【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 標(biāo)相互作用產(chǎn)生的，它攜帶目標(biāo)的某些特征信息。 ? 測(cè)量回波信號(hào) —— 分析處理 —— 提取目標(biāo)特征（先驗(yàn)知識(shí)）—— 目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別。? 回顧♀ 大目標(biāo)：目標(biāo)前方次級(jí)聲波 —— 反射波；目標(biāo)后方次級(jí)聲波 —— 繞射波。♀ 小目標(biāo)：向空間各方向輻射次級(jí)聲波 —— 散射波?！?與波長(zhǎng)相當(dāng)目標(biāo)：反射、繞射、散射均起作用?！?在聲學(xué)中，近場(chǎng)次級(jí)聲波 —— 衍射波；遠(yuǎn)場(chǎng)次級(jí)聲波 —— 散射波。在這里，統(tǒng)稱為散射波。 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 36 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成（ 1） 目標(biāo)鏡反射 鏡反射是幾何反射過程，服從反射定律。曲率半徑大于波長(zhǎng)的目標(biāo)，回波基本由鏡反射過程產(chǎn)生，與垂直入射點(diǎn)相鄰的目標(biāo)表面產(chǎn)生相干反射回聲。（ 2） 目標(biāo)散射 目標(biāo)表面不規(guī)則性，如棱角、邊緣和小凸起物，其曲率半徑小于波長(zhǎng)，回波由散射過程產(chǎn)生。水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 37 目標(biāo)回波水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 38 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成（ 3） 目標(biāo)再輻射 一般聲吶目標(biāo)為彈性物體，在入射聲波的激勵(lì)下，目標(biāo)某些固有振動(dòng)模式被激發(fā)，向周圍介質(zhì)輻射聲波，它是目標(biāo)回聲組成部分，稱為非鏡反射回波。 它與目標(biāo)力學(xué)參數(shù)、狀態(tài)以及與入射聲波相對(duì)位置等因素有關(guān)。窄平面波脈沖入射到鋁球上接收到的回波脈沖串。 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 39 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成（ 4）回音廊式回聲（環(huán)繞波） 聲波入射到 A點(diǎn)除產(chǎn)生鏡反射波外，還有折射波投射到目標(biāo)內(nèi)部。折射波在目標(biāo)內(nèi)部傳播，在 B、 C、 … 上同樣產(chǎn)生反射和折射，到達(dá) G點(diǎn)時(shí)，折射波恰好在返回聲源的方向上，它是回波的一部分。 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 40 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成彈性散射波－圓柱傾斜入射時(shí)彈性散射波（ 湯渭霖、陳德智）水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 41 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成彈性散射波－圓柱斜入射螺旋環(huán)繞波（ 鮑小玲）水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 42 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成彈性散射波的作用－高分辨率聲吶的有限長(zhǎng)圓柱聲圖像水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 43 目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成、回波信號(hào)的形成 回波與入射波的差異（ 1）多普勒頻移 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波頻率和入射波產(chǎn)生差異，這種差異的大小 與入射波頻率 f 及目標(biāo)與聲源之間距離變化率 V有關(guān)：式中， c是海水中的聲速?？梢怨烙?jì)目標(biāo)的速度。 目標(biāo)接近聲源時(shí)，取正號(hào)；目標(biāo)遠(yuǎn)離聲源時(shí)，取負(fù)號(hào)。舉例：聲吶工作頻率 10 kHz，聲源以 10節(jié)（ 5 .15m/s）的相對(duì)速度趨近目標(biāo)時(shí)，回波頻移為 69Hz 。 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 44 目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征、回波信號(hào)的一般特征（ 2）脈沖展寬 　 目標(biāo)回聲是由整個(gè)目標(biāo)表面上的反射體和散射體產(chǎn)生，整個(gè)物體表面都對(duì)回波有貢獻(xiàn)。由于傳播路徑不同，目標(biāo)表面不同部分產(chǎn)生回波到達(dá)接收點(diǎn)在時(shí)間上有先有后，加寬了回聲信號(hào)的脈沖寬度。 平面波以掠射角入射到長(zhǎng)為 L的目標(biāo)上，在收發(fā)合置條件下，回波脈沖將比入射脈沖展寬： 在窄脈沖入射下，目標(biāo)為許多散射體組成復(fù)雜目標(biāo)，回聲脈沖展寬明顯；若回聲主要過程是鏡反射，回聲脈沖展寬可以忽略。舉例：潛艇在正橫方向，回波展寬為 10ms，在首尾方位，回波展寬為 100ms。水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 45 目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征、回波信號(hào)的一般特征（ 3）包絡(luò)不規(guī)則性 回聲包絡(luò)是不規(guī)則的，當(dāng)鏡反射不起主要作用時(shí)更是如此。 原因： 目標(biāo)上各散射體散射波互相迭加干涉引起的。在目標(biāo)回聲中，還可能有個(gè)別的亮點(diǎn)，是由目標(biāo)上某些部位的產(chǎn)生鏡反射引起的。例如，潛艇的指揮臺(tái)，幾何亮點(diǎn)和彈性亮點(diǎn)。（ 4）調(diào)制效應(yīng) 產(chǎn)生原因：? 螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起目標(biāo)的散射截面產(chǎn)生周期性變化，引起回聲幅度周期性變化。? 運(yùn)動(dòng)船體與其尾流產(chǎn)生的兩種回波干涉引起調(diào)制效應(yīng)。水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 46 目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征、回波信號(hào)的一般特征?上節(jié)講述通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值；?本節(jié)講述通過理論計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度值及其物理特性。?常見聲吶目標(biāo)幾何形狀基本接近于球形或柱形，將其視為球體或圓柱體，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，結(jié)果也適用于實(shí)際聲吶目標(biāo)。剛性不動(dòng)球體物理含義：?剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)；?不動(dòng)：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 47 剛性球體散射聲場(chǎng) 取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重合，并取 x軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為 a。入射平面波聲壓為：：為書寫方便，將時(shí)間因子省略。 設(shè)散射波聲壓為 ，它滿足波動(dòng)方程 ：：水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 48 剛性球體散射聲場(chǎng) 考慮入射波對(duì) x軸對(duì)稱性，散射波也關(guān)于 x軸對(duì)稱，則它與變量 無關(guān)，則 ：：利用分離變量法，有 勒讓德方程 ： 貝塞爾方程：水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 49 剛性球體散射聲場(chǎng) 根據(jù)勒讓德方程的解有（ m為分離變量時(shí)引入常數(shù)，根據(jù)勒讓德方程性質(zhì)， m必須是非負(fù)整數(shù)）：根據(jù)貝塞爾方程的解有：根據(jù)輻射條件水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 50 剛性球體散射聲場(chǎng) 散射波聲壓的解為：待定常數(shù)，由邊界條件確定對(duì)于剛性球體有：為了確定待定系數(shù) ，需要將入射波展開：水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 51 剛性球體散射聲場(chǎng) 根據(jù)邊界條件，可確定待定系數(shù) ： 對(duì)于散射波的遠(yuǎn)場(chǎng)，利用球漢克爾函數(shù)在大宗量條件下近似展開：散射波聲壓表達(dá)式為：水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 52 剛性球體散射聲場(chǎng) 遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲壓為：遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲壓為：記：水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 53 剛性球體散射聲場(chǎng) 在低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變得復(fù)雜；低頻時(shí)，剛球背面散射波很弱，隨著頻率的增加，背部散射波逐漸增強(qiáng)。 剛球遠(yuǎn)場(chǎng)散射波強(qiáng)度：散射波振幅正比于入射波振幅；散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅隨距離的衰減；散射波具有明顯指向性。剛性不動(dòng)球的目標(biāo)強(qiáng)度表達(dá)式 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 54 剛性球體散射聲場(chǎng) ?常見聲吶目標(biāo)是由金屬材料制成的，均為彈性體；?對(duì)于彈性體，入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場(chǎng)。?與剛性球體比較：（ 1）彈性球體散射波強(qiáng)度隨頻率變化出現(xiàn)極大、極小變化；剛性球體散射波強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)。（ 2）還存在其它方面差別，研究這些差別，有助于聲吶目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 55 彈性物體散射聲場(chǎng)及其特性 平面波在彈性球體上的聲散射、平面波在彈性球體上的聲散射分析： 與剛性球體的散射場(chǎng)計(jì)算過程作對(duì)比相同點(diǎn)：散射波聲壓滿足相同的波動(dòng)方程，解法相同，形式解相同；不同點(diǎn)：確定形式解中待定系數(shù)的邊界條件不同。邊界條件：1）法向應(yīng)力連續(xù) 2）法向位移連續(xù)或法向質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù) 3）切向應(yīng)力為零 水聲學(xué) 第 5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射 56 彈性物體散射聲場(chǎng)及其特性 考慮點(diǎn)聲源置于 S處，它距球心的距離為 r0，空間任意點(diǎn) P處入射聲場(chǎng)為：將球坐標(biāo)系原點(diǎn)置于球心處，則：水聲學(xué) 第 5章 聲