试题-A卷_声纳原理

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西北工业大学考试试题（卷）

2008 －2009 学年第 一 学期

开课学院 航海学院 课程 声纳原理 学时 48 考试日期 2008年12月5日 考试时间 2 小时 考试形式（闭）（A）卷

题号 得分 一 二 三 四 五 六 姓 名 七 总分 考生班级 学 号 1．（10分）给出被动声纳方程，解释声纳方程中各项参数的物理意义，并画出被动声纳的基本原理框图。 2．（15分）设有一部拖曳式线列阵声纳，采用的水听器阵列由64个无指向性阵元构成，阵元等间距分布，间距为0.75米（考虑声速为1500m/s）。 （a）求当该声纳工作在100Hz、200Hz、500Hz、1kHz和1.5kHz时该声纳基阵的指向性指数DI。（10分） （b）在该声纳的水听器阵列远场垂直于该阵列的方向上，有一个潜艇目标的辐射噪声谱级在1kHz时为110dB。潜艇辐射噪声传播到声纳阵列时的传播损失是85dB，本地噪声为谱级76dB的平坦谱。水听器阵列接收到该潜艇辐射噪声后，进行常规波束形成（假设波束指向方向正对目标方向）。试求波束输出在1kHz上的信噪比。（5分） 3．（20分）假设一个由N阵元组成的均匀分布直线阵，阵元间距为d，各阵元接收灵敏度相同。现有位于该直线阵远场的声源，入射到该阵列时可以看作平面波，且入射方向为，并设该阵列第0个阵元接收到的信号为F0(t)Acos(wt)。 注：1. 命题纸上一般不留答题位置，试题请用小四、宋体打印且不出框。 2. 命题教师和审题教师姓名应在试卷存档时填写。 共2页 第1页

西北工业大学命题专用纸 （a）试推导该阵列各阵元接收信号直接相加后的输出信号表达式。（10分） （b）写出N元直线阵波束图表达式。（3分） （c）画出N＝4和N＝5时的波束图（横坐标区域取90~90），要求标出零点对应的角度位置。（7分） 4．（10分）设人耳能分辨声强的相对变化量为g0.2。现用一个间距为0.75米，工作于1.5kHz的20元线阵（收发共用）进行最大值定向。 （a）分析在主动探测情况下的定向精度。（5分） （b）如果采用被动方式定向，分析定向精度。（5分） 5．（15分）利用一个单波束声纳测本舰航速，波束俯角为60。设发射信号频率为fT500kHz，水中声速为c1500m/s。若波束前向发射，测得多普勒频移为fd166.7Hz，求船的水平速度（无纵倾和上下起伏，采用简化公式）。若有纵倾角3（无上下起伏），则在不修正的情况下，会带来测速误差v?（10分）若用两个俯角为60的波束同时发射，纵倾角3（无上下起伏），fdfdIIfdI166.7Hz，测速误差v?（5分） 6．（30分）信号s(t)的模糊函数定义为 (,)*s(t)s(t)exp(j2t)dt （a）试推导单频矩形脉冲信号 t[0,T]Aexp(j2f0t)s(t) 其它0的频谱函数和模糊函数。（10分） （b）求出固有时间分辨力和固有频移分辨力的表达式。（10分） （c）若有一部采用上述信号为发射信号的主动声纳，为了分辨同一方向相距为20m的两个静止点目标，对发射信号脉冲宽度的要求是什么？（10分） 教务处印制 共2页 第2页 《声纳原理》课程2008－2009学年第一学期 期末考试标准答案和评分标准（A卷）

1（10分） 解：

被动声纳方程：SL-TL-(NL-DI)=DT SL是噪声源辐射声源级；

TL为传播损失，定量的描述了声波传播一定距离后声强度的衰减的变化； NL为噪声级，是用于度量环境噪声强弱的一个量； DI为接收指向性指数，即DI10lg无指向性水听器产生的噪声功率指向性水听器产生的噪声功率；

DT为检测阈，即DT10lg刚好完成某种功能时的信号功率水听器输出的噪声功率

基 阵波 束形成器接收机指示器稳步同步设备被动声纳原理工作框图

2（15分） 解：

已知N64,d0.75m,c1500m/s

DI10logN10logcf 应用范围f1.5f0 f0f00c1000Hz 2d故（a）

DI110log 8dB 2LDI210log6410log2001000 18.0626.990 11.072dB5001000

DI310log6410log 18.0623.010 15.052dBDI510log6410log 18.0621.761 19.823dBDI410log6410log 18.062dB 10001000

15001000

（b）在1kHz时，潜艇的辐射噪声级为110dB，传播损失为85dB，本地噪声级为76dB，

故波束输出时DI18dB，故

DTSLTL(NLDI) 11085(7618) 33dB 3（20分） 解：由题知

F0(t)Acos(t)ARe[ejt]F1(t)Acos(t)ARe[ej(t)],其中2dsin

Fn(t)Acos(tn)ARe[ej(tn)]S(,t)Fn(t)ARe[ei0N1jtejn]

i0N1其中， i0ejnN11eeeee111jjjj1ee2e2e2jNjN2jN2jN2N1j2Nsin21 sin2则 S(,t)ARe[eN1j(t)2NNsinsinN12]A2cos(t)

112sinsin22NdNsin(sin)2若对S(,t)的幅度归一化，可得指向性函数：R() 1dNsinNsin(sin)2sinN=4 和N=5时的波束图

00-10指向性（dB） -10指向性（dB） -20-20-30-30-40-40-50-80-60-40-200角度20406080-50-80-60-40-200角度20406080

零点位置：N=4时300,900 N=5时23.580,53.130

sinN4（10分）解：主动探测时，D()2，I()kD4()，I()4kD3()D() 2NsinI()4kD3()D()4D()则 I()kD4()D()当0时，

I()4(1D()) I()x3x5 因为 sinxx3!5!Nd则D()cos1Ndcos3()1Nd3!|01()2

Nd3!cos 则gI()1Nd2Nd24[11()2]()()2 I()63故 3g0.01160.666 Nd2被动探测时，I()kD2()

则

I()k2D()D()2D() （21-D()）I()kD2()D()1Nd则 g()2

3故 3g0.01640.942 Nd5（15分）解：

2Vcos单波束前向发射时，fdfTxC ，则 Vx2Vx'cos()fTCfdC0.5m/s （5分） 2fTcos当有纵倾角时，fd，则 Vx'fdC0.459m/s 2fTcos()则 VVxVx'0.04m/s （5分）

4Vcos双波束同时向前后发射时fdfTxC，则 VxfdC0.25m/s 4fTcos当有纵倾角时，fdfTII2Vx'cos(),fdIC2Vx'cos()， fTC则 fdfdIIfdI则 Vx'4Vx'fTcoscos()，

CfdC0.250343m/s 4fTcoscos()则 VVx'Vx0.000343m/s （5分） 6（30分）解：

（a）令信号的幅度为1，模糊函数为|x(,)||当||T时，|x(,)|0 单频矩形脉冲sts(t)S*(t)exp(j2t)dt|

Aexp(j2f0t)t[0,T]的模糊函数为

0其他0T(,)Aej2ftej2tdt200T =Aej2tdt20ej2(T)ej20 =Aj2t2

ej(T)ej(T)j(T) =Aej22 =A2sin[(T)](T)(T)0T (,)Aej2f0tej2tdt2

=A2sin[(T)](T)(T)故综上可得单频矩形脉冲的模糊函数为(,)=A2频谱函数为S(f)ATsin(ff0)Tsin[(T||)](T||)（5分）

(T||)(ff0)T（需要有推导过程）（5分）

（b）模糊度图与时延轴两个交点间的时延差定义为信号的固有的时延分辨力

20。取=0的截面有x(,0)T|| 当x(,0)0.707T时，解得||0.3T （5分）

模糊度图与频移轴两个交点间的频移差定义为信号的和固有频移分辨力20，取

0得截面有0,当

sinTTT t0,T

0,0.707T，利用sin(x)的泰勒展开式解超越方程，解得0.44（5分） T则线性调频脉冲信号的固有时延分辨力为0.6T；则线性调频脉冲信号的固有频移分辨力为0.88/T。

1（c）两个点目标距离分辨率为rcc0

2由此可得极限情况下2015000.3T，解得T=44ms 表明发射信号脉宽要小于等于44ms。（10分）