第六章 相關(guān)測速技術(shù)

1、2022-3-41第六章第六章 相關(guān)測速技術(shù)相關(guān)測速技術(shù)2022-3-42o多普勒計程儀的特點：多普勒計程儀的特點：n多普勒計程儀雖有測速精度高的優(yōu)點，但一般需使用較高的工作頻率。多普勒計程儀雖有測速精度高的優(yōu)點，但一般需使用較高的工作頻率。n波束寬度窄：波束寬度窄：會發(fā)生會發(fā)生“失去接觸失去接觸”的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。n回波的強度：回波的強度：多普勒計程儀為獲得足夠的多普勒頻移，必須使波束指向斜下方，多普勒計程儀為獲得足夠的多普勒頻移，必須使波束指向斜下方，影響了。為了保證有足夠的回波強度，要求發(fā)射機的發(fā)射功率較大。影響了。為了保證有足夠的回波強度，要求發(fā)射機的發(fā)射功率較大。n基陣尺寸：基陣尺寸：

2、在大深度使用時，頻率要降低，會使基陣尺寸增大很多。同時為了在大深度使用時，頻率要降低，會使基陣尺寸增大很多。同時為了得到較窄的波束，基陣尺寸也必然要加大。在深海即使使用相控陣技術(shù)，其基陣得到較窄的波束，基陣尺寸也必然要加大。在深海即使使用相控陣技術(shù)，其基陣尺寸也很大，甚至直徑達到米的量級，給安裝和維修帶來不便。尺寸也很大，甚至直徑達到米的量級，給安裝和維修帶來不便。o聲相關(guān)計程儀的特點：聲相關(guān)計程儀的特點：n是垂直向下發(fā)射一個寬的波束，因此不會出現(xiàn)上述問題。是垂直向下發(fā)射一個寬的波束，因此不會出現(xiàn)上述問題。n波束寬度：基陣尺寸：回波強度：波束寬度：基陣尺寸：回波強度：o它不要求窄波束發(fā)射，也不

3、要求指向斜下方的波束，因而可用較小的換能器和較低的它不要求窄波束發(fā)射，也不要求指向斜下方的波束，因而可用較小的換能器和較低的工作頻率。在相同的工作深度要求下，相關(guān)計程儀可用較小的換能器和較小的功率。工作頻率。在相同的工作深度要求下，相關(guān)計程儀可用較小的換能器和較小的功率。波束也能做得相當(dāng)寬，增加了抗搖擺的性能。波束也能做得相當(dāng)寬，增加了抗搖擺的性能。n測量原理中與水中的聲速無關(guān)。測量原理中與水中的聲速無關(guān)。n聲相關(guān)計程儀的聲相關(guān)計程儀由于具有發(fā)射功率低、換能器體積小、重聲相關(guān)計程儀的聲相關(guān)計程儀由于具有發(fā)射功率低、換能器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，被認為是很有前景的自主導(dǎo)航儀器。量輕、結(jié)構(gòu)

4、簡單等優(yōu)點，被認為是很有前景的自主導(dǎo)航儀器。2022-3-43o 薛敬宏的博士論文薛敬宏的博士論文o 美國、英國美國、英國o 國內(nèi)國內(nèi)n 主要是中科院聲學(xué)所、國家海洋技術(shù)中心、中重工主要是中科院聲學(xué)所、國家海洋技術(shù)中心、中重工707和和726、哈爾濱工程大學(xué)等科研單位對聲相關(guān)、哈爾濱工程大學(xué)等科研單位對聲相關(guān)測速系統(tǒng)在理論上進行了研究。測速系統(tǒng)在理論上進行了研究。n 中科院聲學(xué)所以通過了海上試驗。中科院聲學(xué)所以通過了海上試驗。2022-3-44o什么是聲相關(guān)計程儀？它基于什么原理實現(xiàn)的？什么是聲相關(guān)計程儀？它基于什么原理實現(xiàn)的？n聲相關(guān)計程儀基于聲相關(guān)計程儀基于“波形不變性波形不變性”原理，原

5、理，n利用具有一定發(fā)射束寬的發(fā)射換能器垂直向海底發(fā)射聲波束，利用具有一定發(fā)射束寬的發(fā)射換能器垂直向海底發(fā)射聲波束，n通過安裝在艦船上的多個接收水聽器接收的回波信號，通過安裝在艦船上的多個接收水聽器接收的回波信號，n采用實時相關(guān)技術(shù)進行速度解算獲得艦船航速。采用實時相關(guān)技術(shù)進行速度解算獲得艦船航速。n時間相關(guān)計程儀和空間相關(guān)計程儀兩種。時間相關(guān)計程儀和空間相關(guān)計程儀兩種。o什么是什么是“波形不變波形不變”原理？要滿足什么條件？原理？要滿足什么條件？o時間相關(guān)測速和空間相關(guān)測速時間相關(guān)測速和空間相關(guān)測速o聲相關(guān)計程儀的特點聲相關(guān)計程儀的特點o相關(guān)測速聲吶的海底回波和體積混響相關(guān)測速聲吶的海底回波和

6、體積混響 o聲相關(guān)計程儀的有關(guān)參數(shù)聲相關(guān)計程儀的有關(guān)參數(shù) o相關(guān)計程儀的信號形式相關(guān)計程儀的信號形式 o時空相關(guān)測速模型時空相關(guān)測速模型 2022-3-45(a) (a) 多普勒計程儀多普勒計程儀 (b)(b)聲相關(guān)計程儀聲相關(guān)計程儀 4 4個波束個波束 單個發(fā)射波束單個發(fā)射波束波束寬度：波束寬度：陣尺寸：陣尺寸：波束方向：波束方向：海深：海深：聲學(xué)所的聲聲學(xué)所的聲相關(guān)計程儀相關(guān)計程儀工作水深可工作水深可達達1000m2022-3-46o 聲相關(guān)計程儀與多普勒計程儀主要參數(shù)比較聲相關(guān)計程儀與多普勒計程儀主要參數(shù)比較系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)聲相關(guān)計程儀聲相關(guān)計程儀多普勒計程儀多普勒計程儀速度信息的來源速

7、度信息的來源空間和時間域空間和時間域方向和頻率域方向和頻率域較可取得信號帶寬較可取得信號帶寬寬帶寬帶窄帶、寬帶窄帶、寬帶發(fā)射和接收波束寬度發(fā)射和接收波束寬度寬寬窄窄發(fā)射陣孔徑發(fā)射陣孔徑小小大大接收陣孔徑接收陣孔徑小小大大更有利的聲波傳播方向更有利的聲波傳播方向與速度矢量垂直與速度矢量垂直與速度矢量平行與速度矢量平行2022-3-47o聲相關(guān)計程儀的優(yōu)點：聲相關(guān)計程儀的優(yōu)點： n在一定的工作深度上，聲相關(guān)計程儀需要的發(fā)射功率低。在一定的工作深度上，聲相關(guān)計程儀需要的發(fā)射功率低。n在沒有專門方法補償時（相控陣除外），聲相關(guān)計程儀的讀數(shù)在沒有專門方法補償時（相控陣除外），聲相關(guān)計程儀的讀數(shù)不受傳播聲

8、速的影響。不受傳播聲速的影響。n因為是寬波束發(fā)射，在載體搖晃和海底起伏不平時，聲相關(guān)計因為是寬波束發(fā)射，在載體搖晃和海底起伏不平時，聲相關(guān)計程儀有很好的可靠性。而且，海底表面的傾角不會引起太大的程儀有很好的可靠性。而且，海底表面的傾角不會引起太大的測速誤差。測速誤差。n由于聲相關(guān)計程儀的基陣系統(tǒng)外形尺寸小，易于安裝和有利于由于聲相關(guān)計程儀的基陣系統(tǒng)外形尺寸小，易于安裝和有利于維修。當(dāng)船體發(fā)生變形時基陣系統(tǒng)的方向性特性軸不會發(fā)生彎維修。當(dāng)船體發(fā)生變形時基陣系統(tǒng)的方向性特性軸不會發(fā)生彎曲。曲。n聲納工作頻率低，因而聲傳播損失小，加上聲波垂直向下發(fā)射，聲納工作頻率低，因而聲傳播損失小，加上聲波垂直向

9、下發(fā)射，因而可以得到更強的海底回波。因而可以得到更強的海底回波。2022-3-48o 聲相關(guān)計程儀的組成聲相關(guān)計程儀的組成R2R1T只有在兩個接收波形相同的情況下才能保證只有在兩個接收波形相同的情況下才能保證它們是相關(guān)的。它們是相關(guān)的。 R2TR12022-3-49o 波形不變原理波形不變原理R2R1Tddx1Sddx2R2R1Tx2-dx2-d-dx1-d-dx1-dR2R1Tx1+xx2+xR2R1Tx2-d+xx2-d-d+xx1-d-d+ xx1-d +xR2R1TR2R1TR2R1Tx= x2-d-(x2-d-d+x)=d- x2022-3-410R2R1Tx1SR2R1Tx2-dR

10、2R1Tx1+xR2R1Tx2-d-d+xvcosx()cosdxcos)()() (22xdconxddxdxcoscos)(11xxxxx=v cos)(cosxdx若要 coscos實際上xdx因此2dv x2+x兩個波陣面入兩個波陣面入射的聲程差射的聲程差2dx 兩條聲線雙程長度相等兩條聲線雙程長度相等 ，這，這就是就是“波形不變原理波形不變原理”。 2022-3-411xdx因此2dv 2dx o上述公式能否成立？上述公式能否成立？n總可能找到一個條件，使兩條聲線雙程長度相等?？偪赡苷业揭粋€條件，使兩條聲線雙程長度相等。n若有這一條件存在，則對海底其它海底反射點也會如此。若有這一條件

11、存在，則對海底其它海底反射點也會如此。n既然對海底各點都有兩條相同的雙程聲線，因而兩接收器接收的信既然對海底各點都有兩條相同的雙程聲線，因而兩接收器接收的信號包絡(luò)除相差一時差之外，完全相同。這就是號包絡(luò)除相差一時差之外，完全相同。這就是“波形不變原理波形不變原理”。n當(dāng)兩信號包絡(luò)只相差一個時差而形狀相同，意味著兩信號是相關(guān)的。當(dāng)兩信號包絡(luò)只相差一個時差而形狀相同，意味著兩信號是相關(guān)的。o為何要討論波形不變原理？為何要討論波形不變原理？n只有在兩個波形相同的情況下才能保證相關(guān)。當(dāng)兩個波陣面往返的只有在兩個波形相同的情況下才能保證相關(guān)。當(dāng)兩個波陣面往返的路程相同時，即往返時間相同，因此，兩個波陣面

12、發(fā)射時刻相差路程相同時，即往返時間相同，因此，兩個波陣面發(fā)射時刻相差，接收時刻也相差接收時刻也相差，即兩個波陣面之間的信號在某一個角度情況下，即兩個波陣面之間的信號在某一個角度情況下，波形和頻率未發(fā)生變化。兩個接收到的波形才具有相關(guān)性。實際上，波形和頻率未發(fā)生變化。兩個接收到的波形才具有相關(guān)性。實際上，海底有很多具有此反射條件的散射點。海底有很多具有此反射條件的散射點。 2022-3-412o 思想：思想：n 利用寬帶信號的兩個波振面的往返聲線，到兩個接利用寬帶信號的兩個波振面的往返聲線，到兩個接收水聽器的傳播時間在某一條件下相等的情況（此收水聽器的傳播時間在某一條件下相等的情況（此時波形不變

13、），來計算載體的速度。即在載體移動時波形不變），來計算載體的速度。即在載體移動不大，或海深的情況下有（移動的距離不大，或海深的情況下有（移動的距離 很小）很?。?因，因， 可得可得o 要解決的問題：要解決的問題：n 滿足兩個波振面的往返聲線滿足兩個波振面的往返聲線相等的條件相等的條件是什么？是什么？n 滿足相關(guān)的兩個波陣面的時延？利用相關(guān)特性推滿足相關(guān)的兩個波陣面的時延？利用相關(guān)特性推導(dǎo)時延。導(dǎo)時延。vx cos)(cosxdxcoscos2dv 2022-3-413設(shè)：兩信號相關(guān)的條件為設(shè)：兩信號相關(guān)的條件為 4OCBOODAOBOAOBOAOBOAO22在在 時有時有dr 12121221

14、2214HdrrHdrAOHdrrHHdrrHdrrHdrrHdrAO22/22/)21(2141212/1212121212/121212/1221在在H較大時較大時高階小量高階小量AB=d-x=d/2DC=x=d/2要求兩聲線雙程要求兩聲線雙程差不大于差不大于1/4波長波長 2022-3-414設(shè)：兩信號相關(guān)的條件為設(shè)：兩信號相關(guān)的條件為 4OCBOODAO在在 時有時有dr 1HdrrHHdrAO22/41212/1221類似地，有類似地，有21212212214HdrrHdrBOHdrrHHdrBO22/41212/12212211212HrHdrBOAO因此，有因此，有2022-3-

15、415設(shè)：兩信號相關(guān)的條件為設(shè)：兩信號相關(guān)的條件為 4OCBOODAO在在 時有時有dr 1經(jīng)化減后得到相關(guān)的條件為經(jīng)化減后得到相關(guān)的條件為 4212122122222122121HrHrHHrrrrd當(dāng)當(dāng) ，即海深較大時，上式簡化成，即海深較大時，上式簡化成 Hr 14221Hrrd42HdL2211212HrHdrBOAO2222212HrHdrODOC2022-3-416o 時間相關(guān)測速時間相關(guān)測速 n 由原理知速度由原理知速度 ，n 相關(guān)測速的關(guān)鍵是：相關(guān)測速的關(guān)鍵是：固定固定d，求相關(guān)時延，求相關(guān)時延o 空間相關(guān)測速空間相關(guān)測速 n 空間相關(guān)是固定時延，求兩陣元的間距空間相關(guān)是固定時

16、延，求兩陣元的間距d，使相關(guān)，使相關(guān)系數(shù)最大。系數(shù)最大。2dv 2022-3-417o 時間相關(guān)測速時間相關(guān)測速 n 時間相關(guān)：時間相關(guān)：固定接收器間距，尋找使兩接收器接收信固定接收器間距，尋找使兩接收器接收信號相關(guān)值最大時兩個信號的時延號相關(guān)值最大時兩個信號的時延。n 方法方法1：直接利用相關(guān)函數(shù)求（相關(guān)）時延：直接利用相關(guān)函數(shù)求（相關(guān)）時延o 設(shè)兩接收器設(shè)兩接收器R1和和R2接收的信號包絡(luò)分別為接收的信號包絡(luò)分別為x1(t)和和x2(t)，其其時間互相關(guān)函數(shù)為時間互相關(guān)函數(shù)為o 逐點改變時延逐點改變時延 ，當(dāng)，當(dāng)R()達到最大值時達到最大值時, 即即= 0 ，o 求速度求速度dttxtxT

17、RT02112)()(1)(02dv 2dv 2022-3-418o 時間相關(guān)測速時間相關(guān)測速 n 方法方法1：直接利用相關(guān)函數(shù)求（相關(guān)）時延：直接利用相關(guān)函數(shù)求（相關(guān)）時延o 這種方法的缺點：對這種方法的缺點：對的搜索，運算量較大。而且為保證足的搜索，運算量較大。而且為保證足夠的測速精度，必須量化得足夠精細。夠的測速精度，必須量化得足夠精細。 兩個接收器接收兩個接收器接收 的信號包絡(luò)的信號包絡(luò)兩接收器接收信號的包絡(luò)及相關(guān)系數(shù)兩接收器接收信號的包絡(luò)及相關(guān)系數(shù) 2022-3-419o 時間相關(guān)測速時間相關(guān)測速 n 方法方法2：利用多普勒頻偏、功率譜和相關(guān)函數(shù)求：利用多普勒頻偏、功率譜和相關(guān)函數(shù)求

18、（相關(guān)）時延（相關(guān)）時延o 思路：思路：將兩個接收器的接收信號的將兩個接收器的接收信號的互相關(guān)互相關(guān)換成換成自相關(guān)自相關(guān)來求來求解相關(guān)峰的寬度，其寬度對應(yīng)于兩個信號相同的一段信號解相關(guān)峰的寬度，其寬度對應(yīng)于兩個信號相同的一段信號的時間差。的時間差。o 用自相關(guān)函數(shù)代替互相關(guān)函數(shù)的條件是：用自相關(guān)函數(shù)代替互相關(guān)函數(shù)的條件是：兩接收器信號包兩接收器信號包絡(luò)相同，只差一個時間絡(luò)相同，只差一個時間0 。o 方法：方法：利用包絡(luò)的功率譜帶寬與多普勒頻率擴展和相關(guān)函利用包絡(luò)的功率譜帶寬與多普勒頻率擴展和相關(guān)函數(shù)參數(shù)寬度之間的關(guān)系求解相關(guān)時延。數(shù)參數(shù)寬度之間的關(guān)系求解相關(guān)時延。2022-3-420o 時間相

19、關(guān)測速時間相關(guān)測速 n 方法方法2：利用多普勒頻偏、功率譜和相關(guān)函數(shù)求：利用多普勒頻偏、功率譜和相關(guān)函數(shù)求（相關(guān)）時延（相關(guān)）時延o 當(dāng)載體以當(dāng)載體以vx水平速度運動時，由于發(fā)射波束有一定寬度，水平速度運動時，由于發(fā)射波束有一定寬度，非垂直聲線的回波將產(chǎn)生多普勒頻移，結(jié)果使接收信號產(chǎn)非垂直聲線的回波將產(chǎn)生多普勒頻移，結(jié)果使接收信號產(chǎn)生頻率擴展。生頻率擴展。 o 設(shè)發(fā)射波束寬度為設(shè)發(fā)射波束寬度為，則頻率擴展為，則頻率擴展為o 歸一化功率譜為歸一化功率譜為 TxTxfcvfcvf2sin222exp)(ffS20時，時，sin和和相相差不到差不到1.5%。可?？梢杂靡杂胹in= =/2在束寬不大在

20、束寬不大的情況下，的情況下，回波的包絡(luò)回波的包絡(luò)譜可認為具譜可認為具有高斯函數(shù)有高斯函數(shù)形狀，因此形狀，因此 為常數(shù)，為常數(shù)，與信號帶與信號帶寬有關(guān)。寬有關(guān)。2022-3-421o 信號帶寬與參數(shù)信號帶寬與參數(shù)的關(guān)系的關(guān)系o 相關(guān)峰寬度相關(guān)峰寬度: :xvD2回波包絡(luò)功率譜回波包絡(luò)功率譜 回波的自相關(guān)函數(shù)回波的自相關(guān)函數(shù)cfvfTx222Txfvc2TDfcD/f21相關(guān)函數(shù)寬度與多普勒相關(guān)函數(shù)寬度與多普勒頻移擴展的關(guān)系頻移擴展的關(guān)系 222/1exp)(fefS多普勒頻率擴多普勒頻率擴展與包絡(luò)譜的展與包絡(luò)譜的帶寬相等。帶寬相等。)exp()(2R)21exp()0()(RR2022-3-42

21、2o 空間相關(guān)測速空間相關(guān)測速 n 方法：用多個接收陣元接收，將某一參考基元的信號方法：用多個接收陣元接收，將某一參考基元的信號經(jīng)一固定時延經(jīng)一固定時延t0后，輪流與其他基元信號求相關(guān)，找后，輪流與其他基元信號求相關(guān)，找出使相關(guān)值達到最大時對應(yīng)的接收器間距出使相關(guān)值達到最大時對應(yīng)的接收器間距d d。n 相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)o 設(shè)第設(shè)第i個接收器在個接收器在n時刻接收的信號為時刻接收的信號為xi,n，則第，則第i個與第個與第j個個(ij)接收器信號的空間相關(guān)系數(shù)為接收器信號的空間相關(guān)系數(shù)為,1,1222,11()()()() )Ni n hij njni jNNi n hij njnnxmxmxmx

22、m空間相關(guān)是固定時延空間相關(guān)是固定時延，求兩陣元的間距求兩陣元的間距d，使相，使相關(guān)系數(shù)最大。關(guān)系數(shù)最大。h為固定時延節(jié)數(shù)，即為固定時延節(jié)數(shù)，即 ，Ts為采樣間隔。為采樣間隔。mi和和mj分別為第分別為第i與第與第j個接收信號的個接收信號的N個樣本個樣本的平的平均值。均值。ShTt 02022-3-423o 空間相關(guān)測速空間相關(guān)測速 n 空間相關(guān)的不足空間相關(guān)的不足o 得到的相關(guān)系數(shù)只是空間相關(guān)系數(shù)的有限采樣點，因此必得到的相關(guān)系數(shù)只是空間相關(guān)系數(shù)的有限采樣點，因此必須采用內(nèi)插法。須采用內(nèi)插法。才能得到其對應(yīng)的間距估值才能得到其對應(yīng)的間距估值 。 o 內(nèi)插的結(jié)果直接影響著空間相關(guān)測速的精度。內(nèi)

23、插的結(jié)果直接影響著空間相關(guān)測速的精度。 o 可采取得措施，不均勻間隔的接收器排列?？刹扇〉么胧痪鶆蜷g隔的接收器排列。ddd2d4d8d2d 3d 4dd2d3d4d6d7d8d12d14d15d注意：是對注意：是對空間采樣點空間采樣點進行內(nèi)插進行內(nèi)插2022-3-424o 空間相關(guān)測速空間相關(guān)測速 n 空間相關(guān)函數(shù)的寬度空間相關(guān)函數(shù)的寬度(相關(guān)峰寬度相關(guān)峰寬度)o 設(shè)發(fā)射換能器長為設(shè)發(fā)射換能器長為D，束寬，束寬 ，則被照射海底的長度，則被照射海底的長度為為 （H為海深）。為海深）。 o 海底等效反射陣長為海底等效反射陣長為L，等效的，等效的束寬為束寬為 o 在相關(guān)計程儀接收點的水平跨度為在

24、相關(guān)計程儀接收點的水平跨度為 o 因此，空間相關(guān)函數(shù)的寬度近似等于發(fā)射換能器的尺寸。因此，空間相關(guān)函數(shù)的寬度近似等于發(fā)射換能器的尺寸。n 空間相關(guān)的優(yōu)點空間相關(guān)的優(yōu)點 o 空間相關(guān)計程儀的空間相關(guān)函數(shù)與船速無關(guān)，空間相關(guān)計程儀的空間相關(guān)函數(shù)與船速無關(guān)，而時間相關(guān)而時間相關(guān)函數(shù)的寬度與速度成反比。因此空間相關(guān)計程儀函數(shù)的寬度與速度成反比。因此空間相關(guān)計程儀可以測量可以測量較低的船速較低的船速，與時間相關(guān)計程儀相比，更具優(yōu)越性。，與時間相關(guān)計程儀相比，更具優(yōu)越性。DHDLHDHD/DH 2022-3-425n 時間相關(guān)函數(shù)的缺點時間相關(guān)函數(shù)的缺點o 相關(guān)峰寬度相關(guān)峰寬度: :o 相關(guān)測速從本質(zhì)上說

25、仍是利用了多普勒效應(yīng)。如果沒有速度相關(guān)測速從本質(zhì)上說仍是利用了多普勒效應(yīng)。如果沒有速度就不存在多普勒頻移。因此時間相關(guān)計程儀無法測出零速度。就不存在多普勒頻移。因此時間相關(guān)計程儀無法測出零速度。n 空間相關(guān)的優(yōu)點空間相關(guān)的優(yōu)點 o 空間相關(guān)計程儀的空間相關(guān)函數(shù)與船速無關(guān)，空間相關(guān)計程儀的空間相關(guān)函數(shù)與船速無關(guān)，而時間相關(guān)函而時間相關(guān)函數(shù)的寬度與速度成反比。因此空間相關(guān)計程儀數(shù)的寬度與速度成反比。因此空間相關(guān)計程儀可以測量較低可以測量較低的船速的船速，與時間相關(guān)計程儀相比，更具優(yōu)越性。，與時間相關(guān)計程儀相比，更具優(yōu)越性。xvD22022-3-426o 時間相關(guān)測速和空間相關(guān)測速的比較時間相關(guān)測速

26、和空間相關(guān)測速的比較比較項目比較項目空間相關(guān)測速空間相關(guān)測速時間相關(guān)測速時間相關(guān)測速工作原理工作原理通過相關(guān)測位移通過相關(guān)測位移d通過相關(guān)測時延通過相關(guān)測時延各軸的接收器數(shù)各軸的接收器數(shù)大于大于22接收器尺寸接收器尺寸遠小于發(fā)射器遠小于發(fā)射器小于發(fā)射器小于發(fā)射器相關(guān)函數(shù)的分辨力相關(guān)函數(shù)的分辨力 取決于接收器個數(shù)取決于接收器個數(shù)取決于采樣頻率取決于采樣頻率相關(guān)函數(shù)的寬度相關(guān)函數(shù)的寬度等于發(fā)射器尺寸，等于發(fā)射器尺寸，與速度無關(guān)與速度無關(guān)(可低速可低速)與速度成反比與速度成反比（低速精度不高）（低速精度不高）相關(guān)峰的偏移相關(guān)峰的偏移取決于速度取決于速度與速度成反比與速度成反比xvD2DH 2022-

27、3-427o 本節(jié)的研究目的：本節(jié)的研究目的：n 通過混響強度的估算通過混響強度的估算回波聲級回波聲級利用聲納方程利用聲納方程估算系統(tǒng)的作用距離。估算系統(tǒng)的作用距離。o 混響與干擾的關(guān)系混響與干擾的關(guān)系 n 對海底跟蹤：對海底跟蹤：海底混響是信號，體積混響是干擾海底混響是信號，體積混響是干擾n 對海水跟蹤：對海水跟蹤：體積混響是信號體積混響是信號2022-3-4281 1、海底回波、海底回波o 回波聲級（引入海底混響等效目標(biāo)強度）回波聲級（引入海底混響等效目標(biāo)強度）ASTLSLELbblog102發(fā)射聲源級發(fā)射聲源級雙程傳播損失雙程傳播損失HHTLlog20H H 海深，單位海深，單位m m海

28、水吸收系數(shù)海水吸收系數(shù) /km海底散射系數(shù)：海底散射系數(shù)：與入射角和反射與入射角和反射角有關(guān)的角有關(guān)的散射面積散射面積 ASHHSLELbblog10)log20(22022-3-429o海底混響回波聲級海底混響回波聲級o海底等效目標(biāo)強度海底等效目標(biāo)強度o散射系數(shù)和混響面積散射系數(shù)和混響面積n 不考慮脈沖展寬不考慮脈沖展寬 n 海底等效目標(biāo)強度海底等效目標(biāo)強度n 考慮脈沖展寬考慮脈沖展寬o 脈沖的額外展寬為脈沖的額外展寬為 o 要求發(fā)射脈寬滿足要求發(fā)射脈寬滿足ASTLSLELbblog102cH/12sec2min2tanlog1022HSTSbbmin)2/tan( HrASTSbblog1

29、02tan222HrA2022-3-430o 海底混響回波聲級海底混響回波聲級o 海底等效目標(biāo)強度海底等效目標(biāo)強度o 混響面積和散射系數(shù)混響面積和散射系數(shù)n 不考慮脈沖展寬不考慮脈沖展寬o 被照射的海底區(qū)域面積為被照射的海底區(qū)域面積為n 考慮脈沖展寬考慮脈沖展寬o 脈沖的額外展寬為脈沖的額外展寬為o 發(fā)射脈寬應(yīng)滿足發(fā)射脈寬應(yīng)滿足 n 當(dāng)海底有傾斜時當(dāng)海底有傾斜時 o 被照射的海底區(qū)域面積為被照射的海底區(qū)域面積為 ASTLSLELbblog102cH/12sec2mininHAcos2/tan22min2tan222HrAASTSbblog10展寬展寬壓縮壓縮2022-3-431o 回波聲級（引

30、入海底混響等效目標(biāo)強度）回波聲級（引入海底混響等效目標(biāo)強度）o 等效目標(biāo)強度等效目標(biāo)強度o 混響面積和散射系數(shù)混響面積和散射系數(shù)n 混響面積混響面積n 反向散射系數(shù)反向散射系數(shù) o 單位面積下的散射強度和入射強度之比單位面積下的散射強度和入射強度之比,正比于入射角正比于入射角和反射角和反射角 的余弦，即的余弦，即o 當(dāng)收發(fā)換能器間距較小時有當(dāng)收發(fā)換能器間距較小時有o 反向散射系數(shù)為反向散射系數(shù)為 ASTLSLELbblog102ASTSbblog10inscscininscIAIcoscosinscinininbS22coslog10log10coslog10)(inHAcos2/tan22i

31、nSCbAIISlog10根據(jù)粗糙表根據(jù)粗糙表面面Lambert反射定律反射定律 2022-3-432o 回波聲級（引入海底混響等效目標(biāo)強度）回波聲級（引入海底混響等效目標(biāo)強度）o 等效目標(biāo)強度等效目標(biāo)強度o 散射系數(shù)和混響面積散射系數(shù)和混響面積n 混響面積混響面積n 反向散射系數(shù)反向散射系數(shù) n 海底混響回波聲級海底混響回波聲級o 結(jié)論：海底回波聲級反比于深度的平方結(jié)論：海底回波聲級反比于深度的平方o 近似公式近似公式ASTLSLELbblog102ASTSbblog10inHAcos2/tan22ininbS2coslog10log10)(inbbSHHSLELcoslog102tanlo

32、g10)0(2log402HSHSLELbb2)2log(20Sb2022-3-433o 體積混響回波聲級體積混響回波聲級o 等效體積混響目標(biāo)強度等效體積混響目標(biāo)強度o 體積散射系數(shù)和混響體積體積散射系數(shù)和混響體積n 體積散射系數(shù)體積散射系數(shù)o 1m3混響體積的散射強度與水體中入射平面波強度之比的混響體積的散射強度與水體中入射平面波強度之比的對數(shù)（參考距離為沿入射軸返回對數(shù)（參考距離為沿入射軸返回1m） revvVvVSHHSLTSTLSLELlog10)log20(22revvvVSTSlog10inscvIISlog102022-3-434o 體積混響回波聲級體積混響回波聲級o 等效體積混

33、響目標(biāo)強度等效體積混響目標(biāo)強度o 體積散射系數(shù)體積散射系數(shù)o 混響體積（用立體角混響體積（用立體角表示表示 ）n 圓錐體的體積圓錐體的體積n 兩個圓錐體構(gòu)成的截錐體的體積兩個圓錐體構(gòu)成的截錐體的體積 revvvVSTSlog10inscvIISlog1033HVcone3323HcHVrev3323log10HcHSTSvv有貢獻的體積有貢獻的體積是厚度為是厚度為c/2的截錐體的截錐體 立體角定義為：半徑為立體角定義為：半徑為1的球面的球面被圓錐截得的面積。被圓錐截得的面積。球面的面積球面的面積4H2。立體角最大為立體角最大為4。revvVvVSHHSLTSTLSLELlog10)log20(

34、222022-3-435n 立體角立體角n 園臺面積園臺面積o 用積分的方法可推得圓臺面積用積分的方法可推得圓臺面積 n 立體角與波束寬度立體角與波束寬度的關(guān)系的關(guān)系n 體積混響的目標(biāo)強度體積混響的目標(biāo)強度 2HSA圓臺面積立題角HhHAs22cos1222cos123323log10HcHSTSvv3322cos132log10HcHSTSvv2022-3-4362HAso 體積混響回波聲級體積混響回波聲級o 等效體積混響目標(biāo)強度等效體積混響目標(biāo)強度o 體積散射系數(shù)和混響體積體積散射系數(shù)和混響體積n 體積散射系數(shù)體積散射系數(shù)n 半徑為半徑為H的圓臺面積的圓臺面積 n 混響體積的簡化計算混響體

35、積的簡化計算revvVvVSHHSLTSTLSLELlog10)log20(22revvvVSTSlog10inscvIISlog102cos1222HHhAs3323HcHVrev2cos12221222ccosHcAVsrev2022-3-437o 時間相關(guān)計程儀接收器的間距時間相關(guān)計程儀接收器的間距1）由相關(guān)峰寬度測量誤差和速度測量誤差確定接收器的最小間隔）由相關(guān)峰寬度測量誤差和速度測量誤差確定接收器的最小間隔 由由 代入上式有代入上式有2）由遠場條件確定接收器的最大間隔）由遠場條件確定接收器的最大間隔 由遠場條件，有由遠場條件，有 即兩接收器最大間距應(yīng)滿足的條件為即兩接收器最大間距應(yīng)滿足的條件為 在深度在深度 有有 因此有兩接收器最大間距應(yīng)滿足的條件為因此有兩接收器最大間距應(yīng)滿足的條件為xxvdvD22Dd TfcDTfcdTfcHdL442LHd42dd