第一章 声纳及声纳方程.ppt

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1、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？ SonarSOund NAvigation and Ranging 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？,海水介质 被探测目标 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

2、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：,SL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

3、性指数DIT,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),无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：,常识：船用声纳 Pa为几百瓦几千瓦，DIT为1030dB， SL约为210240dB。,有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：,1.2 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：,1.2 声纳参数,目标强度TS,定量描述目标反

4、射本领的大小 ：,Q,C,P,Ir,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 ：,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RL

5、,1.2 声纳参数,定义：,接收指向性指数DIR,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：,1.2 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：,是归一化的声束图函数。,1.2 声纳参数,接收指向性指数DIR,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

6、：,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,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,1.3 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

7、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+

8、TS）-RLDT,1.3 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

9、）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,Figure of Merit (FOM),定义 被动声纳允许

10、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 FOM TL 则 检测概率 50% 如果 FOM 2TL 则 检测概率 50% 如果 FOM 2TL 则 检测概率 50% 根据水

11、声传播理论可以预报水声传播损失,1.5 声纳方程的应用,Prop Loss Curve,Max Range DP,Max Range BB,FOM = 70 dB,1.5 声纳方程的应用,Prop Loss Curve,Max Range DP,Max Range CZ,FOM = 90 dB,1.6 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：,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

12、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。,1.6 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：,1.6 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 ：,1.6 声纳方程的限制,声纳方程瞬态形式,长脉冲：,短脉冲 ：,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

13、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,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,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Own Ship/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 - DI,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Self Noise,机械噪声 Narro

14、wband 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 Depth Speed Prairie - Masker,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Flow Noise,Lami

15、nar Flow,Turbulent Flow,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Screw Cavitation,1.7 声纳方程及声纳参数确定,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 Produced by marine life. 海上交通噪声 At long ranges only low frequencies are pres

16、ent. 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.,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Wenz Curves,1.7 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,Making the Sonar Equati

17、ons Useful(Passive),SL - TL - NL + DI DT,Known,Can Measure,Function of Equipment,Can Measure Experimentally,ONLY UNKNOWN,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Making the Sonar Equations Useful Solve for TL,Passive SL TL NL + DI DT Solve for TL TL = SL NL + DI DT Active SL 2TL + TS RL DT (reverb limited)SL 2TL + TS NL + D

18、I DT (noise limited)Solve both for TL 2TL = SL + TS RL DT (reverb limited) 2TL = SL + TS NL + DI DT (noise limited) What do you do with this?,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Transmission Loss,TRANSMISSION LOSS (TL),Sound energy in water suffers two types of losses: Spreading Attenuation,Combination of these 2 losses:,1.7 声纳方程及声纳参数确定,Scattering / Reverb,作业,1什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 2主被、动声纳的信息流程有何不同？ 3发射指向性指数物理含义是什么？ 4请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是什么？ 5环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？ 6已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。,THE END,