多波束測(cè)深儀換能器基陣指向性優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙慧胡建輝王艷李科

（1.上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108；2.水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201108）

近年來，隨著對(duì)海洋資源和環(huán)境的開發(fā)研究活動(dòng)的不斷加強(qiáng)，人們對(duì)海底地形地貌的求知要求日益提高。多波束測(cè)深系統(tǒng)在與航跡垂直的平面內(nèi)一次能夠給出幾十個(gè)甚至上百個(gè)深度，獲得一定寬度的全覆蓋水深條帶，所以它能夠精確快速地測(cè)出沿航跡線一定寬度范圍內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化[1-2]。

早期的多波束換能器基陣采用兩條相互垂直的直線陣構(gòu)成T形陣，它存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：在與航跡垂直平面內(nèi)回波信號(hào)不均勻，0°方向散射信號(hào)強(qiáng)，并且干擾也較大，往180°方向回波信號(hào)逐漸變?nèi)?。將多波束發(fā)射基陣設(shè)計(jì)成橢圓形，波束覆蓋角度可達(dá)160°，邊緣波束比中心波束高10 dB左右，可有效地降低“隧道效應(yīng)”和聲線的“折射效應(yīng)”[3-4]的影響，提高作業(yè)效率和測(cè)量精度[5]。

接收基陣通常要求基元的橫向波束開角較寬，?3 dB開角要達(dá)到100°以上?；g的隔聲材料及其占比對(duì)基元的橫向波束開角有重要影響。通過各參數(shù)的綜合設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)基元的橫向波束開角，使得波束開角能滿足波束掃描范圍的需求。

1 弧形發(fā)射陣指向性優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般情況，多波束測(cè)深儀要求發(fā)射換能器為寬波束發(fā)射，以便可以探測(cè)掃描更寬的范圍。將發(fā)射換能器設(shè)計(jì)成弧形可滿足這一要求。等直徑的均勻圓弧是常見的弧形發(fā)射陣。

弧形發(fā)射陣的指向性通常在主波束內(nèi)存在連續(xù)的起伏，震蕩幅度由中心向兩側(cè)逐漸增大，在波束邊緣處有最大值。本文計(jì)算f＝200 kHz，圓心角為180°的水平指向性圖。由圖1可以看出，圓心角為180°時(shí)，實(shí)際主波束的?6 dB開角約為165°，比圓心角小8%左右。

圖1 180°均勻圓弧指向曲線

通過仿真計(jì)算，優(yōu)化陶瓷尺寸、切縫、填充材料、以及調(diào)節(jié)基元的振幅和邊界條件等手段，可以實(shí)現(xiàn)弧形陣指向性的優(yōu)化，降低弧形指向性波束起伏。本文通過仿真優(yōu)化，調(diào)節(jié)弧形陣基元間距，使波束中心往邊緣處基元間距逐漸增加，這樣得到弧形陣邊緣處的基元間距最大，從而降低弧形陣指向性波束邊緣的尖峰，可以將弧形指向性的波束起伏控制在?3 dB以內(nèi)。

圖2 優(yōu)化后180°圓弧指向曲線

為了降低多波束測(cè)深系統(tǒng) 0°方向散射信號(hào)，將弧形發(fā)射陣的陣型優(yōu)化設(shè)計(jì)成橢圓形，基元沿著橢圓弧線布陣，方向性圖由工作頻率、橢圓長(zhǎng)軸與短軸尺寸比等因素決定。本文計(jì)算了f＝200 kHz，長(zhǎng)軸b與短軸a之比為2、2.5、3的方向性圖，如圖3。隨著b/a的值由2增加到3，中心波束由?10 dB降至?15 dB。此外，邊緣波束的起伏比中心波束的起伏大，并隨b/a的值增大，邊緣波束的起伏逐漸降低。

圖3 橢圓形布陣方向性圖曲線

橢圓形多波束發(fā)射換能器制作設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于制作工藝。本文制作了橢圓形的長(zhǎng)軸與短軸之比b/a=2的發(fā)射換能器單基元（圖4），測(cè)試了該單元的水平方向性圖，測(cè)試頻率f=200 kHz，圖5為實(shí)測(cè)得到的指向性圖，與圖3的仿真結(jié)果對(duì)比可知，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，說明仿真計(jì)算的結(jié)果真實(shí)可信，計(jì)算方法有效。

圖4 橢圓形發(fā)射單基元

圖5 實(shí)測(cè)橢圓形發(fā)射指向性圖

2 寬波束接收陣指向性優(yōu)化設(shè)計(jì)

多波束測(cè)深儀接收換能器一般為多基元直線陣，每個(gè)接收基元獨(dú)立輸出，基元布陣間距通常為半波長(zhǎng)。理想情況下各個(gè)基元之間的橫向波束開角是一樣的，因此對(duì)于仿真建模分析橫向波束開角只需考慮其中的一個(gè)基元的開角即可，兩邊基元作為分析基元的邊界應(yīng)予以考慮，分析模型如圖6。

圖6 基元橫向邊界特性分析簡(jiǎn)化模型

影響接收陣基元波束開角的因素有：障板的反射系數(shù)、相對(duì)靈敏度、布陣間距、反射面占比等，可以通過仿真的手段調(diào)節(jié)各因素，分析其對(duì)橫向指向性影響的規(guī)律，以優(yōu)化基元橫向波束的開角。按照?qǐng)D6模型仿真計(jì)算了200 kHz、基元半波長(zhǎng)布陣情況下，在優(yōu)化前和優(yōu)化后單基元的橫向波束開角分別為85°和128°，仿真結(jié)果見圖7。

圖7 200 kHz基元邊界優(yōu)化前后方向性曲線

本文實(shí)際制作了200 kHz半波長(zhǎng)布陣多波束接收小樣換能器，并測(cè)試小樣換能器在優(yōu)化前和優(yōu)化后單基元的橫向波束開角。在不優(yōu)化的情況下，接收陣單基元的波束開角一般低于100°。實(shí)際測(cè)量的典型指向性圖見圖8。

圖8 單基元不優(yōu)化典型指向性圖，2θ-3dB=83°

保持布陣間距不變，通過調(diào)節(jié)背襯的高度等參數(shù)，可增加單基元的橫向指向性波束開角。具體優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖9。優(yōu)化后?3dB波束開角達(dá)到130°，見圖10。

圖9 優(yōu)化后基元橫向邊界特性分析簡(jiǎn)化模型

圖10 邊界優(yōu)化單基元指向性圖，2θ-3dB=130°

實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算的結(jié)果一致性吻合較好。6基元的寬波束小樣接收換能器陣各基元的橫向波束指向性結(jié)果見表 1。實(shí)際制作的寬波束接收換能器小樣測(cè)試結(jié)果顯示，6個(gè)基元的波束開角均在100°以上，1#和6#與其他基元之間存在一點(diǎn)差異，是因?yàn)檫@兩個(gè)基元處在基陣的邊緣，它的邊界條件與中間基元有差異，但是總的測(cè)量結(jié)果基本符合預(yù)期，優(yōu)化效果明顯。

表1 基元橫向波束開角

1#基元的測(cè)試結(jié)果為115°，6#基元的測(cè)試結(jié)果為 145°，兩者在邊界條件上是對(duì)稱的，但卻相差30°。主要是由于加工、制作及測(cè)試工裝等個(gè)方面影響，使得1#基元在波束范圍內(nèi)起伏稍大于6#基元，若考察?4 dB的波束開角，1#基元的開角為145°，6#基元的開角為149°，兩者相差不大。

3 結(jié)論

介紹了多波束測(cè)深儀換能器基陣指向性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了弧形發(fā)射陣指向性優(yōu)化措施和寬波束接收陣指向性優(yōu)化措施，優(yōu)化措施具有較好的實(shí)用性。除了可應(yīng)用于多波束測(cè)深儀以外，還可應(yīng)用于蛙人、水雷等小目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。