基础理论知识：声呐、声呐参数及声呐方程

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　　一、声纳及其工作方式

　　声呐(Sonar—Sound 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。

　　声呐分类：按照工作方式分类：主动声呐和被动声呐

　　主动声呐信息流程：

　　被动声呐(噪音声呐站)信息流程：

　　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);
　　    背景干扰：环境噪声和混响(NL、RL)。
　　被动声呐：
　　    声源：通过接收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)。

       主、被动声呐工作信息流程基本组成?
　　    海水介质
　　    被探测目标
　　    声呐设备

     二、声纳参数

　　声呐参数：将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。

　　主动声呐的相关参数包括：
　　    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

       被动声呐的相关参数包括：
　　    声源级SL
　　    传播损失TL
　　    指向性指数DIR
　　    噪声级NL
　　    检测阈DT

       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。

　　如何提高主动声呐作用距离?
　　    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，从而增加声呐的作用距离。

       发射指向性指数DIT(Directivity Index)

　　物理含义：
　　    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;
　　    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。

　　声源级与声功率的关系
　　假设：
　　   介质无声吸收;
　　   声源为点源;
　　   辐射声功率为Pa(W)

       距离声源声中心1米处声强：

　　无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：

　　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10～30dB，SL约为210～240dB。

　　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：
　　   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;
　　   IN指的的接收设备工作带宽内的噪声强度;
　　   如果带宽内噪声强度均匀，辐射噪声谱源级。

　　3. 传播损失TL(Transmission Loss)
　　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：
　　    由于海水介质本身的声吸收;
　　    声波传播过程的波阵面扩展(几何扩展);
　　    海水中各种不均匀体的声散射。

　　4. 目标强度TS(Target Strength)
　　定量描述目标反射本领的大小 ：

　　常识：目标反射本领有差异。
　　    不同目标回波不一样;
　　    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。

　　注意：
　　    工程上通常会有TS>0，主要原因是参考距离所致;
　　    目标强度是空间方位的函数，通常目标反向回波是指入射方向相反方向的回声。

　　5. 海洋环境噪声级NL(Noise Level)
　　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：

　　6. 等效平面波混响级RL(Reverberation Level)
　　    定量描述混响干扰的强弱;
　　    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，水听器输出某一电压值;将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出某一电压值。若两电压值恰好相等，则该平面波声级就是混响级。

　　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?

　　假设：
　　   水听器灵敏度为单位值;
　　    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;
　　dΩ是单位立体角。

　　指向性水听器产生的噪声功率为：

　　b(θ，φ)是归一化的声束图函数。

　　根据接收指向性指数定义：

　　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。

　　换能器基阵的阵增益：

　　简单几何形状换能器指向性：

　　8. 检测阈DT(Detection Threshold)
　　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。

　　定义：设备刚好能正常工作所需处理器输入端信噪比值(SNR)

　　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。

　　组合声呐参数
　　   品质因数：SL-(NL-DI)声呐接收换能器测得的声源级与噪声背景干扰级之差。
　　   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 。

　　三、声纳方程、声纳方程的应用与限制

　　1. 声呐方程：
　　   将海水介质、声呐目标和声呐设备作用联系在一起;
　　   将信号与噪声相联系;
　　   综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声呐设备的设计和应用所产生影响的关系式。

　　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。

　　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?

　　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-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。

　　主动声呐方程(混响背景)：(SL-2TL+TS)-RL=DT

　　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，(SL-TL)-(NL-DI)=DT

　　注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。

　　2. 声纳方程的应用
　　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。

　　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：
　　   FOMP = 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)

       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。

　　被动声呐检测概率：
　　   如果 FOM > TL 则 检测概率> 50%
　　   如果 FOM < TL 则 检测概率< 50%

　　主动声呐检测概率：
　　   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

　　Prop Loss Curve

　　3. 声呐方程的限制
　　声呐方程瞬态形式
　　声呐方程是用信号强度来描述的，而声强度是声能流在某一时间间隔内的平均值：

　　注意：
　　   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。
　　   长脉冲信号：回波信号宽度接近发射信号脉冲宽度T。

　　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：
　　   对于长脉冲声呐，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于此值;

　　   对于短脉冲声呐，T一般不确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。

　　   短脉冲声呐方程(R. J. Urick)：

　　式中，E是离声源单位距离处的声能流密度。

　　回声脉冲宽度：

　　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 ：

　　长脉冲：

　　短脉冲：

　　四、声纳方程及声呐参数的确定

　　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。

　　声呐方程背景干扰类型如何确定?
　　(1)根据声呐适用场合，画出回声信号级、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。

　　回信号声级、噪声掩蔽级和混响掩蔽级与距离关系

　　注意：随距离衰减规律
　　   噪声掩蔽级随距离不变;
　　   回声信号级和混响掩蔽级随距离衰减;
　　   一般，回声信号级随距离下降比混响掩蔽级要快。

　　(2)回声信号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)回声信号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)。

　　(4)距离参数比较，确定干扰类型，选择声呐方程

　　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

　　Own Ship/Equipment
　　发射声源级 (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

　　Self Noise
　　机械噪声
　　   Narrowband – specific frequencies
　　   Machinery (Pumps, reduction gears, power plant, etc.)

　　流噪声
　　   Broadband
　　   High speed causes more noise
　　   Hull fouling - Animal life on hull (not smooth)

       空化噪声
　　Broadband
　　Propeller noise
　　High/low pressure phenomenon
　　Counter　　
         &#8226; Depth
　　  &#8226; Speed
　　  &#8226; Prairie - Masker

　　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。

　　环境噪声
　　生物噪声
　　Produced 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.

　　Wenz Curves

　　Target
　　辐射噪声级 (SL)
　　   目标辐射的噪声信号级;
　　   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。

　　Making the Sonar Equations Useful(Passive)

　　Transmission Loss

　　Sound energy in water suffers two types of losses:

　　来源：整理自哈尔滨工程大学《声呐及声呐方程》讲义
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