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第1章绪论收、处理设备多么复杂，要完成一定的使命必须保证在其输入端满足信号级一干扰级≥检测闽(1.1.1)或最小可检测信号级一干扰级=检测阈(1.1.2)这就是声呐方程的基本出发点。当然，信号级、干扰级和检测阈都与目标、传播信道和接收、处理设备的特性有关，特别是检测阈还与声呐的任务、使命有关。检测接收判决处理器声源级SL接收指向海洋信道换能器噪声级NL性指数DI目标双程传播损失2TL目标强度TS图1.1.1收-发合置主动声呐工作示意图一般说来，主动声呐在探测远距离目标时的主要干扰是噪声。在噪声掩蔽背景下，收-发合置主动声呐的声呐方程是)SL-2TL+TS NL -DI DT(1.1.3a)其中：SL是发射声源的声源级：TL是从声源到目标或从目标返回到声源的传播损失：TS是目标强度；NL是接收器处的噪声级：DI是接收指向性指数；DT是检测阈：EL=SL-2TL+TS是回声级；NL-DI+DT是噪声掩蔽级。而主动声呐在探测近距离目标时主要干扰是混响。混响是主动声呐特有的一种干扰，它伴随主动声呐发射的声信号而产生。由于海洋及其边界的不均匀性，声1.1主动声呐与目标声散射波在传播过程中遭遇这些不均匀性时发生散射。同时到达接收器的来自四面八方的所有散射能量的叠加就是混响。在混响背景下，主动声呐方程是四SL-2TL+TS RL DT(1.1.3b)其中：L是等效平面波混响级；RL+DT是混响掩蔽级。由于混响和噪声的统计特性不同，混响背景下的检测阈与噪声背景时不同。目标强度TS是潜艇或其他目标反射声波能力的度量，其定义见1.2节。在其他参数不变的情况下，目标强度的大小决定了主动声呐的探测性能，下面举例说明。定义主动声呐的优质因素川TL=[SL+TS-(NL-DI+DT)1/2(1.1.4)它表示主动声呐完成探测使命所能承受的传播损失。显然，优质因素越大，探测距离越远。在其他条件不变的情况下，目标TS的下降直接导致主动声呐优质因素的下降。取传播损失的近似公式四TL=201gr+0.011f2r×10-3(1.1.5)其中，f是频率，单位为千赫兹；？是距离，单位为米。设主动声呐对目标强度TS0的探测距离是ro,目标强度下降△L分贝后探测距离下降为r1,得到△L=40lg0+2×0.011f2(0-r1)×10-3(1.1.6)其中，r1/r0≤1，反映探测距离的下降。图1.1.2是数值计算结果，设声呐工作频率是5kHz和10kHz,原来的探测距离ro是5km和10km。由图可见，若目标强度下降10dB,主动声呐的探测距离r1下降为原来的60%~70%，即缩短约1/3。图1.1.2当然只是一个粗略估算结果，实际海洋中由于声速剖面和海底底质的作用，声传播规律不会像(1.1.5)式那么简单。现代舰（艇）载主动声呐的工作频率一般在1~10kHz,脉冲宽度为几百毫秒到秒，信号形式主要是单频脉冲(CW)和调频脉冲(FM)。为了达到更远的探测距离和反隐身，主动声呐的工作频率可能降低到500Hz以下，脉冲宽度增加到数秒以上。另一方面，鱼雷主动声自导的工作频率一般在2030kHz,脉冲宽度为几毫秒到几十毫秒。水中目标声散射的研究受到越来越多的关注是基于以下几个原因。(1)传统的声呐常常是主被动联合配置的，但是，因为主动探测方式承受双程传播损失，探测距离比较近，另外，主动声呐发射声波容易暴露自身，是一种非隐4第1章绪论蔽的探测方式，所以在隐蔽性要求高的情况下通常尽量避免使用主动声呐。但是随着潜艇辐射噪声的大幅度降低，被动探测距离急剧减小，而主动探测可以探测噪声低甚至“装死”不动的安静目标。在这种情况下，主动声呐越来越受到重视是理所当然的。另一方面，像沉底和掩埋水雷以及海底沉物等这样一些寂静目标，主动探测是唯一有效的探测方式。正是由于这样一种需求背景，水中目标回波的研究受到越来越多的关注。1.00.9ro =10km,f=5kHzTo=10km,f=10kHz0.80.70.60.50.40268101214161820△L/dB图1.1.2目标强度降低导致主动声呐作用距离下降(2)随着声呐和现代电子及信号处理技术的发展，声呐的功能已经从单纯探测目标的有无发展到多目标的识别与跟踪。因此，对目标回波特性的要求已经不是局限于TS值，而是需要更精细的特征分析。例如，时域或频域特征乃至于时频域的联合特征等。这就要求对目标散射的研究更深入细致，如目标的弹性共振特性，加肋、隔舱等目标精细结构的散射特性等。(3)随着水中声对抗越演越烈，目标的声隐身已经成为水中作战平台和水中兵器的主要发展方向之一。声隐身主要包括低辐射噪声、低自噪声和低目标强度等三个方面。借鉴隐形飞机的发展经验，低目标强度的获得主要依靠外形的改变和吸波材料的敷设。为此需要有精确的目标回波预报模型，以便在线型设计时准确预报目标强度。从实际应用的角度，水中目标散射的研究主要为主动声呐提供来自回声的目标信息。这些信息包括：目标运动引起的回声相对于发射声波的时间延迟，多普勒频移，尾流回声等外部特征；与目标本身尺度、形状、结构和表面声学特性有关的回声固有特征，例如，TS值的方位分布特征，回声的亮点分布特征等。从理论的角度，水中目标声散射的研究必须深入到流体固体界面的波运动和振动-声耦合。因此这种研究有助于揭示散射的物理机理，同时也促进了流固界面波运动的研究。1.2若千名词术语和定义51.2若干名词术语和定义为了便于讨论，这里集中给出一些基本概念和定义。对这些概念和定义的理解需要在具体问题中逐步深化。1.目标强度(TS)和角检测率TS是一个声呐参数，它是声呐方程中描述目标回声强弱或目标反射能力的量。适应声呐方程的需要，这个量用分贝来度量。由于主动声呐的工作体制多数是收-发合置的，因此除非特别申明，否则目标强度总是指收-发合置的或反向散射的情况。目标强度定义为距离目标等效声学中心1m处由目标反射回来的声强与远处声源入射到目标上的声强之比的分贝(B)数TS 101g(1.2.1)其中，上是入射到目标上的声强，即设想目标不存在时该处的声强；I,=1是离目标1m处的回波声强。声呐方程中的目标强度是定义在远场中的。任何一个有限尺寸的辐射或散射体，远场中的声波都服从球面扩展规律，且局部可近似为平面波，声强与声压p有简单关系I=lm2poc,poc是声介质的特性阻抗。因此上式中1m处的回波声强实际上是从远场中测量或计算的回波声强或声压按球面规律折算到1m距离的。由1s=Isr=1/r2,目标强度的定义也可以表述为TS 101g=101g(1.2.2)这说明1m只是一个参考距离，并非实际测量距离。例如，有的声呐目标的尺寸达数米到数十米，不可能在1m处测量回波。因此，目标强度的值与参考距离有关。对同一目标，如果参考距离取为0.1m,那么TS值将增加20dB。所以，在做模型试验时，若模型缩小为原型的1/N,距离单位应取(1/N)m,这样测得的TS值等于原型按1m距离定义的TS值。用简单的几何声学方法可以证明，半径为am的绝对反射球（反射系数等于Ts=10g(a/2)2(1.2.3)因此半径2m即直径4m的绝对反射球的目标强度是0dB。另一点需要指出的是，目标强度实际上与入射脉冲的时间波形有关。由于大多数主动声呐采用长的连续波(CW)脉冲，因此若不加专门说明，目标强度是指稳态