第5章声波在目标上的反射和散射.ppt

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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,水声学,第2章海洋的声学特性,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,第,5,章声波在目标上的反射和散射,水下目标含义：,（,1,）军事目标：舰船、潜艇、鱼雷、水雷等,；,（,2,）,礁石等；,反射体、散射体回波信号有规信号,；,（,3,）无限延展非均匀体：深水散射层、海面、海底等。,散射体回波信号,无,规信号统计信号,(,混响,),。,研究声呐目标回波特性意义,（,1,）主动声呐的目标检测和识别的依据；,（,2,）对声呐设备的设计和应用有重要意义。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,2,主要内容,声呐,目标强度,TS,；,常见声呐目标,TS,值的特性；,目标强度实验测量；,目标回声信号,；,刚性和弹性球体的散射场特性；,壳体目标的回波信号,；,散射声场理论计算方法；,声散射逆问题。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,3,1,、目标强度,TS,目标强度,TS,定量描述目标反射本领的大小，从回声强度角度描述目标的声学特性。,定义：,式中，为入射波强度；为离目标等效声中心,1,米处的回声强度。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,4,5.1,声呐目标的目标强度,（,1,）测量距离,在远场进行测量,I,r,，并按球面波衰减规律将测量值换算至目标等效声中心,1m,处。,（,2,）目标等效声中心,假想的点，可位于目标的外部或内部；射线声学观点认为回声是由该点发出,。,目标,Q,C,P,I,r,1m,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,5,5.1,声呐目标的目标强度,（,3,）回声强度,回声强度,I,r,是入射波方向和回波方向的函数。,在收发合置情况，回声强度仅是入射波方向的函数，称之为,“,反向反射,”,或,“,反向散射,”,。,（,4,）参考距离,参考距离通常取,1m,。,多数声呐为收发合置型的，因此主要讨论反向散射情况目标回声问题。,通常情况下，水下目标的目标强度,TS,为正值，为什么不能说回声强度高于入射声强度？,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,6,5.1,声呐目标的目标强度,2,、刚性大球的目标强度,刚性不动球体：半径,a,，,ka,1,，,k,为波数,；,反射声线：局部平面镜反射定律,；,球体刚性：声能不会透入球体内部,；,理想反射体：声能无损失被反射。,散射声功率,：,局部范围入射声功率,：,a,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,7,5.1,声呐目标的目标强度,入射声功率等于散射声功率：,尤立克,水声原理,从总体角度上进行推导。,求得：,刚性大球的目标强度：,结论：当,ka,1,，,刚性球,TS,值与声波频率无关，只与球半径有关；是考虑镜反射的平均结果，不是严格解。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,8,5.1,声呐目标的目标强度,军事需要：探潜、反潜、水声对抗,声,呐,（潜艇、鱼雷、水雷等）目标强度备受各海军强国重视；,军事保密原因，公开发表的文献资料较少，且年代久远；,我们仅对声呐目标的目标强度特性作一般性讨论。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,9,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,1,、潜艇的目标,强度,潜艇实测目标强度值具有离散性，而且与方位、频率、脉冲宽度、深度和距离有关。,（,1,）测试艇：柴油动力潜艇,（,2,）测试时间：二次大战前后,（,3,）正横方向：,12,40dB,，平均值,25dB,18,艘潜艇正横方向目标强度直方图,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,10,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,1,）空间方位特性,潜艇目标强度与方位角关系曲线呈,“,蝴蝶形,”,图形。,测试频率：,24kHz,A,为战前、,40,次平均,B,为战后、,5,次平均,潜艇目标强度随方位的变化,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,11,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,1,）空间方位特性,在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达,25dB,，系由艇壳的,镜反射,引起；,在艇首和艇尾方向，目标强度,最小，约,10,15dB,，系由艇壳,和尾流的遮蔽效应引起；,在艇首和艇尾,20,度附近，比相,邻区域高出,1,3dB,，可能是由,潜艇的舱室结构的,内反射,产生。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,12,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,2,）随测量距离的变化,通常近距离测量的目标强度值有可能小于远距离的测量值，且随着测量距离变大目标强度值也逐渐变大，到了某个距离后，目标强度值不再随距离而变。,产生原因：,指向性声呐入射声束照射目标面积随测量距离变化。,几何形状比较复杂物体的,回声强度随距离的衰减规律,不同于点源声场，声强随距离变化不遵循球面规律。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,13,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,2,）随测量距离的变化,在近场（距离小于），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即。,在远场（距离大于），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即。,若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面波规律归算到目标声中心,1m,处。,为了要得到稳定可靠的测量结果，应在远场进行测量，即测量距离。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,14,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,3,）随脉冲长度的变化,设入射波脉冲长度为，若物体表面上,A,点和,B,点所产生回声在脉冲宽度内被同时接收到，则有：,随着脉冲长度的增加，对回声有贡献物体表面积相应增大；,脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大，直到脉冲长度变为后，目标强度值就不再随脉冲长度而变化。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,15,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,3,）随脉冲长度的变化,目标强度随脉冲宽度的变化实质还是对回声有贡献的目标表面积大小不同引起的。,在正横方向上目标强度随脉冲长度变化现象不明显。,由于目标沿入射波方向上的长度很小，且回声形成主要是镜反射过程（脉宽减小效应）。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,16,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,4,）随频率的变化,试验测试结果：,潜艇目标强度值不存在明显频率效应。,可能被实测值的离散性所掩盖；,潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产生回声的机理是多种多样的。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,17,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,5,）随航行深度的变化,深度对潜艇尾流回声有影响，对其结构的目标强度值原则上没有影响。,深度对测试结果的影响表现对声传播特性的影响，并没有影响到产生回声的机理。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,18,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,2,、鱼雷和水雷的目标强度,基本形状：带平头或半球体的圆柱体；,几何尺度：长度,1,米至数米，直径,0.3,米至,1,米；,两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上安装有翼及凹凸不平处。,目标强度特点：,正横方位或头部目标强度值较大,强镜反射；,尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,19,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,圆柱形物体目标强度：,圆柱形物体正横和端部方位目标强度：,式中，,a,为圆柱半径，,L,为圆柱长，是声波波长。,鱼雷和水雷的目标强度随方位、频率、脉冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,20,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,2,、鱼雷和水雷的目标强度,3,、鱼的目标强度,鱼是探鱼声呐的目标。,单个鱼体的研究,Cushing,（,1963,年）等人研究结果：,测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、,青鱼等死鱼，安装薄膜塑料人工鱼鳔。,实验条件：声波频率,30kHz,，声束,由上向下垂直照射到鱼脊背上，鱼,处于正常游动状态。,测量结果,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,21,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,单个鱼体的研究,Love（,19,71年）等人试验研究，获得鱼脊背方向入射时鱼目标强度经验公式：,式中，鱼体长度,L,（,cm,），频率,f,（,kHz,）。,鱼群的研究,将,鱼群视为一个整体，如果鱼群由,N,条相距较大鱼所组成，则鱼群总目标强度为,TS,+10lg,N,，其中,TS,是单个鱼体目标强度值。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,22,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,3,、鱼的目标强度,海洋生物声散射特性研究的模型：,（,1,）高通液体球模型,海洋生物非球形、不均匀，高通液体球是一个近似模型：,4,、海洋生物声散射模型,描述海洋生物声散射特性的反向散射截面：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,23,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,（,2,）充气鱼鳔模型,鱼鳔是鱼体散射的重要散射体，水中气泡散射响应：,（,3,）体长模型,更接近于实际鱼体，体长模型：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,24,5.2,常见声呐目标,TS,值的一般特征,4,、海洋生物声散射模型,在湖泊或海上现场测量当目标的目标强度值，容易满足远场，能直接测量结果，但不宜控制和重复，结果有一定离散度，测量精度不高。,1,、现场测量,测量原理,指向性声源,A,：向待测目标辐射声波；,接收水听器,B,：接收待测目标回波；,计算入射声强度和回声强度；,计算目标强度,TS,值。,测量应满足远场条件；,合理选择发射信号脉冲宽度；,合理选择发射声源和接收水听器位置。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,25,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,（,1,）比较法,测量原理,需要一个目标强度为已知的参考目标；,在相同测量条件下分别测量参考目标和待测目标的回声级，比较它们的回声级；,目标强度的计算：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,26,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,（,1,）比较法,优点：,操作简单，仅测量回声强度，计算简单，是比较实用的方法。,缺点：,需要一个目标强度已知的参考目标；,对于复杂几何形状目标（潜艇），高逼真的参考目标制作比较困难；,对于大目标很难保证前后两次测量条件相同。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,27,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,（2）直接法,测量原理,A,为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目标；,B,为被测目标；距离,r,应满足远场条件。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,28,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,（,2,）直接法,测量原理,水听器（声源）处回声级：,EL,=,SL,-2,TL,+,TS,待测目标强度值：,需要测量物理量：声源级,SL,、回声强度,I,r,和传播损失,TL,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,29,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,（,2,）直接法,优点：,操作比较简单，不需特殊仪器设备，是一种基本的测量方法。,缺点：,需要精确地知道或测量传播损失值，现场测量难度比较大。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,30,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,（3）应答器法,测量原理,测量船：安装,发射器,和,水听器,各一个，测量目标回声和应答器所辐射的脉冲信号，设它们声级差为,A,分贝。,待测目标：安装,应答器,和,水听器,各一个，相距1米，应答器接收声源发射声脉冲后也发射声脉冲，水听器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它们的声级差为,B,分贝。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,31,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,（,3,）应答器法,测量原理,目标强度值计算：,优点,不需要确定传播损失；测量比较简单，不需要对测试系统做复杂的绝对校正。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,32,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,1,、现场测量,在实验室水池中现场测量小尺度目标的目标强度值，测量条件远优于现场测量条件。,2,、实验室测量,测量方法：,比较法,直接法,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,33,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,测量条件：,满足远场条件,目标处于声源的远场，水听器处于目标的远场。,满足自由场条件,消声水池：,一般满足自由场条件；,非消声水池：,由于池壁、水面、池底反射声可能和目标回波信号干涉、叠加，影响测量结果的可信度；根据水池尺寸，合理选择脉冲宽度，调整声源、目标和水听器三者之间位置，使界面反射脉冲和目标回波脉冲在接收时间上分开。,合理选取发射信号脉冲宽度,为抗多途干扰，要求脉冲宽度窄一些；测量稳态结果，又要求脉冲宽度不能太窄。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,34,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,2,、实验室测量,3,、常见声呐目标的目标强度值,声呐目标的目标强度值是根据实验测量得到的，结果具有较大的离散性，从统计的意义上给出了规律性结果。,目标,方位,TS/dB,潜艇,小型艇,大型艇,有涂层,大型艇,正横,5,10,25,中间,3,8,15,艇艏或艇尾,0,5,10,水面舰艇,正横,25,非正横,15,水雷,正横,0,非正横,-10-25,鱼雷,随机,-15,鲸鱼，,30m,脊背方向,5,鲨鱼，,10m,脊背方向,-4,冰山,任意,10,（最小）,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,35,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,4,、简单形状物体的目标强度,理论上可推得一些简单几何形状物体目标强度值理论计算公式,。,雷达技术中对简单几何形状物体的目标强度计算公式用于声呐目标仅是一种近似值。,声呐目标内部结构比较复杂，,不满足刚性条件；,声呐目标不满足不动理想条件。,掌握球体、柱体和椭球体等简单几何形状物体的目标强度计算公式,。,复杂几何形状目标可分解成若干简单几何形状子目标，通过子目标的目标强度值的合成得到其目标强度值。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,36,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,5,、目标,TS,值的降低,（,1,）低频条件下目标强度值的降低,在低频工程实现难度大，可以通过减小目标的体积，来降低目标强度值。,（,2,）高频条件下目标强度值的降低,改变目标几何形状,；,表面覆盖消声被覆；,主动抵消；,采用薄调谐材料。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,37,5.3,目标强度实验测量和常见目标,TS,值,目标回波,：,声波在传播途中遇到障碍物时产生散射声波中，返回声源方向那部分声波。,目标回波是散射波的一部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目标的某些特征信息。,测量回波信号,分析处理,提取目标特征（先验知识）,目标检测和识别。,回顾,大目标：目标前方次级声波,反射波；目标后方次级声波,绕射波。,小目标：向空间各方向辐射次级声波,散射波。,与波长相当目标：反射、绕射、散射均起作用。,在声学中，近场次级声波,衍射波；远场次级声波,散射波。在这里，统称为散射波。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,38,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,（,1,）,目标镜反射,镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。,（,2,）,目标散射,目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径小于波长，回波由散射过程产生。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,39,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,40,5.4,目标回波,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,41,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,（,3,）,目标再辐射,一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的激励下，目标某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波，它是目标回声组成部分，称为非镜反射回波。,它与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝球上接收到的回波脉冲串。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,42,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,（,4,）回音廊式回声（环绕波）,声波入射到,A,点除产生镜反射波外，还有折射波投射到目标内部。折射波在目标内部传播，在,B,、,C,、,上同样产生反射和折射，到达,G,点时，折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,43,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,弹性散射波圆柱倾斜入射时弹性散射波（,汤渭霖、陈德智）,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,44,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,弹性散射波圆柱斜入射螺旋环绕波（,鲍小玲）,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,45,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,弹性散射波的作用高分辨率声呐的有限长圆柱声图像,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,46,5.4,目标回波,1,、回波信号的形成,回波与入射波的差异,（,1,）多普勒频移,运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异的大小与入射波频率,f,及目标与声源之间距离变化率,V,有关：,式中，,c,是海水中的声速。可以估计目标的速度。,目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。举例：声纳工作频率,10 kHz,，声源以,10,节（,5.15m/s,）的相对速度趋近目标时，回波频移为,69Hz,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,47,5.4,目标回波,2,、回波信号的一般特征,（,2,）脉冲展宽,目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体产生，整个物体表面都对回波有贡献。由于传播路径不同，目标表面不同部分产生回波到达接收点在时间上有先有后，加宽了回声信号的脉冲宽度。,平面波以掠射角入射到长为,L,的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲展宽：,在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成复杂目标，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展宽可以忽略。举例：潜艇在正横方向，回波展宽为,10ms,，在首尾方位，回波展宽为,100ms,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,48,5.4,目标回波,2,、回波信号的一般特征,（,3,）包络不规则性,回声包络是不规则的，当镜反射不起主要作用时更是如此。,原因：,目标上各散射体散射波互相迭加干涉引起的。在目标回声中，还可能有个别的亮点，是由目标上某些部位的产生镜反射引起的。例如，潜艇的指挥台，几何亮点和弹性亮点。,（,4,）调制效应,产生原因：,螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。,运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起调制效应。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,49,5.4,目标回波,2,、回波信号的一般特征,上节讲述通过实验测量声纳目标的目标强度值；,本节讲述通过理论计算目标强度值及其物理特性。,常见声纳目标几何形状基本接近于球形或柱形，将其视为球体或圆柱体，简化数学运算，结果也适用于实际声纳目标。,刚性不动球体物理含义：,刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声波透不到球体内部，激不起球内部运动；,不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,50,5.5,刚性球体散射声场,取坐标系的原点和刚性球的球心重合，并取,x,轴与入射平面波的传播方向一致，设刚性球的半径为,a,。入射平面波声压为,：,为书写方便，将时间因子省略。,设散射波声压为，它满足波动方程,：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,51,5.5,刚性球体散射声场,考虑入射波对,x,轴对称性，散射波也关于,x,轴对称，则它与变量无关，则,：,利用分离变量法，有,勒让德方程,：,贝塞尔方程：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,52,5.5,刚性球体散射声场,根据勒让德方程的解有（,m,为分离变量时引入常数，根据勒让德方程性质，,m,必须是非负整数）：,根据贝塞尔方程的解有：,根据辐射条件,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,53,5.5,刚性球体散射声场,散射波声压的解为：,待定常数，由边界条件确定,对于刚性球体有：,为了确定待定系数，需要将入射波展开：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,54,5.5,刚性球体散射声场,根据边界条件，可确定待定系数：,对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在大宗量条件下近似展开：,散射波声压表达式为：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,55,5.5,刚性球体散射声场,远场散射波声压为：,远场散射波声压为：,记：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,56,5.5,刚性球体散射声场,在低频，球前向散射较均匀，随频率增大，指向性变得复杂；低频时，刚球背面散射波很弱，随着频率的增加，背部散射波逐渐增强。,刚球远场散射波强度：,散射波振幅正比于入射波振幅；散射波是各阶球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅随距离的衰减；散射波具有明显指向性。,刚性不动球的目标强度表达式,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,57,5.5,刚性球体散射声场,刚性不动微小球粒子对平面波的散射,微小粒子：是指，即或频率甚低或者粒子半径极小。,提示：微小粒子的散射波声压依然可以应用上述刚性不动球体的散射场声压表示。,在条件下，求和项（随,m,增大迅速减小）中只有前两项起主要作用，微小粒子的散射波声压：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,58,5.5,刚性球体散射声场,刚性不动微小球粒子对平面波的散射,整理得到散射波声压：,散射波声强：,目标强度：,结论：具有明显的指向性和强烈的频率特性。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,59,5.5,刚性球体散射声场,常见声纳目标是由金属材料制成的，均为弹性体；,对于弹性体，入射声波能透入物体内部，并激发内部声场。,与刚性球体比较：,（,1,）弹性球体散射波强度随频率变化出现极大、极小变化；刚性球体散射波强度不存在明显的频率效应。,（,2,）还存在其它方面差别，研究这些差别，有助于声纳目标的检测和识别。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,60,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,分析：,与刚性球体的散射场计算过程作对比,相同点：散射波声压满足相同的波动方程，解法相同，形式解相同；,不同点：确定形式解中待定系数的边界条件不同。,边界条件：,1,）法向应力连续,2,）法向位移连续或法向质点振速连续,3,）切向应力为零,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,61,5.6,弹性物体散射声场及其特性,弹性球体上的散射声波：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,62,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,考虑点声源置于,S,处，它距球心的距离为,r,0,，空间任意点,P,处入射声场为：,将球坐标系原点置于球心处，则：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,63,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,64,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,入射声波表达式为：,在远场条件下，则有：,沿,x,轴入射平面波球函数展开式,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,65,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,弹性球体散射声场表达式为：,考虑收发合置情况下的回波：,切向应力为零,法向应力连续,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,66,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,远场条件下回波表达式为：,弹性球体散射声场比刚性球体复杂，与球体组成材料的弹性参数有关。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,67,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,上世纪,60,年代，,Hickling,引入形态函数,来讨论散射声场与频率的关系，弹性球的形态函数定义为：,散射声场为：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,68,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,结论：弹性球（钢球和铝球）形态函数随频率有极大、极小变化；刚性球形态函数在低频段起伏振荡，随着频率的增高，逐渐趋于,1,；声学软球形态函数在很低频段大于,1,，随着频率的增加很快降至,1,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,69,5.6,弹性物体散射声场及其特性,1,、平面波在弹性球体上的声散射,具有明显频率特性,（,1,）宽脉冲入射信号,散射强度随频率作极大、极小急剧变化，回波波形产生严重畸变。,（,2,）窄脉冲入射信号,回波为一脉冲串，每个脉冲之间的间隔基本相等，脉冲幅度逐渐衰减，波形基本不变。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,70,5.6,弹性物体散射声场及其特性,2,、弹性物体散射声场一般特征,波形畸变解释,（,1,）回波来自物体,表面的散射波,、透入物体内部经,内表面反射、透射,到达的波，入射波激励下的,再辐射波,；,（,2,）长脉冲时，水听器可在同一时刻接收上述各种波迭加而成，它们经由不同途径到达接收点（相位不同），迭加结果使得回波波形产生严重畸变；,（,3,）短脉冲时，上述各种波不会在同一时刻到达接收点，所以接收到的是一个脉冲串。由于各个脉冲到达接收点的时间不同，它们之间不会发生干涉迭加，不产生大的畸变。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,71,5.6,弹性物体散射声场及其特性,2,、弹性物体散射声场一般特征,以弹性球为例说明回波强度随频率急剧起伏的原因：,设入射波频谱为，则有：,回波可表示为,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,72,5.6,弹性物体散射声场及其特性,2,、弹性物体散射声场一般特征,入射波为长脉冲，其频谱较窄，所以频率稍许变化时，和相对位置可能发生很大的变化，它们乘积也相应有较大变化，导致回波强度随频率急剧变化；入射波为短脉冲，其频谱较宽，所以频率稍许变化时，和,相对位置产生不,大,的变化，它们乘积也相应有不大变化，回波强度不会随频率稍许变化产生急剧变化,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,73,5.6,弹性物体散射声场及其特性,2,、弹性物体散射声场一般特征,“,非镜,”,反射效应,Finney,在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄板，在声波入射角满足如下关系,：,在入射方向上有强反射，不满足镜反射规律，称,“,非镜反射,”,。,进一步研究表明，当声波入射角满足如下关系：,也同样发生非镜反射,。,水中声速,板中弯曲波波速,板中纵波波速,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,74,5.6,弹性物体散射声场及其特性,2,、弹性物体散射声场一般特征,空间指向性,弹性物体散射声场具有空间指向性特性,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,75,5.6,弹性物体散射声场及其特性,2,、弹性物体散射声场一般特征,实际声呐目标的结构更类似于壳体,如潜艇、水雷、鱼雷等。,声呐目标本身是壳体或填充某种材料的壳体,回声信号携带壳体或填充材料的某些特征。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,76,5.7,壳体目标上的回声信号,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,77,5.7,壳体目标上的回声信号,以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号,壳体结构复杂，回声信号复杂，理论计算分析处理复杂繁琐。,1,、稳态回波信号,接收点,R,处回声信号：,形态函数是壳体材料的弹性参数、密度、球壳内外半径、球壳两侧流体介质声学参数、入射波频率函数。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,78,5.7,壳体目标上的回声信号,（,1,）形态函数随,ka,变化,对壳体目标，随着,ka,值的变化，有剧烈的极大、极小变化，且比实心球更为剧烈。,充水钢球壳回声信号的形态函数,实心钢球回声信号的形态函数,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,79,5.7,壳体目标上的回声信号,（,2,）形态函数随球壳厚度变化,与壳体厚度有着十分密切的关系；,厚壳和薄壳具有一定相似性，但后者变化比前者剧烈；,随着壳厚的增加，随,ka,的变化逐渐趋于实心球体。,充水钢球壳回声信号的形态函数,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,80,5.7,壳体目标上的回声信号,（,3,）形态函数随壳内填充物变化,当,ka,值大于,10,以后，随,ka,值作比较有规则变化。,内真空钢球壳回声信号的形态函数,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,81,5.7,壳体目标上的回声信号,（,4,）壳体目标散射声场的空间指向性特性,对应取极大值和极小值的空间指向性，更为复杂,。,内真空钢球壳散射声场的空间指向性,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,82,5.7,壳体目标上的回声信号,2,、短脉冲入射时的回声信号,短脉冲入射时充水球壳的回声脉冲：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,83,5.7,壳体目标上的回声信号,在短脉冲入射时，壳体目标回波由一串脉冲构成；,（,1,）第一个回波脉冲为壳面的镜反射回波；后续回波脉冲为入射波激励壳体固有振动再辐射声脉冲；,（,2,）短脉冲条件下，辐射脉冲各自独立，随着脉宽逐渐变宽，辐射脉冲连成一片。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,84,5.7,壳体目标上的回声信号,2,、短脉冲入射时的回声信号,脉冲宽度大小对回声脉冲结构有明显影响；,（,1,）,当时，脉冲中心频率稍有变化，回波脉冲结构改变不明显；,（,2,）,当时，脉冲中心频率细微变化，回波脉冲结构改变明显,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,85,5.7,壳体目标上的回声信号,2,、短脉冲入射时的回声信号,理论求解散射声场,分离变量法：,形状规则物体（正交坐标系）,边界条件简单（硬或软边界）,严格解析解。,数值求解散射声场,数值方法：,形状不规则物体（正交坐标系无法描述）,分离变量法不满足,数值方法计算量大（尤其高频）。,高频近似计算方法,赫姆霍茨积分方法：,形状规则,硬或软边界,严格解析解；,形状不规则物体或边界条件复杂,物理概念清晰,数值解（数值积分方法）。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,86,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,1、,Helmholtz,积分解,设物体位于无限流体介质中，物体外表面为封闭凸曲面,S,，它外法线方向为,n,；点源位于点,A,，由赫姆霍茨积分公式得,B,点,散射声场解：,散射声场势函数,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,87,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,利用边界条件，将被积函数中未知量用已知量表示。,（1）被积函数简化,设物体表面,S,是刚性的，则：,入射波,势函数：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,88,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,1、,Helmholtz,积分解,（1）被积函数简化,设观察点在目标远场，考虑远场条件，得：,同理，在条件下，得：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,89,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,1、,Helmholtz,积分解,（1）被积函数简化,刚性物体表面上散射声场等于入射声场（精确近似,），有,：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,90,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,1、,Helmholtz,积分解,（2）散射声场的积分解,刚性物体散射场的,Helmholtz,积分解：,如果考虑反向散射（收发合置）：,刚性物体散射声场积分解。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,91,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,1、,Helmholtz,积分解,2、菲涅尔半波带近似,赫姆霍茨积分解：需要知道物体表面曲面方程，运算繁琐，计算量大。,费涅尔半波带方法：它是一种近似，简化运算量。,赫姆霍茨积分解物理意义：,物体表面上各点在入射声波的激励下，作为次级声源辐射次级声波，它们在接收点迭加成为散射声波，次级声波的相位为，即声波往返路程。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,92,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,菲涅尔半波带方法：,收发合置情况，它位于,B,点，设物体表面距,B,点最近点为,C,，距离为,r,0,。以,B,点为球心，以,r,0,半径，它与物体相切于点,C,，然后半径每次增加,1/4,波长，将物体表面分割成,N,个环带，称为费涅尔半波带。,相邻半波带的散射波在,B,点声程差为，相位相差。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,93,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,2、菲涅尔半波带近似,第,i,菲涅尔半波带的散射声场为：,若物体表面上共分为,N,个,波带，则总散射声场为：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,94,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,2、菲涅尔半波带近似,当物体比波长大很多，且物体曲率半径较大，则划分菲涅尔带,N,很大，则相邻波带变化不大，面积也很接近。,第,i,个,波带产生的反射声波绝对值等于相邻两个波带散射波绝对值的平均值：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,95,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,2、菲涅尔半波带近似,物体总散射声场为：,总散射声场等于第一个和最后一个费涅尔半波带所产生的散射声场之和的一半,。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,96,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,2、菲涅尔半波带近似,当物体很大时，最后一个费涅尔带有：,第一个费涅尔波带有：,总散射波表达式简化为：,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,97,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,2、菲涅尔半波带近似,菲涅尔半波带近似方法将物体表面上积分简化为第一个菲涅尔带上的积分，大大简化了计算量。第一个菲涅尔带就是所谓的亮点。,根据目标强度的定义，目标,TS,值为：,根据上式可以推导出简单几何形状物体目标强度,TS,值计算公式。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,98,5.8 Helmholtz,积分方法求解散射声场,2、菲涅尔半波带近似,声散射正问题：,已知目标几何形状、组成材料力学参数和环境条件，求解目标散射声场，并分析其散射声场特性。,声散射逆问题：,测得目标散射声场的远场数据，通过这些数据反演物体的几何形状、组成材料的声速和密度等参数。,是声呐目标分类识别、无损检测、医学成像、地球探测等工程应用的物理基础；,主要研究内容：声散射逆问题分析方法和目标特征参数分析、提取。,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,99,5.9,声散射逆问题简介,水声学,第,5,章声波在目标上的反射和散射,100,5.9,声散射逆问题简介,水声学,第

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