第一篇 基础篇 3
第1章 概述 3
1.1 什么是声呐 3
1.2 用途、范围和预期读者群 4
1.3 结构 6
1.3.1 第一篇：基础篇（第1～3章） 6
1.3.2 第二篇：四大支柱领域（第4～7章） 6
1.3.3 第三篇：应用篇（第8～11章） 7
1.3.4 附录 7
1.4 声呐简史 7
1.4.1 声呐概念的提出和声呐的诞生（—1918年） 8
1.4.2 声呐的幼年时期（1918—1939年） 16
1.4.3 声呐的成年时期（1939—） 17
1.4.4 由军用转向民用 23
参考文献 24
第2章 必备的背景知识 29
2.1 声呐海洋学要点 29
2.1.1 海水的声学特性 30
2.1.2 空气的声学特性 32
2.2 水声学要点 32
2.2.1 什么是声 32
2.2.2 声的辐射 33
2.2.3 声的散射 42
2.3 声呐信号处理要点 43
2.3.1 时间滤波器 44
2.3.2 空间滤波器（波束形成器） 46
2.4 统计检测理论要点 49
2.4.1 高斯分布 49
2.4.2 其他分布 52
参考文献 53
第3章 声呐方程 54
3.1 引言 54
3.1.1 声呐性能建模的目的 54
3.1.2 信号和噪声的概念 55
3.1.3 理想深水环境 56
3.1.4 章节结构 56
3.2 被动声呐 56
3.2.1 概述 56
3.2.2 标准术语的定义（被动声呐） 58
3.2.3 相干处理：窄带被动声呐 64
3.2.4 非相干处理：宽带被动声呐 80
3.3 主动声呐 94
3.3.1 概述 94
3.3.2 标准术语的定义（主动声呐） 95
3.3.3 相干处理：CW脉冲十多普勒滤波器 99
3.3.4 非相干处理：CW脉冲十能量检测器 111
参考文献 121
第二篇 四大支柱领域 125
第4章 声呐海洋学 125
4.1 海洋体积特性 126
4.1.1 陆地与普适常数 126
4.1.2 海洋测深学 126
4.1.3 纯净海水中影响声速和衰减的因素 126
4.1.4 纯净海水中的声速 143
4.1.5 纯净海水中的声衰减 145
4.2 气泡和海洋生物的特性 149
4.2.1 水中气泡的特性 149
4.2.2 海洋生物的特性 150
4.3 海面特性 160
4.3.1 风的影响 160
4.3.2 表面粗糙度 166
4.3.3 风生气泡 169
4.4 海底特性 171
4.4.1 疏松沉积物 171
4.4.2 岩石 180
4.4.3 地声学模型 184
参考文献 184
第5章 水声学 194
5.1 引言 194
5.2 液体和固体介质的波动方程 194
5.2.1 流体介质中的压缩波 195
5.2.2 固体介质中的压缩波和切变波 197
5.3 平面波的反射 200
5.3.1 液体—液体或者液体—固体界面的反射与透射 201
5.3.2 分层流体界面的反射 204
5.3.3 分层固体界面的反射 207
5.3.4 全反射粗糙表面的反射 208
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 散射截面和远场 212
5.4.2 固体目标的反向散射 213
5.4.3 流体目标的反向散射 218
5.4.4 粗糙界面的散射 227
5.5 存在杂质条件下的弥散 229
5.5.1 稀相悬浮沉积物的伍德模型 229
5.5.2 有粒间接触的饱和沉积物的贝克汉姆模型 230
5.5.3 气泡或有鳔鱼的影响 232
参考文献 251
第6章 声呐信号处理 256
6.1 被动声呐的处理增益 257
6.1.1 波束指向性图 257
6.1.2 指向性指数 272
6.1.3 阵增益 277
6.1.4 宽带应用 284
6.1.5 时域处理 285
6.2 主动声呐的处理增益 285
6.2.1 信号载波与包络 286
6.2.2 简单包络以及它们的频谱 289
6.2.3 自相关函数、互相关函数和匹配滤波器 302
6.2.4 模糊函数 308
6.2.5 理想的匹配滤波器增益 313
6.2.6 非理想的匹配滤波器增益（相干损失） 314
6.2.7 阵增益和总处理增益（主动声呐） 315
参考文献 316
第7章 统计检测理论 318
7.1 高斯噪声中的单已知脉冲，相干处理 319
7.1.1 高斯分布噪声下的虚警概率 319
7.1.2 对随机相位信号的检测概率 320
7.1.3 检测阈 332
7.1.4 对其他波形的应用 333
7.2 高斯噪声中的多已知脉冲，非相干处理 333
7.2.1 瑞利分布噪声幅度下的虚警概率 334
7.2.2 非相干处理脉冲串的检测概率 335
7.3 在声呐中的应用 350
7.3.1 主动声呐 350
7.3.2 被动声呐 351
7.3.3 判决策略与检测阈 351
7.4 多次观测 354
7.4.1 引言 354
7.4.2 “与”和“或”运算 356
7.4.3 多重“或”运算 361
7.4.4 “N中取M”运算 362
参考文献 363
第三篇 应用篇 367
第8章 声源与声散射 367
8.1 海洋界面的反射与散射 367
8.1.1 海面反射 368
8.1.2 海面散射 375
8.1.3 海底反射 381
8.1.4 海底散射 397
8.2 目标强度、体积反向散射强度和体积衰减系数 406
8.2.1 点散射体的目标强度 406
8.2.2 分布式散射体的体积反向散射强度和衰减系数 415
8.2.3 延展体积散射体的层强度和尾流强度 418
8.3 水下噪声源 420
8.3.1 船舶声源谱级的测量 424
8.3.2 海洋表面的分布声源 429
8.3.3 海底分布声源（甲壳类动物） 435
参考文献 437
第9章 水声传播 449
9.1 传播损失 450
9.1.1 等声速水域海底的作用 450
9.1.2 声速剖面的影响 468
9.2 噪声级 492
9.2.1 深水域 492
9.2.2 浅水域 497
9.2.3 噪声地图 498
9.3 信号级（主动声呐） 500
9.3.1 互易原理 500
9.3.2 回声级的计算 501
9.3.3 V-波导传播（等声速情况） 502
9.3.4 U-波导传播（线性声速剖面） 502
9.4 混响级 503
9.4.1 等声速水域 505
9.4.2 折射的作用 508
9.5 信混比（主动声呐） 516
9.5.1 V-波导（等声速情况） 516
9.5.2 U-波导（线性声速剖面） 517
参考文献 518
第10章 发射机与接收机特性 522
10.1 发射机特性 523
10.1.1 人造系统的特性 524
10.1.2 海洋哺乳动物的特性 552
10.2 接收机特性 557
10.2.1 人造声呐的特性 557
10.2.2 海洋哺乳动物、两栖动物、人类潜水员和鱼的特性 559
参考文献 575
第11章 再议声呐方程 585
11.1 引言 585
11.2 被动声呐相干处理：线谱检测器 587
11.2.1 声呐方程 587
11.2.2 声源级 587
11.2.3 窄带传播损失 588
11.2.4 噪声谱级 590
11.2.5 带宽 591
11.2.6 阵增益与指向性指数 592
11.2.7 检测阈 593
11.2.8 算例 595
11.3 被动声呐非相干处理：能量检测器 604
11.3.1 声呐方程 604
11.3.2 声源级 604
11.3.3 宽带传播损失 605
11.3.4 宽带噪声级 606
11.3.5 处理增益 606
11.3.6 宽带检测阈 610
11.3.7 算例 612
11.4 主动声呐相干处理：匹配滤波器 619
11.4.1 声呐方程 619
11.4.2 回声级、目标强度和等效目标强度 619
11.4.3 背景级 622
11.4.4 处理增益 623
11.4.5 检测阈 625
11.4.6 算例 626
11.5 声呐性能建模的未来 642
11.5.1 信号处理与海洋建模的进展 643
11.5.2 自主平台 643
11.5.3 人为声音对环境的影响 644
参考文献 644
附录A 特殊函数与数学运算 647
A.1 特殊函数的定义与基本性质 647
A.1.1 海维赛德阶跃函数、符号函数与矩形函数 647
A.1.2 正弦基函数与双曲正弦基函数 648
A.1.3 狄拉克δ函数 649
A.1.4 菲涅耳积分 649
A.1.5 误差函数、余误差函数与右尾概率函数 649
A.1.6 指数积分与有关函数 651
A.1.7 伽马函数与不完全伽马函数 653
A.1.8 马库姆Q函数 657
A.1.9 椭圆积分 657
A.1.10 贝塞尔函数与有关函数 658
A.1.11 超几何函数 661
A.2 傅里叶变换与有关积分 662
A.2.1 傅里叶变换及其逆变换 662
A.2.2 互相关 663
A.2.3 卷积 664
A.2.4 离散傅里叶变换 665
A.2.5 普兰彻雷尔定理 666
A.3 计算积分的稳相法 666
A.3.1 稳相逼近 666
A.3.2 推导 667
A.4 二次、三次和四次方程的解 669
A.4.1 二次方程 669
A.4.2 三次方程 669
A.4.3 四次与更高次方程 670
参考文献 670
附录B 单位与术语 673
B.1 单位 673
B.1.1 SI单位 673
B.1.2 非SI单位 674
B.1.3 对数单位 676
B.2 术语 680
B.2.1 标记法 680
B.2.2 缩写词和首字母缩略词 681
B.2.3 鱼和海洋动物的名称 685
参考文献 685
附录C 鱼和它们的鱼鳔 688
C.1 鱼以及鱼鳔类型列表 688
参考文献 720
专业术语中英文对照表 721