目录1项目背景和意义 (1)2项目研究方案 (1)2.1主动声纳 (1)2.2主动声纳方程 (1)2.3声纳波束形成基本原理 (3)2.4MATLAB GUI (3)3项目实施过程 (3)3.1主动声纳方程参数计算 (3)3.1.1 声源级SL (3)3.1.2 传播损失TL (4)3.1.3目标强度TS (5)3.1.4海洋环境噪声级NL (5)3.1.5接收指向性指数DI (5)3.1.6检测阈DT (5)3.2声纳基阵指向性计算 (6)3.2.1 简单几何形状换能器指向性计算 (6)3.2.2简单阵列指向性计算 (7)3.2.3 Matlab GUI设计 (9)4结论 (12)5参考文献 (13)1项目背景和意义在水声工程领域的各种应用中，声纳系统的参数设计是比较关键的环节，在各种系统论证中起基础性作用，往往需要根据具体问题具体分析，按照不同的条件和需求进行计算，这样就产生了许多重复性工作。

为了解决这一问题，使主动声纳的相关工作更为简单，本项目以Matlab仿真环境为基础，通过设计交互式界面来实现声纳系统的技术设计。

2项目研究方案利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航、和通讯的系统，都广义地称之为声呐系统。

声纳按工作方式主要分为主动声纳和被动声纳。

在这里我们主要讨论主动声呐系统的声纳参数，声纳方程，以及简单基阵的指向性等。

2.1主动声纳主动声纳：有目的地主动从系统中发射声波的声纳。

它主要用来探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。

主动声纳原理:通过回波信号与发射信号间的时延推知目标的距离,由回波波前法线方向可推知目标的径向速度。

此外由回波的幅度、相位及变化规律，可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。

图1主动声纳原理2.2主动声纳方程声纳在总是工作在伴随着其他一些没用的信号干扰的背景当中，即在工作时，声纳同时接收到有用的声纳信号和没用的背景干扰信号。

如果声纳检测到的信号级与背景干扰级（背景干扰级的含义为：并不是所有的噪声信号都对声学设备起到干扰作用，只有处在设备工作频率带宽的那部分噪声信号才起干扰作用）的差等于声纳设备的检测阈，即：信号级－背景干扰级=检测阈DT图2主动声纳信号强度变化示意图则设备可以刚好实现某种预定职能，根据这一原理，结合一些声纳参数得到的方程，我们称为声纳方程。

声纳方程分为主动声纳方程和被动声纳方程。

主动声纳方程参数主要有，声源级SL，传播损失TL，目标强度TS，海洋环境噪声级NL，检测阈DT、混响级RL 等。

声纳方程是将介质目标和设备的各项参数相互作用联结在一起的关系式。

以噪声为主要背景的主动声纳方程的表达式为：SL－2TL＋TS－(NL－DI)=DT以介质的散射或混响为主要背景的主动声纳方程为：SL-2TL+TS-RL=DT图3 主动声纳信息流程示意图2.3声纳波束形成基本原理波束形成技术是指将一道几何形状（职衔、圆柱）排成的多元基阵各阵元输出经过处理（加权、延时、求和等）形成空间指向性的方法。

或更一般地说，波束形成技术是将一个多元阵适当处理使其对某些空间方向的波束具有所需响应的方法。

因此一个波束形成器可以看成一个空间滤波器，它可以滤去空间某些方位的信号，只让指定方位的信号通过。

目的是使多阵元构成的基阵经适当处理得到在预定方向的指向性。

2.4 Matlab GUIMatlab的本意就是矩阵实验室，该软件以向量和矩阵运算为矩阵为基础的。

Matlab的数值数学计算可以分为数值计算和符号计算。

图形用户界面（Graphical User Interfaces ，GUI）则是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象（Objects）构成的一个用户界面。

用户通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。

而用Matlab的gui编程主要是用matlb生成M文件控制了编制的GUI界面的所有属性和行为，或者说外观和对用户操作的响应。

M文件包括了运行整个界面程序所需要的全部代码，包括所有GUI组件的CALLBACKS 函数。

其实这些callbacks函数算是M文件里的子程序，callback里面就填写所期望程序做的动作。

3项目实施过程本项目以噪声为主要背景的主动声纳方程为基础，在已知相关的系统参数后，能够对声源级、噪声级以及指向性指数分别进行计算或设定，并最终计算出信噪比。

对于简单声纳基阵的指向性问题也进行了计算和仿真，从而指导波数形成设计。

3.1主动声纳方程参数计算3.1.1 声源级SL定义：SL=10lg|r=1式中I表示发射器在声轴方向上距声源1m的声强，I0表示参考声强通常取0.67×10-22W/cm2。

声源级用来描述主动声呐发射信号的强度。

对于一个发射声功率为Pa(单位：w)，发射指向性指数为DI t(单位：dB)的指向性发射器，可得声源级为t DI Pa SL ++=77.170lg 10。

为有效的提高主动声呐的工作距离，它的发射器总是做成具有一定的发射指向性，使他所发射的声能主要集中在空间某一方向，其余方向上则有很少的发射声能。

发射指向性指数定义为：DI T =10lg ，I D 表示指向性发射器声轴上测得的声强，I ND 表示测得的无指向性发射器辐射声强。

指向性发射声源声源级SL=无指向性发射声源声源级＋发射指向性指数DI T 。

图4 发射指向性图3.1.2 传播损失TL声波在水中传播过程中由于介质本身的吸收、波阵面的扩展及水中各种不均匀的散射等原因，声波传播方向上声强会减弱，传播损失TL 定量地描述了声波传播一定距离后声强度的衰减变化。

定义：TL=10lg ，I 1是离声源中心1m 处的声强度；I r 是距声源r 处的声强度。

考虑实际情况，声波在单一介质中传播衰减的原因有三方面：1）扩展损失，由于胜波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声强衰减，也称为几何衰减。

2）吸收损失，通常指在均匀介质中由于介质粘滞、热传导以及其他弛豫过程引起的声强衰减。

3）散射，在海水介质中由于存在介质的不均匀性而引起的声波散射和声强衰减。

扩展损失：一般地说，可以把由扩展引起的传播损失写为：dB r n TL lg 10⋅=根据不同的传播条件，n 取不同的数值。

吸收系数：在介质中，由于吸收和散射引起的声传播损失经常同时存在，尤其在海上进行传播损失测量时，很难把它们区分开来，因此将它们的影响均归之无指向性发射器指向性发射器于吸收系数α(单位：dB/m)。

3.1.3目标强度TS目标回波的特性跟声波本身的频率，波阵面形状有关，还与目标的几何形状、材料有关。

目标强度反映了目标反射本领的差异。

定义：TS=10lg |r=1，I i 是目标处入射波的强度；I r |r=1是在入射波相反的方向上、离目标声中心1m 处的回声强度。

3.1.4海洋环境噪声级NL 定义：10lg 10==r NI I NL ，I N 是测量带宽内的噪声强度；I 0是参考声强。

环境噪声级是描述环境噪声强度的一个物理量，如果假设在水听器工作带宽内噪声谱S(f)和水听器响应都是均匀的，则f S I N ∆⋅=，∆f 为水听器工作带宽。

从而就有：lg 10lg 10I S f NL +∆= 式中第二项被称为噪声谱级（单位：dB ），可通过查谱级图得到。

3.1.5接收指向性指数DI定义：DI=10lg可以通过换能器的开角进行计算：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω==⎰1801804lg 10),(4lg 10lg 104垂直水平θθπϕθππd b R R DI D N 式中，R N 是无指向性水听器产生的均方电压，R D 是指向性水听器产生的均方电压。

3.1.6检测阈DT定义：水声学中，经常将设备刚好能正常工作的处理器输入端的信噪比称作检测阈，即DT=10lg声纳设备在工作是同时接收声纳信号和噪声信号，其输出信号也有着两种信号决定。

所以这两种信号所占比例将影响输出信号的质量。

根据得到的系统SNR，可以判断在用户预定的检测阈DT(单位：dB)下，能否完成要求的设计指标：如果SNR≥DT，则系统能实现要求的职能；否则，需要重新设计某些声纳参数来满足SNR≥DT的条件。

3.2声纳基阵指向性计算对于一个发射系统，具有指向性意味着发射能量可集中在某个方向，这样可以用较小的发射功率探测更远距离的目标。

接收系统具有指向性，可使系统定向接收，从而抑制其它方向的信号和干扰。

此外，利用接收系统的指向性可以准确测定目标方位。

如果接收系统形成多个波束，则可分辨多个目标。

3.2.1 简单几何形状换能器指向性计算1、矩形面换能器的指向性矩形平面的指向性主要指两个定向平面XZ平面和YZ平面上的指向性，如图5所示。

X图5 矩形面换能器示意图矩形面换能器的指向性可以按照下式计算：R（θ）=，k=交互界面所涉及的主要计算参数如下：1)矩形长轴束宽：XZ平面指向性的波束宽度。

令d=b,R(θ)=0.707即可求得。

2)矩形短轴束宽：YZ平面指向性的波束宽度。

令d=a，R（θ）=0.707即可求得。

3)矩形长轴开角：令d=b，R（θ）=0即可求得。

2、圆形面换能器的指向性类似的，圆形面换能器得示意图如图6所示。

图6 圆形面换能器示意图圆形面换能器的指向性可以按照下式计算：R（θ）=，k=交互界面所涉及的主要计算参数如下：1)圆形面束宽：指向性下降到0.707时对应角度的2倍。

R（θ）=0.707，即Kr=1.64可求得。

2)圆面全开角：指向性下降到0时对应角度的2倍。

R（θ）=0，即Kr=3.83可求得。

3.2.2简单阵列指向性计算1、直线阵的指向性等间隔线阵的指向性可以按照下式计算：R（θ）=其中N为阵元数，d为间距，λ为波长。

交互界面所涉及的主要计算参数如下：1)基阵总开角：指向性下降到0时对应角度的2倍。

R（θ）=0，即可求得。

2)波束宽度：指向性下降到0.707时对应角度的2倍。

R（θ）=0.707，即可求得。

3)加权后波束宽度：契比雪夫加权后指向性下降到0.707时对应角度的2倍。

4)远场距离：D=L2／λ，L=Nd为阵长。

5)采样频率：已知波束形成的最小移动角度θ，则f s=。

在直线阵指向性计算中还考虑了契比雪夫加权方法，进行了仿真实现。

契比雪夫加权对阵元幅度进行加权，目的在于改善阵的方向性，加权可以用改变阵元灵敏度的方法实现或改变前置放大器的放大倍数。

在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣。

阵元基数N增加时，契比雪夫加权的波束图就对端部基元激励状态的微小变化很敏感。

契比雪夫多项式为：T n（x）=式中可见，当| x | ≤ 1 时，各个振荡幅度相同；而当| x | > 1时，其指比同阶多项式大。

契比雪夫多项式还有下列递推关系：T n（x）=2xT n-1(x)-T n-2(x)且有T0（x）=1成立。