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水下声信道_word.doc
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2020-02-11
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水声专业研究生课程,讲述声波的特性以及如何在海洋环境下传播。对复杂的海洋环境进行分析、总结,对声呐设计师、水声专业人员有很好的指导意义。另外学堂在线APP上有哈工程生老师对此课程的视频,配合视频进行学习,效果会更好。
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海洋是人类的资源宝库,也是兵戎相见的战场。随着科学技术的不断进步, 信息化、现代化的
海洋研究及海洋资源的合理开发曰益受到注目。由于声波在海 洋中较任何其他物理场都传得远,
具有独特的优点,因而它就成为探测和研究海 洋的有力工具,水声技术因而得到发展。随着海洋
能源与矿产资源勘探开发事业 的发展,也由于军事需求的牵引,水声技术今天已成为一门重要的
声学应用学科, 我国的水声技术近年来也取得了长足的进步。
水声设备必须和环境相匹配才能达到优化设计的目标。但是
,一
般来说,电子 工程师们不甚了解
海洋环境对声呐系统的影响,而水声物理工作者尽管有广博的水 声信道知识,却并不深切了解工
程设计的需要。本书将在他们之间架起“桥梁”,尝 试以工程师们易懂的数学和语言来讨论海洋声
信道对声呐系统的限制和影响,尤其 是从声呐信号处理的角度来研究海洋,因而海洋被看作水下
的“声信道”。
从通信论的观点来看,将声源和接收水听器之间的海洋看作一个线性滤波 器,它是一个时变、
空变的复杂的随机滤波器。“水下声信道”就是研究该滤波器 的结构、特性及其对声呐信号处理的
影响,以便有可能使声呐信号处理器与海洋 环境相匹配。人们若对水下声信道的复杂性认识不足,
则必使之不能达到设计目 标;若对其复杂性估计过分,则必使之设计代价过高。尽管不同应用场
合的水声 设备的环境条件千差万别,但是对于大多数应用场合来说,水下声信道可以看作 “缓慢
时变、空变的相干多途信道”,这是本书的基本观点。
全书由 9 章组成,第 1 章简要回顾了声学基础知识以及声呐方程;第 2 章讨论 了仅存在传播损
失的海洋信道的特性;第 3 章至第 6 章围绕水下声信道的时变、空 变性展开讨论,阐述了将水下
声信道视为“缓慢时变、空变的相干多途信道”这一观 点;第 7 章针对主动声呐目标识别问题,深
入研究了主动声呐目标信道特性;为更好 地起到“在声学和水声工程之间架起桥梁”的作用,在本
书的最后一章给出了与当今 声呐应用密切结合的典型例子,让读者在实例中深化声信道的概念。
本书是关于水下声信道的一部专著,可供水声定位导航、基阵与传感器设计、 水下目标特性、
水声图像与通信、水下噪声测量与控制及矢量声学等领域的广大 技禾人员学习与参考,也可作为
高等院枚和科研院所水声专也高年级本科生、研
究生的教材或参考书。书中内容力求精简,数学力求简单,收集试验资料力求充 实,以便使读者
易于理解本书的基本观点。希望本书能对读者的工作和学习有所 禆益。
本书由哈尔滨工程大学惠俊英、生雪莉合作编著,惠俊英教授主编,并对本书 统稿。书中声压
反转镜和矢量反转镜等章节由生雪莉副教授编著。
本书的部分初稿得到哈尔滨工程大学杨士莪院士和已故的海军工程学院郑 兆宁教授的指导。殷
敬伟、梅继丹讲师,杨娟、姚直象博士等同志为本书审稿工作 付出了辛勤的劳动,在此深表感谢。
限于水平和经验,本书的不足之处敬请读者指正。
本书的编写与出版工作得到了哈尔滨工程大学“十五”研究生教材建设专项 基金的资助,在此特
表感谢。
编著者
2011.2
于哈尔滨工程大学
2 水下声信道
目 录
第 1 章绪 论.............................................................................................................................................. 4
1.1 引 言.................................................................................................................................................. 4
1.2 机械振动............................................................................................................................................ 2
1.3 声波的基本概念................................................................................................................................... 5
1.4 声学欧姆定律...................................................................................................................................... 6
1.5 矢量声学基础概念................................................................................................................................ 7
1.6 声呐系统及声信道模型....................................................................................................................... 20
1.7 声呐方程.......................................................................................................................................... 12
第 2 章平均能量信道................................................................................................................................ 27
2.1 海水中的声速度................................................................................................................................. 27
2.2 海水中的声吸收................................................................................................................................. 19
2.3 海洋环境噪声.................................................................................................................................... 21
2.4 海底反射损失.................................................................................................................................... 23
2.5 分层介质射线声学.............................................................................................................................. 24
2.6 等梯度水层中的声线和声场................................................................................................................. 27
2.7 深海声传播方式与扩展损失................................................................................................................. 29
2.8 浅海的 Pekeries 模型......................................................................................................................... 31
第 3 章相干多途信道................................................................................................................................ 50
3.1 相干多途信道的系统函数.................................................................................................................... 50
3.2 相关器和匹配滤波器........................................................................................................................... 43
3.3 信号模糊度函数................................................................................................................................. 47
a(t)
"T^
rect
(T
r
) ^.......................................................................................................49
3.4 拷贝相关器在相干多途信道中的响应.....................................................................................................50
3.5 自适应相关器.................................................................................................................................... 51
3.6 自适应相关器在相干多途信道中的响应..................................................................................................53
3.7 相干多途信道中的互相关.................................................................................................................... 55
3.8 简正波垂直过滤抗近场干扰
[9]
...............................................................................................................57
3.9 低频近程声场的干涉结构.................................................................................................................... 68
3.10 声压时间反转镜............................................................................................................................... 72
3.11 矢量时间反转镜............................................................................................................................... 75
其中〜(
t
)是本地干扰的噪声分量,*表示卷积运算。..............................................75
其中'(«,/〇表示 Mu,
fe
)与\([,「。人)的相关函数,...........................................76
3lii...................................................................................................................................... 76
第 4 章随机时变空变信道理论基础.............................................................................................................79
4.1 随机声场的一般概念和描述.................................................................................................................79
4.2 声信号起伏....................................................................................................................................... 82
4.3 时变信道的系统函数........................................................................................................................... 83
4.4 随机时变信道的系统函数.................................................................................................................... 86
4.6 广义平稳非相关散射信道(WSSUS 信道)............................................................................................87
4.7 散射函数.......................................................................................................................................... 88
4.8 相干函数.......................................................................................................................................... 91
4.9 基阵的指向性函数.............................................................................................................................. 92
4.10 随机空变信道..................................................................................................................................92
4.11 被动声呐的物理模型......................................................................................................................... 94
P(f,u) = JJ/? (t-,Ax)e-„
i2,t(A+,
*
A
*
)
drd(A
a:
) (4.86)...........................................................95
4.12 直线阵在随机空变信道中的响应......................................................................................................... 96
第 5 章缓慢时变的相干多途信道..............................................................................................................116
5.1 散射函数的实验结果......................................................................................................................... 116
5.2 信道相干性的测量方法一脉间相关法...................................................................................................108
5.3 缓慢时变的浅海相干多途信道的修正匹配............................................................................................110
5.4 深海相干信道的修正相关匹配............................................................................................................ 112
5.5 缓慢时变相干多途信道中自适应相关器的响应......................................................................................114
KU)....................................................................................................................115
5.6 相干信道中运动声源的系统函数.........................................................................................................117
5.7..................................................................................................................................................... 119
第 6 章混响信道.................................................................................................................................... 139
6.1 混响的平均特性............................................................................................................................... 139
6.2 混响的散射函数............................................................................................................................... 132
6.3 混响谱的多普勒扩展......................................................................................................................... 134
6.4 混响的其他统计特性......................................................................................................................... 137
6.5 抗混响........................................................................................................................................... 138
第 7 章声呐目标信道.............................................................................................................................. 152
7.1 点目标........................................................................................................................................... 142
7.2 相干点目标信道............................................................................................................................... 143
7.3 多亮点目标模型............................................................................................................................... 143
7.4 潜艇的目标强度的一般特征............................................................................................................... 145
7.5 运动平台辐射噪声概述..................................................................................................................... 145
7.6 舰船辐射噪声亮点模型及声图............................................................................................................ 148
7.6.1 聚焦波束形成及声图测量原理
[39]
.................................................................148
第 8 章浅海声场相干结构........................................................................................................................165
8.1 浅海近程声场相干结构
[40]
.................................................................................................................. 165
8.2 浅海波导中简正波声场的干涉结构......................................................................................................169
8.2.1 Pekeris 波导中的声压场.............................................................................170
8.2.2 简正波声强流............................................................................................170
8.2.3 氐频简正波声强流特性
[41]
...........................................................................172
8.2.4 互谱处理器...............................................................................................175
8.3 波导不变重/5.................................................................................................................................. 176
第 9 章应用实例.................................................................................................................................... 179
9.1 询问应答器最佳工作频率.................................................................................................................. 179
9.2 被动声呐作用距离估算..................................................................................................................... 169
9.3 三元阵被动测距声呐基础.................................................................................................................. 170
9.4 单矢量传感器被动探测原理............................................................................................................... 171
9.5 动目标检测器.................................................................................................................................. 172
9.5.1 多普勒频移............................................................................................... 172
第 1 章 绪 论
1 . 1 引 言
海洋是地球上蓝色的宝石。21 世纪的人类将更多地依靠海洋资源,将更多地从海洋中获 取食物、能源和矿产,
并从海洋中探索地球的奥秘。
自从人们认识到声波是海洋中能传播最远的物理场时,声波就成为研究和探索海洋的主 要工具。现在,随着海洋开
发事业的发展和军事上的需要,水声技术已造就成一支不可忽视的 产业大军并成为高技术领域中的一枝新秀。水声技
术已经广泛应用到导航、水下观察、水下通 信、渔业、海洋开发、海底资源调查和海洋物理研究等方面,尤其是应用
在军事方面,水声技术是 潜艇作战和反潜作战、水雷战和反水雷战中的关键技术。目前,世界各大国竞相发展水声技
术。
尽管声学有悠久的源流,但水声学却是年轻的近代科学。自 18 世纪初,D.Colladon 和 C. Sturm 在 Genfer
湖首次巧妙地测量了水中声波的传播速度,开始了水声技术的研究。起初, 水声技术受到人们注意是由于军事上的需
要。第一次世界大战(1914 一 1918)中德国潜艇使协 约国损失了舰船总吨位的 1/3,人们才开始关注研究利用声波来
探测潜艇。1916 年一 1918 年, 著名的法国物理学家 Langevin 和俄国工程师 Chilosky 研制成功了主动式声呐装
置,成功地接收 到 1 500 m 以外水下潜艇的回声。但是,声呐在第一次世界大战中并未得到应用。尔后,由于 电子
技术和电声换能器的发展,声呐技术才步人应用阶段。第二次世界大战期间,水声设备已 趋完善,在潜艇作战和反潜作
战中起了重大作用。然而,水声技术的飞速发展却是在第二次世 界大战以后,低频、大功率、大基阵成为当时声呐技
术发展的趋势,特别是对表面声道、海底反 射声道、深海声道和声会聚区效应等传播方式的成熟的研究,更使得声呐
的作用距离在 20 世 纪 60 年代初提高了一个数量级。20 世纪 50 年代初,雷达技术中成功地使用了匹配滤波技术,
从而使它的作用距离得到了飞跃,刺激了人们在此后的 20 年中在声呐技术上研究匹配滤波技 术。然而却没有收到雷
达技术领域中相应的好效果。这使人们进一步意识到水声信道是远较 雷达信道更为复杂的信道,因而声信道理论在
20 世纪 70 年代初开始受到关注。低频、大基阵 和以高速计算机为中心的实时获得海洋声信道的信息并实时进行自适
应处理的声呐系统,已 成为当今声呐技术发展的新潮流。
声呐发射换能器基阵或发声源发出携带信息的声波,通过海洋到达声呐接收水听器基阵,声 呐系统对所接收的信号
进行处理,从而作出判决,确定是否存在目标及目标的状态参数、目标的 种类,或者恢复目标发出的源信息,这就是
声呐系统工作的全过程。从通信论的观点来看,海洋 就是声信道。理想的信道能无畸变地传递信息,但海洋不是理想
的,而是复杂多变的。只有充分
2 水下声信道
认识海洋声信道对声呐系统的限制,人们才能逐步使声呐系统与海洋环境相适配,以便获得较好 的检测效果和识别能
力。海洋声信道不但对目标辐射信号进行能量变换,而且进行信息变换。 相干多途到达的信号将使接收信号波形产生
畸变而显著区别于源辐射波形。海洋声信道是随机 时变、空变的,因而更为复杂,在传输过程中,信息不但受到变换
而且造成损失。声信道理论将研 究信道对信息进行的各种变换以及声呐系统如何与声信道相适配的问题。
作者注意到下列问题:一方面大多数水声技术工程师尽管对信号处理和系统设计有足够 的知识,但是他们并不十分
理解复杂的海洋环境对声呐设备的影响;另一方面海洋物理学者和 水声物理工作者虽然对海洋环境及其研究有广博的
知识,但是他们也不十分认识这些知识与 声呐系统工作的关系。于是,本书力图在这两者之间架设“桥梁”和沟通渠道。
作者将本书奉 献给声呐工程师和水声专业的高年级本科生和研究生,用工程技术工作者容易接受的语言和 数学来介绍
海洋环境对声呐系统性能的限制以及探讨二者的适配。本书对在雷达和通信领域 中从事研究的技术人员也有参考价值。
1 . 2 机 械 振 动
常言“振动发声”,其意为声波源于振动,声波是振动在介质中的传播。
所谓振动,是指质点围绕着平衡点的往复运动。
一个实际的振动系统往往是很复杂的,如何来研究它呢?物理学家认为,没有模型就没有 科学,研究任何实际的物
理问题都需要抽象成物理模型。任何有价值的物理模型都必须具有 两个特点:一是要尽可能简单,以便能用尽可能简
便的数学工具来分析;二是它必须是真实物 理问题的拷贝,即它必须包括实际问题的主要矛盾。模型的正确性必须用
实验来验证,模型也 只有在一定条件下才是正确的、有价值的。任何振动系统在足够窄的频带内都可以抽象成简 单
“单自由度质点振动系统”的振动模型来研究。本节研究这一简单的振动模型的目的在于阐 明振动的基本概念。
图 1.1(a)是单自由度振动系统的示意图。弹簧〇下面挂了一^球%弹簧为弹性元件,钢球 为质量元件。取钢球的
平衡位置为坐标轴%的原点。若由于某种原因,钢球有一个初始的位移,则 就激发振动,即钢球将围绕平衡位置作往
复运动。图 1.1(b)是水声换能器的结构示意图,它可以抽 象成单自由度振动系统模型来研究,图中相应的字符表示
相应作用的等效元件。
钢球偏离平衡位置有位移 X 时,弹簧被压缩或拉伸。弹簧所产生并作用于钢球的弹性力 为/,它的大小与位移大小
成正比,方向与位移方向相反。即
f ■=. — kx (1-0
式中,比例常数 A 为弹性系数,它的倒数称为柔顺系数 C
M
, SP
图 1.1 单自由度振动系统
(a)单自由度振动系统;(b)水声换能器结构
忽略弹簧的质量和重力的影响,根据牛顿第二定律,可以得到钢球的运动方程为
+ a>
〇
X =O (1.2)
2 k ^ = m
式中 m--------------------------钢球的质量;
——振动系统的角谐振频率。
式(1.2)的解为
x { t ) = C
l
CosaiQt + C
2
sincti
〇
t = Ccos{co
0
t + tp) (1.3)
C = •/ C
2
1
+ C2, <P
=
~ arctan^
可见,钢球作谐和振动时,钢球围绕着平衡位置按正弦或余弦的规律作往复运动。C 称为振 幅,^称为初相位。
对于熟悉电振荡理论的读者来说,引进机电类比的概念是十分有用的。单自由度振动系 统和单谐振回路具有相同形
式的微分方程,因此尽管他们的物理性质不同,但是表征机械振动 和电振荡的特征量具有相同的函数形式,它们遵循
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