內容簡介
《聲吶性能建模原理》討論了檢測機率等聲吶性能的定量預計方法，需要用到水聲學、聲學海洋學、聲吶信號處理和統計檢測理論等眾多不同領域的相關知識和方法。《聲吶性能建模原理》為聲吶性能模型的開發者和使用者量身定做，全書始終按統一的定義、標記法和方法論，提供關於這些學科領域的期待已久的現代處理方法。套用部分則包括了被動和主動聲吶，以及多種水下感測系統和聲威懾設備。
目錄
第一篇 基礎篇
第 1 章概述3
1.1什麼是聲吶3
1.2用途、範圍和預期讀者群4
1.3結構6
1.3.1第一篇: 基礎篇 (第1~ 3 章)6
1.3.2第二篇: 四大支柱領域 (第 4~ 7 章)6
1.3.3第三篇: 套用篇 (第 8~ 11 章)7
1.3.4附錄7
1.4聲吶簡史7
1.4.1聲吶概念的提出和聲吶的誕生 (hskip 1emrelax ---1918 年)8
1.4.1.1創造性的發現8
1.4.1.2坦泰尼克號事件和菲森登振盪器9
1.4.1.3WW1: 強烈需求10
1.4.1.4被動聲吶的起源13
1.4.2聲吶的幼年時期 (1918---1939 年)16
1.4.2.1測深儀和魚探儀16
1.4.2.2國家研究實驗室16
1.4.2.3溫度和 ``下午效應''17
1.4.3聲吶的成年時期 (1939---hskip 1emrelax )17
1.4.3.1WW2: 偉大的覺醒17
1.4.3.2德國的被動聲吶18
1.4.3.3海水的異常吸收18
1.4.3.4SOFAR、SOSUS 和羅斯威爾事件20
1.4.3.5檢測理論和處理技術的進展22
1.4.4由軍用轉向民用23
1.4.4.1海洋儀器23
1.4.4.2海豚聲吶的發現和對人為聲源所產生影響的關注23
參考文獻24
第 2 章必備的背景知識29
2.1聲吶海洋學要點29
2.1.1海水的聲學特性30
2.1.1.1聲速30
2.1.1.2密度30
2.1.1.3聲波的衰減30
2.1.2空氣的聲學特性32
2.2水聲學要點32
2.2.1什麼是聲32
2.2.2聲的輻射33
2.2.2.1單極子點聲源的輻射33
2.2.2.2無限薄層內均勻分布偶極子的輻射39
2.2.3聲的散射42
2.2.3.1小物體的散射42
2.2.3.2粗糙表面的散射43
2.3聲吶信號處理要點43
2.3.1時間濾波器44
2.3.2空間濾波器 (波束形成器)46
2.4統計檢測理論要點49
2.4.1高斯分布49
2.4.1.1僅有噪聲情況50
2.4.1.2信號加噪聲情況50
2.4.2其他分布52
2.4.2.1相干處理 (瑞利統計)52
2.4.2.2非相干處理 (多樣本卡方統計)53
參考文獻53
第 3 章聲吶方程54
3.1引言54
3.1.1聲吶性能建模的目的54
3.1.2信號和噪聲的概念55
3.1.3理想深水環境56
3.1.4章節結構56
3.2被動聲吶56
3.2.1概述56
3.2.2標準術語的定義 (被動聲吶)58
3.2.2.1均方聲壓、聲壓級和分貝58
3.2.2.2聲源級60
3.2.2.3傳播損失61
3.2.2.4噪聲譜級和陣列回響61
3.2.2.5信噪比、陣增益和指向性指數62
3.2.2.6信號增益和噪聲增益63
3.2.2.7檢測閾和信號餘量63
3.2.3相干處理: 窄帶被動聲吶64
3.2.3.1信號 (單只水聽器)64
3.2.3.2噪聲 (單只水聽器)66
3.2.3.3信噪比、信號餘量與窄帶被動聲吶方程67
3.2.3.4水平線列陣的陣增益和指向性指數69
3.2.3.5檢測機率、檢測閾和 ROC 曲線71
3.2.3.6虛警機率72
3.2.3.7特例: 水平線列陣正橫波束中的低頻線譜信號73
3.2.3.8算例74
3.2.4非相干處理: 寬頻被動聲吶80
3.2.4.1信號 (單只水聽器)81
3.2.4.2噪聲 (單只水聽器)83
3.2.4.3信噪比、信號餘量與寬頻被動聲吶方程83
3.2.4.4陣增益85
3.2.4.5檢測機率、檢測閾和 ROC 曲線85
3.2.4.6虛警機率87
3.2.4.7特例: 水平線列陣正橫波束內的寬頻目標87
3.2.4.8算例88
3.3主動聲吶94
3.3.1概述94
3.3.2標準術語的定義 (主動聲吶)95
3.3.2.1信號能量、能量源級、總路徑損失95
3.3.2.2背景能量和背景能級96
3.3.2.3信號背景比和陣增益97
3.3.2.4目標強度98
3.3.3相干處理: CW 脈衝 + 都卜勒濾波器99
3.3.3.1信號 (單只水聽器)99
3.3.3.2背景 (單只水聽器)99
3.3.3.3信號背景比、信號餘量與相干窄帶主動聲吶方程100
3.3.3.4陣增益101
3.3.3.5檢測機率、檢測閾和 ROC 曲線103
3.3.3.6虛警機率103
3.3.3.7特例: 剛性球目標位於水平線列陣正橫波束中, CW 脈衝和都卜勒處理104
3.3.3.8算例105
3.3.4非相干處理: CW 脈衝 + 能量檢測器111
3.3.4.1信號 (單只水聽器)111
3.3.4.2背景 (單只水聽器)111
3.3.4.3信號背景比、信號餘量與非相干主動聲吶方程112
3.3.4.4陣增益113
3.3.4.5檢測機率、檢測閾和 ROC 曲線114
3.3.4.6虛警機率115
3.3.4.7特例: 點目標位於水平線列陣正橫波束中, CW 脈衝和非相干處理115
3.3.4.8算例116
參考文獻121
largebf 第二篇 四大支柱領域
第 4 章聲吶海洋學125
4.1海洋體積特性126
4.1.1陸地與普適常數126
4.1.2海洋測深學126
4.1.3純淨海水中影響聲速和衰減的因素126
4.1.3.1密度和靜壓127
4.1.3.2溫度128
4.1.3.3鹽度132
4.1.3.4酸度 (pH)137
4.1.3.5黏度142
4.1.4純淨海水中的聲速143
4.1.5純淨海水中的聲衰減145
4.2氣泡和海洋生物的特性149
4.2.1水中氣泡的特性149
4.2.1.1壓力下的氣體特性149
4.2.1.2影響一個脈動氣泡行為的水的特性150
4.2.1.3含氣泡水的特性151
4.2.2海洋生物的特性150
4.2.2.1基本生理學特性151
4.2.2.2聲學特性154
4.2.2.3種群估計156
4.3海面特性160
4.3.1風的影響160
4.3.2表面粗糙度166
4.3.2.1皮爾遜 --- 莫斯克維茲譜166
4.3.2.2紐曼 --- 皮爾遜譜168
4.3.3風生氣泡169
4.4海底特性171
4.4.1疏鬆沉積物171
4.4.1.1純樣和孔隙度172
4.4.1.2混合樣本和 ``Phi '' 尺度173
4.4.1.3近表面 (高頻) 特性175
4.4.1.4整體 (中頻) 特性177
4.4.1.5低頻特性179
4.4.2岩石180
4.4.2.1波速 --- 密度關係式181
4.4.2.2典型參數值183
4.4.3地聲學模型184
參考文獻184
第 5 章水聲學194
5.1引言194
5.2液體和固體介質的波動方程194
5.2.1流體介質中的壓縮波195
5.2.1.1運動方程195
5.2.1.2體積彈性模量和聲波動方程196
5.2.1.3壓縮波速度196
5.2.2固體介質中的壓縮波和切變波197
5.2.2.1固體介質的切變模量和波動方程197
5.2.2.2拉梅參數、楊氏模量和泊松比198
5.2.2.3壓縮波和切變波速度198
5.3平面波的反射200
5.3.1液體---液體或者液體---固體界面的反射與透射201
5.3.1.1振幅反射係數201
5.3.1.2振幅透射係數202
5.3.1.3能量反射和透射係數203
5.3.2分層流體界面的反射204
5.3.3分層固體界面的反射207
5.3.4全反射粗糙表面的反射208
5.3.4.1擾動理論 (小 Q 值)209
5.3.4.2對大 Q 的探索性擴展211
5.3.5部分反射粗糙表面的反射212
5.4平面波的散射212
5.4.1散射截面和遠場212
5.4.2固體目標的反向散射213
5.4.2.1近似球形的小剛性目標215
5.4.2.2大剛性目標215
5.4.2.3任意尺寸的剛性目標217
5.4.2.4具有不規則形狀和任意尺寸的沙粒217
5.4.3流體目標的反向散射218
5.4.3.1任意形狀的小流體目標218
5.4.3.2大流體目標218
5.4.3.3任意尺寸的流體目標219
5.4.3.4氣泡219
5.4.3.5分散的氣泡221
5.4.3.6單條魚 (帶魚鰾)222
5.4.3.7單條魚 (無魚鰾)225
5.4.3.8分散的魚群 (有魚鰾)226
5.4.3.9分散的魚群 (無魚鰾)226
5.4.3.10聚集的魚群 (有魚鰾)227
5.4.3.11聚集的魚群 (無魚鰾)227
5.4.4粗糙界面的散射227
5.4.4.1非鏡向項227
5.4.4.2近鏡向項228
5.5存在雜質條件下的彌散229
5.5.1稀相懸浮沉積物的伍德模型229
5.5.2有粒間接觸的飽和沉積物的貝克漢姆模型230
5.5.3氣泡或有鰾魚的影響232
5.5.3.1氣泡海水中的色散232
5.5.3.2體積彈性模量 B_rm b(a,omega )234
5.5.3.3低頻時表面張力對小氣泡的影響235
5.5.3.4氣泡諧振237
5.5.3.5阻尼因子246
5.5.3.6散射、消聲和吸收截面250
參考文獻251
第 6 章聲吶信號處理256
6.1被動聲吶的處理增益257
6.1.1波束指向性圖257
6.1.1.1導向線列陣257
6.1.1.2未導向的平面陣269
6.1.2指向性指數272
6.1.2.1導向線列陣272
6.1.2.2未導向平面陣276
6.1.3陣增益277
6.1.3.1定義277
6.1.3.2特例 (水平線列陣的噪聲增益)278
6.1.4寬頻套用284
6.1.5時域處理285
6.1.5.1相干平均285
6.1.5.2非相干平均285
6.2主動聲吶的處理增益285
6.2.1信號載波與包絡286
6.2.1.1直觀的概念286
6.2.1.2正式的方法: 解析信號和希爾伯特變換287
6.2.2簡單包絡以及它們的頻譜289
6.2.2.1CW 波的頻譜292
6.2.2.2LFM 波的頻譜293
6.2.2.3HFM 頻譜297
6.2.2.4混合頻譜301
6.2.3自相關函式、互相關函式和匹配濾波器302
6.2.3.1自相關函式302
6.2.3.2互相關和匹配濾波器304
6.2.3.3都卜勒處理304
6.2.4模糊函式308
6.2.4.1CW 脈衝308
6.2.4.2LFM 脈衝311
6.2.4.3HFM 脈衝313
6.2.5理想的匹配濾波器增益313
6.2.6非理想的匹配濾波器增益 (相干損失)314
6.2.7陣增益和總處理增益 (主動聲吶)315
參考文獻316
第 7 章統計檢測理論318
7.1高斯噪聲中的單已知脈衝, 相干處理319
7.1.1高斯分布噪聲下的虛警機率319
7.1.2對隨機相位信號的檢測機率320
7.1.2.1幅度無起伏信號 (狄拉克分布)320
7.1.2.2瑞利衰落信號324
7.1.2.3萊斯衰落信號326
7.1.2.4主導加瑞利分布信號329
7.1.2.5匯總表332
7.1.3檢測閾332
7.1.4對其他波形的套用333
7.2高斯噪聲中的多已知脈衝, 非相干處理333
7.2.1瑞利分布噪聲幅度下的虛警機率334
7.2.2非相干處理脈衝串的檢測機率335
7.2.2.1幅度無起伏信號335
7.2.2.2瑞利幅度分布信號 (施威林Ⅱ)346
7.2.2.3主導加瑞利幅度分布信號 (施威林Ⅳ)348
7.3在聲吶中的套用350
7.3.1主動聲吶350
7.3.2被動聲吶351
7.3.3判決策略與檢測閾351
7.4多次觀測354
7.4.1引言354
7.4.2``與'' 和 ``或'' 運算356
7.4.2.1瑞利統計下的 ``與'' 運算356
7.4.2.2瑞利統計下的 ``或'' 運算356
7.4.2.3對於瑞利統計的匯總表358
7.4.2.4瑞利和非瑞利統計特性的模擬359
7.4.3多重 ``或'' 運算361
7.4.4``N 中取 M'' 運算362
參考文獻363
largebf 第三篇 套用篇
第 8 章聲源與聲散射367
8.1海洋界面的反射與散射367
8.1.1海面反射368
8.1.1.1各向同性表面波浪譜的理論預測368
8.1.1.2半經驗海面反射損失模型370
8.1.2海面散射375
8.1.2.1皮爾遜 --- 莫斯克維茲表面波浪譜的理論預測375
8.1.2.2半經驗海面散射強度模型377
8.1.3海底反射381
8.1.3.1對均勻鬆散沉積物海底的理論預測381
8.1.3.2分層鬆散沉積物時的理論預測 (1~ 100tmspace +thickmuskip .2777emkHz)387
8.1.3.3分層固態海床的理論預測 (<1tmspace +thickmuskip .2777emkHz)390
8.1.4海底散射397
8.1.4.1對具有粗糙邊界和均勻分布內部散射體的液態海底的理論預測397
8.1.4.2經驗的和半經驗的海底散射強度模型402
8.2目標強度、體積反向散射強度和體積衰減係數406
8.2.1點散射體的目標強度406
8.2.1.1體內含有氣包體的海洋生物407
8.2.1.2各種海洋生物, 大多數沒有氣包體410
8.2.1.3人造物體414
8.2.2分散式散射體的體積反向散射強度和衰減係數415
8.2.2.1低頻 VBS (主要由於大型魚類產生)415
8.2.2.2高頻 VBS (部分取決於小魚)416
8.2.2.3由氣泡和有魚鰾魚類導致的體積衰減係數417
8.2.3延展體積散射體的層強度和尾流強度418
8.2.3.1層強度和深海散射層418
8.2.3.2尾流強度419
8.3水下噪聲源420
8.3.1船舶聲源譜級的測量424
8.3.1.1自遠場測量結果的轉換424
8.3.1.2工業用船和商船 (單艘船隻)426
8.3.1.3商船 (平均聲源譜)427
8.3.1.4船隻的速度和加速度的影響428
8.3.2海洋表面的分布聲源429
8.3.2.1風噪聲的聲源級430
8.3.2.2船舶噪聲聲源級433
8.3.3海底分布聲源 (甲殼類動物)435
8.3.3.1鼓蝦435
8.3.3.2其他甲殼類動物437
參考文獻437
第 9 章水聲傳播449
9.1傳播損失450
9.1.1等聲速水域海底的作用450
9.1.1.1深水域450
9.1.1.2淺水域461
