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1、第1章声纳及声纳方程第1页，此课件共61页哦1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 什么叫声纳？什么叫声纳？SonarSonarSOSOund und NANAvigation and vigation and R Ranginganging利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。第2页，此课件共61页哦1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 声纳分类声纳分类 按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳 第3页，此课件共61页哦1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 主动声纳信息流程主动声纳信息流程：第4页，此课件共61页哦1.1 1.1 声纳及其工作方式
2、声纳及其工作方式 被动声纳（噪音声纳站）信息流程被动声纳（噪音声纳站）信息流程：第5页，此课件共61页哦1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 主、被动声纳信息流主、被动声纳信息流程有何区别？程有何区别？第6页，此课件共61页哦1.1 1.1 声纳及其工作方式声纳及其工作方式 主、被动声纳工作信息流程基本组成？主、被动声纳工作信息流程基本组成？1.海水介质海水介质2.被探测目标被探测目标3.声纳设备声纳设备声纳工作信息流程三个基本环节声纳工作信息流程三个基本环节 第7页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 什么叫声纳参数？什么叫声纳参数？将影响声纳设备工作的因素称为声纳
3、参数。阐述声纳参数定义、物理意义推导声纳方程 第8页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 n声源级声源级SLSLn指向性指数指向性指数DIDIT Tn传播损失传播损失TLTLn目标强度目标强度TSTSn传播损失传播损失TLTLn指向性指数指向性指数DIDIR Rn噪声级噪声级NLNLn等效平面波混响级等效平面波混响级RLRLn检测阈检测阈DTDT主动声纳主动声纳第9页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 n声源级声源级SLSLn传播损失传播损失TLTLn指向性指数指向性指数DIDIR Rn噪声级噪声级NLNLn检测阈检测阈DTDT被动声纳被动声纳第10页，此课件共6
4、1页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 声源级声源级SLSL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。第11页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 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？如何提高主动声纳作用距离？第12页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 发射指向性指数发射指向性指数DIDIT T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
5、距离。第13页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 声源级与声功率的关系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：第14页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 传播损失传播损失TLTL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：第15页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 目标强度目标强度TSTS定量描述目标反射本领的大小：目目目目标标标标Q QC C
6、P PIr1m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。第16页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 海洋环境噪声级海洋环境噪声级NLNL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是测量带宽内测量带宽内或1Hz频带内频带内的噪声强度。第17页，此课件共61页哦主动声纳背景干扰1.2 1.2 声纳参数声纳参数 环境噪声环境噪声平稳的、各向同性的混混 响响非平稳的、非各向同性的第18页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 定量描述混响干扰的强弱。定义：强
7、度已知的平面波轴向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，声轴指向目标声轴指向目标，水听器输出电压值。等效平面波混响级等效平面波混响级RLRL第19页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 定义：接收指向性指数接收指向性指数DIDIR R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。第20页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR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I Ii i。无指向性水听器产生的均方电压为：第21页，
8、此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR指向性水听器产生的均方电压为：是归一化的声束图函数。第22页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR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。第23页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR阵增益：第24页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 接收指向性指数接收指向性指数DIDIR简单几何形状换能器阵增益：第25页，此课件共61页哦1.
9、2 1.2 声纳参数声纳参数 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(SNRSNR)。检测阈检测阈DTDT注意：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低较低较低较低的设备，其处理能力强强，性能也好好好好。第26页，此课件共61页哦1.2 1.2 声纳参数声纳参数 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。总结总结SLSLTLTLTSTSTLTLDTDTDIDIR RNLNLRLRL第27页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳方程 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
10、应用所产生影响的关系式。声纳方程声纳方程第28页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳方程 基本考虑基本考虑1.1.声纳方程基本原则：声纳方程基本原则：信号级-背景干扰级 检测阈2.2.背景干扰级含义：背景干扰级含义：背景干扰级含义：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。第29页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳方程 主动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？第30页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳方程 主动声纳方程主动声纳方程处理器处电信号信噪比：（SL-2TL+TS）-（N
11、L-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。第31页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳方程 主动声纳方程主动声纳方程主动声纳方程（混响背景）：（NL-DI）（SL-2TL+TS）-RLDT第32页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳方程 被动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。第33页，此课件共61页哦1.3 1.3 声纳方程声纳
12、方程 被动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？被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？第34页，此课件共61页哦1.4 1.4 组合声纳参数组合声纳参数 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）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
13、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 第35页，此课件共61页哦1.5 1.5 声纳方程的应用声纳方程的应用声纳方程应用声纳方程应用 声纳设备性能预报声纳设备性能预报：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。第36页，此课件共61页哦1.5 1.5 声纳方程的应用声纳方程的应用Figure
14、of Merit(FOM)Figure of Merit(FOM)Figure of Merit(FOM)Figure of Merit(FOM)定义定义定义定义定义定义 被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最大被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最大被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最大被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最大被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最大被动声纳允许的最大单程传播损失；主动声纳允许的最大双程传播损失双程传播损失双程传播损失双程传播损失双程传播损失双程传播损失.令令令令令令 TL TL TL TL TL TL 或或
15、或或或或2TL=FOM,2TL=FOM,2TL=FOM,2TL=FOM,2TL=FOM,2TL=FOM,则可知允许的水声信号传播损失则可知允许的水声信号传播损失则可知允许的水声信号传播损失则可知允许的水声信号传播损失则可知允许的水声信号传播损失则可知允许的水声信号传播损失.被动声纳被动声纳被动声纳被动声纳被动声纳被动声纳 FOMFOMFOMP PP=SL NL+DI DT=SL NL+DI DT=SL NL+DI DT 主动声纳主动声纳主动声纳主动声纳主动声纳主动声纳 FOMFOMFOMA AA=SL+TS RL DT (=SL+TS RL DT (=SL+TS RL DT (混响背景混响背景
16、混响背景混响背景混响背景混响背景)FOMFOMFOMA AA=SL+TS NL+DI DT (=SL+TS NL+DI DT (=SL+TS NL+DI DT (噪声背景噪声背景噪声背景噪声背景噪声背景噪声背景)第37页，此课件共61页哦1.5 1.5 声纳方程的应用声纳方程的应用Range?Range?Range?Range?根据根据FOM FOM 可以预报声纳可以预报声纳作用距离作用距离.FOM FOM 越高越高,允许的信号传播损失允许的信号传播损失 越大越大，则声纳作用距离则声纳作用距离 越远越远.检测概率检测概率被动声纳被动声纳如果如果 FOM TL FOM TL 则则 检测概率检测概
17、率 50%50%如果如果 FOM TL FOM TL 则则 检测概率检测概率 50%2TL FOM 2TL 则则 检测概率检测概率 50%50%如果如果 FOM 2TL FOM 2TL 则则 检测概率检测概率 50%DTSL-TL-NL+DI DTKnownKnownCan MeasureCan MeasureFunction ofFunction ofEquipmentEquipmentCan MeasureCan MeasureExperimentallyExperimentallyONLY UNKNOWN第56页，此课件共61页哦1.7 1.7 声纳方程及声纳参数确定声纳方程及声纳参数确
18、定 Making the Sonar Equations Useful Solve for TLMaking the Sonar Equations Useful Solve for TLPassiveSL TL NL+DI DTSolve for TLTL=SL NL+DI DT ActiveSL 2TL+TS RL DT (reverb limitedreverb limitedreverb limitedreverb limited)SL 2TL+TS NL+DI DT(noise limitednoise limitednoise limitednoise limited)Solve
19、both for TL2TL=SL+TS RL DT(reverb limited)reverb limited)reverb limited)reverb limited)2TL=SL+TS NL+DI DT(noise limitednoise limitednoise limitednoise limited)What do you do with this?第57页，此课件共61页哦1.7 1.7 声纳方程及声纳参数确定声纳方程及声纳参数确定 Transmission LossTransmission LossTRANSMISSION LOSS(TL)TRANSMISSION LOSS
20、(TL)Sound energy in water suffers two types of losses:SpreadingAttenuationCombination of these 2 losses:Combination of these 2 losses:第58页，此课件共61页哦1.7 1.7 声纳方程及声纳参数确定声纳方程及声纳参数确定 Scattering/ReverbScattering/Reverb第59页，此课件共61页哦作业作业 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。第60页，此课件共61页哦THE ENDTHE END第61页，此课件共61页哦