第1章 绪论
　　海洋是地球上的蓝色宝石。人们曾预言 21世纪的人类将更多地依靠海洋资源，更多地从海洋中获取食物、能源和矿产，并从海洋中探索地球的奥秘。
　　自从人们认识到声波是海洋中传播*远的物理场，声波就成为研究和探索海洋的主要工具。现在，随着海洋开发事业的发展和军事上的需要，水声技术成为高技术领域中的一枝新秀。水声技术已经被广泛应用到导航、水下观察、水下通信、渔业、海洋开发、海底资源调查和海洋物理研究等方面 [1]，尤其是在军事方面，水声技术是水下目标感知和海洋资源开发与利用的关键技术。目前，世界各大国竞相发展水声技术。
　　尽管声学有悠久的历史，但水声学是年轻的近代科学。 1826年，J. D. Colladon
　　（科拉顿）和 J. C. F. Sturm（施图姆）在 Geneva（日内瓦）湖*次巧妙地测量了水中声波的传播速度，迄今只有近两个世纪的历史。起初，水声技术引起人们注意是由于军事上的需要。第一次世界大战（ 1914～1918年）中德国水下潜器使协约国损失了舰船总数量的三分之一，人们才开始关注研究利用声波来探测水下目标。 1916～1918年，著名的法国物理学家 Langevin（朗之万）和俄国工程师 Chilowski
　　（奇洛夫斯基）研制了主动式声呐装置，成功地接收到 1500m以外水下目标的回声。但是，声呐在**次世界大战中并未得到应用。而后，由于电子技术和电声换能器的发展，声呐技术才步入应用阶段。第二次世界大战期间，水声设备已趋完善，在水下作战中起到了重大作用。然而，水声技术的飞速发展却是在第二次世界大战以后，低频、大功率、大基阵成为当时声呐技术发展的趋势，特别是对表面声道、海底反射声、深海声道和声会聚区效应等传播方式的成熟的研究，更使得声呐的作用距离在 20世纪 60年代初提高了一个数量级。 20世纪 50年代初，人们在雷达技术中成功地使用了匹配滤波技术，从而使它的作用距离得到了飞跃，刺激了人们在此后的 20年中在声呐技术上应用匹配滤波技术。事实上，这却没有得到雷达技术领域中一样的好效果。这使得人们进一步意识到水声信道是远比雷达信道复杂的信道，因而声信道理论在 1965年开始受到关注 [2]。水声技术人员能够利用低频大基阵和高速计算机实时获取海洋声信道信息并实时进行自适应处理的声呐系统，这已成为当今声呐技术发展的新潮流。
　　声呐发射换能器基阵或发声源发出携带信息的声波，通过海洋到达声呐接收水听器基阵，声呐系统对所接收的信号进行处理，从而做出判决，确定是否存在目标及目标的状态参数、目标的种类，或者恢复目标发出的源信息，这就是声呐系统工作的全过程。从通信论的观点来看，海洋就是声信道。理想的信道能无畸变地传递信息，但海洋不是理想的，而是复杂多变的。只有充分认识到海洋声信道对声呐系统的限制，人们才能逐步使声呐系统与海洋环境相适配，以便获得较好的探测效果和识别能力。海洋声信道不但对目标辐射信号进行能量变换，而且进行信息变换。相干多途到达的信号将使接收信号波形产生畸变而显著区别于源辐射波形。海洋声信道是随机时变、空变的，因而更为复杂，在传输过程中，信息不但受到变换而且造成损失。声信道理论将研究信道对信息进行的各种变换以及声呐系统如何与声信道相适配的问题。
　　1.1 机械振动
　　常言“振动发声”，其意为声波源于振动，声波是振动在介质中的传播。所谓振动，是指质点围绕着平衡点的往复运动。一个实际的振动系统往往是很复杂的，如何来研究它呢？物理学家认为，没有模型就没有科学，研究任何实际的物理问题都需要抽象成物理模型。任何有价值的物理模型都必须具有两个特点：一是要尽可能简单，以便能用尽可能简便的数学工具来分析；二是它必须是真实物理问题的拷贝，即它必须包括实际问题的主要矛盾。模型的正确性必须用实验来验证，模型也只有在一定条件下才是正确的、有价值的。任何振动系统在足够窄的频带内都可以抽象成简单“单自由度质点振动系统”的振动模型来研究。本节研究这一简单的振动模型的目的在于阐明振动的基本概念。
　　图 1-1（a）是单自由度振动系统的示意图。弹簧 D下面挂了一个钢球 m，弹簧为弹性元件，钢球为质量元件。取钢球的平衡位置为坐标轴 x的原点。若由于某种原因，钢球有一个初始的位移，则激发振动，即钢球将围绕平衡位置做往复运动。图 1-1（b）是水声换能器的结构示意图，它可以抽象成单自由度振动系统模型来研究，图中的字符表示相应作用的等效元件。
　　图1-1 单自由度振动系统和水声换能器结构示意图
　　钢球偏离平衡位置有位移 x时，弹簧被压缩或拉伸。弹簧所产生并作用于钢球的弹性力为 f，它的大小与位移大小成正比，方向与位移方向相反，即
　　（1-1）
　　式（1-1）中的比例常数 D称为弹性系数，它的倒数称为柔顺系数 CM：
　　（1-2）
　　忽略弹簧的质量和重力的影响，根据牛顿第二定律，可以得到钢球的运动方程为
　　（1-3）
　　（1-4）
　　式中，m为钢球的质量； 为振动系统的角谐振频率。微分方程（1-3）的解为
　　（1-5）
　　式中， C为振幅；为初相位。
　　可见，钢球在谐和振动时，钢球围绕着平衡位置按正弦或余弦的规律做往复运动。对熟悉电振荡理论的读者来说，引进机电类比的概念是十分有用的。单自由度振动系统和单谐振回路具有相同形式的微分方程，因此尽管它们的物理性质不同，但是表征机械振动和电振荡的特征量具有相同的函数形式，它们遵循的数学关系式是相同的，因而它们是可以类比的。机电类比关系图如图 1-2所示［图 1-2（a）中的 x(t)为位移］。
　　图 1-2 机电类比关系图
　　1.2声波的基本概念
　　为了让初学者更好地理解本书内容，本节将讨论声波的基本概念，叙述力求通俗。
　　在介质中传播的振动叫作声波。振动源就是声源。*简单的声源是均匀脉动球，该球面上各点做谐和振动，各点振速大小相同，相位一致，振速的方向指向辐射方向，即振速方向与球面相垂直。介质受到声源振动的扰动，介质中各点也必然做谐和振动，各点处的介质被压缩或拉伸（稀疏）。介质受压产生超压叫作声压。振动状态在介质中的传播速度称为声速。对谐和声波来说，可用相位来表征振动的状态，若设无限小的均匀脉动球面上的振速为
　　（1-6）
　　考虑到声源和介质都是球对称的，不难理解声波也应该是球对称的。距离声源 r处的介质质点将滞后时间 r/c重复声源在 t时刻的振动状态，c为声波在介质中的传
　　播速度，因而距离声源 r处的振速可写为
　　（1-7）
　　式中，表征声波的振幅随着距离 r的变化规律；因子表征介质质点. c.
　　振动的相位，等相位面称为波阵面。式（1-7）表示的波阵面是球面。对于给定 r的球面上各点具有相同的振动相位，即具有相同的振动状态。波阵面的传播速度即为声波的相速度，简称为声速。
　　众所周知，在讨论光的传播现象时，有光的射线理论和光的波动理论两种。其中，光的射线理论认为光的能量是沿着光线传播的，在均匀介质中光线是直线。下面简要地叙述声传播的射线理论。该理论认为：声能沿着声线传播，声线与波阵面相垂直，一系列的声线组成声束管，从声源发出的声能在无损耗介质中沿着声束管传播，其总能量保持不变，因而声强度与声束管截面积成反比。
　　现在我们用射线理论来考察脉动球的声场。前面已说明了脉动球声场的波阵面是一系列的同心球面。声线即为一系列由声源发出的辐射线，它们与波阵面相垂直，见图 1-3。因而声束管的截面积随距离 r增加按其平方规律增加，声强度按其平方规律减小。波阵面的扩展导致的声强度减小被称为“几何损失”，上述规律称为球面波衰减规律。由于声强度和距离平方成反比，故振速和距离成反比，于是式（1-7）可以改写为
　　式中， A为常数，它取决于声源的功率。
　　描写谐和声场中某一点声振动的物理量有声压、振速和声功率，描写声振动的参数有频率、振幅和相位。
　　图 1-3 脉动球声线和波阵面
　　波阵面为平面的声波称为平面波，波阵面为球面的声波称为球面波。表 1-1列出它们基本物理量的关系式。
　　表1-1 平面波、球面波基本物理量的关系式
　　表 1-1中 A、B为常数，取决于声源的功率，、c分别为介质密度和声速。
　　（1-9）
　　式中，k为波数； 为波长；f为声波的频率。
　　声压的单位如下：
　　声强的单位为瓦米2(W/m )。
　　在空气中，人类对 1000Hz纯音的闻阈（可听级）约为，通常在室内高声谈话时的声压为 0.1Pa左右。在水中，水声设备接收的弱信号其声压在 0.1Pa左右。1lb（1lb=0.453592kg）的三硝基甲苯（ trinitrotoluene， TNT）炸药，在水下爆炸时，100m处的声压峰值约为 210 Pa。在空气中， 1Pa的声压对应的振速约为，在水中对应的振速约为。
　　对于空气，，声波阻抗 ；对于水，，声波阻抗
　　在声学中常用声级表示声强或声压的大小，其定义为
　　（1-10）
　　式中， P、 I0 分别为参考声压和参考声强。在空气声学中 P0为可听级，即 P0 210.05 Pa ；在水声学中，按目前的国际标准取 P0 .1μPa 。因此，在水中 0.1Pa的声压，可认为该点的声级为 100dB。历史上曾取 P0 .1μbar ，许多文献的资料均取此参考声压，读者应特别予以注意。除特别说明外，本书中一律以当今国际标准为准。

目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1机械振动 2
1.2声波的基本概念 4
1.3声学欧姆定律 7
1.4单基地声呐系统及声信道模型 8
1.5多基地声呐系统及声信道模型 11
参考文献 12
第2章 水声信道影响要素 13
2.1发声源 13
2.1.1主动声源 13
2.1.2被动声源 14
2.2传播方式与传播损失 17
2.2.1声速梯度 17
2.2.2声能的损失 18
2.2.3界面的反射损失 20
2.2.4分层介质的射线声学 21
2.3目标强度 22
2.4水下噪声场 24
2.5声呐基阵空间增益 26
参考文献 29
第3章 水声信道基础 30
3.1平均能量信道 30
3.1.1等梯度水声信道 30
3.1.2负梯度水声信道 31
3.1.3表面声道 31
3.1.4深海声道 32
3.1.5浅海中的声能损失 34
3.2相干多途信道 35
3.2.1相干多途信道的系统函数 35
3.2.2相关器和匹配滤波器 36
3.2.3相干多途信道中的互相关 38
3.3随机时变空变信道 40
3.3.1线性时变信道的系统函数 41
3.3.2随机时变信道的系统函数 42
3.3.3 WSSUS信道的定义 42
3.3.4 WSSUS信道的散射函数和相干函数 44
3.4缓慢时变相干多途信道 45
3.5混响信道 46
3.5.1平均混响强度 46
3.5.2混响的频率扩展特性 47
3.5.3基于混响统计特性的抗混响方法 48
参考文献 48
第4章 双/多基地水声信道 49
4.1 双/多基地声呐系统概况 49
4.2多基地声呐探测模型 50
4.2.1单基地声呐探测概率模型 50
4.2.2多基地声呐探测概率模型 52
4.2.3多基地声呐探测范围 54
4.3 双/多基地水声信道特性 56
4.4平均能量信道中的多基地声呐覆盖范围 58
4.4.1探测概率特性*线 58
4.4.2多基地声呐覆盖范围定义 61
4.4.3算例分析 62
4.5直达波效应 65
4.5.1双基地直达波效应 65
4.5.2多基地直达波效应 67
4.6多基地友邻干扰 74
4.7 双/多基地目标信道 74
4.8 双/多基地混响信道 76
4.8.1 双/多基地混响模型 76
4.8.2 单/双基地混响特性对比 79
参考文献 84
第5章 双/多基地水声信道时域复用技术 85
5.1时分警戒椭圆环 85
5.1.1直达波干扰时隙分析 85
5.1.2双基地声呐警戒环 86
5.1.3多基地声呐警戒环 88
5.2基于时域复用的多基地声呐参数设计 90
5.2.1累计有效探测次数昀大化 90
5.2.2警戒区域昀大化 97 参考文献 100
第6章 双/多基地水声信道码域复用技术 101
6.1多源分辨信号选取原则与特性分析 101
6.2多基地空时码探测信号设计 102
6.2.1多基地声呐空时码探测信号设计 102
6.2.2多基地声呐空时码时反镜相关探测 103
6.2.3算例分析 107
6.3多基地低截获信号设计 110
6.3.1 Costas编码信号 111
6.3.2多基地声呐正交 Costas编码信号 113
6.3.3多基地声呐正交 Costas编码调制信号 114
6.3.4多基地声呐双正交编码信号 115
6.4类生物多源分辨信号设计 120
6.4.1海洋哺乳动物叫声信号特征分析 121
6.4.2基于时频特征提取的类生物多源分辨信号建模 125
6.4.3基于稀疏表示的类生物多源分辨信号建模 129
6.5多基地目标回波信号辨识技术 135
6.5.1基于匹配滤波技术的多基地目标回波信号辨识技术 135
6.5.2基于解卷积模型的多基地目标回波信号辨识技术 137
参考文献 140
第7章 双/多基地水声信道空域复用技术 141
7.1直达波干扰模型 141
7.2旁瓣直达波干扰抑制方法 143
7.3主瓣直达波干扰抑制方法 146
7.4同向直达波干扰抑制方法 149
7.4.1发射声屏蔽 149
7.4.2发射声屏蔽抑制同向直达波性能分析 154
参考文献 163
索引 164
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