王 晨， 郭英歌， 王潤田

(中國科學院 聲學研究所東海研究站， 上海 201815)

基于基陣特性提高聲發(fā)射頻次的方法研究

王 晨， 郭英歌， 王潤田

(中國科學院 聲學研究所東海研究站， 上海 201815)

針對傳統(tǒng)的多波束探測效率低等問題， 提出了一種利用柵瓣來提高聲發(fā)射頻次的方法. 在設計發(fā)射波束形成的基陣時， 為了防止由于陣元間距過大產(chǎn)生柵瓣， 通常采用密排陣的方式來規(guī)避柵瓣現(xiàn)象， 但這樣又會增加發(fā)射機的復雜程度. 然而， 柵瓣的存在也有其本身可以利用的價值. 本文利用MATLAB對發(fā)射波束形成的方向圖進行了仿真分析， 總結了在不同基陣條件下主瓣和柵瓣的變化規(guī)律. 介紹了利用線列陣同時向兩個不同方向發(fā)射波束的方法， 并利用加權法對陣列特性進行了優(yōu)化.

發(fā)射波束形成； 陣元間距； 柵瓣； 多波束； Chebyshev加權

0 引 言

聲納是獲取海底信息的主要手段之一， 無論是側掃聲納還是多波束聲納， 都已在獲取海底信息方面得到了普遍應用. 波束形成技術作為聲納系統(tǒng)的重要組成部分， 具有運用簡單， 性能穩(wěn)定等優(yōu)點[1-2]. 通常所說的波束形成技術是指針對某一方向的信號， 補償由于陣元空間位置不同引起的相位差， 同相疊加后， 實現(xiàn)指定方向上能量的最大化[3-5]. 也就是所謂的接收波束形成技術. 接收波束形成能抑制其他方向的干擾， 實現(xiàn)定向接收. 但有時為了實現(xiàn)聲波能量的定向傳輸， 往往需要采用發(fā)射波束形成技術， 尤其是在參量陣聲吶技術應用中. 發(fā)射波束形成是將發(fā)射能量集中在某一方向上， 實現(xiàn)用較小的發(fā)射功率獲得更大的聲源級和更窄的發(fā)射波束.

傳統(tǒng)的發(fā)射多波束是采用旋轉單波束的方式， 即從觀察扇面的左(右)極限開始發(fā)射一個波束， 接收回波后旋轉一定角度再發(fā)下一個波束， 直至完成整個扇面的掃描[6]. 隨著海洋事業(yè)的急速發(fā)展， 這樣的掃描速率， 儼然無法滿足如今的探測需求.

在相控陣聲納的發(fā)射波束形成過程中， 當線列陣的陣元間距較大時， 在形成的波束圖中除了主瓣之外還會有其它極大值出現(xiàn)， 即柵瓣. 在傳統(tǒng)應用中， 柵瓣的出現(xiàn)無疑是對主瓣的干擾， 是需要控制基陣參數(shù)努力規(guī)避的. 但是， 在總結柵瓣的變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)， 柵瓣主要與陣元間距和主瓣方向角有關. 陣元間距越大， 柵瓣越容易出現(xiàn). 隨著主瓣方向角的偏轉， 柵瓣方向角也發(fā)生偏轉， 并且波束寬度逐漸變窄， 幅值也逐漸增加. 尤其是當陣元間距大于一個信號波長時， 柵瓣和主瓣在某些方向有近似相同的波束寬度和幅值. 柵瓣現(xiàn)象的產(chǎn)生， 表明一個發(fā)射線列陣可以實現(xiàn)同時向兩個方向發(fā)射特性相同的波束. 這樣就可以用來彌補傳統(tǒng)回聲聲納只能發(fā)射單波束， 探測效率低的缺陷. 利用相控陣的這個特性， 可以用來適當改善多波束參量陣聲納的工作效率. 相對于相控陣ADCP采用波束形成的方法分別形成4個發(fā)射波束而言[7]， 同樣可以利用柵瓣現(xiàn)象同時在兩個正交方向上同時發(fā)射兩列波， 提高工作效率.

1 發(fā)射波束形成的基本原理

波束形成是指將以一定幾何形狀(直線、 圓柱等)排列的多元基陣各陣元輸出經(jīng)過處理(例如加權、 延時、 求和等)形成空間指向性的方法[8]. 波束形成技術正在快速發(fā)展， 方法種類也越來越多， 最常用最基本的方法就是時延或相移方法.

圖 1 發(fā)射波束形成Fig.1 Transmit beam-forming

對于一個等間隔N元線列陣， 發(fā)射波束形成就是對線列陣的各個陣元在發(fā)射信號時加以延時. 假設陣元間距為d， 聲速為c， 信號頻率為f， 發(fā)射波束方向角為θ0(設基陣的法線方向為0°， 法線右側的波束方向角為正， 左側為負). 如圖 1 所示.

選取陣元H1為時間參考點， 假設H1輸出的單頻信號為

F1=Acos(ωt).

信號疊加

(N-1)ω τ/2].

歸一化后得到線列陣在θ0方向的指向性函數(shù)[9]

式(4)是假設陣元為點源時的指向性函數(shù). 在實際情況中， 陣元是有尺寸的， 且對陣列指向性函數(shù)有影響[10-12]. 圓形活塞式換能器是搭建基陣最常用的基元， 假設其振動面的半徑為R， 則根據(jù)乘積定理可知， 基元非點源時的陣列指向性函數(shù)為

2 線列陣同時向兩個不同方向發(fā)射波束的方法

2.1 方法介紹

當陣元間距d大于半波長時， 發(fā)射基陣除了形成主瓣外還可能會出現(xiàn)柵瓣. 這一現(xiàn)象通過指向性函數(shù)的理論推導也可以得出.

當函數(shù)表達式中πd(sinθ-sinθ0)/λ=mπ,m=0,±1,±2,…時，D(θ)=1. 討論m的兩種情況：

1) 當m=0時，θ=θ0， 出現(xiàn)的最大波瓣即為主瓣；

2) 當m≠0時， 出現(xiàn)的最大波瓣即為柵瓣， 其位置可以表示為

取陣元數(shù)N=32， 信號頻率f=20 kHz， 陣元間距d=3/4λ， 陣元尺寸a=50 mm， 發(fā)射波束指向角分別為θ0=10°, 30°， 得到仿真結果如圖 2 所示.

假設法線右側方向角為正， 左側為負. 可見， 隨著方向角的增大， 在負方向上出現(xiàn)了柵瓣. 當θ0=10°時， 未出現(xiàn)柵瓣； 當θ0=30°時， 柵瓣方向角θm≈56°， 與理論計算值相同.

仿真過程中發(fā)現(xiàn)， 柵瓣隨著主瓣的偏轉而逐漸發(fā)生變化. 主瓣的偏轉角越大， 柵瓣的寬度越窄， 幅值越高. 為了使得柵瓣與主瓣有相同的指向特性， 選取陣元間距d=1.3λ， 陣元數(shù)N=32， 信號頻率f=20 kHz， 陣元尺寸a=50 mm， 主瓣方向角分別取θ0=15°,20°,25°,30°， 如圖 3 所示.

圖 2 32陣元線列陣10°和30°方向圖Fig.2 The directional pattern of 32 element linear array at 10 and 30 degrees

圖 3 32陣元線列陣15°,20°,25°,30°方向圖Fig.3 The directional pattern of 32 element linear array at 15,20,25,30 degrees

由圖 3 可以看出， 該基陣產(chǎn)生的柵瓣效果較好. 當θ0=15°時，θm≈-30.8°； 當θ0=20°時，θm≈-25.4°； 當θ0=25°時，θm≈-20.4°； 當θ0=30°時，θm≈-15.6°. 即當主瓣以5°步長右移時， 柵瓣也以約5°的步長右移， 并且無論是主瓣還是柵瓣的波束寬度都在1.5°～2°之間， 指向性好.

2.2 加 權

為了降低旁瓣的影響， 改善陣列特性， 常用的方法就是加窗加權. 在窗函數(shù)的選擇上， 應該盡量滿足使主瓣窄、 使旁瓣低這兩點要求. 在仿真過程中使用了Gauss， Hamming， Hanning， Chebyshev 4種加權方式， 處理結果如圖 4～圖 7 所示.

利用加權的方法降低旁瓣的同時通常都會使波束寬度增加. 通過對以上幾種加權方式的統(tǒng)計比較， Gauss加權后的主瓣寬度約為2°； Hanning和Hamming加權后的主瓣寬度都大于2°， 且相鄰主瓣間還有相互疊加； Chebyshev加權獲得的主瓣寬度最窄， 小于2°， 并且旁瓣分布均勻.

圖 4 Hamming加權后的方向圖Fig.4 Hamming weighted image

圖 5 Hanning加權后的方向圖Fig.5 Hanning weighted image

圖 6 Gauss加權后的方向圖Fig.6 Gauss weighted image

圖 7 Chebyshev加權后的方向圖Fig.7 Chebyshev weighted image

3 方法的討論， 存在的問題

1) 柵瓣和主瓣并非同步線性變化.

圖 8 32陣元線列陣45°方向圖Fig.8 The directional pattern of 32 element linear array at 45 degrees

當主瓣的方向角以固定步長增加時， 柵瓣也隨之增加， 但柵瓣變化的步長與主瓣變化的步長并非呈同步線性關系. 同時， 主瓣的幅值會逐漸減小， 柵瓣幅值會逐漸增加； 主瓣寬度會越來越大， 柵瓣寬度會越來越小. 因此， 在實際應用中并不是所有的柵瓣都可以利用， 需要根據(jù)實際情況加以選擇.

2)當主瓣波束角較大時， 還會出現(xiàn)多個柵瓣.

如圖 8 所示， 取陣元數(shù)N=32， 信號頻率f=20 kHz， 陣元間距d=1.3λ， 陣元尺寸a=50 mm. 當主瓣的方向角θ0=45°時， 會出現(xiàn)兩列柵瓣， 方向角分別為θm1≈-7.3°，θm2≈-63.6°.

以上現(xiàn)象會給實際應用帶來一些問題， 例如， 掃描的扇面范圍內(nèi)有些角度無法利用柵瓣達到， 仍需要另行發(fā)射單波束. 并且陣元間距不宜過大， 過大會導致多個柵瓣出現(xiàn)， 不僅會分散發(fā)射能量， 而且增加了區(qū)分回波信號的難度.

4 結 論

本文對發(fā)射波束形成中的柵瓣現(xiàn)象做了分析研究， 提出了基于基陣特性提高聲發(fā)射頻次的方法， 用于改善傳統(tǒng)多波束探測效率低的缺陷. 設計適當?shù)年囋g距， 可以獲得與主瓣特性相同的柵瓣， 實現(xiàn)單個線陣列同時向兩個方向發(fā)射波束， 改變了傳統(tǒng)應用中只能發(fā)射單波束的觀念. 同時， 分別使用了幾種加權方法來改善陣列特性， 對比出Chebyshev加權法效果最好. 雖然利用這種方法， 使得一個扇面內(nèi)的某些角度無法利用柵瓣達到， 需要額外發(fā)射單波束， 但是， 對于實時測量的聲納來說， 已經(jīng)極大地提高了發(fā)射速率和探測質(zhì)量.

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Study of Improving the Transmitting Frequency Method Based on the Array Characteristics

WANG Chen, GUO Yingge, WANG Runtian

(Shanghai Acoustics Laboratory, The Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China)

A new method is proposed to improve the transmitting frequency by using grating lobes, which could solve the problem of low detection efficiency. When the array element spacing is large, it is easy to produce grating lobes. When designing the array of transmit beam-forming, the close-packed array can avoid generating grating lobes, the complexity of the transmitter will increase. However, the existence of the grating lobe has its value. In this paper, MATLAB was used to simulate the pattern of the transmit beam forming. Summed up the change of the grating lobe and the main lobe. This paper introduced a method of transmitting beams in two different directions using a line array. Finally, weighting method was used to optimize the array characteristics.

transmit Beam-forming; array element spacing; grating lobes; multi-beam; Chebyshev weighting

2017-02-20

上海市科技創(chuàng)新行動計劃資助項目(16DZ1205300)

王 晨(1990-)， 女， 碩士生， 主要從事聲學技術的研究.

1671-7449(2017)04-0341-05

O429

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.011