声呐学习笔记之概念性理论

声呐学习笔记之概念部分

参考书籍：声呐信号处理引论 李启虎

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声呐概述

声呐的定义

声呐是“Sonar”一次的译音，它由Sound(声)、Navigation(导航)和Ranging(测距)三个单词的字头过程，意思是声导航和测距。
　今天，声呐定义为利用水下声波对目标进行探测和定位的设备。

声呐的功能

1.检测（判断目标有无）
2.定位（侧向、测距、测深）
3.识别（判断目标类型）
4.导航
5.通信

声呐系统的分类

按工作方式分类

1.主动声呐
　有目的地主动从系统中发射声波的声呐称为主动声呐。可用来探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。
　目标信息保存在回波之中，通过回波信号和发射信号的间的时延推知目标距离，通过回波波前法线方向可推知目标的方向，由回波信号与发射信号间的频移可推知目标的径向速度，通过回波的幅度、相位及变化规律可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。

注：主动声呐的主要外部干扰之一是混响，这是由发射信号从各种散射体上的散射产生的。水体混响在频谱上与发射信号几乎相同。
2.被动声呐
　利用接收换能器基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测目标的声呐。

　被动声呐和主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收原厂目标发出的噪声，故信噪比低，需要更多的信号处理措施。

按声呐装置的体系分类

1.岸用声呐（主要使用主动声呐，使用低频率大功率大尺寸换能器基阵）
2.水面舰艇声呐（主要使用主动声呐）
3.潜艇声呐（主要使用被动声呐）
4.反潜飞机用声呐

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声呐系统的战术指标和技术指标

战术指标

1.作用距离
　声呐在一定条件下能有效地发现目标，并测其数据的最大距离，这些条件包括声源级、海况、传播损失、环境噪声、目标强度等。
2.能够搜索和探测目标的方位角和高低角范围
　方位角是水平面内的角度，高低角是垂直面内的角度。这两个角度方位所界定的空间描述了声呐系统可以搜索的空间区域。
3.盲区
　盲区是在声呐作用距离之内，由于受到某些条件的限制而无法探测到目标的区域。包括几何盲区、尾部盲区、物理盲区、脉冲宽度盲区、混响盲区。
4.分辨率
　表示声呐系统对空间的两个相邻目标的分辨能力。方位分辨率（同一距离上两个最小目标间的最小角度间隔）与换能器的指向性及型号处理方案有关，距离分辨率（同一方向上能分辨出的两个目标间的距离）与所用信号波形、处理技术有关。
5.定位精度
　定出目标位置时的最小位置误差。
6.搜索速度
　单位时间内可搜索的空间区域的大小，与探测距离、波束宽度以及搜索方式决定。
7.环境条件

技术指标

为实现战术指标，设备所具有的技术参数，只要涉及声呐设备自身的技术性能。

1.信号强度或声源级、声呐接收机的灵敏度
2.检测阀
3.信号的各种参数
接收机的动态范围
基阵的技术指标

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声呐方程及内涵（88）

SL：声源级，距辐射声源声学中心1m处的声强级；
TL：传播损失，声波从声源到目标的单程传播损失；
TS：目标强度，目标的反向散射强度，距目标声学中心1m处目标反射声强与投射声强之比的分贝数；
NL：接收水听器阵所接收到的舰船自噪声和环境噪声级；
DI：接收水听器阵的指向性指数；
RL：混响级；
DT：检测阈。

主动声呐方程

( S L − 2 T L + T S ) − (NL-DI) - RL=DT

被动声呐方程

(SL−TL)−(NL−DI)=DT

优质因子

FOM（主动）=2TL=SL-（NL-DI+DT）+TS；

FOM（被动）=TL=SL-（NL-DI+DT）；

传播损失可写为：TL=15lgr + 0.036 * f^3/2 * r +60(dB)

r的单位为km，频率的单位为kHz。距离大于1km时公式适用。
0.036 * f^3/2 为物理吸收损失，15lgr与60dB是几何损失。

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水声信道

声波是目前海洋中唯一能够远距离传播的能量辐射形式。作为信息载体的声波，在海洋中形成的声场时空结构，已成为近代水声学研究的基本内容。

声波在水中传播的速度公式（97）

海面

海面是水声信道的界面之一。当声波由水中射向空气时要发生反射，折射和透射现象。反射的特性与俩种介质的阻抗有关，所谓的阻抗是指介质密度和声速的乘积。
理想平整 海平面和空气棉介质阻抗之比大约是3000:1。
实际海面是随机起伏的反射界面，可以看做局部平稳的随机过程。
相关函数和功率谱密度见书100

海底

波动理论和射线理论

这是解决水声信号的传播问题的俩种方法。波动理论需要考虑振幅信息和相位信息，射线理论不需要考虑相位信息。不考虑计算复杂，所有的传播问题都可以用波动解决，但射线理论简单。

波动理论的推导：

射线理论推导：

浅海平均场强分析（书105）

给出了三种典型的浅海平均声强结构图：

1.浅海均匀层平均场强结构

2.浅海负梯度平均场强结构

3.浅海负跃层平均场强结构

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海洋噪声

来源

海洋噪声频谱

各向同性均匀噪声场（110）

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海洋中的混响

海洋中存在首杂乱分布的散射体以及起伏不半的界面。在声源发射卢脉冲之后,碰到这些散射体就会产生不同于原来传播方向的各个方问上的散射波。返回接收点的这些散射波的总和就构成混响，混响是主动卢呐背景噪声的一部分,并且是限制主动声呐对近距离目标检测的主要因素

来源

海洋中产生混响的散射体有三种根本不同的类别。
(1)体积混响:出海洋中的生物及海水的不均匀性引起
(2)海面混响:出位于海面上或海面附近的散射体起
(3)海底混响:由海底表面或海底附近的散射体起

近程混响理论（114）

在声呐系统的设计中，我们关心的是在声呐信号发射之后的–个短时间内,混响强度 RL 是多少，因为在这个时候，RL 在背景噪卢级 NL 中占上导地位。在离发射信号较长时间之后,混响强度很快地衰减下来，这时海洋噪声是限制声作用距离的主要因素

混响强度与脉宽的关系

对于短脉冲来说,混响强度与脉宽成正比。这是因为当脉宽 不大时,可以不考虑散射面或散射体内的吸收、衰减效应; 当脉冲宽度变大时,就不能忽略这种效应。随着脉宽的增加,散射体内部的吸收、衰减效应会使混响强度与脉宽的正比关系改变为与脉宽无关,即趋了饱和。

混响的统计特性（117）

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舰艇辐射噪声

舰船、潜艇与鱼雷运动时所辐射的噪声是被动声要检测的信号，而对卜装在舰船潜艇鱼雷上的声呐来说，它们的噪声义是-·种干扰。因此,辐射噪声的噪声级和噪声谱以及它的指向特性是声呐设计者所关心的。

来源

舰船、潜艇与鱼雷的噪声就其来源而言可以分为三类。
(1)机城噪声:主机、辅机及各种空调设备的机械振动
(2)摞旋桨噪声;螺旋奖击水的声音、螺旋桨上或其附近的空化、满流声。
(3)水动力噪声:水流过壳体时所产生的摩擦声及引起附件的共振。
在多数情况下，前两类噪声是主要的。螺旋桨噪声产生于船体外南。螺旋案的空化噪声是由大量小气泡随机地破碎引起的所以空化噪声具有连续的频谱。在高频段，它的谱级随频私大约按 6dB/倍频程下降;在低频段却随频率而增加因此空化噪声有一个峰值。对于舰船和潜艇，这个峰值大约位于100-1000Hz之间。除了空化噪卢的连续谱外，水流流过螺旋桨还产生单频分量。一种单频分量是频率较高的叶片共振，另一种是频率较低的“叶片速率谱”,它是由螺旋桨的叶片切制所有进人螺旋桨及其周围的不规则流动引起的。其频率为
fm=nms
其中f 代表叶片速率线谱的m 谐波(Hn 螺旋奖叶片数5为转速(r/s)。

潜艇噪声（121）

水面舰船噪声（123）

鱼雷噪声（124）

舰艇噪声的功率谱与相关函数（124）

舰艇的自噪声级（126）

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声呐信号的最佳检测问题（127）

被动声呐信号的检测

主动声呐信号的检测

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主动声呐信号分析