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(jìn)行探測(cè)、識(shí)別、定位、導(dǎo)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(dòng)聲納和被動(dòng)聲納 1.1 1.1 聲納及其工作方式聲納及其工作方式 主動(dòng)聲納信息流程主動(dòng)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(dòng)聲納（噪音聲納站）信息流程被動(dòng)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(dòng)聲納信息流主、被動(dòng)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(dòng)聲納工作信息流程基本組成？主、被動(dòng)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(cè)目標(biāo)被探測(cè)目標(biāo)3. 聲納設(shè)備聲納設(shè)備聲納工作信息流程三個(gè)基本環(huán)節(jié)聲納工作信息流程三個(gè)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(shè)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(dǎo)聲納方程 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) n聲源級(jí)聲源級(jí)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(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)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(jí)噪聲級(jí)NLNLn等效平面波混響級(jí)等效平面波混響級(jí)RLRLn檢測(cè)閾檢測(cè)閾DTDT1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) n聲源級(jí)聲源級(jí)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(jí)噪聲級(jí)NLNLn檢測(cè)閾檢測(cè)閾DTDT1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 聲源級(jí)聲源級(jí)SLSL描述主動(dòng)聲納所發(fā)射聲信號(hào)的強(qiáng)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(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信

4、噪比，從而增加聲納的作用距離。 如何提高主動(dòng)聲納作用距離？如何提高主動(dòng)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(jí)高出無(wú)指向性發(fā)射器輻射聲場(chǎng)聲級(jí)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(jí)與聲功率的關(guān)系聲源級(jí)與聲功率的關(guān)系假設(shè)：1. 介質(zhì)無(wú)聲吸收；2. 聲源為點(diǎn)源；3. 輻射聲功率為Pa(W) 214mWPIar 無(wú)指向性聲源輻射聲功率與聲源級(jí)的關(guān)系： 77.170lg10 aPSL常識(shí)：

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(jí)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(qiáng)度的衰減變化：rIITL1lg10 1.2 1.2 聲納參數(shù)聲納參數(shù) 目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度TSTS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小 ：1lg10rirIITSIr1m常識(shí)：1. 不同目標(biāo)回波不一樣； 2. 回波與入射波特性和目標(biāo)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(jí)海洋環(huán)境噪聲級(jí)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(shè)備的一種背景干擾背景干擾。NL是度量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的量 ：0lg10IINLN 注意：IN是測(cè)量帶寬內(nèi)測(cè)量帶寬內(nèi)或1Hz頻帶內(nèi)頻帶內(nèi)的噪聲強(qiáng)度。主動(dòng)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(qiáng)弱。定義：強(qiáng)度已知的平面波軸向軸向入射到水聽(tīng)器上，水聽(tīng)器輸出電壓值；將水聽(tīng)器移置于混響場(chǎng)中，聲軸指聲軸指向目標(biāo)向目標(biāo)，水聽(tīng)器輸出電壓值。 等效平面波混響級(jí)等效平面波混響級(jí)RLRL10lgRL 水聽(tīng)器輸出端混響功率參考聲強(qiáng)信號(hào)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(tīng)器產(chǎn)生的噪指向性水聽(tīng)器產(chǎn)生的噪噪聲功率噪聲功率無(wú)指向性水聽(tīng)器產(chǎn)生的無(wú)指向性水聽(tīng)器產(chǎn)生的lg10 RDI注意：指向性水聽(tīng)器的軸向靈敏度等于無(wú)指向性水聽(tīng)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(shè)：1.水聽(tīng)器靈敏度為單位值；2.噪聲場(chǎng)為各向同性，單位立體角內(nèi)的噪聲功率為I Ii i。無(wú)指向性水聽(tīng)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(tīng)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(duì)各向同性噪聲場(chǎng)中的平面波信號(hào)（是完全相關(guān)信號(hào)）有意義；否則需用陣增益來(lái)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(jiǎn)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(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值()。 檢測(cè)閾檢測(cè)

9、閾DTDT功率功率水聽(tīng)器輸出端上的噪聲水聽(tīng)器輸出端上的噪聲信號(hào)功率信號(hào)功率剛好完成某種職能時(shí)的剛好完成某種職能時(shí)的lg10 DT注意：對(duì)于同種職能的聲納設(shè)備，檢測(cè)閾值的設(shè)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(biāo)和聲納設(shè)備的特性和效應(yīng)。總結(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(biāo)和聲納設(shè)備作用聯(lián)系在一起；2.將信號(hào)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(yīng)對(duì)聲納設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)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(hào)級(jí)-背景干擾級(jí) 檢測(cè)閾設(shè)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(dòng)聲納方程主動(dòng)聲納方程信號(hào)級(jí)（回聲信號(hào)級(jí)）：SL-2TL+TS背景干擾級(jí)：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(dòng)聲納方程主動(dòng)聲納方程處理器處電信號(hào)信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主動(dòng)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(duì)于收發(fā)分置聲納，往返傳播損失不能簡(jiǎn)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(dòng)聲納方程主動(dòng)聲納方程主動(dòng)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(dòng)聲納方程被動(dòng)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(biāo)反射，即無(wú)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(dòng)聲納方程被動(dòng)聲納方程（SL-TL）-（NL-DI）DT注意：SL噪聲源輻射噪聲的聲源級(jí)。 被動(dòng)聲納存在混響背景聲納方程嗎？為什么？被動(dòng)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(hào)級(jí)：SL-2TL+TS加到主動(dòng)聲納接收換能器上的回聲信號(hào)的聲級(jí)噪聲掩蔽級(jí)：NL-DI+DT工作在噪聲干擾中的聲納設(shè)備正常

12、工作所需的最低信號(hào)級(jí) 混響掩蔽級(jí)：RL+DT工作在混響干擾中的聲納設(shè)備正常工作所需的最低信號(hào)級(jí) 回聲余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主動(dòng)聲納回聲級(jí)超過(guò)噪聲掩蔽級(jí)的數(shù)量 優(yōu)質(zhì)因數(shù)：SL-（NL-DI+DT）對(duì)于被動(dòng)聲納，該量規(guī)定最大允許單程傳播損失；對(duì)于主動(dòng)聲納，當(dāng)TS=0時(shí)，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(cè)得的聲源級(jí)與噪聲級(jí)之差 1.5 1.5 聲納方程的應(yīng)用聲納方程的應(yīng)用聲納方程應(yīng)用聲納方程應(yīng)用 聲納設(shè)備性能預(yù)報(bào)聲納設(shè)備性能預(yù)報(bào)：已知設(shè)備特點(diǎn)和若干參數(shù)，對(duì)其它聲納參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，如估計(jì)優(yōu)質(zhì)因數(shù)； 聲納設(shè)備設(shè)計(jì)聲納設(shè)備設(shè)計(jì)：預(yù)先規(guī)定設(shè)備

13、職能及各項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)聲納方程綜合評(píng)價(jià)各參數(shù)的影響，對(duì)參數(shù)合理選取和設(shè)備最佳設(shè)計(jì)，例如工作頻率的選取DI、TL。1.5 1.5 聲納方程的應(yīng)用聲納方程的應(yīng)用Figure of Merit (FOM)Figure of Merit (FOM) 1.5 1.5 聲納方程的應(yīng)用聲納方程的應(yīng)用Range ?Range ? 根據(jù)根據(jù)FOM FOM 可以預(yù)報(bào)聲納可以預(yù)報(bào)聲納作用距離作用距離. . FOM FOM 越高越高, , 允許的信號(hào)傳播損失允許的信號(hào)傳播損失 越大越大，則聲納作用距離則聲納作用距離 越遠(yuǎn)越遠(yuǎn). . 檢測(cè)概率檢測(cè)概率 被動(dòng)聲納被動(dòng)聲納 如果如果 FOM TL FOM TL 則則

14、檢測(cè)概率檢測(cè)概率 50% 50% 如果如果 FOM TL FOM TL 則則 檢測(cè)概率檢測(cè)概率 50% 2TL FOM 2TL 則則 檢測(cè)概率檢測(cè)概率 50% 50% 如果如果 FOM 2TL FOM 2TL 則則 檢測(cè)概率檢測(cè)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 /