第5章声波在目标上的反射和散射课件

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1、声声波波在在目目标标上上的的反反射射和和散散射射声波在目标上的反射和散射v目标回波：声波在传播途中遇到障碍物时产生散射目标回波：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。声波中，返回声源方向那部分声波。v目标回波是散射波的一部分，是入射波与目标相互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作用产生的，它携带目标的某些特征信息 。v测量回波信号测量回波信号分析处理分析处理提取目标特征（先提取目标特征（先验知识）验知识）目标检测和识别。目标检测和识别。v回顾回顾v大目标：目标前方次级声波大目标：目标前方次级声波反射波；目标后反射波；目标

2、后方次级声波方次级声波绕射波。绕射波。v小目标：向空间各方向辐射次级声波小目标：向空间各方向辐射次级声波散射波。散射波。v与波长相当目标：反射、绕射、散射均起作用。与波长相当目标：反射、绕射、散射均起作用。v在声学中，近场次级声波在声学中，近场次级声波衍射波；远场次级衍射波；远场次级声波声波散射波。在这里，统称为散射波。散射波。在这里，统称为散射波。5.5 5.5 目标回波目标回波 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25.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成 目标镜反射目标镜反射 镜反射是几何反射过程，服从反射定律。镜反射是几何反射过程，服从反射

3、定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由镜反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。产生相干反射回声。目标散射目标散射 目标表面不规则性，如棱角、边缘和小目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径小于波长，回波由散射凸起物，其曲率半径小于波长，回波由散射过程产生。过程产生。5.5 目标回波 回波信号的形成35.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成5.5 目标回波 回波信号的形成45.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成5.5 目标回波 回波信号的形成

4、55.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成 目标再辐射目标再辐射 一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的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，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。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。波脉冲入射到铝球上接收到的回波脉冲串。5.5 目标回波 回波信

5、号的形成65.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成 回音廊式回声（环绕波）回音廊式回声（环绕波）声波入射到声波入射到A点除产生镜反射波外，还有点除产生镜反射波外，还有折射波投射到目标内部。折射波在目标内部折射波投射到目标内部。折射波在目标内部传播，在传播，在B、C、上同样产生反射和折射，上同样产生反射和折射，到达到达G点时，折射波恰好在返回声源的方向点时，折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。上，它是回波的一部分。5.5 目标回波 回波信号的形成75.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成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、陈德智首先

6、发现）5.5 目标回波 回波信号的形成弹性散射波圆柱倾斜入射时85.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成弹性散射波圆柱斜入射螺旋环绕波（鲍小玲首先发现）5.5 目标回波 回波信号的形成弹性散射波圆柱斜入射螺旋95.5 5.5 目标回波目标回波 回波信号的形成回波信号的形成 弹性散射波的作用高分辨率声呐的有限长圆柱声图像5.5 目标回波 回波信号的形成 弹性散射波的作用高105.6 5.6 刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 回波信号的一般特征回波信号的一般特征 回波与入射波的差异回波与入射波的差异 多普勒频移多普勒频移 运动目标回波频率和入射波产生差异，这运动目标回波频

7、率和入射波产生差异，这种差异的大小种差异的大小 与入射波频率与入射波频率 f 及目标与声源及目标与声源之间距离变化率之间距离变化率V有关，满足如下关系：有关，满足如下关系：式中，式中，c是海水中的声速。可以估计目标的是海水中的声速。可以估计目标的速度。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。5.6 刚性球体的散射声场 回波信号的一般特征 目标接115.5 5.5 目标回波目标回波 脉冲展宽脉冲展宽 目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体目标回声是由整个目标表面上的反射体和散

8、射体产生，整个物体表面都对回波有贡献。由于传播路径产生，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。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：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为10ms，在首尾方位，回波展宽为100ms。5.5 目标回波 脉冲展宽 平面波以掠射角入射到长为125.5

9、 5.5 目标回波目标回波 包络不规则性包络不规则性 回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用时更是如此。用时更是如此。原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目标回声中，还可能有个别的亮点，是的。另外，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。的指挥台，几何亮点和弹性亮点。调制效应调制效应 产生原因：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，螺旋桨旋转引起目标的

10、散射截面产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。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的调制运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制效应。效应。5.5 目标回波 包络不规则性135.6 5.6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 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。5.6 刚性球体

11、散射声场 上节讲述通过实验测量声纳目标的目标145.6 5.6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 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：5.6 刚性球体散射声场 取坐标系的原点和刚性球的球心155.6 5.6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 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：根据勒让德方程的解有：根据贝塞尔方程的解有：根据辐射条件根据辐射条件5.6 刚性球体散射声场 考虑入射波对x轴对称性，散射165.6

12、5.6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 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：5.6 刚性球体散射声场 散射波声压的解为：待定常数，175.6 5.6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 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：5.6 刚性球体散射声场 根据边界条件，可确定待定系数185.6 5.6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 远场散射波声压为：远场散射波声压为：记：5.6 刚性球体散射声场 远场散射波声压为：远场散射波195.6 5.

13、6 刚性球体散射声场刚性球体散射声场 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；散射波具有明显的指向性。刚性不动球的目刚性不动球的目标强度表达式标强度表达式 5.6 刚性球体散射声场 在低频，球前向散射较205.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 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。弹性球体散射波强度随频率变化出现极大、

14、极小变化；刚性球体散射波强度不存在明显的频率效应。研究刚性物体与弹性物体差别，有助于声纳目标的检测和识别。5.7 弹性物体散射声场及其特性 常见声纳目标是由金属材料制215.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 考虑点声源置于S处，它距球心的距离为r0，空间任意点P处入射声场为：将球坐标系原点置于球心处，则：5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 考225.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射235.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声

15、场及其特性 弹性球体的声散射 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5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 入245.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 弹性球体散射声场表达式为：考虑收发合置情况下的回波：切向应力为零切向应力为零法向应力连续法向应力连续5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 弹255.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 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。5.7 弹性物体散射声场及其特性

16、弹性球体的声散射 远265.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 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：5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 上275.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 结论：弹性球（钢结论：弹性球（钢球和铝球）形态函球和铝球）形态函数随频率有极大、数随频率有极大、极小变化；刚性球极小变化；刚性球形态函数在低频段形态函数在低频段起伏振荡，随着频起伏振荡，随着频率的增高，逐渐趋率的增高，逐渐趋于于1；声学软球形态；声学软球形态函

17、数在很低频段大函数在很低频段大于于1，随着频率的增，随着频率的增加很快降至加很快降至1。5.7 弹性物体散射声场及其特性 结论：弹性球（钢球和铝球）285.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征 具有明显频率特性具有明显频率特性（1）宽脉冲入射信号）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。形产生严重畸变。（2）窄脉冲入射信号）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，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

18、，波形基本不变。脉冲幅度逐渐衰减，波形基本不变。5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特295.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征 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 5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特305.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征 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

19、，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。5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特315.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征“非镜非镜非镜非镜”反射效应反射效应反射效应反射效应 Finney Finney在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄板，在声波入射角满足如下关系：板

20、，在声波入射角满足如下关系：板，在声波入射角满足如下关系：板，在声波入射角满足如下关系：在入射方向上有强烈反射，它不满足镜反射规律，称为“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5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性物体散射声场的一般特325.7 5.7 弹性物体散射声场及其特性弹性物体散射声场及其特性 壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号 稳定回波信号稳定回波信号 壳体目标的形态函数 随ka值的变化比实心球更为剧烈，也具有空间指向性特性。短脉冲入射回波信号短脉冲入射回波信号1.脉冲宽度大小对回声脉冲结构有明显影响；2

21、.当 时，脉冲中心频率稍有变化，回波脉冲结构改变不明显；3.当 时，脉冲中心频率细微变化，回波脉冲结构改变明显；4.在短脉冲入射时，壳体目标回波由一串脉冲构成，第一个回波脉冲为壳面的镜反射回波。原因：5.波形与入射脉冲波形相同；6.传播时间恰好等于声信号从声源传到壳面上镜反射点所需的时间。5.7 弹性物体散射声场及其特性 壳体目标上的回波信号 稳335.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 分离变量法求解散射声场：形状规则物体（正交曲线坐标）边界条件简单（硬或软边界）严格解析解赫姆霍茨积分方法求解散射声场：形状不规则物体边界条件复杂数值解

22、（数值积分方法）5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 分离变量345.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲面S，它外法线方向为n；点源位于点A，计算声场中点B散射声场。则由赫姆霍茨积分公式得散射声场解：散射声场势函数5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 赫姆霍355.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 利用边界条件，将被积函数中未知量用已知量表示。设物体表面

23、S是刚性的，则：入射波势函数 考虑远场条件 ，则：5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 赫姆霍365.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 作为近似，在刚性物体表面上散射声场等于入射声场，则：同理，有：5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 赫姆霍375.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 代入散射声场积分公式：如果考虑反向散射（收发合置）：刚性物体散射声场积分解。5.8 用Helmholtz积分方法

24、求解散射声场 赫姆霍385.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 赫姆霍茨积分解需要知道物体表面曲面方程，运算繁琐。下面讨论费涅尔半波带方法，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。5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 费涅尔395.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 费涅尔半波带近似法费涅尔半波带

25、近似法 费涅尔半波带方法：考虑收发合置情况，它位于B点，设物体表面距B点最近的点为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，将物体表面分割成许多环带，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 。5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 费涅尔405.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 第i半波带散射声场为：若物体表面上共分为N波带，则总散射声场为：当物体比波长大很多，且物体曲率半径较大，则N很大，相邻波带的 变化不大，面积

26、也很接近。5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 费涅尔415.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 第i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：则总散射声场为：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。5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 费涅尔425.8 5.8 用用HelmholtzHelmholtz积分方法求解散射声场积分方法求解散射声场 费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 当物体很大时，最后一个费涅尔带有：而第一个费涅尔

27、波带有：费涅尔半波带近似法得到的散射波表达式为：5.8 用Helmholtz积分方法求解散射声场 费涅尔431一般在实验室水池中测量水下目标目标强度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？方法有哪些？实验过程中应注意哪些事项？2在非消声水池中测量目标回声信号时，应注在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度意些什么？设目标强度TS0的目标在入射声的目标在入射声波照射下产生的回声强度为波照射下产生的回声强度为Ir0，若其余条件，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得回波强度为测得回波强度为Ir

28、，求该目标，求该目标TS值。值。作业作业1一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443 3简简述述实实验验测测量量水水下下物物体体目目标标强强度度（TSTS值值）的的“应应答答器器法法”，给给出出有有关关计计算算式式，测测量量中中应应注注意意哪哪些些问问题题才才能能保保证证测测量量的的准准确确？若若直直接接测测量量法法布布置置为为：在在开开阔阔水水域域，点点声声源源辐辐射射器器，无无指指向向性性接接收收器器和和被被测测物物体体 依依 次次 排排 列列，间间 距距 分分 别别 为为 R1R1，R2R2；（R2d2/R2d2/；d d：被被测测物物体体最最大大线线度度；：声声波波

29、波波长长）。接接收收器器接接收收的的点点声声源源辐辐射射声声压压幅幅值值为为PiPi，接接收收的的被被测测物物体体散散射射声声压压幅幅值值为为PsPs；问问：被被测测物物体体的的目目标标强强度度（TSTS值值）如如何何计计算算？（声声波波球球面面扩扩展展，不不计计海海水声吸收）水声吸收）作业作业3简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给454已知水面船作匀速直线运动，船底的换能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，频率为器以夹角向海底发射声波，频率为f0，收，收得海底回声信号的频率为得海底回声信号的频率为fr，求该船的航，求该船的航行速度行速度v。5写出目

30、标回声信号级表达式；目标回声信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，并简述号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？其产生的原因？作业作业4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466 6比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，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。并说明形成差异的原因。7 7在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波在短脉冲入射时，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？脉冲串中由壳面的镜面引起的回波脉冲？作业作业6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47THE ENDTHE END48