一種海底小目標近距離探測系統(tǒng)及試驗研究

陳思行，劉 亮

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

一種海底小目標近距離探測系統(tǒng)及試驗研究

陳思行，劉 亮

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

隨著水下航行器技術(shù)的發(fā)展及探雷等特殊場合的需求,利用水下小平臺探測海底小目標的方式逐漸受到重視，本文依據(jù)參量發(fā)射陣理論，結(jié)合參量陣的優(yōu)勢、截斷參量陣的特點，設計了一種應用于海底小目標近距離探測的系統(tǒng)，測試該探測系統(tǒng)在近距離的特性，進行沉底及掩埋目標的探測實驗，結(jié)果表明，該參量陣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)海底小目標近距離探測，在現(xiàn)有條件下所做的探索工作具有一定的工程參考價值。

參量陣；截斷參量陣；差頻；近底探測

0 引 言

隨著水下航行器、機器人技術(shù)及水下定位與導航技術(shù)越來越成熟，運用小平臺進行近距離沉底及掩埋目標的探測逐漸受到重視。常規(guī)基陣由于體積、波束、旁瓣等的限制，不利于小平臺、近距離進行沉底及掩埋目標的探測。而基于非線性聲學原理的參量發(fā)射陣因其具有在小尺寸基陣下實現(xiàn)低頻、窄波束、近乎無旁瓣、易獲得較大的信號帶寬等優(yōu)點，有利于提高信混比、方位分辨力等，而且有高、低 2 個頻段的回波數(shù)據(jù)，可以豐富探測結(jié)果的對比，非常適合運用在水下小平臺上進行沉底及掩埋目標的近距離探測等。

本文依據(jù)參量發(fā)射陣理論 Westervelt 線源參量陣[1]、Berktay 寬帶參量陣[2-3]，結(jié)合參量陣的優(yōu)勢及截斷參量陣的特點，設計一種應用于海底小目標近距離探測的系統(tǒng)，并開展系列試驗——測試該系統(tǒng)在近距離的特性、利用該系統(tǒng)探測沉底及掩埋目標。結(jié)果表明，該參量陣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)近底小目標探測，在現(xiàn)有條件下所做的探索工作將對實際工程的實現(xiàn)具有一定的指導意義。

1 參量發(fā)射陣理論基礎

波與波的非線性作用，在互作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生非線性的二次量，從而在此區(qū)域中形成與原波頻率不同的差頻波與和頻波[4]。聲學參量陣就是利用聲波在介質(zhì)中傳播的非線性特性，使 2 個沿同一方向傳播的高頻初始波 (f1,f2)（假設f1＜f2）在換能器輻射方向上產(chǎn)生頻率f2-f1很小的二次波。

1.1 Westervelt 與 Berktay 參量陣

Westervelt 提出的參量陣是一種線源參量陣，認為源是分布在一條直線上，在理論推導過程中，其假設介質(zhì)是理想流體、小振幅傳播、介質(zhì)對聲波的衰減只引入衰減因子來表征，并且非線性聲學方程只取到二級近似，得到：

式中：ps為和、差頻聲壓；c0為介質(zhì)中的聲速；ρ0為介質(zhì)的密度；t為時間；r為場中觀察點到微元體積 dV的距離；q為源密度函數(shù)。

式中：u為質(zhì)點振速；B/A為非線性參數(shù)。由于和頻波受到的吸收大，超過一定的距離后只有差頻波存在，這里只考查二階場中的差頻波，則 Westervelt 遠場解為：

式中：p1，p2為兩原頻波振幅；β=1+B/(2A) 為非線性系數(shù)；S為換能器輻射面積；kd為差頻波波數(shù)；r>>1/2α0，α0為兩原頻波頻率中心處對應的吸收系數(shù)。

Berktay 在 Westervelt 參量陣理論基礎上提出包絡自解調(diào)寬帶參量陣，即使用幅度調(diào)制的原頻信號來產(chǎn)生差頻信號，其遠場解為：

式中E(t) 為發(fā)射信號的包絡。

由式（4）可知：自解調(diào)得到的差頻聲壓與包絡函數(shù)幅度平方的2階導數(shù)成正比[2]。設計復雜參量陣信號源波形通常參考該遠場結(jié)論，并根據(jù)實際情況進行適當?shù)难a償。

1.2 參量發(fā)射陣特性[2,3]

圓形活塞換能器經(jīng)常出現(xiàn)在各種聲吶系統(tǒng)中，比較適合搭載在 UUV 等水下小平臺上，這里以單個圓形活塞輻射器輻射產(chǎn)生的參量陣聲場為基礎，同樣只考查其聲場中差頻波的特性。

1.2.1 差頻波聲軸聲壓分布

對于圓形活塞換能器輻射產(chǎn)生的參量陣聲場，根據(jù)式（1）可知，其差頻波聲軸聲壓隨距離變化的趨勢：在離換能器很近的距離內(nèi)，差頻波隨原波的變化較劇烈，但由于虛擬活塞換能器的能量積累效應，差頻聲壓總體是增大的；隨著距離的增加，當原波穩(wěn)定后，差頻波相應也穩(wěn)定下來，在r=a2/λ 之后，原波開始下降，但是能量積累效應仍然明顯，差頻波自身的衰減小于原波能量對差頻波的轉(zhuǎn)化，因此這段距離差頻聲壓仍在增加；隨著距離繼續(xù)增加，原波衰減到一定程度后，積累效應逐漸減弱，差頻波自身的衰減逐漸大于原波能量對差頻波的轉(zhuǎn)化，差頻波聲壓開始減小；最終，當積累效應可以被忽略時，差頻聲壓隨距離近似按反比例衰減[5-6]。顯然，參量陣產(chǎn)生的差頻聲場的近、遠場標志就不像常規(guī)換能器的那樣清楚，其跟原波頻率、傳播介質(zhì)屬性等因素有關(guān)?？傮w上，由于差頻波是聲場的次級效應，參量陣的轉(zhuǎn)換效率通常比較低。

1.2.2 差頻波聲壓指向性

在水介質(zhì)中，對差頻波來說，當原波的指向性非常尖銳，Berktay 寬帶參量陣理論的指向性函數(shù)與 Westervelt線源參量陣理論的指向性函數(shù)表示上一致[7]，可表示為：

為更好地理解參量陣的優(yōu)勢，這里先進行數(shù)值仿真以對比：假設都用相同尺寸（直徑均為 200 mm）的圓形活塞換能器來輻射聲波，原波（載波）頻率為200 kHz，差頻波頻率為 20 kHz，常規(guī)方式產(chǎn)生 200 kHz、20 kHz 聲波與參量陣方式產(chǎn)生 20 kHz 差頻波的聲壓指向性圖如圖 1 所示。

從圖 1 中不難發(fā)現(xiàn)，常規(guī)陣輻射 200 kHz 聲波的指向性比輻射 20 kHz 聲波的指向性要尖銳很多，符合頻率越高、指向性越好的規(guī)律，但頻率越高旁瓣也增加。而利用參量陣方式產(chǎn)生 20 kHz 差頻波的指向性比常規(guī)方式好，而且近乎沒有旁瓣。如果用常規(guī)陣形成如此尖銳的指向性，則陣的等效線度就很大，而且避免不了旁瓣的影響。顯然，參量陣具有可在小孔徑換能器下實現(xiàn)低頻、高指向性、近乎無旁瓣波束的優(yōu)勢。

2 參量陣試驗探測系統(tǒng)設計

在利用小平臺近距離探測海底目標時，參量陣所處的空間有限、原波聲場被底界面截斷，由于參量陣產(chǎn)生的聲場由虛源存在的空間決定，所以有必要先考查截斷參量陣的特性。

2.1 截斷參量陣[8]

如果一個活塞型換能器在瑞利距離R1內(nèi)被截斷，通常，輻射器的瑞利距離R1比起參量陣陣長(α1+α2)?1小很多，忽略差頻本身的吸收，原波聲場產(chǎn)生的參量陣在R>R1時，有

按照遠場理論，在差頻波頻率一定時，聲壓反比于原波中心處（或載波）頻率的平方；但由上式來看，當R1＜R時，原波中心處（或載波）的頻率增大，R1增大，|pd′|增大，這與遠場理論的結(jié)論相反，若R1/R很小時，有

由此可知，參量陣被截斷的情況下，在可能的范圍內(nèi)，適當提高原波頻率是有好處的，這一結(jié)論也已在實驗中得到證實[9]。

2.2 試驗探測系統(tǒng)設計

探測沉底及淺掩埋的目標，為了一定的穿透能力，聲吶探測信號的頻率通常在 40 kHz 以內(nèi)，對于參量陣聲吶系統(tǒng)來說，即差頻的頻率范圍為 40 kHz 以內(nèi)；但是，影響參量陣應用的最主要因素是差頻的轉(zhuǎn)化效率，而差頻的轉(zhuǎn)化效率與頻率下移比（原頻頻率與差頻頻率的比）成反比，根據(jù)截斷參量陣的分析可知，近底探測時適當?shù)奶岣咴l頻率對形成差頻有利，所以差頻的頻率也不應該選擇過低。綜合考慮底質(zhì)吸收、目標散射特征、差頻波束分辨率等，本文將差頻的頻率范圍選擇在 5～35 kHz，主要頻段為10～30 kHz；而原頻的頻率主要選擇在 100～300 kHz。

本文采用的參量陣信號源波形是基于 Berktay 包絡自解調(diào)理論的，為了探究參量陣應用于近底探測系統(tǒng)的可行性，根據(jù)現(xiàn)有條件，選擇一個 180～220 kHz 范圍內(nèi)阻抗平坦直徑為 20 cm的寬帶換能器，中心頻率處（200 kHz）的波束寬度，進行參量陣試驗系統(tǒng)的搭建與測試，該試驗系統(tǒng)采用的換能器如圖 2 所示。所搭建的試驗測試系統(tǒng)如圖 3 所示。

其中，原頻調(diào)制信號是通過原頻與包絡信號相乘獲得的，該方式可以節(jié)約換能器帶寬、減少差頻信號失真等，解調(diào)得到的差頻信號頻率為包絡信號頻率的2 倍，而包絡信號可以采用頻率可控的單頻脈沖信號、調(diào)頻脈沖信號等[10]。

采用單頻調(diào)制信號不但簡化信號源設計，但是反映的目標散射特性相對單一。采用調(diào)頻調(diào)制信號，豐富的差頻頻率成分可以獲取更多的目標信息，低頻成分利于穿透底質(zhì)，同時寬帶對抗起伏和混響有利，且可以進行脈沖壓縮，提高距離分辨力。但是也相應地增加了信號源設計和信號接收處理的復雜度[10]。

3 實 驗

由于參量陣是聲場的次級效應，有很多不確定的因素，加上用于近距離探測，對于具體的參量陣探測系統(tǒng)，差頻的特性（尤其在參量陣近場）還是需要通過實驗來研究的。

3.1 試驗系統(tǒng)的差頻特性測試

試驗在消聲水池中進行，試驗系統(tǒng)的原波聲源級為 224 dB，雙平衡調(diào)制獲得頻率為 20 kHz 的差頻波的聲軸聲壓分布如圖 4 所示，圖 4(a) 為差頻聲軸聲壓隨距離的分布情況（這里幅度直接用水聽器輸出的電壓幅值歸一化后來表示，不影響聲軸聲壓分布的趨勢），圖 4(b) 為歸算到 1 m 處的差頻源級隨距離的變化曲線。

由圖 4 可知，在換能器原頻的瑞利距離內(nèi)，差頻的聲壓變化比較大，在 1～1.5 m 范圍其值較大；而在換能器原頻的瑞利距離之外，差頻的聲壓變化較小，差頻積累效應逐漸減弱，差頻源級也逐漸趨于穩(wěn)定。

指向性通常是從遠場來考查的，由于系統(tǒng)只用在近距離探測，在有限的距離內(nèi)，該測試系統(tǒng)的指向性用波束寬度來考查（近場可能測不準）。原波聲源級仍為 224 dB，雙平衡調(diào)制獲得頻率為 20 kHz 的差頻波的指向性如圖 5 所示，圖 5(a) 為 16 m 處測得的指向性圖，圖 5(b) 為差頻波束寬度隨距離的變化曲線。

由圖 5 可知，該測試系統(tǒng)獲得的差頻波的波束寬度在換能器原頻瑞利距離內(nèi)，隨距離增加逐漸減??；超過瑞利距離后，波束寬度基本穩(wěn)定在 3.6°。總體看，差頻波束寬度總體都是比較小的。

另外，在載波頻率（這里為 200 kHz）一定時，實驗測得的差頻波頻率為 10 kHz，30 kHz 的波束寬度變化趨勢基本與圖5一致，且與差頻波頻率為 20 kHz 的波束寬度相差不大。

3.2 試驗系統(tǒng)的探測能力測試

為初步論證在有限空間環(huán)境中開展參量陣近距離探測掩埋目標實驗的可行性，也為了解目前條件下所搭建的測試系統(tǒng)產(chǎn)生的差頻信號穿透底質(zhì)的能力，先在室內(nèi)小水箱進行了參量陣掩埋目標的探測實驗。

實驗在電解水箱（鹽水）中進行，如圖 6 所示。細沙，厚度為 30 cm，沙是往盛水的水箱中加的、近似為自沉方式，使沙層較均勻。掩埋圓盤目標（直徑15 cm、厚 2 cm）距水-沙界面 20 cm、距底 8 cm，換能器距水-沙界面 45 cm（擬收發(fā)合置）。功放采用L2、水聽器 B&K8104 接收，該實驗接收回波時，未加濾波、放大電路，主要想避免接收系統(tǒng)的干擾和方便原頻及差頻回波的同時接收（理論上，原頻、差頻回波應該分別濾波、放大接收）。

由于水箱的空間有限（1 m × 0.7 m × 1 m），為了一定的穿透深度和較高的距離分辨力，參量陣獲得頻率為 5～35 kHz 的寬帶差頻信號，脈寬為 1 ms，距離分辨率理論上可達 2.5 cm。

對接收信號中的原頻及差頻成分經(jīng)數(shù)字濾波后再進行壓縮處理，并對壓縮后的信號經(jīng) Hilbert 變換求取包絡，結(jié)果如圖 7和圖 8 所示。圖 8 的各峰分別對應旁瓣的直達信號、水-沙界面反射信號、目標反射信號、箱底反射信號（圓盤目標不完全擋住發(fā)射波束）。

由圖 7 和圖 8 可知，高頻信號很難穿透沙層，而該參量陣測試系統(tǒng)形成的差頻可以穿透。由于為盡量利用水域空間以形成差頻信號，換能器和水聽器都被布放在水面附近，可能導致各反射信號中含有經(jīng)水面再反射的部分進而影響了壓縮效果，而且由于水-沙界面存在一層約 1 cm 厚的浮泥層，導致水-沙界面的回波信號壓縮變差了一些，這些影響對原波更大些，從圖中即可發(fā)現(xiàn)這點。

綜上，該利用參量陣近場的海底小目標近距離探測試驗系統(tǒng)能夠在有限水域中近距離探測掩埋目標，發(fā)射寬帶信號有助于淺掩埋目標的探測。

上述實驗限于條件，只是獲得了目標在特定方位上的回波信息，實際應用中，顯然很難只通過某一方位的信息來實現(xiàn)目標的識別，獲取目標越多方位的回波信息，越有利于海底小目標的識別。對于單波束的近距離參量探測系統(tǒng)，可以采用小平臺走航的方式或者換能器機械掃描的方式來獲取海底小目標更多的方位信息。對于多波束的近距離參量探測系統(tǒng)，若搭載在水下小平臺上，不適合成較大規(guī)模的陣，且由于參量陣對源級要求較高，為了能量集中發(fā)射，一般采用電子掃描的方式。

4 結(jié) 語

雖然參量陣有轉(zhuǎn)換效率低而差頻聲源級不高的問題，但其能在小孔徑下得到高指向性低頻聲波且近乎無旁瓣和具有寬頻帶等優(yōu)點，若搭載在水下小平臺上進行海底小目標的近距離探測，能夠提高信混比等，具有其應用優(yōu)勢。本文設計的系統(tǒng)在試驗階段實現(xiàn)了預期目標，但需要進一步細化，以利于工程設計及應用：本文在現(xiàn)有條件下選擇了原頻中心頻率在 200 kHz的寬帶換能器搭建測試系統(tǒng)進行試驗探索，進一步工作要優(yōu)化原頻頻率及差頻頻率的選擇；參量陣近場獲得的寬帶差頻信號的特性未詳細探究，了解這類寬帶信號的特性有利于該方式下獲取目標更多的散射特征、提高小目標的識別率。參考文獻：

[ 1 ]WESTERVELT P. J. Parametric acoustic array[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1963, 35(4): 535-537.

[ 2 ]BERKTAY H. O. Possible exploitation of nonlinear acoustics in underwater transmitting applications[J]. J. Sound Vibration, 1965, 2(4): 435-461.

[ 3 ]BERKTAY H. O. Farfield performance of parametric transmitters[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1974, 55(2): 539-546.

[ 4 ]何祚鏞, 趙玉芳. 聲學理論基礎[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985, 420-431.

[ 5 ]姚培鋒. 指向性聲源的理論與實驗研究[D]. 濟南: 山東科技大學, 2005.

[ 6 ]MARK B. M, ROBERT H. M. Nearfield characteristics of parametric acoustic sources[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1981, 69(2): 404-409

[ 7 ]葉超, 吳鳴,等. 參量陣差頻波指向性的研究[C]// 2009全國環(huán)境聲學學術(shù)會議文集, 195-164. YE Chao, WU Ming, et al. The research of the directivity of difference frequency of parametric array[C]// The 2009 National Conference on Environmental Acoustics Corpus, 195-164.

[ 8 ]錢祖文. 非線性聲學(第 2 版)[M]. 北京: 科學出版社, 2009.

[ 9 ]錢祖文, 邵道遠. 關(guān)于淺海參量陣的應用[J]. 物理學報, 1986, 35: 1374-1377. QIAN Zu-wen, SHAO Daoyuan. About the application of shallow sea parametric array[J]. Journal of physics, 1986, 35: 1374-1377.

[10]劉亮, 王錦柏. 一種參量陣淺地層剖面儀及實驗研究[J]. 聲學技術(shù), 2015, 34(4), 202-205. LIU Liang, WANG Jin-bo. One kind of parametric sub-bottom profiler and its experiment research[J]. Technical Acoustics, 2015, 34(4), 202-205.

A kind of seafloor small target close detection system and its ex-perimental research

CHEN Si-xing, LIU Liang
(Shanghai Marine Electronic Equipment Institute, Shanghai 201108, China)

With the development of underwater-vehicle technology and the demand of detection of mines on special occasions, the method of seafloor small targets’ detection, based on underwater small platforms, is becoming more and more popular. This paper, according to the theories of parametric emission array, combining the advantages of parametric array and the characteristics of cut-off parametric array, designed a kind of near detection system applying to seafloor small targets, did a series of experiments to test this system’s characters in near range and carry out sink and buried targets. The results showed that, this parametric array detection system can achieve seafloor small targets’ near detection, the exploring work under the existing conditions will increase some reference value in engineering.

parametric array；cut-off parametric array；difference frequency；near-bottom detection

U666.7

A

1672 - 7619(2017)04 - 0135 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.027

2016 - 09 - 20；

2016 - 11 - 08

陳思行(1990 - )，男，本科，助理工程師，研究方向為水聲信號處理。