基礎理論知識：聲吶、聲吶參數及聲吶方程
來源：整理自哈爾濱工程大學《聲吶及聲吶方程》講義
一、聲納及其工作方式聲吶（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下聲信息進行探測、識別、定位、導航和通訊系統。
聲吶分類：按照工作方式分類：主動聲吶和被動聲吶
主動聲吶信息流程：
被動聲吶（噪音聲吶站）信息流程：
主被動聲吶有何區別？
主動聲吶：
聲源：通過接收目標回波實現目標探測（SL、TS）；
傳播路徑：雙程（2TL）；
背景干擾：環境雜訊和混響（NL、RL）。
被動聲吶：
聲源：通過接收目標輻射雜訊實現目標探測（SL）；
傳播路徑：單程（TL）；
背景干擾：環境雜訊（NL）。
主、被動聲吶工作信息流程基本組成？
海水介質
被探測目標
聲吶設備
二、聲納參數
聲吶參數：將影響聲吶設備工作的因素稱為聲吶參數。
主動聲吶的相關參數包括：
聲源級SL
指向性指數DIT
傳播損失TL
目標強度TS
傳播損失TL
指向性指數DIR
雜訊級NL
等效平面波混響級RL
檢測閾DT
被動聲吶的相關參數包括：
聲源級SL
傳播損失TL
指向性指數DIR
雜訊級NL
檢測閾DT
1. 主動聲吶聲源級SL（Source Level）
描述主動聲吶所發射聲信號的強弱：
I為發射器聲軸方向上離聲源聲中心1米處的聲強；
I0為參考聲強(均方根聲壓為1微帕平面波對應聲強)；
聲源級反映了發射器輻射聲功率的大小。
如何提高主動聲吶作用距離？
將發射器做成具有一定的發射指向性；
解釋原因：它可以提高輻射信號的強度，相應也提高回聲信號強度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。
發射指向性指數DIT（Directivity Index）
物理含義：
在相同距離上，指向性發射器聲軸上聲級高出無指向性發射器輻射聲場聲級的分貝數；
DIT越大，聲能在聲軸方向集中的程度越高；就有利於增加聲吶的作用距離。
聲源級與聲功率的關係
假設：
介質無聲吸收；
聲源為點源；
輻射聲功率為Pa(W)
距離聲源聲中心1米處聲強：
無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關係：
有指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關係：
常識：船用聲吶Pa為幾百瓦～幾千瓦，DIT為10～30dB，SL約為210～240dB。
2. 被動聲吶聲源級SL（Source Level）
接收水聽器聲軸方向上、離目標聲學中心1米處測得的目標輻射雜訊強度IN和參考聲強之比的分貝數：
注意：
目標輻射雜訊強度的測量應在目標的遠場進行，並修正至目標聲學中心1m處；
IN指的的接收設備工作帶寬內的雜訊強度；
如果帶寬內雜訊強度均勻，輻射雜訊譜源級。
3. 傳播損失TL（Transmission Loss）
定量描述聲波傳播一定距離後聲強度的衰減變化：
引起聲強衰減的原因：
由於海水介質本身的聲吸收；
聲波傳播過程的波陣面擴展（幾何擴展）；
海水中各種不均勻體的聲散射。
4. 目標強度TS（Target Strength）
定量描述目標反射本領的大小 ：
常識：目標反射本領有差異。
不同目標回波不一樣；
回波與入射波特性（頻率、波陣面形狀）和目標特性（幾何形狀、材料等）有關。
注意：
工程上通常會有TS>0，主要原因是參考距離所致；
目標強度是空間方位的函數，通常目標反向回波是指入射方向相反方向的回聲。
5. 海洋環境雜訊級NL（Noise Level）
海洋環境雜訊：由海洋中大量的各種各樣的雜訊源發出的聲波構成的，它是聲吶設備的一種背景干擾。
NL是度量環境雜訊強弱的量 ：
注意：IN是測量帶寬內的雜訊強度。
海洋環境雜訊譜級：
6. 等效平面波混響級RL（Reverberation Level）
定量描述混響干擾的強弱；
利用平面波聲級來度量混響場的強弱。
定義：已知強度為I的平面波軸向入射到水聽器上，水聽器輸出某一電壓值；將水聽器移置於混響場中，聲軸指向目標，水聽器輸出某一電壓值。若兩電壓值恰好相等，則該平面波聲級就是混響級。
7. 接收指向性指數DIR（Directivity Index）
注意：指向性水聽器的軸向靈敏度等於無指向性水聽器的靈敏度。
物理含義：接收系統抑制背景雜訊的能力。
水聽器自由場（電壓）靈敏度：水聽器輸出端的開路電壓u與自由場中引入水聽器前其聲中心處聲壓p比值：
例子：若水聽器自由場（電壓）靈敏度為-200dB，假設入射平面波的聲壓級為80dB，問其輸出端的開路電壓為多少？
假設：
水聽器靈敏度為單位值；
雜訊場為各向同性，單位立體角內的雜訊功率為Ii。
無指向性水聽器產生的雜訊功率為：
m為與靈敏度有關的比例常數；
dΩ是單位立體角。
指向性水聽器產生的雜訊功率為：
b（θ，φ）是歸一化的聲束圖函數。
根據接收指向性指數定義：
注意：參數DIR只對各向同性雜訊場中的平面波信號（是完全相關信號）有意義；否則需用陣增益AG來代替DIR。
換能器基陣的陣增益：
簡單幾何形狀換能器指向性：
8.檢測閾DT（Detection Threshold）
常識：聲吶設備接收器接收聲吶信號和背景雜訊，兩部分的比值（信噪比）即接收帶寬內的信號功率與工作帶寬內（或1Hz帶寬內）的雜訊功率之比，它影響設備的工作質量，比值越高，設備就能正常工作，「判決」就越可信。
定義：設備剛好能正常工作所需處理器輸入端信噪比值(SNR)
注意：對於同種職能的聲吶設備，檢測閾值較低的設備，其處理能力強，性能也好。
組合聲吶參數
品質因數：SL-（NL-DI）聲吶接收換能器測得的聲源級與雜訊背景干擾級之差。
回聲信號級：SL-2TL+TS加到主動聲吶接收換能器上的回聲信號的聲級。
雜訊掩蔽級：NL-DI+DT工作在雜訊干擾中的聲吶設備正常工作所需的最低信號級。
混響掩蔽級：RL+DT工作在混響干擾中的聲吶設備正常工作所需的最低信號級。
回聲餘量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主動聲吶回聲級超過雜訊掩蔽級的數量。
優質因數：SL-（NL-DI+DT）對於被動聲吶，該量規定最大允許單程傳播損失；對於主動聲吶，當TS=0時，該量規定了最大允許雙程傳播損失 。
三、聲納方程、聲納方程的應用與限制
1. 聲吶方程：
將海水介質、聲吶目標和聲吶設備作用聯繫在一起；
將信號與雜訊相聯繫；
綜合考慮水聲所特有的各種現象和效應對聲吶設備的設計和應用所產生影響的關係式。
基本考慮：
(1) 聲吶方程基本原則：信號級-背景干擾級=檢測閾
(2) 背景干擾級含義：設備工作帶寬內部分背景雜訊才起干擾作用。
主動聲吶方程
信號級（回聲信號級）：SL-2TL+TS
背景干擾級：NL-DI（接收陣抑制背景雜訊）
注意：換能器聲軸指向？
接收信號的信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）
主動聲吶方程（雜訊背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT
注意：適用於收發合置型聲吶，對於收發分置聲吶，往返傳播損失不能簡單用2TL表示；適用於背景干擾為各向同性的環境雜訊情況。
主動聲吶方程（混響背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT
被動聲吶方程
雜訊源發出的雜訊直接由雜訊源傳播至接收換能器；
雜訊源發出的雜訊不經目標反射，即無TS；
背景干擾為環境雜訊，不存在混響干擾，（SL-TL）-（NL-DI）＝DT
注意：SL雜訊源輻射雜訊的聲源級。
2. 聲納方程的應用
聲吶設備性能預報：已知設備特點和若干參數，對其它聲吶參數進行估計，如估計優質因數；
聲吶設備設計：預先規定設備職能及各項戰術技術指標，根據聲吶方程綜合評價各參數的影響，對參數合理選取和設備最佳設計，例如工作頻率選取—DI、TL。
Figure of Merit (FOM)
定義：
被動聲吶允許的最大單程傳播損失；主動聲吶允許的最大雙程傳播損失。
令 TL 或2TL = FOM, 則可知允許的水聲信號傳播損失。
被動聲吶：
FOMP= SL – NL + DI – DT
主動聲吶：
FOMA = SL + TS – RL – DT (混響背景)
FOMA = SL + TS – NL + DI – DT (雜訊背景)
根據FOM可以預報聲吶作用距離：
FOM越高，允許信號傳播損失 越大，則聲吶作用距離越遠。
被動聲吶檢測概率：
如果FOM > TL則 檢測概率> 50%
如果FOM <>則 檢測概率<>
主動聲吶檢測概率：
如果 FOM > 2TL 則 檢測概率 > 50%
如果 FOM < 2tl="" 則=""><>
根據水聲傳播理論可以預報水聲傳播損失
Prop Loss Curve
3.聲吶方程的限制
聲吶方程瞬態形式
聲吶方程是用信號強度來描述的，而聲強度是聲能流在某一時間間隔內的平均值：
注意：
短脈衝信號：由於介質傳播的多途效應、目標反射的物理效應，接收到回聲信號波形會產生嚴重畸變，上式平均值會得到不確定的結果，上式不再適用。
長脈衝信號：回波信號寬度接近發射信號脈衝寬度T。
近似處理：時間T內對聲波能流密度E求平均而得聲強
注意：
對於長脈衝聲吶，T為發射脈衝寬度，回波脈衝寬度也近似等於此值；
對於短脈衝聲吶，T一般不確定，回聲寬度與發射寬度相差甚大。
短脈衝聲吶方程（R. J. Urick）：
式中，E是離聲源單位距離處的聲能流密度。
回聲脈衝寬度：
脈衝能流密度是平均聲強與其脈衝寬度的乘積 ：
等效聲源級 ：
長脈衝：
短脈衝 ：
主動聲吶的背景干擾包括混響和雜訊，它們對聲吶設備工作的影響不同，應用聲吶方程需要確定背景干擾類型。
（SL-2TL+TS）-RL＝DT
SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT
聲吶方程背景干擾類型如何確定？
（1）根據聲吶適用場合，畫出回聲信號級、混響掩蔽級和雜訊掩蔽級隨距離的變化曲線，並由此合理地選用聲吶方程。
回信號聲級、雜訊掩蔽級和混響掩蔽級與距離關係
注意：隨距離衰減規律
雜訊掩蔽級隨距離不變；
回聲信號級和混響掩蔽級隨距離衰減；
一般，回聲信號級隨距離下降比混響掩蔽級要快。
（2）回聲信號級曲線與混響掩蔽級曲線相交於混響限制距離Rr處（由混響聲吶方程確定）。
（3）回聲信號級曲線與雜訊掩蔽級相交於雜訊限制距離Rn處（由雜訊聲吶方程確定）。
（4）距離參數比較，確定干擾類型，選擇聲吶方程
作用距離受混響限制（雜訊掩蔽級I），選混響聲吶方程
作用距離受雜訊限制（雜訊掩蔽級II），選雜訊聲吶方程
Own Ship/Equipment
發射聲源級(SL)
主動聲吶參數
決定主動聲吶探測距離的重要參數
自雜訊級(NLs)
聲吶工作頻段中艦船輻射雜訊級
指向性指數(DI)
發射指向性指數
接收指向性指數
N = NL - DI
Self Noise
機械雜訊
Narrowband – specific frequencies
Machinery (Pumps, reduction gears, power plant, etc.)
流雜訊
Broadband
High speed causes more noise
Hull fouling - Animal life on hull (not smooth)
空化雜訊
Broadband
Propeller noise
High/low pressure phenomenon
Counter
· Depth
· Speed
· Prairie - Masker
Acoustic Environment
環境雜訊級(NLa)
從 Wenz 曲線可以查出。
傳播損失(TL)
由於吸收、波陣面擴展和散射引起的聲源級減小量。
等效平面波混響級(RL)
主動聲吶發射聲信號的反向散射雜訊聲源級。
環境雜訊
生物雜訊
Produced by marine life.
海上交通雜訊
At long ranges only low frequencies are present.
地震雜訊
Movement of the earth (earthquakes).
水動力雜訊
Caused by the movement of water.
Includes tides, current, storms, wind, rain, etc.
Wenz Curves
Target
輻射雜訊級(SL)
目標輻射的雜訊信號級；
被動聲吶特有的參數。
目標強度(TS)
與目標的形狀、結構等特性有關；
與目標和聲吶的相對位置有關。
Making the Sonar Equations Useful(Passive)
Transmission Loss
Sound energy in water suffers two types of losses:
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