來(lái)源：節(jié)選自哈爾濱工程大學(xué)《水聲學(xué)――聲波在目標(biāo)上的反射和散射》PPT講義

聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

一

目標(biāo)強(qiáng)度TS

目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小，從回聲強(qiáng)度角度描述目標(biāo)的聲學(xué)特性。

定義：

式中，Ii為入射波強(qiáng)度；Ir為離目標(biāo)等效聲中心1米處的回聲強(qiáng)度。

1. 測(cè)量距離

在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量Ir，并按球面波衰減規(guī)律將測(cè)量值換算至目標(biāo)等效聲中心1m處。

2. 目標(biāo)等效聲中心

假想的點(diǎn)，可位于目標(biāo)的外部或內(nèi)部，射線聲學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為回聲是由該點(diǎn)發(fā)出。

3. 回聲強(qiáng)度

回聲強(qiáng)度Ir是入射波方向和回波方向的函數(shù)。在收發(fā)合置情況，回聲強(qiáng)度僅是入射波方向的函數(shù)，稱(chēng)之為“反向反射”或“反向散射”。

4. 參考距離

參考距離通常取1米。

二

剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度

剛性不動(dòng)球體：半徑a，ka》1，k為波數(shù)；

反射聲線：局部平面鏡反射定律；

球體剛性：聲能不會(huì)透入球體內(nèi)部；

理想反射體：聲能無(wú)損失被反射。

局部范圍入射聲功率：

散射聲功率：

入射聲功率等于散射聲功率：

求得：

剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度：

結(jié)論：當(dāng)ka》1，剛性球TS值與聲波頻率無(wú)關(guān)，只與球半徑有關(guān)；是考慮鏡反射的平均結(jié)果，不是嚴(yán)格解。

常見(jiàn)聲納目標(biāo)TS值的一般特征

主要體現(xiàn)在軍事方面（探潛、反潛、水聲對(duì)抗），聲納（潛艇、魚(yú)雷、水雷等）目標(biāo)強(qiáng)度備受各海軍強(qiáng)國(guó)重視，不過(guò)由于軍事保密的原因，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料較少，且年代久遠(yuǎn)，因此，在這里我們僅對(duì)聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度特性作一般性討論。

一

潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度

潛艇實(shí)測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值具有離散性，而且與方位、頻

率、脈沖寬度、深度和距離有關(guān)。

柴油動(dòng)力潛艇目標(biāo)強(qiáng)度分布圖（正橫）

• 測(cè)試艇：柴油動(dòng)力潛艇

• 測(cè)試時(shí)間：二次大戰(zhàn)前后

• 正橫方向：12~40dB，平均值25dB。

1. 空間方位特性

潛艇目標(biāo)強(qiáng)度與方位角關(guān)系曲線呈“蝴蝶形”圖形。

• 測(cè)試頻率：24kHz

• A為戰(zhàn)前、40次平均

• B為戰(zhàn)后、5次平均

• 在潛艇的舷側(cè)正橫方向上，目標(biāo)強(qiáng)度值最大，達(dá)25dB，系由艇殼的鏡反射引起；

• 在艇首和艇尾方向，目標(biāo)強(qiáng)度最小，約10~15dB，系由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；

• 在艇首和艇尾20度附近，比相鄰區(qū)域高出1~3dB，可能是由潛艇的艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生。

2. 隨測(cè)量距離的變化

通常近距離測(cè)量的目標(biāo)強(qiáng)度值有可能小于遠(yuǎn)距離的測(cè)量值，且隨著測(cè)量距離變大目標(biāo)強(qiáng)度值也逐漸變大，到了某個(gè)距離后，目標(biāo)強(qiáng)度值不再隨距離而變。

產(chǎn)生原因：

• 指向性聲納入射束照射目標(biāo)面積隨測(cè)量距離變化。

• 幾何形狀比較復(fù)雜物體的回聲強(qiáng)度隨距離的衰減規(guī)律不同于點(diǎn)源聲場(chǎng)，聲強(qiáng)隨距離變化不遵循球面規(guī)律。

• 在近場(chǎng)（距離小于r0），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從柱面波規(guī)律，即∝1/r。

• 在遠(yuǎn)場(chǎng)（距離大于r0），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從球面波規(guī)律，即∝1/r2。

• 若分別在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，然后按照球面波規(guī)律歸算到目標(biāo)聲中心1m處。

3. 隨脈沖長(zhǎng)度的變化

設(shè)入射波脈沖長(zhǎng)度為τ，若問(wèn)題表面上A點(diǎn)和B點(diǎn)所產(chǎn)生回聲在脈沖寬度τ內(nèi)被同時(shí)接收到，則有

隨著脈沖長(zhǎng)度的增加，對(duì)回聲有貢獻(xiàn)物體表面積相應(yīng)增大，脈沖長(zhǎng)度由短逐漸變長(zhǎng)時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度值也由小逐漸變大，直到脈沖長(zhǎng)度變?yōu)?img decoding="async" src="http://img1.pv265.com/file/2017-07-19/20177191411531670.gif" class="aligncenter">后，目標(biāo)強(qiáng)度值就不再隨脈沖長(zhǎng)度而變化。

目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化實(shí)質(zhì)還是對(duì)回聲有貢獻(xiàn)的目

標(biāo)表面積大小不同引起的。在正橫方向上目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖長(zhǎng)度變化現(xiàn)象不明顯。

由于目標(biāo)沿入射波方向上的長(zhǎng)度很小，且回聲形成主要是鏡反射過(guò)程（脈寬減小效應(yīng)）。

4. 隨頻率的變化

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：潛艇目標(biāo)強(qiáng)度值不存在明顯頻率效應(yīng)，可能被實(shí)測(cè)值的離散性所掩蓋。潛艇目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和幾何形狀十分復(fù)雜，產(chǎn)生回聲的機(jī)理是多種多樣的。

5. 隨航行深度的變化

深度對(duì)潛艇尾流回聲有影響，對(duì)其結(jié)構(gòu)的目標(biāo)強(qiáng)度值原則上沒(méi)有影響。對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響表現(xiàn)對(duì)聲傳播特性的影響，并沒(méi)有影響到產(chǎn)生回聲的機(jī)理。

二

魚(yú)雷和水雷的目標(biāo)強(qiáng)度

魚(yú)雷和水雷的基本形狀（帶平頭或半球體的圓柱體）和幾何尺度（長(zhǎng)度1米至數(shù)米，直徑0.3米至1米）相同，但是，魚(yú)雷尾部安裝有推進(jìn)器，水雷雷體上安裝有翼及凹凸不平處。

目標(biāo)強(qiáng)度特點(diǎn)：

• 正橫方位或頭部目標(biāo)強(qiáng)度值較大――強(qiáng)鏡反射；

• 尾部和雷體上小的不規(guī)則部分目標(biāo)強(qiáng)度值較小。

圓柱形物體目標(biāo)強(qiáng)度：

圓柱形物體正橫和端部方位目標(biāo)強(qiáng)度：

式中，a為圓柱半徑，L為圓柱長(zhǎng)，λ是聲波波長(zhǎng)。

三

魚(yú)的目標(biāo)強(qiáng)度

魚(yú)是探魚(yú)聲納的目標(biāo)。

單個(gè)魚(yú)體的研究：

Cushing（1963年）等人研究結(jié)果：

測(cè)量對(duì)象：鱘魚(yú)、比目魚(yú)、鱸魚(yú)、青魚(yú)等死魚(yú)，安裝薄膜塑料人工魚(yú)鰾。

實(shí)驗(yàn)條件：聲波頻率20kHz，聲束由上向下垂直照射到魚(yú)脊背上，魚(yú)處于正常游動(dòng)狀態(tài)。

Love（1971年）等人試驗(yàn)研究，獲得魚(yú)脊背方向入射時(shí)魚(yú)目標(biāo)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，魚(yú)體長(zhǎng)度L（cm），頻率f（kHz）。

魚(yú)群的研究：

將魚(yú)群視為一個(gè)整體，如果魚(yú)群由N條相距較大魚(yú)所組成，則

魚(yú)群總目標(biāo)強(qiáng)度為T(mén)S 10lgN，其中TS是單個(gè)魚(yú)體目標(biāo)強(qiáng)度值。

四

海洋生物聲散射模型

描述海洋生物聲散射特性的反向散射截面：

海洋生物聲散射特性研究的模型：

1. 高通液體球模型

海洋生物非球形、不均勻，高通液體球是一個(gè)近似模型：

2. 充氣魚(yú)鰾模型

魚(yú)鰾是魚(yú)體散射的重要散射體，水中氣泡散射響應(yīng)：

3. 體長(zhǎng)模型

更接近于實(shí)際魚(yú)體，體長(zhǎng)模型：

目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)量和常見(jiàn)目標(biāo)TS值

一

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

在湖泊或海上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量當(dāng)目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值，容易滿足遠(yuǎn)場(chǎng)，能直接測(cè)量結(jié)果，但不宜控制和重復(fù)，結(jié)果有一定離散度，測(cè)量精度不高。

測(cè)量原理：

• 指向性聲源A：向待測(cè)目標(biāo)輻射聲波；

• 接收水聽(tīng)器B：接收待測(cè)目標(biāo)回波；

• 計(jì)算入射聲強(qiáng)度和回聲強(qiáng)度；

• 計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度TS值。

1. 比較法

需要一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度為已知的參考目標(biāo)，在相同測(cè)量條件下分別測(cè)量參考目標(biāo)和待測(cè)目標(biāo)的回聲級(jí)，比較它們的回聲級(jí)。

目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算：

優(yōu)點(diǎn)：

• 操作簡(jiǎn)單，僅測(cè)量回聲強(qiáng)度；

• 計(jì)算簡(jiǎn)單，是比較實(shí)用的方法。

缺點(diǎn)：

• 需要一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度已知的參考目標(biāo)；

• 對(duì)于復(fù)雜幾何形狀目標(biāo)（潛艇），高逼真的參

• 考目標(biāo)制作比較困難；

• 對(duì)于大目標(biāo)很難保證前后兩次測(cè)量條件相同。

2. 直接法

測(cè)量原理：

A為收發(fā)合置換能器（為討論方便而假定），它是指向性聲源，聲軸指向待測(cè)目標(biāo)，B為被測(cè)目標(biāo)，距離r應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

水聽(tīng)器（聲源）處回聲級(jí)：

待測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值：

需要測(cè)量物理量：聲源級(jí)SL、回聲強(qiáng)度Ir和傳播損失TL。

優(yōu)點(diǎn)：操作比較簡(jiǎn)單，不需特殊儀器設(shè)備，是一種基本的測(cè)量方法。

缺點(diǎn)：需要精確地知道或測(cè)量傳播損失值，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難度比較大。

3. 應(yīng)答器法

測(cè)量原理：

測(cè)量船：安裝發(fā)射器和水聽(tīng)器Ⅰ各一個(gè)，測(cè)量目標(biāo)回聲和應(yīng)答器所輻射的脈沖信號(hào)，設(shè)它們聲級(jí)差為A分貝。

待測(cè)目標(biāo)：安裝應(yīng)答器和水聽(tīng)器Ⅱ各一個(gè)，相距1米，應(yīng)

的體積，來(lái)降低目標(biāo)強(qiáng)度值。

2. 高頻條件下目標(biāo)強(qiáng)度值的降低

• 改變目標(biāo)幾何形狀；

• 表面覆蓋消聲被覆；

• 主動(dòng)抵消，采用薄調(diào)諧材料。

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標(biāo)簽：強(qiáng)度、測(cè)量、特征

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文章名稱(chēng)：《聲吶目標(biāo)強(qiáng)度TS的特征及測(cè)量》

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