声呐水声学(8)

目标反射和舰船辐射噪声
水下目标反射在主动声呐探测中，目标反射特性与发射信号波形一起构成信号源的特性。在声呐方程中，用目标强度这一参量来描写目标反射能力，目标强度的定义是将距离目标的“声学中心”1m处由目标反射回来的声强与在同一方向上由远处入射的声强之比，取分贝(dB)表示。潜艇、鱼雷、水雷或鱼等海洋生物等复杂结构的水下目标的反射声的形成过程是多种的，主要有：①镜反射；②表面上有规则性的散射，不规则性就是曲率半径小于波长的棱角、边缘等；③声透入目标内部，引起内反射声波；④共振效应，某些入射波频率和方位可以激起目标不同的振动模式，往往会提高目标强度。水下目标的反射声与入射声相比，经常具有如下特征：①多普勒频移；②脉冲声信号的持续时间拉长；③回声包络的不规则性；④调制效应，舰船的螺旋桨可调制尾部方向的反射声，同时，船壳和尾流的所合成的回声包络，由于两者频率不同会出现拍频或振幅变化。
对于像潜艇这样形状和结构都非常复杂的反射体，在理论上计算目标强度是非常困难的，虽然作了大量实测研究，但到为止，仍有许多问题有待深入。表2列出了一些目标强度的一般估计值，但对具体情况的实际测量值可能会有相当大的变化。
舰船辐射噪声
是被动声呐的信号源，并利用其特性从自噪声或海洋环境噪声背景上把它区分出来。在声呐方程中引入辐射噪声的声源级来描写辐射噪声的强弱，它定义为在声轴上距声学中心1m处的声强与参考强度之比的分贝数。舰船、潜艇和鱼雷的噪声源可分为三大类：①机械噪声，②螺旋桨噪声，③水动力噪声。在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的辐射噪声。这两种噪声中哪一种更重要取决于频率、航速和深度。但在特殊情况下，如在结构部件或空腔被激励成线谱噪声源时，水动力噪声有可能成为主要噪声源。 ① 机械噪声。主机、辅机、空调设备等机械引起的噪声，它们可以看成是强线谱和弱连续谱的叠加。
②螺旋桨噪声。主要由螺旋桨的空化噪声和水流通过螺旋桨产生单频噪声分量所组成。空化噪声谱是连的，并存在一个峰，对舰船、潜艇，这个峰值通常在100～1000Hz范围内。空化噪声的正横方向明显大于船首尾方向。单频噪声分量包括频率较高的叶片共振(千赫范围)和频率较低的“叶片速率”线谱。 舰船辐射噪声是一种随机信号，包括有连续谱、线谱以及有规调制的动态谱，因而在频率域－时间域上表现出的特征有：谱、音色、节奏等。
主要任务
信号处理的主要任务是：在背景干扰情况下，对水声场时空抽样，进行空间和时间变换，以提高检测所需信号的能力。 在20世纪50年代初，随着信息论、信号检测理论、计算技术和水声学其他分支的发展，水声信号处理的技术和理论也迅速发展，到60年代初，水声信号处理方面已掌握了谱分析、相关、匹配滤波器、多波束形成等多种技术。
随着电子计算机的迅速发展，水声信号处理有下列方面的进展：
①数字技术、自适应控制等成功地用于波束形成，使空间处理进入了一个新的阶段──多波束接收日益完善并能与环境干扰场自适应匹配。由单纯的空间处理走向时空最佳处理。
②考虑到水声传输信道的随时间、空间变化的随机特性，造成了在时间和频率上的弥散，已致力于解决与信道匹配接收的问题。
③目标识别取得突破性进展，开始走上实用阶段。④出现了机助目标检测跟踪和参量估值，并向自动检测方向发展。
时空最佳处理就是要最大限度地利用空间和时间两方面的信息，亦即信号和背景噪声在空间分布上的差异和时间或谱特征上的差异：
在空间方面，常规处理只利用了信号从某一方向来的信息（通过时延匹配，进行同相叠加），而最佳时空处理则还利用了噪声场的空间相关性质，它比常规处理多一个空间预白滤波器，其作用是利用噪声相关性来实现“噪声抵消”，尽可能地消除各路噪声之间的空间相关和削弱噪声功率。