均勻線列陣遠場與近場低頻指向性仿真研究

劉 健，楊 博，張 帥，萬 俊，伍宏亮

（91388 部隊水聲對抗技術(shù)重點實驗室，廣東 湛江 524022）

0 引言

空間指向性是水聽器測量陣列所具有的基本功能，在水下目標探測和輻射噪聲測量作業(yè)中都需利用測量陣列的指向性[1-3]，在目標探測中通過對陣元域數(shù)據(jù)進行非線性變換或加權(quán)，使得陣列指向性具有高分辨特征[4，5]；在輻射噪聲測量中為保證各頻段測量結(jié)果不失真，多采用常規(guī)指向性，通過選取不同間隔陣元或線性加權(quán)方式，使得陣列指向性具有頻域恒定束寬特征[6，7]。實測數(shù)據(jù)表明，艦船輻射噪聲源在空間上呈明顯的分布特征，為提高陣增益，在數(shù)據(jù)處理過程中可以同時利用所有接收陣元，理論上只要通過高頻精聚焦找到分布噪聲源的等效聲源方位，就能夠保證全頻段測量誤差在3 dB 內(nèi)。江磊等[8]利用虛擬陣元技術(shù)開展均勻線列陣恒定波束形成技術(shù)研究，可提高均勻線列陣的方位估計性能；王志偉等[9]研究了利用均勻線列陣水下運動目標的線譜噪聲源方法，并通過數(shù)值仿真驗證了方法的有效性。本文基于均勻聲壓水聽器線列陣，從輻射噪聲測量的角度對其近場和遠場低頻接收指向性進行仿真，主要研究在各向同性環(huán)境噪聲場中指向性指數(shù)（即陣增益）和功率估計隨工作參數(shù)的變化規(guī)律。

1 物理模型

線陣接收信號近場和遠場模型如圖1 所示，實心黑點即為聲壓水聽器接受陣元。遠場中信號為單向傳播的平面波；近場中信號為各向傳播的球面波，其到各陣元的傳播距離不相等。

圖1 遠場與近場聲場模型

常規(guī)的遠場歸一化指向性函數(shù)為[8]：

式中，c為聲速，θ0為期望方向，d陣元間隔，f為工作頻率，N為陣元數(shù)。

近場指向性函數(shù)無解析式，需要將各陣元接收信號進行時延和幅度補償、相加平均并求均方根值后歸一化得到。

線陣在水平面內(nèi)抑制各向同性、均勻環(huán)境噪聲的能力用指向性指數(shù)DI（dB）來表示[10]：

2 數(shù)值仿真

仿真基本參數(shù)設(shè)置為：c=1500 m/s，d=3 m，N=120，單頻信號功率110 dB，采樣率fs= 10000 Hz，近場目標距離300 m，即噪聲源到均勻線列陣的直線距離。均勻水聽器線列陣其接受信號為左右舷對稱，且噪聲源在仿真模型的中垂線上，因此波束引導(dǎo)方位在0°～90°內(nèi)等間距選取。

2.1 遠場指向性指數(shù)與功率估計

選取1/3 倍頻程低頻段部分頻點，圖2 為遠場指向性指數(shù)與入射角變化關(guān)系，由圖可知，對同一頻點，指向性指數(shù)隨入射角的增大而增大，在入射角為90°時達到最大；對不大于以定間距為半波長對應(yīng)的頻點（本文為250 Hz），遠場指向性隨著頻率的增大而增大。

圖2 遠場指向性指數(shù)與入射角變化關(guān)系

表1 給出了各頻點處不同波束引導(dǎo)方位的遠場指向性指數(shù)和功率估計結(jié)果。由表可知，對所有研究頻點不同波束引導(dǎo)方位，單頻信號功率估計值均與仿真設(shè)置值吻合；對同一頻點，隨著引導(dǎo)方位的增大，指向性指數(shù)增大，而越接近正橫方位，增大趨勢越不明顯；對同一引導(dǎo)方位，隨著工作頻率的增大，指向性指數(shù)增大。從表中還可看出，當頻率增大一倍時，相應(yīng)的指向性指數(shù)增大約3 dB。

表1 遠場指向性指數(shù)和功率估計

2.2 近場指向性指數(shù)與功率估計

表2 給出了各頻點處不同波束引導(dǎo)方位的近場指向性指數(shù)和功率估計結(jié)果。由表可知，對所有研究頻點不同波束引導(dǎo)方位，當聚焦距離等于目標實際距離時，功率估計值均與仿真設(shè)置值吻合，指向性指數(shù)變化趨勢與遠場情形類似，而數(shù)值整體偏小。當聚焦距離小于目標實際距離時，功率估計值均小于仿真設(shè)置值，除20 Hz 外，隨引導(dǎo)方位的增大，功率估計值減小，指向性指數(shù)先增大后減小。當聚焦距離大于目標實際距離時，除個別頻點個別方位的功率估計值與仿真設(shè)置值接近，其余情形都與仿真設(shè)置值不相等，隨引導(dǎo)方位的增大，功率估計值減小，指向性指數(shù)無明顯變化規(guī)律。從表中還可看出，當聚焦距離不等于目標實際距離時，在接近正橫方位的指向性指數(shù)要明顯小于聚焦距離等于實際距離時相應(yīng)的值；再者聚焦距離大于目標實際距離時的功率估計和指向性指數(shù)，均要大于聚焦距離小于實際距離時相應(yīng)的值。

表2 近場指向性指數(shù)和功率估計

3 結(jié)論

本文從輻射噪聲測量的角度對均勻線列陣遠場與近場指向性進行了仿真研究，結(jié)果表明，遠場信號功率估計值均與仿真設(shè)置值吻合，隨引導(dǎo)方位的增大，指向性指數(shù)增大。近場當聚焦距離等于目標實際距離時，功率估計值均與仿真設(shè)置值吻合，指向性指數(shù)變化規(guī)律與遠場相似，整體上數(shù)值要小于遠場情形；當聚焦距離不等于目標實際距離時，指向性曲線變化不規(guī)則，功率估計值與仿真設(shè)置值有較大差異，指向性指數(shù)變化規(guī)律較為雜亂，在正橫方位要顯著小于距離相等時相應(yīng)的值。本文研究結(jié)果對大孔徑線列陣在水下目標低頻輻射噪聲測量中的應(yīng)用有一定的借鑒作用。