声纳方程

第一章声纳及声纳方程1.1声纳及其工作方式什么叫声纳？Sonar—SOundNAvigationandRanging利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。1.1声纳及其工作方式声纳分类按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳1.1声纳及其工作方式主动声纳信息流程：1.1声纳及其工作方式被动声纳（噪音声纳站）信息流程：1.1声纳及其工作方式主、被动声纳信息流程有何区别？1.1声纳及其工作方式主、被动声纳工作信息流程基本组成？1.海水介质2.被探测目标3.声纳设备声纳工作信息流程三个基本环节1.2声纳参数什么叫声纳参数？将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数。阐述声纳参数定义、物理意义推导声纳方程1.2声纳参数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RL检测阈DT主动声纳1.2声纳参数声源级SL传播损失TL指向性指数DIR噪声级NL检测阈DT被动声纳1.2声纳参数声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：10lg10rIISLSL反映发射器辐射声功率大小。1.2声纳参数解释原因：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，从而增加声纳的作用距离。如何提高主动声纳作用距离？1.2声纳参数发射指向性指数DITNDDTIIDIlg10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；就有利于增加声纳的作用距离。1.2声纳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)214mWPIar无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：77.170lg10aPSL常识：船用声纳Pa为几百瓦～几千瓦，DIT为10～30dB，SL约为210～240dB。有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：TaDIPSL77.170lg101.2声纳参数传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rIITL1lg101.2声纳参数目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：1lg10rirIITS目标QCPIr1m常识：1.不同目标回波不一样；2.回波与入射波特性和目标特性有关。1.2声纳参数海洋环境噪声级NL海洋环境噪声：由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。NL是度量环境噪声强弱的量：0lg10IINLN注意：IN是测量带宽内或1Hz频带内的噪声强度。主动声纳背景干扰1.2声纳参数环境噪声平稳的、各向同性的混响非平稳的、非各向同性的1.2声纳参数定量描述混响干扰的强弱。定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值；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。等效平面波混响级RL10lgRL水听器输出端混响功率参考声强信号产生的功率1.2声纳参数定义：接收指向性指数DIR声功率指向性水听器产生的噪噪声功率无指向性水听器产生的lg10RDI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。1.2声纳参数接收指向性指数DIR假设：1.水听器灵敏度为单位值；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均方电压为：44iiNmIdImR1.2声纳参数接收指向性指数DIR指向性水听器产生的均方电压为：44,,dbmIdbImRiiD是归一化的声束图函数。,b1.2声纳参数接收指向性指数DIR4,4lg10lg10dbRRDIDNR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；否则需用阵增益来代替DIR。1.2声纳参数接收指向性指数DIR阵增益：4444,,,,10lg,,SbdNbdAGSdNd1.2声纳参数接收指向性指数DIR简单几何形状换能器阵增益：1.2声纳参数定义：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。检测阈DT功率水听器输出端上的噪声信号功率刚好完成某种职能时的lg10DT注意：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低的设备，其处理能力强，性能也好。1.2声纳参数从能量角度描述了海水介质、声纳目标和声纳设备的特性和效应。总结SLTLTSTLDTDIRNLRL1.3声纳方程1.将海水介质、声纳目标和声纳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象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。声纳方程1.3声纳方程基本考虑1.声纳方程基本原则：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。1.3声纳方程主动声纳方程信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS背景干扰级：NL-DI注意：换能器声轴指向？1.3声纳方程主动声纳方程处理器处电信号信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT注意：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，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。1.3声纳方程主动声纳方程主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT（NL-DI）（SL-2TL+TS）-RL＝DT1.3声纳方程被动声纳方程•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。1.3声纳方程被动声纳方程（SL-TL）-（NL-DI）＝DT注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？1.4组合声纳参数回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声纳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纳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纳设备正常工作所需的最低信号级回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，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）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差1.5声纳方程的应用声纳方程应用•声纳设备性能预报：已知设备特点和若干参数，对其它声纳参数进行估计，如估计优质因数；•声纳设备设计：预先规定设备职能及各项战术技术指标，根据声纳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，例如工作频率的选取—DI、TL。1.5声纳方程的应用FigureofMerit(FOM)•定义–被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳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.•被动声纳–FOMP=SL–NL+DI–DT•主动声纳–FOMA=SL+TS–RL–DT(混响背景)–FOMA=SL+TS–NL+DI–DT(噪声背景)1.5声纳方程的应用Range???•根据FOM可以预报声纳作用距离.–FOM越高,允许的信号传播损失越大，则声纳作用距离越远.•检测概率–被动声纳•如果FOMTL则检测概率50%•如果FOMTL则检测概率50%–主动声纳•如果FOM2TL则检测概率50%•如果FOM2TL则检测概率50%•根据水声传播理论可以预报水声传播损失1.5声纳方程的应用PropLossCurveMaxRangeDPMaxRangeBBFOM=70dB1.5声纳方程的应用PropLossCurveMaxRangeDPMaxRangeCZFOM=90dB1.6声纳方程的限制声纳方程瞬态形式声纳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：TpudtTI01注意：当声源发射声信号是很短的脉冲信号，由于介质的传播效应、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。1.6声纳方程的限制声纳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：对于长脉冲声纳，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于此值；对于短脉冲声纳，T一般不确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。TEI0pudtE1.6声纳方程的限制声纳方程瞬态形式短脉冲声纳方程（R.J.Urick）：回声脉冲宽度：eESLlg10lg10mte01.6声纳方程的限制声纳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：010lg10lgESL010lgeSLSL1.6声纳方程的限制声纳方程瞬态形式长脉冲：短脉冲：0eSLSL0eSLSL1.7声纳方程及声纳参数确定声纳方程背景干扰类型确定根据声纳适用场合，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纳方程。1.7声纳方程及声纳参数确定回声级、噪声级和混响级与距离的关系•随距离衰减规律•回声曲线随距离下降比混响掩蔽级曲线要快nrRRrRR作用距离受混响限制（噪声掩蔽级I），选混响声纳方程作用距离受噪声限制（噪声掩蔽级II），选噪声声纳方程rnRRnRR1.7声纳方程及声纳参数确定OwnShip/Equipment•发射声源级(SL)–主动声纳参数.–决定主动声纳探测距离的重要参数.•自噪声级(NLs)–声纳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-DI1.7声纳方程及声纳参数确定SelfNoise•机械噪声–Narrowband–specificfrequencies–Machinery(Pumps,reductiongears,powerplant,etc.)•流噪声–Broadband–Highspeedcausesmorenoise–Hullfouling-Animallifeonhull(notsmooth)•空化噪声–Broadband–Propellernoise–High/lowpressurephenomenon–Counter•Depth•Speed•Prairie-Masker1.7声纳方程及声纳参数确定FlowNoiseLaminarFlowTurbulentFlow1.7声纳方程及声纳参数确定ScrewCavitation1.7声纳方程及声纳参数确定AcousticEnvironment•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)–主动声纳发射声信号的反向散射噪声的声源级.1.7声纳方程及声纳参数确定环境噪声(BOSH)•生物噪声–Producedbymarinelife.•海上交通噪声–Atlongrangesonlylowfrequenciesarepresent.•地震噪声–Movementoftheearth(earthquakes).•水动力噪声–Causedbythemovementofwater.–Includestides,current,storms,wind,rain,etc.1.7声纳方程及声纳参数确定WenzCurves1.7声纳方程及声纳参数确定Target•辐射噪声级(SL)–目标辐射的噪声信号级.–被动声纳特有的参数•目标强度(TS)–与目标的形状、结构等特性有关.–与目标和声纳的相对位置有关.1.7声纳方程及声纳参数确定MakingtheSonarEquationsUseful(Passive)SL-TL-NL+DIDTKnownCanMeasureFunctiono