声呐目标强度TS的特征及测量

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　　声纳目标的目标强度

　　一、目标强度TS
　　目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，从回声强度角度描述目标的声学特性。

　　定义：

　　式中，Ii为入射波强度;Ir为离目标等效声中心1米处的回声强度。

　　1. 测量距离
　　在远场进行测量Ir，并按球面波衰减规律将测量值换算至目标等效声中心1m处。

　　2. 目标等效声中心
　　假想的点，可位于目标的外部或内部，射线声学观点认为回声是由该点发出。

　　3. 回声强度
　　回声强度Ir是入射波方向和回波方向的函数。在收发合置情况，回声强度仅是入射波方向的函数，称之为“反向反射”或“反向散射”。

　　4. 参考距离
　　参考距离通常取1米。

　　二、刚性大球的目标强度
　　刚性不动球体：半径a，ka》1，k为波数;

　　反射声线：局部平面镜反射定律;

　　球体刚性：声能不会透入球体内部;

　　理想反射体：声能无损失被反射。

　　局部范围入射声功率：

　　散射声功率：

　　入射声功率等于散射声功率：

　　求得：

　　刚性大球的目标强度：

　　结论：当ka》1，刚性球TS值与声波频率无关，只与球半径有关;是考虑镜反射的平均结果，不是严格解。

　　常见声纳目标TS值的一般特征

　　主要体现在军事方面(探潜、反潜、水声对抗)，声纳(潜艇、鱼雷、水雷等)目标强度备受各海军强国重视，不过由于军事保密的原因，公开发表的文献资料较少，且年代久远，因此，在这里我们仅对声纳目标的目标强度特性作一般性讨论。

　　一、潜艇的目标强度
　　潜艇实测目标强度值具有离散性，而且与方位、频率、脉冲宽度、深度和距离有关。

　　      · 测试艇：柴油动力潜艇
　　      · 测试时间：二次大战前后
　　      · 正横方向：12~40dB，平均值25dB。

　　1. 空间方位特性
　　潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。
　　      · 测试频率：24kHz
　　      · A为战前、40次平均
　　      · B为战后、5次平均

　　      · 在潜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;
　　      · 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;
　　      · 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。

　　2. 随测量距离的变化
　　通常近距离测量的目标强度值有可能小于远距离的测量值，且随着测量距离变大目标强度值也逐渐变大，到了某个距离后，目标强度值不再随距离而变。

　　产生原因：
　　      · 指向性声纳入射束照射目标面积随测量距离变化。
　　      · 几何形状比较复杂物体的回声强度随距离的衰减规律不同于点源声场，声强随距离变化不遵循球面规律。
　　      · 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。
　　      · 在远场(距离大于r0)，回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即∝1/r2。
　　      · 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目标声中心1m处。

　　3. 随脉冲长度的变化
　　设入射波脉冲长度为τ，若问题表面上A点和B点所产生回声在脉冲宽度τ内被同时接收到，则有

　　随着脉冲长度的增加，对回声有贡献物体表面积相应增大，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而变化。


　　目标强度随脉冲宽度的变化实质还是对回声有贡献的目标表面积大小不同引起的。在正横方向上目标强度随脉冲长度变化现象不明显。

　　由于目标沿入射波方向上的长度很小，且回声形成主要是镜反射过程(脉宽减小效应)。

　　4. 随频率的变化
　　试验测试结果：潜艇目标强度值不存在明显频率效应，可能被实测值的离散性所掩盖。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。

　　5. 随航行深度的变化
　　深度对潜艇尾流回声有影响，对其结构的目标强度值原则上没有影响。对测试结果的影响表现对声传播特性的影响，并没有影响到产生回声的机理。

　　二、鱼雷和水雷的目标强度
　　鱼雷和水雷的基本形状(带平头或半球体的圆柱体)和几何尺度(长度1米至数米，直径0.3米至1米)相同，但是，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。

　　目标强度特点：
　　      · 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。

　　圆柱形物体目标强度：

　　圆柱形物体正横和端部方位目标强度：

　　式中，a为圆柱半径，L为圆柱长，λ是声波波长。

　　三、鱼的目标强度
　　鱼是探鱼声纳的目标。

　　单个鱼体的研究：

　　Cushing(1963年)等人研究结果：

　　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。

　　实验条件：声波频率20kHz，声束由上向下垂直照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。

　　Love(1971年)等人试验研究，获得鱼脊背方向入射时鱼目标强度经验公式：

　　式中，鱼体长度L(cm)，频率f(kHz)。

　　鱼群的研究：
　　将鱼群视为一个整体，如果鱼群由N条相距较大鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中TS是单个鱼体目标强度值。

　　四、海洋生物声散射模型
　　描述海洋生物声散射特性的反向散射截面：

       海洋生物声散射特性研究的模型：
　　1. 高通液体球模型
　　海洋生物非球形、不均匀，高通液体球是一个近似模型：

　　2. 充气鱼鳔模型
　　鱼鳔是鱼体散射的重要散射体，水中气泡散射响应：

　　3. 体长模型
　　更接近于实际鱼体，体长模型：

　　目标强度实验测量和常见目标TS值

　　一、现场测量
　　在湖泊或海上现场测量当目标的目标强度值，容易满足远场，能直接测量结果，但不宜控制和重复，结果有一定离散度，测量精度不高。

　　测量原理：

　　      · 指向性声源A：向待测目标辐射声波;
　　      · 接收水听器B：接收待测目标回波;
　　      · 计算入射声强度和回声强度;
　　      · 计算目标强度TS值。

　　1. 比较法

　　需要一个目标强度为已知的参考目标，在相同测量条件下分别测量参考目标和待测目标的回声级，比较它们的回声级。

　　目标强度的计算：

　　优点：
　　      · 操作简单，仅测量回声强度;
　　      · 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;
　　      · 对于复杂几何形状目标(潜艇)，高逼真的参考目标制作比较困难;
　　      · 对于大目标很难保证前后两次测量条件相同。


　　2. 直接法
　　测量原理：
　　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。

　　水听器(声源)处回声级：

　　待测目标强度值：

　　需要测量物理量：声源级SL、回声强度Ir和传播损失TL。

　　优点：操作比较简单，不需特殊仪器设备，是一种基本的测量方法。

　　缺点：需要精确地知道或测量传播损失值，现场测量难度比较大。

　　3. 应答器法
　　测量原理：
　　测量船：安装发射器和水听器Ⅰ各一个，测量目标回声和应答器所辐射的脉冲信号，设它们声级差为A分贝。

　　待测目标：安装应答器和水听器Ⅱ各一个，相距1米，应答器接收声源发射脉冲后也发射声脉冲，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。

　　目标强度值计算：

　　优点：不需要确定传播损失，测量比较简单，不需要对测试系统做复杂的绝对校正。

　　二、实验室测量
　　在实验室水池中现场测量小尺度目标的目标强度值，测量条件优于现场测量条件。

　　测量方法：

　　      ·比较法

　　      ·直接法

　　测量条件：
　　(1)满足远场条件。目标声源的远场，水听器处于目标的远场。

　　(2)满足自由场条件。
　　      · 消声水池：一般满足自由场条件;
　　      · 非消声水池：由于池壁、水面、池底反射声可能和目标回波信号干涉、叠加，影响测量结果的可信度。根据水池尺寸，合理选择脉冲宽度，调整声源、目标和水听器三者之间位置，使界面反射脉冲和目标回波脉冲在接收时间上分开。

　　(3)合理选取发射信号脉冲宽度
　　为抗多途干扰，要求脉冲宽度窄一些。测量稳态结果，又要求脉冲宽度不能太窄。

　　三、常见声纳目标的目标强度值
　　声纳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，从统计的意义上给出了规律性结果。

　　四、简单形状物体的目标强度
　　理论上可推得一些简单几何形状物体目标强度值理论计算公式。

　　雷达技术中对简单几何形状物体的目标强度计算公式用于声纳目标仅是一种近似值。
　　      · 声纳目标内部结构比较复杂，不满足刚性条件;
　　      · 声纳目标不满足不动理想条件。

　　掌握球体、柱体和椭球体等简单几何形状物体的目标强度计算公式。

　　复杂几何形状目标可分解成若干简单几何形状子目标，通过子目标的目标强度值的合成得到其目标强度值。

　　五、目标TS值的降低
　　1. 低频条件下目标强度值的降低
　　在低频工程实现难度大，可以通过减小目标的体积，来降低目标强度值。

　　2. 高频条件下目标强度值的降低
　　      · 改变目标几何形状;
　　      · 表面覆盖消声被覆;
　　      · 主动抵消，采用薄调谐材料。

　　来源：节选自哈尔滨工程大学《水声学——声波在目标上的反射和散射》PPT讲义