一種低旁瓣線列陣的設(shè)計

黃水兵 李勤博

（海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，無錫，214000）

為滿足對海洋資源探測和開發(fā)的需求，各類多波束聲吶和側(cè)掃聲吶成為研究熱點(diǎn)[1]。換能器作為聲吶的電聲轉(zhuǎn)換器件，其能力一定程度上決定了聲吶的性能。指向性是換能器的主要參數(shù)，旁瓣級越低，說明抑制干擾的能力越強(qiáng)，旁瓣的大小直接影響高頻成像聲吶的探測能力。低旁瓣表示受主瓣位置外的信號干擾小，對于聲吶，旁瓣越低越好，不采取任何措施的等間距線列陣旁瓣級通常為-13 dB左右。

目前，大多數(shù)聲吶的波束形成和旁瓣的控制采用電子線路的手段實(shí)現(xiàn)，需要通過附加電路對聲基陣的每路基元進(jìn)行相位和幅度上的加權(quán)[2]。這需要對每路基元進(jìn)行單獨(dú)控制，即聲基陣每路基元的電極需要全部單獨(dú)引出，控制電路的復(fù)雜程度隨著聲基陣基元的增多而增加，工藝復(fù)雜會造成聲吶設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性降低。一般來說，幅度加權(quán)用于解決波束寬度和旁瓣級的控制，相位或頻率的加權(quán)用于實(shí)現(xiàn)寬度陣的恒定波束寬度[3]。本文采用串并聯(lián)的方式對線列陣的基元幅度進(jìn)行加權(quán)，不需要額外的控制電路即可實(shí)現(xiàn)線列陣的低旁瓣級。

1 線列陣指向性

等間距線列陣的指向性函數(shù)為

式中，N為基元個數(shù)，DB(θ) 為基元指向性，δ(θ)為相鄰基元的相位差，An為基元的加權(quán)系數(shù)。常規(guī)線列陣An都為1，此時旁瓣為-13.2 dB。

通常聲基陣使用并聯(lián)方式連接基元，各基元施加電壓相等，即權(quán)系數(shù)都為 1。壓電陶瓷的振幅與施加在電極兩端的電壓成正比，利用串聯(lián)分壓原理，可以為基元提供1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等電壓權(quán)系數(shù)。

同均勻陣比較，若振速響應(yīng)函數(shù)由陣的對稱中心單調(diào)下調(diào)，則陣的主波束變寬，旁瓣降低；反之主波束變窄，旁瓣升高[3]。即降低線列陣的旁瓣級，需要中間基元權(quán)系數(shù)大，兩端基元權(quán)系數(shù)單調(diào)下降。用契比雪夫束控計算一個旁瓣級為-26 dB的10元線列陣各基元的權(quán)系數(shù)，如表1所示。

表1 10元陣契比雪夫權(quán)系數(shù)

利用串聯(lián)分壓原理，可以得到1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等電壓權(quán)系數(shù)，由于使用聲基陣基元內(nèi)部連接得到權(quán)系數(shù)的局限性，權(quán)系數(shù)必須成組出現(xiàn)。將表 1中 0.36、0.49、0.71、0.9、1分別趨近設(shè)計為權(quán)系數(shù)①（1/2、1/2、1、1、1）和權(quán)系數(shù)②（1/3、1/3、2/3、1、1）兩組，計算了頻率f=80 kHz、單基元尺寸d1=13 mm、間距d=15.5 mm的線列陣加權(quán)后與未加權(quán)指向性，如圖1所示。

圖1 10元陣加權(quán)后與未加權(quán)指向性比較圖

從圖1中可以看出，線列陣經(jīng)加權(quán)后旁瓣都有所降低，主瓣寬度變寬，權(quán)系數(shù)①旁瓣級最大為-19.6 dB，主瓣寬度為未加權(quán)主瓣的1.15倍，權(quán)系數(shù)②旁瓣級最大為-21.2 dB，為未加權(quán)主瓣的1.27倍。權(quán)系數(shù)②施加過多導(dǎo)致線列陣指向性最大旁瓣不是第一旁瓣，此時旁瓣較權(quán)系數(shù)①降低不明顯，但主瓣寬度變寬很多。從圖1可以得出，權(quán)系數(shù)①的加權(quán)方式較為理想平衡。10元陣可以通過基元交替串并聯(lián)方式得到的權(quán)系數(shù)還有幾組，但效果都較差。10元陣較為理想的權(quán)系數(shù)如表2所示。

表2 10元陣加權(quán)系數(shù)

使用代入法計算了12元陣、15元陣、20元陣的指向性，得到表3～5中所列的較為理想權(quán)系數(shù)（權(quán)系數(shù)為對稱關(guān)系）。計算頻率f=80 kHz、單基元尺寸d1=13 mm、間距d=15.5 mm的線列陣指向性，如圖2～4所示。

表3 12元陣加權(quán)系數(shù)

表4 15元陣加權(quán)系數(shù)

表5 20元陣加權(quán)系數(shù)

圖2 12元加權(quán)陣指向性圖

圖3 15元加權(quán)陣指向性圖

圖4 20元加權(quán)陣指向性圖

12元陣經(jīng)加權(quán)后旁瓣級最大為-23.0 dB，主瓣寬度為未加權(quán)主瓣的1.26倍，主瓣幅度為未加權(quán)主瓣的0.66倍；15元陣經(jīng)加權(quán)后旁瓣級最大為-23.0 dB，主瓣寬度為未加權(quán)主瓣的1.24倍，主瓣幅度為未加權(quán)主瓣的0.64倍；20元陣經(jīng)加權(quán)后旁瓣級最大為-23.4 dB，主瓣寬度為未加權(quán)主瓣的1.21倍，主瓣幅度為未加權(quán)主瓣的0.74倍。

以上結(jié)果表明，線列陣基元通過串并聯(lián)所得的加權(quán)系數(shù)可以降低旁瓣，但降低旁瓣的同時會降低主瓣幅度和增寬主瓣寬度。

2 低旁瓣線列陣樣陣

采用高頻縱向振子作為基元，制作了一個 15元線列陣，使用縱向振子作為樣機(jī)的基元是為了利用其較寬的帶寬和良好的發(fā)射接收性能，且易于成陣。聲基陣結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。圖中，1-基元；2-基座；3-殼體；4-去耦材料；5-去耦材料；6-水密包覆層；7-水密電纜。縱向振子安裝在絕緣非金屬結(jié)構(gòu)件上，非金屬結(jié)構(gòu)安裝在帶測量接口的鋁合金殼體中。縱向振子間及與非金屬結(jié)構(gòu)件之間都使用去耦隔振材料減少振子的相互耦合，輻射面使用聚氨酯灌注封裝實(shí)現(xiàn)水密透聲，電纜從鋁合金殼體上引出。

圖5 低旁瓣線列陣示意圖

縱向振子輻射面尺寸為13 mm×13 mm，間距d=15.5 mm均勻布陣，線列陣內(nèi)部基元接線采用圖6的接線方式，以獲取表4中的加權(quán)系數(shù)。

圖6 低旁瓣線列陣接線示意圖

圖7 低旁瓣線列陣試驗(yàn)樣機(jī)

樣陣在消聲水池進(jìn)行了發(fā)射響應(yīng)、接收靈敏度及指向性的測試，線列陣的遠(yuǎn)場條件為 3.6 m，實(shí)際測試距離為7 m，測試水深為3 m。在60、80和100 kHz的發(fā)送電壓響應(yīng)級和接收靈敏度級分別為145.8、152.5、150.0 dB 和-182.7、-177.3、-184.5 dB。實(shí)測發(fā)射指向性和接收指向性如圖8所示。

圖8 換能器實(shí)測指向性圖

線列陣在80 kHz時理論計算指向性-3 dB波束寬度為5.0°，最大旁瓣為-23.0 dB，實(shí)測發(fā)射指向性與接收指向性波束寬度都為5.0°，發(fā)射左旁瓣為-21.41 dB，右旁瓣為-19.03 dB。接收指向性左旁瓣為-23.28 dB，右旁瓣為-21.49 dB；實(shí)測指向性與理論預(yù)估指向性有著良好的擬合。線列陣實(shí)測最大旁瓣見表 6。從樣機(jī)的測試結(jié)果可以看出，通過改變線列陣基元間的串并聯(lián)關(guān)系，對基元加權(quán)的方式起到了控制指向性旁瓣、優(yōu)化波束的效果。

表6 線列陣實(shí)測指向性最大旁瓣級

3 結(jié)論

本文介紹了一種降低線列陣旁瓣的方法，制作了一個低旁瓣線列陣樣機(jī)，可以得到以下結(jié)論：

（1）線列陣?yán)么?lián)分壓的原理，選取串聯(lián)或并聯(lián)的方式進(jìn)行引接線可以為基元提供1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等電壓權(quán)系數(shù)；

（2）使用本文提供的加權(quán)系數(shù)，可有效降低旁瓣級8～10 dB；

（3）本文所描述的采用改變基元間串并聯(lián)關(guān)系加權(quán)控制和波束優(yōu)化的設(shè)計方法已在高頻單波束側(cè)掃聲基陣中應(yīng)用，工程上是切實(shí)可行的。