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2007年声纳技术考试试题A及答案


哈尔滨工程大学试卷 :


以度为单位的表达式)? 19、脉冲测距是利用接收回波与发射脉冲信号间的时间差来测距的方法;若有一目标与收 发合置换能器的距离为 R,则换能器发射声脉冲经目标反射后的往返传播时间为多少? 20、脉冲法测距时,使用信号(不可压缩信号)脉宽为 τ ,若同一方位向两个目标的回波到 达时间分别为 t1 和 t2 ,请问能够分辨这两个目标的条件是什么? 二、证明题(10 分)

《声呐技术》A 卷

姓名:

一、简答题(每小题 3 分,共 60 分) 1、第二次世界大战后声呐技术发展的有何特点? 2、举出几种按声纳的装置体系分类的声纳(至少三种) 。 3、举出几种声纳盲区(至少三种) 。

若信号 s( t ) 的模糊函数为 χ (τ , ξ ) ,试从模糊函数的定义出发证明信号 s1 ( t ) = s( t )e jπkt 的模
2

糊函数为 χ 1 (τ , ξ ) = χ (τ , kτ + ξ ) 。

三、计算题(共 30 分)
1. 给定 6 元线阵,阵元间距为半波长,每个阵元无指向性发射声功率为 1000 瓦,各阵元 幅度加权系数为 0.3,0.69,1,1,0.69,0.3;假设加权归一化后-3dB 处主波束展宽为未 加权时的 1.3 倍,求加权后的声轴上总的声源级(以 dB 为单位)(5 分) 。



4、请给出几种声纳系统的战术指标(至少三个) 。 5、请给出描述主动声呐信号的三种描述手段。 6、请给出声纳波束形成技术的定义。



7、阵元幅度加权的目的?加权的常用标准与手段? 8、什么是基阵的自然指向性?

2. 一等间距线阵的各阵元灵敏度为 1,2,2,2,1;求其归一化指向性函数。 分) (5

线

9、声纳发射机的主要组成及其各组成部分的相应功能? 10、请给出声纳接收机的主要技术指标(至少三个) 。 11、说明动态范围压缩与归一化的主要目的。 12、请写出 CW 信号与 LFM 信号的时间波形及其各自的瞬时频率。 13、试画出长 CW 脉冲、短 CW 脉冲以及 LFM 信号的模糊度图;同时说明 CW 信号与线性 调频信号的时延分辨力和多普勒频移分辨力与脉宽及带宽的各自关系。 14、写出 N 元等间距直线阵的归一化自然指向性函数。 15、设有一个束宽为 Θ 的单波束声呐,依靠旋转基阵搜索一个扇面 θ s ,为观察扇面内直到距 离 R 的所有目标,要求的最短扫描时间为多少? 16、一个 N 元等间距线阵相邻基元间插入 β 相移后的最大值指向位置有何变化? 17、一个 6 元等间距线阵,间距 d = 2λ ,在 ±90° 内(包括 ±90° )其方向性函数具有的副极

3.一个间距为 2.5 λ 的 N 元线阵,各阵元本身长度为 λ ; (1)求出所有副极大(栅瓣)的位
置(度数)(2)计算副极大与主极大的相对幅度。 ; (10 分)

学号:

4.利用一个单波束声纳测本舰航速,波束俯角为 α = 60 。设发射信号频率为 fT = 500 kHz ,水中声速为 c = 1500m / s 。现测得多普勒频率 f d = 166.7 Hz ,求船的水
平速度。若有纵倾角 ?α = 3 ,再不修正的情况下,带来多大的误差?(10 分)

班级:

大(指同相相加所得)数目与两个副极大值间的零点数分别为多少? 18、N 元等间距直线阵,当阵元间距为 d = 2λ 时,其中心非模糊扇面的全开角为多少(写出

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2007 年声纳技术考试试题 A(答案) (答案)

长 CW 短 CW 脉冲 LFM CW 信号时延分辨力为 0.6T (或与脉宽成正比) 多普勒分辨力为 0.88/T , (或与脉宽成反比) 。 LFM 信号时延分辨力为 0.88/B(或与带宽成反比) ,多普勒分辨力为 0.88/T(或与脉宽成反 比) 。

一、 (每小题 3 分) 1、低频、大功率、大尺寸基阵、信号处理技术 2、舰用声呐、潜艇用声呐、岸用声呐、航空吊放声呐和声呐浮标、海底声呐(任意 3 个) 3、物理盲区、几何盲区、尾部盲区、脉冲盲区和混响盲区(任意 3 个) 4、作用距离、方位角测量范围及精度、定位精度、分辨率、搜索速度、跟踪距离、环境条件 以及盲区等(任意 3 个) 5、时间函数、频谱函数、模糊函数 6、波束形成技术是指将一定几何形状(直线、圆柱、圆环、球面、共形等)排列的多元基阵 各阵元输出经过处理(例如加权、延时、求和等)形成空间指向性的方法。 7、对阵元幅度进行加权的目的在于改善阵的方向性。常用的加权标准有:在给定旁瓣高度的 要求下获得最窄的主瓣;在给定主瓣宽度要求下获得最低的旁瓣;在一定阵元数下,满 足给定的主旁瓣高度比。常用的加权手段有:改变阵元的接收灵敏度;改变前置放大器 的放大倍数。 8、将所有阵元的信号直接相加得到的输出,就形成基阵的自然指向性。 9、波形发生器、多波束形成器、功率放大器、收发转换开关等(任意 3 个) 。 10、接收机灵敏度、检测阈、接收机的总的放大倍数、通频带、动态范围、失真、抗干扰性 能。 (任意 3 个) 11、动态范围压缩通常是指压缩接收机的输出信号范围,使其适应输入信号的大范围;归一 化通常指使接收机输出背景均匀。

? Nπ d ? sin ? sin θ ? sin ( N? / 2 ) ? λ ? 14、 E (θ ) = = N sin (? / 2 ) ?πd ? N sin ? sin θ ? ? λ ? 2R θ s
15、 Tmin =

c

?

Θ

16、在 sin θ 轴上,由原位置移动 17、4、5 18、 2sin ?1 ? 19、 t =

βλ 2π d

?1? ? =28.9550 度 ?4?

20、 t2 ? t1 ≥ τ

2R c




二、证明题 答:根据定义

χ (τ , ξ ) =

1

?∞

∫ s (t ) s (t + τ ) e
? ? 1
-j2 πξ t

-j2 πξ t

dt



? Ae j 2π f0t 12、CW: s ( t ) = ? ?0
LFM :

t ∈ [ 0, T ] ; f = f0 else
? A exp ? j 2π f 0t + π kt 2 ? t ∈ [ ?T / 2, T / 2] ? ? ? s (t ) = ? else ?0 ?
t ∈ [ ?T / 2, T / 2]
又因为 ; 所以

χ1 (τ , ξ ) =

?∞

∫ s (t ) s (t + τ ) e
2

dt
线

s1 (t ) = s(t )e jπkt

1 d f (t ) = ? ( t ) = f 0 + kt 2π dt
13、

χ1 (τ , ξ ) =
= = =

jπ k ( t +τ ) ? -j2 πξ t jπ kt 2 dt ∫ s (t ) e ?s (t + τ ) e ? ? e ? ? ?∞
2



?

(2 分)



?∞ ∞



s ( t ) s ? ( t + τ ) e jπ kt e ? jπ k ( t +τ ) e-j2 πξ t dt
2 2

?∞ ∞

∫ s (t ) s (t + τ ) e
?

? j 2π ktτ ? jπ kτ 2 ? j 2πξ t

dt
2

(2 分)

?∞

∫ s (t ) s (t + τ ) e
?

? j 2π ( kτ +ξ )t

dt ? e ? jπ kτ

(2 分)

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= =



?∞ ∞

∫ ∫

s ( t ) s ? ( t + τ ) e ? j 2π ( kτ +ξ )t dt ? e ? jπ kτ

2

(2 分)

R (θ ) = R1 (θ ) × R2 (θ ) = cos (? / 2 )

4sin (? / 2 )

sin ( 2? )

=

1 cot (? / 2 ) sin ( 2? ) 4

(1)

s ( t ) s ? ( t + τ ) e? j 2π ( kτ +ξ )t dt = χ (τ , kτ + ξ )

(2 分)

3. 答:可以看作是长为 λ 的多元复合阵,其指向性可写作

?∞

三、计算题 1. 解: 六个阵元的总声源级为:

?πL ? ? πd ? sin ? sin(θ ) ? sin ? N sin(θ ) ? ? λ ?? ? λ ? = sin ( π sin(θ ) ) ? sin ( 2.5 N π sin(θ ) ) D(θ ) = πL πd 2.5 N π sin(θ ) π sin(θ ) sin(θ ) N sin(θ )

SL = 10lg (1000 × 6 ) + 171 + 10 lg 6 = 217 ( dB )

λ

λ

(1) (1) 其栅瓣位置满足: sin(θ ) = k

(3 分)





10 lg ( 6000 / 3140 ) = 2.8 ( dB ) (1) 同时, 由于 3 dB 波束宽度增加至原来的 1.3 倍, 所以加权后的功率还要在更大的扇面内扩展, (1) 由此降低的平均功率为 10 lg1.3 = 1.1( dB ) 。 这样以上两项带来的总功率减少为 2.8+1.1=3.9 dB 因此,最终声源级为 217-3.9=213 dB 。 (1)
2. 解:分为如下图的二级子阵

加权后各阵元输出功率为: 90 瓦,480 瓦,1000 瓦,1000 瓦,480 瓦,90 瓦 所以,加权后输出总的功率为 90 瓦+480 瓦+1000 瓦+1000 瓦+480 瓦+90 瓦=3140 瓦 因此,加权前后总功率减少为

姓名:

k ≠0 (3 分) d 2.5λ 在 ?90 ≤ θ ≤ 90 范围内, k = ?2, ?1,1, 2 ,相应的 θ = ?53.1 , ? 23.6 , 23.6 , 53.1 。
(2 分)

λ

=k

λ

=

2 k, 5

相对幅度取决于指向性函数,代入上式可得 D (θ ) = 0.5878, 0.9511, 0.9511, 0.5878 , 用 dB 表示 D (θ ) = ?4.62, -0.44, -0.44, -4.62dB (有部分结果可酌情给分) 4. 答: 因为多普勒频率可表示为: (2 分)

fd = vx =

2vx ? fT ? cos α c
fd ? c 166.7 ×1500 = = 0.5m / s 2 ? fT cos α 2 × 500000 × 0.5 fd ? c 166.7 ×1500 = = 0.5808m / s 2 ? fT cos (α + 3 ) 2 × 500000 × 0.454 fd ? c 166.7 ×1500 = = 0.4591m / s 2 ? fT cos (α ? 3 ) 2 × 500000 × 0.5446

(2 分)

线

所以有 (2 分)

学号:

因为有 ?α = 3 的误差,所以在不修正的情况下

vx1 = vx 2 =
灵敏度不同的五元阵 第二级子阵的方向性函数为

(2 分)

(2 分)

所以相对测速误差为

sin ( N? / 2 ) sin ( 2? ) R2 (θ ) = = N sin (? / 2 ) N = 4 4sin (? / 2 )

εv =
(2)

vx1 ? vx 2 0.5808 ? 0.4591 = = 18.34% vx 0.5

(2 分)

班级:

第一级由两个子阵声学中心组成的等效阵元组成,其指向性为

R1 (θ ) = cos (? / 2 )

(2)

因而总方向性为

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