声波在目标上的反射和散射1

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1、声波在目标上的反射和散射目标回波：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。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。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。回顾♀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。♀小目标：向空间各方向辐射次级声波——散射波。♀与波长相当目标：反射、绕射、散射均起作用。♀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

2、信号的形成♀目标镜反射镜反射是几何反射过程，服从反射定律。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。

3、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

4、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10kHz，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

5、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

6、。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。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

7、。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

8、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