内容简介
《水下声学角反射器》系统地论述了水下声学角反射器的理论、特性和应用。以水下目标散射声场计算的高频近似方法及其数值计算的板块元方法为基础，介绍了计算含有多次散射声场的声束弹跳方法；分别对水下二面角反射器和三面角反射器散射声场理论分析方法、回波亮点、目标强度、回波相位、瑞利距离、角度误差和起伏反射面的影响，以及固体板和空气夹层固体板等非硬边界进行了论述；介绍了具有角反射结构的双圆锥（台）反射体的回波特性；介绍了几种水下声学角反射器的应用实例。
精彩书摘
第1章 绪论
角反射器通常由两个或三个相互垂直的面组成，两个面组成的称为二面角反射器（dihedral corner reflector），三个面组成的称为三面角反射器（trihedral corner reflector）。其特殊的几何结构使得入射到角反射器上的光波、电磁波或声波经过面间的多次反射后返回入射方向，因此，角反射器具有强回波特性。
1.1 激光角反射器概述
在光学领域，角反射器常作为激光测距的光学反射体使用，即向角反射器发射激光脉冲，通过精确测量激光脉冲往返时间来测定距离。1964年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发射了**颗带有角反射器的卫星并实现了卫星激光测距。1969年，“阿波罗11号”（Apollo 11）成功登月，宇航员阿姆斯特朗（Armstrong）在月球表面放置了**个激光角反射器，随后美国和苏联又在多次登月行动中放置了多个阵列式激光角反射器。目前月球上共有6个角反射器阵列，分别是美国的阿波罗11号、阿波罗14号和阿波罗15号所部署的，如图1.1所示；苏联月球车Lunokhod 1号和2号上安装的角反射器阵列[1]，如图1.2所示；2024年我国“嫦娥六号”探测器部署的角反射器 。
图1.1 阿波罗11号、阿波罗14号、阿波罗15号所部署的角反射器阵列
图1.2 Lunokhod 2号月球车及其角反射器阵列
我国有多家单位从事卫星激光角反射器的研制。例如，中国科学院上海天文台自1999年开始从事激光角反射器的相关理论、实验研究以及卫星激光角反射器载荷研制工作，2002年，为“神舟四号”轨道舱研制了激光角反射器；2005年开始，为“北斗”导航卫星研制了20多套激光角反射器；2014年，设计和研制了“天宫一号”空间交会对接的激光雷达合作目标[2]。图1.3（a）和（b）所示为北斗MEO角反射器阵列、GEO/IGSO角反射器阵列。
为了实现毫米级地月测距精度，近年来，欧美国家、日本和中国均在研究新一代单体大孔径激光角反射器[3-6]。例如，中山大学研制了单体中空激光角反射器，如图1.3（c）所示，并已搭载于“嫦娥四号”月球中继星“鹊桥”上。
图1.3 北斗MEO角反射器阵列、GEO/IGSO角反射器阵列和“鹊桥”单体中空激光角反射器
1.2 雷达角反射器概述
利用角反射器体积小、回波强度大的特点，雷达角反射器常作为干扰假目标或雷达回波增强器使用。早在二战时期，诺曼底登陆战役发起前，英美联军派遣舰艇拖带安装雷达角反射器的小船，在德军雷达屏幕上造成了大型军舰入侵的假象。此外，盟军还在布伦地区附近海岸投放人体模型和雷达反射体模拟的假伞兵，模拟对德军进行大规模空袭的假象，给德军造成了错觉，使其急忙将大量海空力量调往布伦地区，打乱了德军的防御部署，保证了诺曼底登陆战役的胜利[7]。
把角反射器安装在机动车辆上或放置在拖曳的兵器器材模型内，也可模拟行军纵队或单个技术兵器和车辆的雷达回波。为了保护大城市中的大型建筑物、水库、桥梁等，可在保护物附近装上角反射器，如图1.4（a）所示，使轰炸机上雷达显示器显示的图形分不清真假目标，多个角反射器在地面上产生相当于非常大的建筑物的反射信号。将多个雷达角反射器安装在靶船上，如图1.4（b）所示，在海面上可产生相当于大型舰艇的雷达回波。用雷达角反射器作为被动式雷达回波增强器可以对空中目标进行跟踪、定位，例如，美国海军F-3D、F-4战斗机在起落架前安装的雷达角反射器，如图1.5所示。
图1.4 在桥梁附近设置雷达角反射器和靶船上的雷达角反射器
图1.5 美国海军F-3D和F-4战斗机上安装的雷达角反射器
将雷达角反射器设计制作成充气式结构，在水面舰艇电子战领域作为诱饵也具有广泛的应用。欧文公司研发的DLF系列充气式雷达角反射器，已经在英国皇家海军的多种水面舰艇上实现装备，同时也装备于美国、法国、意大利等多个国家的海军舰艇。美国把引进的DLF-3型充气式雷达角反射器重新命名为MK-59充气式雷达角反射器，它是用20个角反射器构成的具有60个面的大直径的类球形全向角反射器，投放系统采用了类似于鱼雷发射管的发射装置，利用高压气体发射充气式雷达角反射器，发射以后在距舰艇一定距离时通过系索的拉动，高压气体系统能在数秒内完成充气展开成型[8]，如图1.6所示。
图1.6 安装在“伯克”级驱逐舰侧舷的MK-59漂浮式诱饵的发射状态与展开状态
雷达角反射器作为假目标或诱饵已有广泛的应用，学者仍在利用其特性扩展应用领域，例如，文献[9]通过理论分析和实验验证了将角反射器作为无线电引信对空靶标的可行性；文献[10]利用角反射器构建无源诱骗系统，分析了无源诱骗技术原理及其抗反辐射弹的必要条件；文献[11]将方形三面角反射器作为测试目标，通过雷达相位测量来表征大气折射率的变化；文献[12]～[14]把角反射器作为永久散射体应用到了地形测量和地面形变监测方面。利用角反射器在一定范围内反向回波对方向
目录
目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1 激光角反射器概述 1
1.2 雷达角反射器概述 2
1.3 水下声学角反射器概述 6
第2章 散射声场计算的高频近似方法 9
2.1 Helmholtz公式 9
2.2 Kirchhoff近似 11
2.3 板块元方法 13
2.3.1 二维傅里叶变换积分算法一 14
2.3.2 二维傅里叶变换积分算法二 16
2.3.3 Gordon面元积分算法一 18
2.3.4 Gordon面元积分算法二 19
2.3.5 数值计算方法的结果对比分析 21
2.4 本章小结 24
第3章 声束弹跳方法 25
3.1 基本原理 25
3.2 反射面元构建方法 27
3.2.1 声束与目标表面交点构建法 27
3.2.2 声束与面元交点构建法 28
3.2.3 面元剪裁构建法 31
3.3 直角圆锥凹面计算实例 33
3.4 双球体目标计算实例 38
3.5 本章小结 44
第4章 二面角反射器 45
4.1 理论计算方法 45
4.1.1 Knott公式 45
4.1.2 Chen公式 46
4.1.3 基于Chen公式的数值-解析计算方法 53
4.1.4 利用声束弹跳方法的数值计算 55
4.2 绝对硬边界二面角反射器回波特性 58
4.2.1 二次反射波亮点位置 58
4.2.2 目标强度 59
4.2.3 回波相位 61
4.2.4 瑞利距离 64
4.2.5 角度误差的影响 72
4.2.6 起伏反射面的影响 74
4.3 非硬边界二面角反射器回波特性 81
4.3.1 固体板反射面二面角反射器 81
4.3.2 空气夹层固体板反射面二面角反射器 92
4.3.3 绝对软边界反射面二面角反射器 99
4.4 本章小结 99
第5章 三面角反射器 101
5.1 理论计算方法 101
5.1.1 数值-解析计算方法 101
5.1.2 利用声束弹跳方法的数值计算 107
5.2 绝对硬边界三面角反射器回波特性 110
5.2.1 三次反射波亮点位置 110
5.2.2 目标强度 111
5.2.3 回波相位 123
5.2.4 瑞利距离 126
5.2.5 角度误差的影响 130
5.2.6 起伏反射面的影响 135
5.3 非硬边界三面角反射器回波特性 137
5.3.1 固体板反射面三面角反射器 137
5.3.2 空气夹层固体板反射面三面角反射器 140
5.3.3 绝对软边界反射面三面角反射器 141
5.4 本章小结 141
第6章 双圆锥（台）反射体 143
6.1 几何模型 143
6.2 对称结构双圆锥（台）反射体回波特性 144
6.2.1 目标强度 144
6.2.2 瑞利距离 146
6.3 非对称结构双圆锥反射体目标强度特性 150
6.3.1 圆锥底面半径不同 150
6.3.2 圆锥角度不同 152
6.4 本章小结 154
第7章 水下声学角反射器的应用实例 155
7.1 水下双层十字交叉组合二面角反射器 155
7.1.1 结构设计 155
7.1.2 实验测量 159
7.2 水下目标回波模拟的组合三面角反射器 163
7.2.1 水下目标回波特性 163
7.2.2 结构设计 165
7.2.3 仿真分析 165
7.3 水下被动声学标记体 166
7.3.1 结构设计 167
7.3.2 仿真分析 167
7.4 水下声回波标准体 171
7.4.1 结构设计 171
7.4.2 仿真分析 172
7.5 本章小结 174
参考文献 176
试读
第1章 绪论
角反射器通常由两个或三个相互垂直的面组成，两个面组成的称为二面角反射器（dihedral corner reflector），三个面组成的称为三面角反射器（trihedral corner reflector）。其特殊的几何结构使得入射到角反射器上的光波、电磁波或声波经过面间的多次反射后返回入射方向，因此，角反射器具有强回波特性。
1.1 激光角反射器概述
在光学领域，角反射器常作为激光测距的光学反射体使用，即向角反射器发射激光脉冲，通过精确测量激光脉冲往返时间来测定距离。1964年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发射了**颗带有角反射器的卫星并实现了卫星激光测距。1969年，“阿波罗11号”（Apollo 11）成功登月，宇航员阿姆斯特朗（Armstrong）在月球表面放置了**个激光角反射器，随后美国和苏联又在多次登月行动中放置了多个阵列式激光角反射器。目前月球上共有6个角反射器阵列，分别是美国的阿波罗11号、阿波罗14号和阿波罗15号所部署的，如图1.1所示；苏联月球车Lunokhod 1号和2号上安装的角反射器阵列[1]，如图1.2所示；2024年我国“嫦娥六号”探测器部署的角反射器 。
图1.1 阿波罗11号、阿波罗14号、阿波罗15号所部署的角反射器阵列
图1.2 Lunokhod 2号月球车及其角反射器阵列
我国有多家单位从事卫星激光角反射器的研制。例如，中国科学院上海天文台自1999年开始从事激光角反射器的相关理论、实验研究以及卫星激光角反射器载荷研制工作，2002年，为“神舟四号”轨道舱研制了激光角反射器；2005年开始，为“北斗”导航卫星研制了20多套激光角反射器；2014年，设计和研制了“天宫一号”空间交会对接的激光雷达合作目标[2]。图1.3（a）和（b）所示为北斗MEO角反射器阵列、GEO/IGSO角反射器阵列。
为了实现毫米级地月测距精度，近年来，欧美国家、日本和中国均在研究新一代单体大孔径激光角反射器[3-6]。例如，中山大学研制了单体中空激光角反射器，如图1.3（c）所示，并已搭载于“嫦娥四号”月球中继星“鹊桥”上。
图1.3 北斗MEO角反射器阵列、GEO/IGSO角反射器阵列和“鹊桥”单体中空激光角反射器
1.2 雷达角反射器概述
利用角反射器体积小、回波强度大的特点，雷达角反射器常作为干扰假目标或雷达回波增强器使用。早在二战时期，诺曼底登陆战役发起前，英美联军派遣舰艇拖带安装雷达角反射器的小船，在德军雷达屏幕上造成了大型军舰入侵的假象。此外，盟军还在布伦地区附近海岸投放人体模型和雷达反射体模拟的假伞兵，模拟对德军进行大规模空袭的假象，给德军造成了错觉，使其急忙将大量海空力量调往布伦地区，打乱了德军的防御部署，保证了诺曼底登陆战役的胜利[7]。
把角反射器安装在机动车辆上或放置在拖曳的兵器器材模型内，也可模拟行军纵队或单个技术兵器和车辆的雷达回波。为了保护大城市中的大型建筑物、水库、桥梁等，可在保护物附近装上角反射器，如图1.4（a）所示，使轰炸机上雷达显示器显示的图形分不清真假目标，多个角反射器在地面上产生相当于非常大的建筑物的反射信号。将多个雷达角反射器安装在靶船上，如图1.4（b）所示，在海面上可产生相当于大型舰艇的雷达回波。用雷达角反射器作为被动式雷达回波增强器可以对空中目标进行跟踪、定位，例如，美国海军F-3D、F-4战斗机在起落架前安装的雷达角反射器，如图1.5所示。
图1.4 在桥梁附近设置雷达角反射器和靶船上的雷达角反射器
图1.5 美国海军F-3D和F-4战斗机上安装的雷达角反射器
将雷达角反射器设计制作成充气式结构，在水面舰艇电子战领域作为诱饵也具有广泛的应用。欧文公司研发的DLF系列充气式雷达角反射器，已经在英国皇家海军的多种水面舰艇上实现装备，同时也装备于美国、法国、意大利等多个国家的海军舰艇。美国把引进的DLF-3型充气式雷达角反射器重新命名为MK-59充气式雷达角反射器，它是用20个角反射器构成的具有60个面的大直径的类球形全向角反射器，投放系统采用了类似于鱼雷发射管的发射装置，利用高压气体发射充气式雷达角反射器，发射以后在距舰艇一定距离时通过系索的拉动，高压气体系统能在数秒内完成充气展开成型[8]，如图1.6所示。
图1.6 安装在“伯克”级驱逐舰侧舷的MK-59漂浮式诱饵的发射状态与展开状态
雷达角反射器作为假目标或诱饵已有广泛的应用，学者仍在利用其特性扩展应用领域，例如，文献[9]通过理论分析和实验验证了将角反射器作为无线电引信对空靶标的可行性；文献[10]利用角反射器构建无源诱骗系统，分析了无源诱骗技术原理及其抗反辐射弹的必要条件；文献[11]将方形三面角反射器作为测试目标，通过雷达相位测量来表征大气折射率的变化；文献[12]～[14]把角反射器作为永久散射体应用到了地形测量和地面形变监测方面。利用角反射器在一定范围内反向回波对方向
