声波在目标上的反射和散射课件

第5章声波在目标上的反射和散射第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水下目标含义：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。水声学第5章声波在目标上的反射和散射3主要内容水声学第5章声波在目标上的反射和散射31、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45.1声呐目标的目标强度

1、目标强度TS式中，为入射波强度；为离目标等效声中（1）测量距离在远场进行测量Ir，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QCPIr1m水声学第5章声波在目标上的反射和散射55.1声呐目标的目标强度

（1）测量距离目标QCPIr1m水声学第5章声波在目标上的（3）回声强度回声强度Ir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65.1声呐目标的目标强度

（3）回声强度多数声呐为收发合置型的，因此主要讨论反2、刚性大球的目标强度①刚性不动球体：半径a，ka>>1，k为波数；②反射声线：局部平面镜反射定律；

③球体刚性：声能不会透入球体内部；④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75.1声呐目标的目标强度

2、刚性大球的目标强度散射声功率：局部范围入射声功率：a水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85.1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》从总体角度上进行军事需要：探潜、反潜、水声对抗声呐目标（潜艇、鱼雷、水雷等）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95.2常见声呐目标TS值的一般特征军事需要：探潜、反潜、水声对抗水声学第5章声波在目标上的反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105.2常见声呐目标TS值的一般特征1、潜艇的目标强度18艘潜艇正横方向目标强度直方图（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。①测试频率：24kHz②A为战前、40次平均③B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115.2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随方位的变化水声学第5章声（1）空间方位特性（A曲线）♀在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，平均达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125.2常见声呐目标TS值的一般特征（1）空间方位特性（A曲线）水声学第5章声波在目标上的反射（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135.2常见声呐目标TS值的一般特征（2）随测量距离的变化水声学第5章声波在目标上的反射和散射（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145.2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（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155.2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（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165.2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（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175.2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（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185.2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195.2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；水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205.2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：鱼雷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215.2常见声呐目标TS值的一般特征3、鱼的目标强度鱼是探鱼声呐的目标。水声学第5单个鱼体的研究

Love（1971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（12kHz~200kHz）：

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+10lgN，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225.2常见声呐目标TS值的一般特征3、鱼的目标强度单个鱼体的研究式中，鱼体长度L（cm），频率f（kHz）。在湖泊或海上现场测量目标的目标强度值，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

①指向性声源A：向待测目标辐射声波；②接收水听器B：接收待测目标回波；③计算入射声强度和回声强度；④计算目标强度TS值。①测量应满足远场条件；②合理选择发射信号脉冲宽度；③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235.3目标强度实验测量和常见目标TS值在湖泊或海上现场测量目标的目标强度值，容易满足远场，能（1）比较法

测量原理①需要一个目标强度为已知的参考目标；②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；③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245.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（1）比较法水声学第5章声波在目标上的反射和散射245.（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：①需要一个目标强度已知的参考目标；②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；③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255.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（1）比较法水声学第5章声波在目标上的反射和散射255.（2）直接法

测量原理①A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265.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射265.（2）直接法

测量原理②水听器（声源）处回声级：

EL=SL-2TL+TS③待测目标强度值：需要测量物理量：声源级SL、回声强度Ir和传播损失TL。水声学第5章声波在目标上的反射和散射275.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射275.（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285.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射285.（3）应答器法

测量原理①测量船：安装发射器和水听器Ⅰ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。②待测目标：安装应答器和水听器Ⅱ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295.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（3）应答器法水声学第5章声波在目标上的反射和散射295（3）应答器法

测量原理③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305.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（3）应答器法优点水声学第5章声波在目标上的反射和散射3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：①比较法②直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射315.3目标强度实验测量和常见目标TS值在实验室水池中现场测量小尺度目标的目标强度值，测量条件测量条件：①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。②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。③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（包含至少10个左右波）。水声学第5章声波在目标上的反射和散射325.3目标强度实验测量和常见目标TS值2、实验室测量测量条件：水声学第5章声波在目标上的反射和散射325.33、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51025中间3815艇艏或艇尾0510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335.3目标强度实验测量和常见目标TS值3、常见声呐目标的目标强度值声呐目标的目标强度4、简单形状物体的目标强度①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。②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。③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345.3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①理论上可推得一些简单几何形状物体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①改变目标几何形状；②表面覆盖消声被覆；③主动抵消；④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355.3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水声学第目标回波：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365.4目标回波目标回波：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375.4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37水声学第5章声波在目标上的反射和散射385.4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385.4目标回波1（3）目标再辐射一般声呐目标为弹性物体，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。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395.4目标回波1、回波信号的形成（3）目标再辐射水声学第5章声波在目标上的反射和散射395（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405.4目标回波1、回波信号的形成（4）回音廊式回声（环绕波）水声学第5章声波在目标上的反射弹性散射波－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415.4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425.4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435.4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：声呐工作频率10kHz，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445.4目标回波2、回波信号的一般特征回波与入射波的差异目标接近声源时，取正号（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455.4目标回波2、回波信号的一般特征（2）脉冲展宽平面波以掠射角入射到长为L的目标上，在收（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465.4目标回波2、回波信号的一般特征（3）包络不规则性水声学第5章声波在目标上的反射和散射46上节讲述通过实验测量声呐目标的目标强度值；本节讲述通过理论计算目标强度值及其物理特性。常见声呐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呐目标。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475.5刚性球体散射声场上节讲述通过实验测量声呐目标的目标强度值；水声学第5章声波

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485.5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495.5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

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505.5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515.5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525.5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，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535.5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545.5刚性球体散射声场在低频，球前向散射较均匀，随频率增大，指向性变常见声呐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，有助于声呐目标的检测和识别。

水声学第5章声波在目标上的反射和散射555.6弹性物体散射声场及其特性常见声呐目标是由金属材料制成的，均为弹性体；水声学第5章声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565.6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考虑点声源置于S处，它距球心的距离为r0，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575.6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r0，空间任意点水声学第5章声波在目标上的反射和散射585.6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585.6弹性物体散入射声波表达式为：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595.6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605.6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：切向应力水声学第5章声波在目标上的反射和散射615.6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615.6弹性物体散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625.6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

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635.6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645.6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655.6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具有明显频率特性水声学第5章声波在目标上的反射和散射655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665.6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水声学第5章声波在目标上的反射和散射665.6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675.6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：回波可入射波为长脉冲，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685.6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“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695.6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”反射效应在入射方向上有强反射，不满足镜反射规律，称“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705.6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水声学第5章声波在目标上的反射和散射705.6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715.7壳体目标上的回声信号实际声呐目标的结构更类似于壳体水声学第5章声波在目标上的水声学第5章声波在目标上的反射和散射725.7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725.7壳体目标上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735.7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1、稳态回波信号接收点R（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745.7壳体目标上的回声信号（1）形态函数随ka变化充水钢球壳回声信号的形态函数实心钢球（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755.7壳体目标上的回声信号（2）形态函数随球壳厚度变化充水钢球壳回声信号的形态函数水声（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765.7壳体目标上的回声信号（3）形态函数随壳内填充物变化内真空钢球壳回声信号的形态函数（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775.7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内真空钢球壳散射声场的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785.7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795.7壳体目标上的回声信号2、短脉冲入射时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；水声学第5章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805.7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；水声学第5章声波在理论求解散射声场——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：——形状规则物体——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815.8Helmholtz积分方法求解散射声场理论求解散射声场——分离变量法：水声学第5章声波在目标上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825.8Helmholtz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

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835.8Helmholtz积分方法求解散射声场1、Helmholtz积分解利用边界条件，将被积函数中未知量用已知量表示。入射波（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845.8Helmholtz积分方法求解散射声场1、Helmholtz积分解（1）被积函数简化同理，在条件（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855.8Helmholtz积分方法求解散射声场1、Helmholtz积分解（1）被积函数简化水声学第5章声波在目标上的反射和散射85（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865.8Helmholtz积分方法求解散射声场1、Helmholtz积分解（2）散射声场的积分解如果考虑反向散射（收发合置）：刚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875.8Helmholtz积分方法求解散射声场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r0。以B点为球心，以r0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885.8Helmholtz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方法：水声学第5章声波在目标上的反射和散射8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895.8Helmholtz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：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905.8Helmholtz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915.8Helmholtz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925.8Helmholtz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：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935.8Helmholtz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水声学第2章海洋的声学特性94THEEND水声学第2章海洋的声学特性94THEEND1、什么是目标强度？请写出刚性球体（ka>>1）目标强度的表达式。2、潜艇目标散射强度随方位变化有哪些特点？请分析影响潜艇的目标强度值的因素有哪些？3、测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系及其原因。4、在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的刚性球目标强度TS值表达式。

水声学第5章声波在目标上的反射和散射95作业

1、什么是目标强度？请写出刚性球体（ka>>1）目标强度的表5．一般在实验室水池中测量水下目标目标强度方法有哪些？实验过程中应注意哪些事项？6．在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度TS0的目标在入射声波照射下产生的回声强度为Ir0，若其余条件不变，将目标强度未知目标替代原目标，测得回波强度为Ir，求该目标TS值。水声学第5章声波在目标上的反射和散射96作业

5．一般在实验室水池中测量水下目标目标强度方法有哪些？实验过7．简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若‘直接测量法’布置为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间距分别为R1，R2；（R2>>d2/λ；d：被测物体最大线度；λ：声波波长）。接收器接收的点声源辐射声压幅值为Pi，接收的被测物体散射声压幅值为Ps；问：被测物体的目标强度（TS值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收）水声学第5章声波在目标上的反射和散射97作业

7．简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给8．已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角向海底发射声波，频率为f0，收得海底回声信号的频率为fr，求该船的航行速度v。9．写出目标回声信号级表达式；目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？水声学第5章声波在目标上的反射和散射98作业

8．已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角向海底发射声10．比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因。11．在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波脉冲串中由壳面的镜面引起的回波脉冲？水声学第5章声波在目标上的反射和散射99作业

10．比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的第5章声波在目标上的反射和散射第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101水下目标含义：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。水声学第5章声波在目标上的反射和散射102主要内容水声学第5章声波在目标上的反射和散射31、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1035.1声呐目标的目标强度

1、目标强度TS式中，为入射波强度；为离目标等效声中（1）测量距离在远场进行测量Ir，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QCPIr1m水声学第5章声波在目标上的反射和散射1045.1声呐目标的目标强度

（1）测量距离目标QCPIr1m水声学第5章声波在目标上的（3）回声强度回声强度Ir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1055.1声呐目标的目标强度

（3）回声强度多数声呐为收发合置型的，因此主要讨论反2、刚性大球的目标强度①刚性不动球体：半径a，ka>>1，k为波数；②反射声线：局部平面镜反射定律；

③球体刚性：声能不会透入球体内部；④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1065.1声呐目标的目标强度

2、刚性大球的目标强度散射声功率：局部范围入射声功率：a水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1075.1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》从总体角度上进行军事需要：探潜、反潜、水声对抗声呐目标（潜艇、鱼雷、水雷等）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1085.2常见声呐目标TS值的一般特征军事需要：探潜、反潜、水声对抗水声学第5章声波在目标上的反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1095.2常见声呐目标TS值的一般特征1、潜艇的目标强度18艘潜艇正横方向目标强度直方图（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。①测试频率：24kHz②A为战前、40次平均③B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1105.2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随方位的变化水声学第5章声（1）空间方位特性（A曲线）♀在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，平均达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1115.2常见声呐目标TS值的一般特征（1）空间方位特性（A曲线）水声学第5章声波在目标上的反射（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1125.2常见声呐目标TS值的一般特征（2）随测量距离的变化水声学第5章声波在目标上的反射和散射（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1135.2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（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1145.2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（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1155.2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（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1165.2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（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1175.2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1185.2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；水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1195.2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：鱼雷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1205.2常见声呐目标TS值的一般特征3、鱼的目标强度鱼是探鱼声呐的目标。水声学第5单个鱼体的研究

Love（1971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（12kHz~200kHz）：

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+10lgN，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1215.2常见声呐目标TS值的一般特征3、鱼的目标强度单个鱼体的研究式中，鱼体长度L（cm），频率f（kHz）。在湖泊或海上现场测量目标的目标强度值，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

①指向性声源A：向待测目标辐射声波；②接收水听器B：接收待测目标回波；③计算入射声强度和回声强度；④计算目标强度TS值。①测量应满足远场条件；②合理选择发射信号脉冲宽度；③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1225.3目标强度实验测量和常见目标TS值在湖泊或海上现场测量目标的目标强度值，容易满足远场，能（1）比较法

测量原理①需要一个目标强度为已知的参考目标；②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；③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1235.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（1）比较法水声学第5章声波在目标上的反射和散射245.（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：①需要一个目标强度已知的参考目标；②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；③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1245.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（1）比较法水声学第5章声波在目标上的反射和散射255.（2）直接法

测量原理①A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1255.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射265.（2）直接法

测量原理②水听器（声源）处回声级：

EL=SL-2TL+TS③待测目标强度值：需要测量物理量：声源级SL、回声强度Ir和传播损失TL。水声学第5章声波在目标上的反射和散射1265.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射275.（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1275.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（2）直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射285.（3）应答器法

测量原理①测量船：安装发射器和水听器Ⅰ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。②待测目标：安装应答器和水听器Ⅱ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1285.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（3）应答器法水声学第5章声波在目标上的反射和散射295（3）应答器法

测量原理③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1295.3目标强度实验测量和常见目标TS值1、现场测量（3）应答器法优点水声学第5章声波在目标上的反射和散射3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：①比较法②直接法水声学第5章声波在目标上的反射和散射1305.3目标强度实验测量和常见目标TS值在实验室水池中现场测量小尺度目标的目标强度值，测量条件测量条件：①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。②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。③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（包含至少10个左右波）。水声学第5章声波在目标上的反射和散射1315.3目标强度实验测量和常见目标TS值2、实验室测量测量条件：水声学第5章声波在目标上的反射和散射325.33、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51025中间3815艇艏或艇尾0510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1325.3目标强度实验测量和常见目标TS值3、常见声呐目标的目标强度值声呐目标的目标强度4、简单形状物体的目标强度①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。②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。③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1335.3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①理论上可推得一些简单几何形状物体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①改变目标几何形状；②表面覆盖消声被覆；③主动抵消；④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1345.3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水声学第目标回波：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