声呐技术学习---（1）_声呐方程

需要水声学原理、信号检测和数字模拟电路方面的知识。

在声呐技术发展方面，主要的研究贡献有：1.深海声传播途径的应用；2.信号处理和数字技术的应用，如DSP、FPGA、ARM的出现；3.新声呐体制的研制；4.被动目标识别技术的研究和应用；

拖曳式声呐：这种声呐的换能器基阵和发射机连同一些接收前置预处理电路均置于可拖曳的导流罩内，用拖缆拖于舰艇后方水中。由于拖曳体远离本舰辐射噪声源，也避免了舰艇尾流的影响，且可调节深度也适应不同水文条件，因而使声呐作业距离大大增加。

回波作用：

通过对回波特性分析，来研究探测目标的性质，如：利用回波信号和发射声波间的时延推知目标距离；利用回波波前法线方向推知目标方向；利用回波信号与发射信号间的频移推知目标的径向速度；此外，由回波的幅度、相位及变化规律，识别目标的形状、大小、性质和运动状态。

混响：主动声呐的主要外部干扰之一是混响，由发射信号从各种散射体（海底、海面、海水中不均匀水团）上的散射产生，混响有时会严重妨碍信号的接收，使声呐作用距离减小。水体混响在频谱上与发射信号几乎相同，更增加了抑制其干扰的难度。对于探测沉底目标特别是沉底小目标时，海底混响则变成了主要干扰。

声呐系统的战术指标和技术指标：

所谓战术指标，是反映和表征战术性能的那些参数，例如作用距离、方位角测量范围及精度、定位精度、分辨率、搜索速度、跟踪距离、环境条件及盲区等。

所谓技术指标，是为确保战术指标的实现，系统应具有的技术参数，例如发射功率、脉冲重复频率、工作频率、接收灵敏度、脉冲宽带等。

一、战术指标

1.1 作用距离

指声呐在一定条件下（如发射声源级、海况、传播衰减、环境噪声、目标强度等）能有效的发现目标，并测其数据的最大距离。

信号强度或声源级直接影响到声呐的作用距离，且常与声呐接收机的灵敏度指标一起考虑。

在给出声呐最大作用距离时，应当给出PFA（虚警概率）和PD（检测概率）的要求。

1.2 能够搜索和探测目标的方位角和高低角范围。

方位角指水平面内的角度，高低角是垂直面内的角度，这两个角度所界定的空间描述了声呐可以搜索的空间区域。

1.3 盲区

指在声呐作用距离之内，由于某些条件限制而无法探测到目标的区域。盲区在形成原因上可分为物理盲区（声线弯曲）、几何盲区（受换能器的倾角或波束开角限制）、尾部盲区（舰艇尾流产生强散射区±30°）、脉冲宽度盲区和混响盲区（采用时间增益或混响自动增益控制电路使混响归一化）等。

1.4 分辨率

指声呐系统对空间的两个相邻目标的分辨能力。方位分辨率指声呐能分辨出同一距离上两个目标间的最小角度间隔，这与声呐换能器自身的指向性及信号处理方案有关。距离分辨率指声呐在同一方向上能分辨出两个目标间的最小距离，这与声呐发射所用信号波形、处理技术等有关。

1.5 定位精度

指定出目标位置的最小位置误差，也称为定位误差，是多次测量值的均分根误差，通常0.25°到1°。目标在水平面内的位置由目标方位和目标距离两个量确定，故存在测向和测距两个精度指标。

1.6 搜索速度

指单位时间内可搜索的空间区域大小。主要由探测距离、波束宽度、搜索方式决定。

早期步距式或探照灯式搜索。声呐的发射和接收均为单波束，每发射一个脉冲均等待，直到预定最远距离的目标回波到达接收点，方能将换能器基阵旋转一步。此方式速度慢，但定位精度高。

环扫搜索。使用无方向（全向）性发射，利用单波束快速旋转进行接收的搜索方式。

多波束搜索。声呐在预定扇面内利用多波束发射（同时或极短时间内相继发射），

1.7 环境条件

声呐工作的环境条件，如声呐安装的舰艇类型、工作时的环境温度、海况、舰艇航速、抗电磁辐射能力和抗其他声呐干扰的能力等。

此外，战术指标还包括显示方式、处理信息的能力、可靠性、可维修性及人机对话功能等要求。

二、技术指标

2.1 信号强度或声源级直接影响到声呐的作用距离，且常与声呐接收机的灵敏度指标一起考虑。

信号强度指声呐轴向声功率（分贝）大小，接收灵敏度指声呐可接收的最小声信号（分贝）。通常，增大发射远比接收同样分贝困难的多。

2.2 接收机检测阈，是声呐接收机的重要指标，与接收灵敏度完全不同的概念，区别在于要检测出干扰背景中的信号。结合接收机采用的具体信号处理方案计算得出的对接收机输入信噪比的要求。

2.3 接收机的动态范围是接收机能正常接收的最大信号与最小信号幅度之比的分贝数。

三、声呐方程

作用1：性能预报：声呐设备的设计性能预先确定或假设，要求对某些参数如监测概率或搜索概率做出性能估计。

作用2：声呐设计：声呐作用距离预先确定。

主动声呐方程：

噪声为主要背景干扰：(SL - 2TL + TS) - （NL - DI）= DT

第一项：回声到达接收阵时的声级，也称回声信号级。

第二项：背景噪声同时也作用于接收阵，但会被接收阵接收指向性所抑制一部分

以介质中散射体的散射或混响为主要背景干扰：(SL - 2TL + TS) - RL= DT，其中RL为水听器接收的混响级。

1. 声源级 SL：发射声源级定义为在声轴上距离目标1米处声源强度与参考强度（1μPa的有效值声压）之比的分贝数。

声源级SL = 10lg(声源强度/参考强度)

主动声呐的声源级主要决定于换能器的轴向声功率，与加到换能器上的电功率Pa，换能器的电声转换效率u和发射指向性指数或聚集系数DIT有关。

SL = 170.8 + 10lg(uPa) + DIT，其中发射指向性=10lg(有指向性声强 / 无指向性声强)

2. 传播损失TL：由几何扩展损失和介质吸收损失两者构成。

TL= 10 K lg r +αr (其中，α单位dB/m，海水吸收系数，与频率有关，r单位是m)

K用来描述几何扩展类型参数，当K=2为球面扩展（深海），K=1柱面扩展（浅海）。

形成原因：（1）海水介质本身的吸收；（2）波阵面的扩展；（3）海水中各种不均匀的散射。

3. 噪声级NL：包括声呐自噪声和海洋环境噪声。统认为时间平稳空间各向同性。

NL = NL0 + NLS + 10lgW（W声呐接收机带宽为W（Hz）,另外两项在声呐工作中心频率处谱级）

NL = 10lg(1Hz带宽内声强 / 参考声强），一般左右取0.5Hz

4. 目标强度TS：距目标1m的声源方向上，目标产生的回声强度和入射声强度的级差。表征目标对入射声能的反向散射能力，不仅与目标类型、结构及姿态有关，还与入射声波频率、脉宽有关。

5. 混响级RL：混响是海洋中随机非均匀分布的散射体的散射波在接收机输入端的响应。

RL = SL - 2TL +TSr，其中TSr表示形成混响的散射体散射强度的和。

增大发射和接收指向性指数及减小脉冲宽度，可使混响降低。

6. 接收指向性指数DI：由一个无指向性水听器输出的噪声功率级与实际水听器输出噪声功率级的差。表征接收水听器或基阵抑制非目标方向干扰能力的参数。

7.检测阈DT：接收机输入端需要的信噪比门限。