宋媚婷，陳志強(qiáng)，李 利，張長(zhǎng)浩

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013)

0 引 言

近年來(lái)，在艦船噪聲測(cè)試領(lǐng)域，體積陣以其寬頻帶、高增益的優(yōu)勢(shì)備受青睞。相對(duì)于圓柱形體積陣，螺旋雙錐體積陣能夠更有效的抑制干擾，更有利于實(shí)現(xiàn)寬頻帶處理。螺旋雙錐體積陣也是美國(guó)近年來(lái)開(kāi)展噪聲測(cè)試系統(tǒng)研究的重點(diǎn)對(duì)象。

螺旋雙錐體積陣波束形成是艦船輻射噪聲測(cè)量領(lǐng)域的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。恒定束寬波束形成器能滿足信號(hào)通過(guò)基陣無(wú)線性畸變的要求?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)均勻分布線陣，如隨頻率變化改變陣元數(shù)或基陣等效孔徑，隨頻率變化改變陣元振幅的權(quán)值等，但這些方法都不能有效的應(yīng)用到螺旋雙錐體積陣中。

本文提供了一種螺旋雙錐體積陣寬帶恒定束寬波束形成方法，能有效解決螺旋雙錐體積陣接收信號(hào)模型及對(duì)應(yīng)的恒定束寬波束形成方法問(wèn)題。

1 螺旋雙錐體積陣接收信號(hào)模型

1.1 螺旋雙錐體積陣陣列模型

螺旋雙錐體積陣陣元坐標(biāo)圖如圖1所示。各圓周半徑為rn，陣元均勻分布，對(duì)于第n個(gè)圓周第m個(gè)陣元，位置向量可寫(xiě)為：

圖1 陣元坐標(biāo)圖Fig. 1 The coordinate diagram of array element

平面波從r方向入射到基陣：

得時(shí)延為：

其中，c 為聲速。

以原點(diǎn)為參考點(diǎn)，得到陣列響應(yīng)向量：

1.2 設(shè)計(jì)參考頻率下的波束圖

假設(shè)寬帶信號(hào)的頻率范圍為f∈[fL,fU]，令參考頻率f0=fU，若要形成指向θs的波束，則加權(quán)向量：

1.3 寬帶恒定束寬波束的形成

寬帶恒定束寬波束形成的實(shí)質(zhì)是：確定波束形成的加權(quán)向量，使得

具體實(shí)現(xiàn)如下：

令

取|n|=nε可對(duì)和進(jìn)行截?cái)嗵幚?，其中，ε是符合精度要求的小量，nε是Bessel函數(shù)的階次。截?cái)嗵幚砗?，?/p>

其 中：T(f)的 大 小 為M×(2nε+1)，w(θ)的 大 小 為(2nε+1)×1。

波束形成向量設(shè)計(jì)為：

其中：

則波束圖為：

即可得到恒定束寬波束圖。

2 實(shí) 例

考慮如圖2所示的螺旋雙錐體積陣列，陣元數(shù)為M=Ncir×NL=8×7=56，各陣元的坐標(biāo)已知，聲源位于陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)。假設(shè)波束形成處理的頻率范圍為500～1 000 Hz，參考頻率f0=1kHz，選取nε=3。把處理頻帶均勻劃分為r=20個(gè)子帶，并利用以上敘述的恒定束寬波束形成方法處理在每個(gè)子帶內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)指向(θs,φs)=(0°,90°)方向的理想波束。

圖2 螺旋雙錐體積陣結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig. 2 The structural model of spiral biconical volume array

圖3 參考波束圖Fig. 3 The reference beam chart

圖4 螺旋雙錐體積陣不同頻點(diǎn)上的恒定束寬波束疊加圖Fig. 4 The superposition of constant beam width beams at different frequencies of spiral biconical volume array

得到的參考波束圖如圖3所示。圖4為螺旋雙錐體積陣列不同頻點(diǎn)上的恒定束寬波束疊加的波束圖，圖中所取頻點(diǎn)分別為500 Hz，600 Hz，800 Hz，900 Hz和1 000 Hz?？梢?jiàn)，其與圖3的參考波束圖一致，主波束在整個(gè)范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的恒定束寬特性和較低旁瓣級(jí)。從圖4可以看出，波束的主瓣寬度為Θ-3 dB≈30°，表明該波束形成器具有很好的空間指向特性和抗噪聲干擾能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了螺旋雙錐體積陣接收信號(hào)模型，將陣列響應(yīng)向量表示成以Bessel函數(shù)為核函數(shù)的形式。確定參考頻率，將寬帶劃分成多個(gè)子帶，使得子帶內(nèi)各頻率分量上的波束圖與參考頻率上的波束圖一致。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得到螺旋雙錐體積陣寬帶恒定束寬波束圖。仿真結(jié)果表明，本文提出的寬帶恒定束寬波束形成方法能有效地運(yùn)用到螺旋雙錐體積陣寬帶信號(hào)處理中，簡(jiǎn)易且高效。

本文采用螺旋雙錐體積陣接收處理寬帶信號(hào)，解決了垂直線陣、矢量水聽(tīng)器和平面陣的各種局限，且比圓柱陣更有效的抑制干擾，更有利于實(shí)現(xiàn)寬頻帶處理。本文的方法可以用到任意的情況中，即基陣是三維的，信號(hào)從任意方向入射的情況。