第5章声波在目标上的反射和散射课件.ppt
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1、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作用产生的,它携带目标的某些特征信息。v 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。v 回顾v 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。v 小目标:向空间各方向辐射次级声波散射波。v 与波长相当目标:反射、绕射、散射均起作用。v 在声学中,近场次级声波衍射波;远场次级声波散射波。在这里,统称为散射波。5.5 目标回波 5.5 目标回波 回波信号的形成 目标镜反射 镜反射是几何反射过程,服从
2、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。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。5.5 目标回波 回波信号的形成5.5 目标回波 回波信号的形成5.5 目标回波 回波信号的形成 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。5.5 目标回波 回波信号的形成 回音廊式回声(环
3、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。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弹性散射波(汤渭霖、陈德智首先发现)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 弹性散射波的作用高分辨率声呐的有限长圆柱声图像5.6 刚性球体的散射声场 回波信号的一般特征 回波与入射波的差异 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
4、化率V有关,满足如下关系: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。5.5 目标回波 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
5、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 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,潜艇的指挥台,几何亮点和弹性亮点。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的调制效应。5.6 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。
6、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 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
7、辐射条件5.6 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:5.6 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 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 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
8、明显的指向性。刚性不动球的目标强度表达式 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、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 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5.7 弹性物体散射声场及其特性 弹性球体的声散射 入射声波表达式为:在远场条件下,
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