3. 水声信道对主动声呐信号的影响
主动声呐的工作方式是“发射—传播—目标反射—再传播—接收”。信号在海洋信道中往返两次，信道对它的作用会叠加出现。理解扩展损失、吸收损失、多途效应、多普勒频移和混响背景这五类影响，是后续设计匹配滤波器、选择波形和设定检测门限的物理前提。本节先讲清每种效应的成因与数学描述，再说明它们如何共同决定接收信号的样子。
扩展损失：能量随距离的几何扩散
声波从点源向外辐射，波阵面是不断扩大的球面，单位面积上的能量随距离平方衰减，这就是球面扩展。若声源靠近海面或海底，声波被界面限制在柱状空间内传播，衰减变为柱面扩展。工程上常用传播损失 TL 的经验形式描述：
球面扩展：TL = 20·lg(r) （dB，r 以米计）
柱面扩展：TL = 10·lg(r)
混合模型：TL = 15·lg(r) （过渡区常用折中）
双程传播：TL_2way = 2·TL例如 r = 1000 m 时，球面扩展单程约 60 dB，双程即 120 dB。这意味着发射 200 dB 的声源级，仅几何扩展就消耗掉大部分能量预算。扩展损失与频率无关，是距离的函数，它决定了声呐方程中传播损失项的基本量级。
吸收损失：海水对声能的频变耗散
海水中的硼酸盐弛豫、硫酸镁弛豫以及黏滞摩擦会把声能转化为热，形成吸收损失，其系数 α 强烈依赖频率。一个常用的教学近似（Thorp 公式，f 以 kHz 计，α 以 dB/km 计）为：
α(f) = 0.11·f²/(1+f²) + 44·f²/(4100+f²) + 2.75e-4·f² + 0.003代入可见：1 kHz 时 α 约 0.06 dB/km，10 kHz 时约 1 dB/km，50 kHz 时可达十几 dB/km。吸收损失按距离线性累加，双程同样翻倍。这直接解释了主动声呐的频率选择矛盾：低频传得远但分辨率差、换能器尺寸大；高频分辨率高但作用距离被吸收迅速压缩。设计时通常先由要求的最大作用距离反推可接受的 α，再确定工作频段。
多途效应：界面反射造成的到达结构
声波在声道中会经海面、海底多次反射，同一声脉冲沿不同路径到达接收点，形成多途。设第 i 条路径长度为 r_i，则相对直达路径的时延差为 Δτ_i = (r_i − r_0)/c，c 取约 1500 m/s。接收信号可写成直达与各多途分量的叠加：
y(t) = Σ_i A_i · s(t − τ_i) · e^(jφ_i)其中 A_i 含路径扩展与界面反射损失，海面反射通常带来约 180° 相位反转，海底反射的幅度与相位取决于底质。多途的后果有两面：时延差小于脉冲宽度时造成码间干扰和幅度起伏（衰落）；时延差大于脉宽时则在距离显示上出现“假目标”或目标分裂。工程上可用脉宽与多途时延的比较来判断风险——若 Δτ 与脉宽同量级，就应改用更短脉冲、宽带信号或加窗加权抑制旁瓣。
多普勒频移：相对运动引起的频率搬移
主动声呐中信号往返两次，多普勒频移为：
f_d = 2·v_r·f_0 / c其中 v_r 为目标相对声呐的径向速度（接近为正），f_0 为发射频率。示例：f_0 = 3 kHz、v_r = 5 m/s、c = 1500 m/s，则 f_d = 2×5×3000/1500 = 20 Hz。注意主动声呐的频移是单程的两倍，这是与被动声呐的重要区别。多普勒频移会使匹配滤波器的输出峰值偏移、相关增益下降；若目标回波还叠加多途，各路径的多普勒也略有差异，形成多普勒扩展。处理上通常用一组不同频移的副本做多普勒滤波器组搜索，或采用对多普勒宽容的宽带波形。
混响背景：发射信号自身的散射回波
混响不是外部噪声，而是发射脉冲被海面、海底和水中散射体（气泡、鱼群、悬浮颗粒）散射后返回的能量。它随发射信号同时出现、随发射结束而衰减，是主动声呐特有的干扰背景。体积混响与界面混响的强度可概括为：
RL = SL − 2·TL + S_b + 10·lg(V) （体积混响）其中 S_b 为散射强度，V 为被脉冲照亮的散射体积，与脉宽和波束宽度成正比。关键结论是：混响强度随脉宽增大而增强，因此缩短脉宽可降低混响，但会牺牲能量；同时混响与信号同频同形态，无法靠频域滤波分开，只能依靠多普勒差异（运动目标）或空域、波形设计来抑制。这也是主动声呐检测门限必须随混响电平动态调整的原因。
五类影响的耦合与工程判断
这五种效应并非独立。扩展与吸收共同构成传播损失，决定回波信噪比的上限；多途改变回波的时域结构，使匹配滤波输出出现多个峰；多普勒频移让峰值在时延—频移二维平面上偏移；混响则抬高整个背景，压缩可检测的动态范围。实际分析时可按以下顺序估算：先用作用距离和频率算出双程 TL 与吸收，得到预期回波级；再用脉宽与多途时延比较，判断是否会出现分裂；然后用目标速度算 f_d，确定多普勒搜索范围；最后用脉宽、波束宽度估算混响级，与噪声级比较，决定门限策略。