、波阵面形状）和目标特性（几何形状、材料等）有关。,水声学,第1章声呐及声呐方程,17,1.2 声呐参数,5、海洋环境噪声级NL（Noise Level）,海洋环境噪声：由海洋中大量的

7、各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声呐设备的一种背景干扰。 NL是度量环境噪声强弱的量 ：,注意：IN是测量带宽内的噪声强度。海洋环境噪声谱级：,水声学,第1章声呐及声呐方程,18,1.2 声呐参数,主动声呐背景干扰,环境噪声,平稳的、各向同性的,混 响,非平稳的、非各向同性的,水声学,第1章声呐及声呐方程,19,1.2 声呐参数,（1）定量描述混响干扰的强弱；（2）利用平面波声级来度量混响场的强弱。定义：已知强度为I的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值V；将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值也为V，则该平面波声级就是混响级。,6、等效平面波混响级RL（Rever

8、beration Level）,水声学,第1章声呐及声呐方程,20,1.2 声呐参数,7、接收指向性指数DIR（Directivity Index）,注意：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的灵敏度。,物理含义：接收系统抑制背景噪声的能力。,水声学,第1章声呐及声呐方程,21,1.2 声呐参数,水听器自由场（电压）灵敏度：水听器输出端的开路电压u与自由场中引入水听器前其声中心处声压p比值：,例子：若水听器自由场（电压）灵敏度为-200dB，假设入射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电压为多少？,水声学,第1章声呐及声呐方程,22,1.2 声呐参数,假设：1.水听器灵敏度为单位值

9、；2.噪声场为各向同性，单位立体角内的噪声功率为Ii。无指向性水听器产生的噪声功率为：,m为与灵敏度有关的比例常数； 是单位立体角。,水声学,第1章声呐及声呐方程,23,1.2 声呐参数,是归一化的声束图函数。,指向性水听器产生的噪声功率为：,水声学,第1章声呐及声呐方程,24,1.2 声呐参数,注意：参数DIR只对各向同性噪声场中的平面波信号（是完全相关信号）有意义；否则需用阵增益AG来代替DIR。,根据接收指向性指数定义：,水声学,第1章声呐及声呐方程,25,1.2 声呐参数,换能器基阵的阵增益：,水声学,第1章声呐及声呐方程,26,1.2 声呐参数,简单几何形状换能器指向性：,水声学,第

10、1章声呐及声呐方程,27,1.2 声呐参数,定义：设备刚好能正常工作所需处理器输入端信噪比值(SNR),8、检测阈DT（Detection Threshold）,注意：对于同种职能的声呐设备，检测阈值较低的设备，其处理能力强，性能也好。,常识：声呐设备接收器接收声呐信号和背景噪声，两部分的比值（信噪比）即接收带宽内的信号功率与工作带宽内（或1Hz带宽内）的噪声功率之比，它影响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作，“判决”就越可信。,水声学,第1章声呐及声呐方程,28,1.3 声呐方程,1.将海水介质、声呐目标和声呐设备作用联系在一起；2.将信号与噪声相联系；3.综合考虑水声所特有的各种现

11、象和效应对声呐设备的设计和应用所产生影响的关系式。,声呐方程,水声学,第1章声呐及声呐方程,29,1.3 声呐方程,基本考虑,1.声呐方程基本原则： 信号级-背景干扰级=检测阈2.背景干扰级含义： 设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用。,水声学,第1章声呐及声呐方程,30,1.3 声呐方程,主动声呐方程,信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS背景干扰级：NL-DI（接收阵抑制背景噪声）,注意：换能器声轴指向？,水声学,第1章声呐及声呐方程,31,1.3 声呐方程,主动声呐方程,接收信号的信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主动声呐方程（噪声背景）：,（SL-2TL+TS）-（NL

12、-DI）DT,注意：适用于收发合置型声呐，对于收发分置声呐，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。,水声学,第1章声呐及声呐方程,32,1.3 声呐方程,主动声呐方程,主动声呐方程（混响背景）：,（SL-2TL+TS）-RLDT,水声学,第1章声呐及声呐方程,33,1.3 声呐方程,被动声呐方程,噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器； 噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS； 背景干扰为环境噪声，不存在混响干扰。,水声学,第1章声呐及声呐方程,34,1.3 声呐方程,被动声呐方程,（SL-TL）-（NL-DI）DT,注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。

13、,被动声呐存在混响背景声呐方程吗？为什么？,水声学,第1章声呐及声呐方程,35,1.4 组合声呐参数,回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声呐接收换能器上的回声信号的声级。,噪声掩蔽级：NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声呐设备正常工作所需的最低信号级。,混响掩蔽级：RL+DT工作在混响干扰中的声呐设备正常工作所需的最低信号级。,回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声呐回声级超过噪声掩蔽级的数量。,优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声呐，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声呐，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失 。,品质因数：SL-（NL-DI）声呐

14、接收换能器测得的声源级与噪声背景干扰级之差。,水声学,第1章声呐及声呐方程,36,1.5 声呐方程的应用,声呐方程应用,声呐设备性能预报：已知设备特点和若干参数，对其它声呐参数进行估计，如估计优质因数； 声呐设备设计：预先规定设备职能及各项战术技术指标，根据声呐方程综合评价各参数的影响，对参数合理选取和设备最佳设计，例如工作频率选取DI、TL。,水声学,第1章声呐及声呐方程,37,1.5 声呐方程的应用,Figure of Merit (FOM),定义 被动声呐允许的最大单程传播损失；主动声呐允许的最大双程传播损失.令 TL 或2TL = FOM, 则可知允许的水声信号传播损失.被动声呐FOM

15、P = SL NL + DI DT主动声呐FOMA = SL + TS RL DT (混响背景)FOMA = SL + TS NL + DI DT (噪声背景),水声学,第1章声呐及声呐方程,38,1.5 声呐方程的应用,Range ?,根据FOM 可以预报声呐作用距离。FOM 越高, 允许信号传播损失 越大，则声呐作用距离 越远。检测概率被动声呐如果 FOM TL 则 检测概率 50%如果 FOM 2TL 则 检测概率 50% 如果 FOM 2TL 则 检测概率 50%根据水声传播理论可以预报水声传播损失,水声学,第1章声呐及声呐方程,39,1.5 声呐方程的应用,Prop Loss Cur

16、ve,Max Range DP,Max Range BB,FOM = 70 dB,水声学,第1章声呐及声呐方程,40,1.5 声呐方程的应用,Prop Loss Curve,Max Range DP,Max Range CZ,FOM = 90 dB,水声学,第1章声呐及声呐方程,41,1.6 声呐方程的限制,声呐方程瞬态形式,声呐方程是用声强度来描述的，而声强度是声能流在某一时间间隔内的平均值：,注意：（1）长脉冲信号：回波信号宽度很接近发射信号脉冲宽度T。（2）短脉冲信号：由于介质传播的多途效应、目标反射的物理效应，接收到回声信号波形会产生严重畸变，上式平均值会得到不确定的结果，上式不再适用

17、。,水声学,第1章声呐及声呐方程,42,1.6 声呐方程的限制,声呐方程瞬态形式,近似处理：时间T内对声波能流密度E求平均而得声强,注意：（1）对于长脉冲声呐，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于此值；（2）对于短脉冲声呐，T一般不确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。,水声学,第1章声呐及声呐方程,43,1.6 声呐方程的限制,声呐方程瞬态形式,短脉冲声呐方程（R. J. Urick）：,回声脉冲宽度：,式中，E是离声源单位距离处的声能流密度。,水声学,第1章声呐及声呐方程,44,1.6 声呐方程的限制,声呐方程瞬态形式,脉冲能流密度是平均声强与其脉冲宽度的乘积 ：,等效声源级 ：,水声学,

18、第1章声呐及声呐方程,45,1.6 声呐方程的限制,声呐方程瞬态形式,长脉冲：,短脉冲 ：,水声学,第1章声呐及声呐方程,46,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,声呐方程背景干扰类型如何确定？,（1）根据声呐适用场合，画出回声级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离的变化曲线，并由此合理地选用声呐方程。,主动声呐的背景干扰包括混响和噪声，它们对声呐设备工作的影响不同，应用声呐方程需要确定背景干扰类型。,（SL-2TL+TS）-（NL-DI）DT,（SL-2TL+TS）-RLDT,水声学,第1章声呐及声呐方程,47,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,回声级、噪声级和混响级与距离的关系,注意：随距离衰减规

19、律 噪声掩蔽级随距离不变；回声级和混响掩蔽级随距离衰减；一般，回声级随距离下降比混响掩蔽级要快。,水声学,第1章声呐及声呐方程,48,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,（2）回声级曲线与混响掩蔽级曲线相交于混响限制距离Rr处（由混响声呐方程确定）。（3）回声级曲线与噪声掩蔽级相交于噪声限制距离Rn处（由噪声声呐方程确定）。,作用距离受混响限制（噪声掩蔽级I），选混响声呐方程,作用距离受噪声限制（噪声掩蔽级II），选噪声声呐方程,（4）距离参数比较，确定干扰类型，选择声呐方程,水声学,第1章声呐及声呐方程,49,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,Own Ship/Equipment,发射声源级

20、(SL)主动声呐参数决定主动声呐探测距离的重要参数自 噪声级 (NLs)声呐工作频段中舰船辐射噪声级指向性指数 (DI)发射指向性指数接收指向性指数N = NL - DI,水声学,第1章声呐及声呐方程,50,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,Self Noise,机械噪声Narrowband specific frequenciesMachinery (Pumps, reduction gears, power plant, etc.)流噪声BroadbandHigh speed causes more noiseHull fouling - Animal life on hull (not

21、smooth)空化噪声 BroadbandPropeller noiseHigh/low pressure phenomenonCounterDepthSpeedPrairie - Masker,水声学,第1章声呐及声呐方程,51,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,Acoustic Environment,环境 噪声级 (NLa)从 Wenz 曲线可以查出。传播损失 (TL)由于吸收、波阵面扩展和散射引起的声源级减小量。等效平面波混响级 (RL)主动声呐发射声信号的反向散射噪声声源级。,水声学,第1章声呐及声呐方程,52,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,环境噪声,生物噪声 Produced

22、by marine life. 海上交通噪声At long ranges only low frequencies are present.地震噪声Movement of the earth (earthquakes).水动力噪声Caused by the movement of water. Includes tides, current, storms, wind, rain, etc.,水声学,第1章声呐及声呐方程,53,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,Wenz Curves,水声学,第1章声呐及声呐方程,54,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,Target,辐射噪声级 (SL)目标辐

23、射的噪声信号级；被动声呐特有的参数。目标强度 (TS)与目标的形状、结构等特性有关；与目标和声呐的相对位置有关。,水声学,第1章声呐及声呐方程,55,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,SL - TL - NL + DI DT,Known,Can Measure,Function ofEquipment,Can MeasureExperimentally,ONLY UNKNOWN,Making the Sonar Equations Useful(Passive),水声学,第1章声呐及声呐方程,56,1.7 声呐方程及声呐参数的确定,TRANSMISSION LOSS (TL),Sound energy in water suffers two types of losses:SpreadingAttenuation,Combination of these 2 losses:,Transmission Loss,水声学,第1章声呐及声呐方程,57,水声学,第2章 海洋的声学特性,58,THE END,水声学,第2章 海洋的声学特性,59,作业,什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程中各项参数的物理意义是什么？声纳方程的两个重要的基本用途是什么？环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？,