圓柱陣多波束漁用聲吶波束形成性能分析

宗艷梅，李國棟,，諶志新,，唐學(xué)大，尹項(xiàng)博，湯濤林,

(1 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；2中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

為了獲得更高的探測能力和空間分辨率，漁業(yè)聲學(xué)探測技術(shù)向著多波束[1-2]、多頻[3-4]和寬帶[5-7]等技術(shù)方向快速發(fā)展。多波束漁用聲吶作為海洋漁業(yè)精準(zhǔn)、高效捕撈的重要水聲助漁設(shè)備之一，在獲取海洋漁業(yè)資源的豐度及數(shù)量等信息方面有著廣泛的應(yīng)用[8-10]。中國漁用聲吶技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平相比，在魚群高分辨率、遠(yuǎn)距離探測等諸多領(lǐng)域還存在著較大差距。近年來，隨著微電子、新材料、新工藝以及信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，為研制智能魚群識(shí)別、精準(zhǔn)高效捕撈的高性能多波束漁用聲吶帶來了新的發(fā)展方向[7,11]。

換能器基陣的指向性是反映多波束漁用聲吶探測性能的重要指標(biāo)之一，圓柱型基陣在垂直和水平方向均具有指向性，且能實(shí)現(xiàn)空間全方位掃描，因此廣泛應(yīng)用于海洋漁業(yè)聲吶系統(tǒng)中。但由于換能器陣各種元器件在結(jié)構(gòu)、工藝上的誤差并不是完全一致的，基陣中的每個(gè)通道也存在不一致性，導(dǎo)致信號(hào)通過每個(gè)陣元的輸出存在一定幅度、相位和頻移的偏差[12]。由于上述偏差的存在，影響到換能器陣的波束指向性，并降低多波束漁用聲吶的探測性能。

本研究從多波束漁用聲吶工作原理出發(fā)，建立256路稀疏圓柱陣的三維模型，對(duì)圓柱陣在垂直和水平方向波束形成進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究陣元幅度偏移、相位偏移及頻移和不同工作頻點(diǎn)對(duì)圓柱陣垂直和水平方向波束形成性能的影響。

1 多波束漁用聲吶基本原理

漁用聲吶(探魚儀)作為一種水下聲波探測設(shè)備，實(shí)質(zhì)是一種主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，利用聲波在水中的傳播和遇到物體反射原理來探測水下目標(biāo)并獲取其距離、深度及數(shù)量等信息[13-14]，其早期主要用于垂直探測漁船下方的魚群目標(biāo)。為不斷擴(kuò)大探測目標(biāo)范圍，提高探測效率，漁用聲吶由單波束向多波束方向發(fā)展，其工作示意圖如圖1所示。

單波束是指聲學(xué)基陣的自然方向圖形成后，利用其在θ=0°方向上的極值點(diǎn)進(jìn)行定向。由于單波束的波束寬度較小，若要搜索360°的水平空間，需要轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)波束，因搜索整個(gè)空間速度太慢，導(dǎo)致探測效率低下[13]。多波束漁用聲吶通過對(duì)發(fā)射信號(hào)的全向發(fā)射提高探測范圍，對(duì)回波信號(hào)定向接收來準(zhǔn)確定位魚群位置，大大提高了魚群探測效率[4-5,13]。多波束的形成是利用改變陣元間接收信號(hào)的時(shí)間差(τ)或補(bǔ)償一定相位的方法，形成在某一方向上的極大值，基陣由多個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)多個(gè)信號(hào)通道，空間可以形成多個(gè)極大值，即形成多個(gè)波束。多波束形成原理如圖2所示。

圖1 漁用聲吶工作示意圖

圖2 多波束形成原理框圖

多波束技術(shù)的發(fā)展為波束形成系統(tǒng)提供了360°全方位、實(shí)時(shí)跟蹤的能力，同時(shí)，布陣方面進(jìn)展也較快，基陣的幾何形狀由直線和圓發(fā)展到平面陣、圓柱陣及球形陣[15]。多波束漁用聲吶采用圓柱型換能器布陣，可以實(shí)現(xiàn)以漁船為中心水平360°及垂直70°掃描。其發(fā)射采用基于電子掃描技術(shù)的掃描旋轉(zhuǎn)定向發(fā)射，即在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)發(fā)射多個(gè)波束，然后水平旋轉(zhuǎn)第二個(gè)扇區(qū)發(fā)射多個(gè)波束，保證不同方位角扇區(qū)都可以被掃描覆蓋，同時(shí)采用多個(gè)陣元同步接收[15-17]。

2 圓柱多波束漁用聲吶空間建模及波束形成

2.1 圓柱陣多波束漁用聲吶空間建模

根據(jù)技術(shù)要求，圓柱陣多波束漁用聲吶換能器采用縱向陣元錯(cuò)開排列方式，垂直方向上每列M個(gè)陣元，組成均勻線陣，共N列，水平方向每行N個(gè)陣元，組成均勻圓陣，共M行，共計(jì)256個(gè)陣元組成圓柱陣。其三維建模參數(shù)如下：垂直方向陣元數(shù)(M)為8個(gè)，水平方向陣元數(shù)(N)為32個(gè)，有效陣元數(shù)(L)為256個(gè)，圓柱陣高度(H)為0.357 m，垂直陣元間距(D)為0.042 m，圓柱陣直徑(R)為0.370 m。為便于分析，以圓柱陣中心O為原點(diǎn)，建立如圖3所示的坐標(biāo)系。為更直觀的分析基陣波束形成指向性，將圓柱陣分為8個(gè)虛擬扇區(qū)，取水平方向X軸正向左右各四列陣元為第一扇區(qū)，XOY平面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，向后旋轉(zhuǎn)四列為第二扇區(qū)，即相鄰扇區(qū)之間相差45°，且有四列陣元與前一個(gè)扇區(qū)重合，其扇區(qū)劃分如圖4所示。

圖3 圓柱型離散陣坐標(biāo)系

圖4 圓柱陣扇區(qū)劃分示意圖

依此類推共將圓柱陣分為8個(gè)虛擬扇區(qū)，水平方向一個(gè)扇區(qū)包含8個(gè)陣元。以圖3坐標(biāo)系為參考，根據(jù)圓柱陣的布陣方式及上文三維建模參數(shù)建立256路圓柱陣三維模型，即水平方向32個(gè)陣元，垂直方向8個(gè)陣元，共計(jì)256路，如圖5所示；第二扇區(qū)三維模型，即水平方向8個(gè)陣元，垂直方向8個(gè)陣元，一個(gè)扇區(qū)共計(jì)64路，如圖6所示。以下研究均以第二扇區(qū)進(jìn)行仿真分析。

圖5 圓柱陣三維建模

圖6 第二扇區(qū)三維建模

2.2 圓柱陣多波束漁用聲吶波束形成算法

結(jié)合典型多波束漁用聲吶和技術(shù)要求，圓柱陣波束形成仿真參數(shù)如下：目標(biāo)強(qiáng)度為0 dB，工作頻率為(20～30) kHz，中心頻率為25 kHz，脈沖寬度為0.004 s，窄帶信號(hào)帶寬為0.25 kHz，聲速為1 500 m/s，陣元開角為78°。

根據(jù)圖3坐標(biāo)系和圓柱陣三維建模參數(shù)及波束形成仿真參數(shù)，圓柱陣有效陣元個(gè)數(shù)為L,Hi表示第i個(gè)陣元，其直角坐標(biāo)系坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，球坐標(biāo)為(θi,φi,γi)，兩者關(guān)系如下：

(1)

式中：xi,yi,zi分別為直角坐標(biāo)系下第i個(gè)陣元在X軸、Y軸、Z軸的坐標(biāo)，m；θi,φi,γi分別為球坐標(biāo)系下第i個(gè)陣元的俯仰角、水平角及距離，m。

OHi與坐標(biāo)Ox,Oy,Oz軸的夾角分別是αi,βi,ri，假定入射信號(hào)方向?yàn)?θ,φ)，與Ox,Oy,Oz軸的夾角分別是α,β,γ，可推導(dǎo)出：

(2)

式中：θ為俯仰角；φ為水平角。

信號(hào)入射方向與向量OHi之夾角用δi來表示，可推導(dǎo)陣元Hi與參考點(diǎn)O的聲程差為：

di=γicosδi=xicosα+yicosβ+zicosγ=xisinθcosφ+yisinθsinφ+zicosθ

(3)

對(duì)L個(gè)陣元求和，得到基陣空間指向性函數(shù)一般表達(dá)式：

(4)

式中:Ai為第i個(gè)陣元的加權(quán)值；Δζi=ζi-ζi0,ζi為相位差；ζi0為期望波束方位為(θ0,φ0)時(shí)，Hi信號(hào)應(yīng)當(dāng)被補(bǔ)償?shù)南辔唬浔磉_(dá)式如下：

(5)

式中：λ為波長，m；(θ,φ)為來波方向；(θ0,φ0)為期望方向。

由式(4)計(jì)算得到的指向性函數(shù)是一個(gè)二維函數(shù)，通常在某一個(gè)截面上觀測。根據(jù)上述空間指向性函數(shù)的求解原理，運(yùn)用乘積定理把圓柱陣空間指向性的計(jì)算簡化為平面指向性的計(jì)算[7]。參照式(1)～(5)基陣空間指向性原理和波束形成仿真參數(shù)，根據(jù)技術(shù)要求，每個(gè)陣元開角78°，期望波束方向(θ0,φ0)為(90°,0°)，對(duì)圓柱陣指向性進(jìn)行仿真，得到圓柱陣第二扇區(qū)的空間指向波束圖，如圖7所示。

圖7 圓柱陣第二扇區(qū)空間波束圖

從圖7可看出，圓柱型基陣在垂直和水平方向均具有指向性，波束主瓣方向?yàn)槠谕较?θ0,φ0)，為(90°,0°)。改變基陣指向方向可以使基陣波束主瓣出現(xiàn)在期望方向，加陣元指向后，旁瓣降低，第一旁瓣下降至-13 dB，主瓣指向性更突出。

3 圓柱陣多波束漁用聲吶波束形成性能分析

3.1 幅度偏移對(duì)圓柱陣波束指向性影響性能分析

在幅度和相位偏移的研究中，一個(gè)常見的假設(shè)是誤差可以用一個(gè)隨機(jī)過程來描述，假定誤差服從均勻分布或正態(tài)分布，用一個(gè)特征函數(shù)來表示幅度和相位的偏移量[18-21]。假定幅度偏移服從均勻分布，用特征函數(shù)δ表示標(biāo)準(zhǔn)幅度偏移量，分別研究不同幅度偏移下對(duì)波束指向性的影響。在圓柱陣第二扇區(qū)，垂直方向由相鄰兩列交錯(cuò)排布的16個(gè)陣元組成一個(gè)直線陣(如圖8左)，水平方向由相鄰兩行交錯(cuò)排布的8個(gè)陣元組成一個(gè)圓弧陣(如圖8右)。

每個(gè)換能器陣元分別增加幅度偏移，分別仿真圓柱陣垂直和水平方向幅度偏移量系數(shù)為-20 dB、-10 dB、10 dB、20 dB時(shí)對(duì)第二扇區(qū)波束指向性的影響，仿真結(jié)果圖9所示。

從圖9可看出，幅度偏移對(duì)垂直和水平方向波束指向性主瓣略有影響，主瓣變寬，對(duì)旁瓣影響較大。為進(jìn)一步分析幅度偏移對(duì)其第一旁瓣的增益影響，在幅度偏移量系數(shù)在-20～30 dB范圍內(nèi)進(jìn)行多次迭代并取平均值，從仿真結(jié)果圖10可看出，幅度偏移對(duì)圓柱陣垂直方向第一旁瓣影響較大，偏差在3 dB以上，在偏移量小于-15 dB時(shí)影響較大，可達(dá)6 dB以上；對(duì)水平方向第一旁瓣影響略小，當(dāng)偏移量在-5～20 dB范圍內(nèi)時(shí)可控制第一旁瓣偏差在3 dB以內(nèi)。

圖9 幅度偏移對(duì)圓柱陣波束指向性影響

圖10 幅度偏移對(duì)主瓣和旁瓣差影響

3.2 相位偏移對(duì)圓柱陣波束指向性影響性能分析

假定相位偏移服從均勻分布，用特征函數(shù)ζ表示標(biāo)準(zhǔn)相位偏移量[22-23]，每個(gè)換能器陣元在垂直和水平方向分別增加相位偏移，分別仿真圓柱陣垂直和水平方向相位偏移量系數(shù)為-20 dB、-10 dB、10 dB、20 dB時(shí)對(duì)第二扇區(qū)波束指向性的影響。仿真結(jié)果如圖11所示。

從圖11可看出，相位偏移對(duì)垂直和水平方向波束指向性主瓣略有影響，旁瓣影響較大，主瓣變寬，旁瓣增大。為進(jìn)一步分析相位偏移對(duì)其第一旁瓣增益影響，對(duì)相位偏移系數(shù)在-20～30 dB范圍內(nèi)進(jìn)行多次迭代并取平均值，仿真結(jié)果如圖12所示。

從圖12可看出，相位偏移對(duì)圓柱陣第一旁瓣影響較大，偏移量在-5～15 dB范圍內(nèi)時(shí)第一旁瓣偏差在3 dB左右，超出此范圍，偏差可達(dá)3 dB以上。

圖11 相位偏移對(duì)圓柱陣波束指向性影響

圖12 相位偏移對(duì)主瓣和旁瓣差影響

3.3 頻移對(duì)圓柱陣波束指向性影響性能分析

圓柱陣多波束漁用聲吶的指向性除了會(huì)受到幅度和相位偏移的影響，通常與工作頻率的選取也有很大關(guān)系。為了獲得最佳的波束指向性，選擇頻率時(shí)要考慮探測距離、目標(biāo)大小、搜索范圍及目標(biāo)自身的反射強(qiáng)度(目標(biāo)強(qiáng)度)[24-25]等多方面因素，這就要求根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，選擇最佳頻率。對(duì)于一般近程小目標(biāo)(如探魚聲吶)，頻率一般可取幾十千赫到幾百千赫[24]。根據(jù)技術(shù)要求，文中分析了(20～30) kHz范圍內(nèi)共計(jì)11個(gè)工作頻點(diǎn)下單個(gè)頻點(diǎn)對(duì)圓柱陣垂直和水平方向波束指向性的影響。

通過仿真可知工作頻點(diǎn)對(duì)波束指向性有較大影響，尤其對(duì)主瓣寬度及旁瓣均有影響。為進(jìn)一步分析頻點(diǎn)對(duì)主瓣寬度影響，對(duì)(20～30) kHz頻點(diǎn)下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 工作頻點(diǎn)對(duì)圓柱陣指向性主瓣寬度影響

從圖13中可以看出，圓柱陣垂直和水平方向波束寬度都隨著頻率的增大而逐漸減小，垂直方向頻點(diǎn)為20 kHz時(shí)主瓣寬度為10.72°，水平方向頻點(diǎn)為20 kHz時(shí)主瓣寬度約為11.72°，頻點(diǎn)在(20～30)kHz之間變化時(shí)，垂直方向主瓣寬度約偏移3.5°，水平方向約偏移3.9°。研究結(jié)果表明，圓柱陣垂直和水平方向的主瓣寬度隨中心頻率增大而變小，但在實(shí)際的海洋傳輸信道上，由于存在復(fù)雜的波導(dǎo)效應(yīng)，最佳頻率并不是越低越好，還要根據(jù)海區(qū)水深、海底類型以及探測目標(biāo)等多種因素綜合考慮[24]。

由于振動(dòng)源與目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，換能器基陣所收到的聲波頻率與振動(dòng)源的頻率會(huì)有所偏移，即多普勒頻移。在漁用聲吶實(shí)際工作時(shí)是隨船而運(yùn)動(dòng)的，所以聲源的速度就是船速，根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，漁用聲吶實(shí)際接收到的回波頻率為：

(6)

實(shí)際C>>u、C>>v，得多普勒頻移為：

(7)

式中：f為聲源振動(dòng)頻率，Hz；u為聲源移動(dòng)速度，m/s：v為目標(biāo)移動(dòng)速度，m/s；C為海水聲速，m/s。

實(shí)際海洋探測中，船速與信號(hào)發(fā)射方向間有一個(gè)夾角(θ)存在，在魚群跟蹤時(shí)，θ在不斷變化，因此Δf也是隨探測角而變化。通常多普勒頻移只占探測頻率的1%左右，根據(jù)式(6)～(7)，分析頻點(diǎn)為25 kHz時(shí)頻移對(duì)圓柱陣波束形成的影響，仿真結(jié)果如圖14所示。

從圖14可以看出，頻移控制在1%以內(nèi)，對(duì)圓柱陣垂直和水平方向波束指向性影響較小，旁瓣約有1～3 dB變化，主瓣影響很小?，F(xiàn)代電子技術(shù)已能從微小的多普勒頻移中推求出魚群移動(dòng)速度的大小和方向，因此在混響環(huán)境中可利用多普勒頻移來提高目標(biāo)的檢測能力。

綜上所述，圓柱陣多波束漁用聲吶探測性能受波束形成系統(tǒng)的影響，而波束形成系統(tǒng)作為其核心部件，性能又受到幅度、相位偏移和頻移等多方面因素的影響。其中，幅度和相位偏移對(duì)圓柱陣波束主瓣和旁瓣影響較大，應(yīng)控制幅度、相位偏移在一定范圍內(nèi)，盡可能縮小其偏移對(duì)圓柱陣指向性的影響。偏移過大會(huì)導(dǎo)致圓柱陣指向性主瓣變寬、旁瓣增大，從而導(dǎo)致基陣指向性變差、分辨率降低。工作在不同頻點(diǎn)下，波束主瓣寬度影響較大，頻移對(duì)波束指向性影響較小。因此，選擇最優(yōu)的頻率，并從幅度和相位偏移對(duì)波束指向性角度考慮，將幅度、相位偏移控制在一定范圍內(nèi)，將有益于提升圓柱陣多波束漁用聲吶探測性能。

圖14 頻移對(duì)圓柱陣波束指向性影響

4 結(jié)論

在不同影響條件下對(duì)圓柱陣多波束漁用聲吶波束形成性能的仿真分析發(fā)現(xiàn)，其波束指向性受到陣元幅度偏移、相位偏移及頻移等多方面因素綜合影響。幅度和相位偏移對(duì)圓柱陣波束指向性影響較大，其波束指向性主瓣變寬，旁瓣變大，頻移對(duì)其波束指向性影響較小；頻點(diǎn)對(duì)波束主瓣影響較大。因此，提升圓柱陣多波束漁用聲吶探測性能，應(yīng)綜合考慮波束形成系統(tǒng)幅度、相位偏移及頻移等因素，根據(jù)不同探測環(huán)境調(diào)整漁用聲吶的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，以提升圓柱陣多波束漁用聲吶探測性能。