趙 慧，馬晶鑫，王 艷，卞加聰，李海森

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

近年來，隨著對海洋資源和環(huán)境的開發(fā)研究活動的不斷加強(qiáng)，人們對海底目標(biāo)探測和識別的要求日益提高。因海洋防衛(wèi)、水下作戰(zhàn)等軍事任務(wù)的迫切需要，使得利用水聲技術(shù)發(fā)展的圖像聲納技術(shù)越來越受到重視，尤其是在混濁的水域，更加需要借助圖像聲納進(jìn)行高分辨率圖像成像[1-3]。

圖像聲納又稱水下照相機(jī)，聲納換能器是照相機(jī)的鏡頭，是圖像聲納系統(tǒng)的重要組成分機(jī)，包含發(fā)射陣和接收陣：發(fā)射陣通常為弧形發(fā)射陣，發(fā)射波束角度較大，以實(shí)現(xiàn)寬波束照射；接收陣為線陣或者面陣，波束角度較小，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位與識別。近年來，隨著圖像聲納在水下潛器上的應(yīng)用需求持續(xù)增長，圖像聲納換能器陣朝著質(zhì)量輕、體積小、分辨率高的方向發(fā)展。

換能器陣的指向性對聲納的技術(shù)參數(shù)有重要影響，它決定了圖像聲納系統(tǒng)的觀察范圍和分辨率等指標(biāo)。聲學(xué)材料、布陣結(jié)構(gòu)和制作工藝是設(shè)計(jì)換能器陣時重點(diǎn)考慮的3個方面，每一個方面都影響著換能器陣的指向性[4-7]。圖像聲納的發(fā)射陣為弧形陣，弧形陣的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮工作頻率、曲率半徑、發(fā)射基元對應(yīng)的圓心角、水平波束范圍內(nèi)的指向性起伏等重要參數(shù)。通常為了能增加圖像聲納的圖像質(zhì)量，要求指向性起伏控制在3 dB以內(nèi)。本文提出一種利用橢圓長軸布陣的方式，為低指向性起伏弧形陣的設(shè)計(jì)制作提供新思路和新探索，結(jié)果證實(shí)這種方式對于控制弧形陣的指向性起伏非常有益。對圖像聲納的接收陣而言，基元間的振幅一致性、間距、聲障板、邊界條件等對基元的指向性均有重要影響[8-13]。一般單基元-3 dB指向性角度要達(dá)到 100°以上是比較困難的，本文利用聲障板的方式拓展單基元的指向性角度，通過各參數(shù)的綜合設(shè)計(jì)可有效實(shí)現(xiàn)基元波束角度大于120°，使得波束開角能滿足寬波束掃描范圍的需求[14-15]。

1 發(fā)射換能器陣指向性

一般情況，圖像聲納要求發(fā)射換能器陣寬波束發(fā)射，以便可以探測掃描更寬的范圍，因此圖像聲納的發(fā)射換能器通常為圓弧陣，各基元曲率半徑相等的均勻圓弧陣是最常見的。

1.1 均勻圓弧陣指向性特性

相比于線陣，均勻圓弧發(fā)射換能器陣的水平指向性函數(shù)要復(fù)雜得多，式(1)是其指向性函數(shù)。

D(θ)=

j∑mk=-msin2πrλcos(θ+kα)[]sinπdλ+sin(θ+kα)πdλsin(θ+kα)üty????

(1)

式中:2m+1為發(fā)射基元的個數(shù);r為弧形陣的半徑;λ為水中波長;α為相鄰兩個基元之間的夾角;d為相鄰兩個基元之間的間距。本文仿真模擬了一個典型弧形發(fā)射換能器的指向性曲線，其參數(shù)為：頻率400 kHz，直徑200 mm，發(fā)射基元間距1.3 mm，基元個數(shù)為185個，發(fā)射基元對應(yīng)的圓心角約為137°。圖1為其指向性曲線圖。

圖1 均勻圓弧陣的水平指向性仿真曲線Fig.1 Horizontal directivity simulation curve of uniform arc array

分析均勻圓弧陣的指向性特性，有以下幾個方面的特點(diǎn)[16]：

(1)均勻圓弧陣的波束較寬，且近似于恒定束寬，與頻率無關(guān)，但在主波束范圍內(nèi)存在較大的起伏。

(2)聲壓最大值是波束邊緣處的最后一個峰值，它前面的極小值是聲壓最小值。

(3)在圓弧陣的指向性圖案中，主波束內(nèi)的峰值數(shù)目為

M=2Fix(h/λ)+2

(2)

式中:h為圓弧的拱高；“Fix”為取整數(shù)。

(4)隨著h/λ的值增加，指向性圖中的中間波束起伏逐漸減少，但邊緣波束仍存在較大起伏。

(6)在指向性圖案中，若定義聲壓降低至最大聲壓的0.5倍時對應(yīng)的角度為主波束寬度，則主波束寬度與發(fā)射基元對應(yīng)的圓心角相等。

圖像聲納一般工作頻率較高，波束寬度要求較大，即h/λ的值較大，中間波束的起伏較小，邊緣波束的起伏較大，邊緣波束的起伏主要是由于發(fā)射基元在邊緣處的截?cái)嘈?yīng)造成。

1.2 圓弧陣指向性優(yōu)化

主波束內(nèi)指向性函數(shù)起伏度較大是均勻圓弧陣的主要缺點(diǎn)，這個缺點(diǎn)對圖像聲納的成像質(zhì)量有重要影響。采用幅度束控和不等距陣是克服這一缺點(diǎn)的兩種方法，但是在圖像聲納工程應(yīng)用中，由于工作頻率高，發(fā)射陣的發(fā)射基元尺寸非常小，工藝上很難將每一個基元都獨(dú)立引出信號線，因此幅度束控的方式在工程上較難實(shí)現(xiàn)。

采用不等距陣，使得發(fā)射基元之間的距離各不相同，基元之間的間距在中心處最小，往波束邊緣處基元之間間距最大，減少邊緣截?cái)嘈?yīng)的影響，降低邊緣波束的起伏。不等間距的弧形陣的指向性計(jì)算可以通過任意離散陣的指向性公式來計(jì)算[17]，見式(3)。

(3)

圖2 優(yōu)化的不等間距陣和均勻圓弧陣的水平指向性仿真曲線Fig.2 Optimized horizontal directivity simulation curve of unequal spacing array and uniform arc array

為了在工程上實(shí)現(xiàn)不等距陣，本文提出采用橢圓長軸布陣的方式，當(dāng)橢圓陣的參數(shù)在長軸與短軸之比為5∶4時，該橢圓陣的布陣間距可得到指向性起伏較低的弧形陣，并且指向性的角度基本保持不變。將發(fā)射基元的基底加工成橢圓形，基元在切割時進(jìn)行等間距切割，然后再均勻地粘接到橢圓形基底上，橢圓的長軸長度為200 mm，短軸長度為160 mm。保證每個基元與基底面垂直。這樣便于工程實(shí)現(xiàn)，并且制作工藝也較為方便，圖3為橢圓陣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 橢圓陣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of elliptic array structure

為了驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，制作了橢圓形換能器陣的實(shí)物，并測試了水平指向性。圖4為弧形換能器陣實(shí)物，圖5為橢圓形換能器陣的水平指向性曲線，曲線顯示主波束范圍內(nèi)指向性起伏為2.9 dB。

圖4 橢圓形換能器陣實(shí)物Fig.4 Oval transducer array in kind

圖5 橢圓換能器陣400 kHz水平指向性的實(shí)測曲線Fig.5 Measured curve of 400 kHz horizontal directivity of elliptical transducer array

實(shí)際制作的橢圓形換能器陣中的每一個發(fā)射基元的頻率一致性、振幅一致性以及安裝位置等均與理論仿真的結(jié)果存在一定偏差，另外由于基元與基元之間澆注了高分子聚合物材料，高分子聚合物材料的均勻性會影響基元的諧振頻率，從而對指向性產(chǎn)生影響，因此實(shí)際測試結(jié)果與理論計(jì)算存在少量偏差是可以接受的。

2 接收換能器陣指向性

圖像聲納的接收換能器陣一般為線陣或者面陣，為了實(shí)現(xiàn)對精細(xì)目標(biāo)的成像，接收陣的指向性角度通常較小，基元通道數(shù)較多，每一個接收基元獨(dú)立輸出。接收陣通過波束掃描技術(shù)確定目標(biāo)的方位，波束掃描時，單基元的指向性角度決定了掃描的范圍。因此為了獲得寬的掃描范圍，要求每個單基元的指向性角度足夠大。

2.1 單基元水平指向性

為了避免柵瓣，降低混響，接收基元的布陣中心距為半波長。假如圖像聲納的工作頻率為400 kHz，半波長為1.875 mm，考慮基元之間獨(dú)立輸出，則基元的尺寸非常小，此時尺寸減少一半，其指向性角度并不會增加一倍，連續(xù)線陣的水平指向性公式已經(jīng)失效，而對水平指向性有重要影響的是基元邊界的障板。

理想情況下各個基元之間的水平指向性角度是一樣的，建立基元的水平指向性分析模型，如圖6所示。

圖6 基元水平指向性分析模型Fig.6 Analysis model of primitive horizontal directivity

基元輻射面至障板的距離為d，P點(diǎn)的脈動聲壓為Pr，則有

(4)

式中:A為常數(shù);r為遠(yuǎn)場P點(diǎn)至基元聲中心的距離;ω為角頻率;t為時間;k為波數(shù)。

障板是聲軟邊界，發(fā)射聲壓相位改變180°，設(shè)反射系數(shù)為η，所以合成聲壓為

(5)

j(1+η)sin(kdsinθ)]=|P|eiφ

(6)

其中

(7)

(8)

從式(7)～式(8)中可以看出，考慮基元受障板影響情況下，基元的指向性受工作頻率、輻射面至障板的距離、障板的反射系數(shù)、基元的寬度等因素的影響。

假定基元之間的布陣間距足夠?qū)?，在單基元的水平指向性角度不受旁邊基元影響的情況下，其他因素不變，距離d不同時基元的水平指向性角度,如表1所示。

表1 不同距離d的基元水平指向性角度Tab.1 The horizontal directivity angles of primitives at different distances d

其他因素不變，反射系數(shù)η不同時，基元的水平指向性角度情況,如表2所示。

表2 不同反射系數(shù)η的基元水平指向性角度Tab.2 Basic element horizontal directivity angles with different reflection coefficients η

通過計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

(1)輻射面到障板的距離增加，接收基元-3 dB指向性角度增加，但隨著距離繼續(xù)增加，指向性中間出現(xiàn)凹谷，距離越大，凹谷越深。

(2)在一定范圍內(nèi)，障板的反射系數(shù)對接收基元的指向性影響較小。

實(shí)際工程應(yīng)用中，接收換能器陣的基元布陣間距是一定的，不同的布陣間距對接收基元的水平指向性也會有影響。這是因?yàn)楫?dāng)基元輻射面距離障板不同距離時，從虛源輻射出的聲波經(jīng)過相鄰基元時，會受到相鄰基元自身的遮擋反射，形成一個更加復(fù)雜的聲場。

從圖7可以看出:基元的在水平方向上的輻射面越窄，對應(yīng)受遮擋的角度就越大，但是受制作工藝、晶片電容、焊接等因素影響，基元的寬度不可能無限小。表3給出了工作頻率為400 kHz，基元寬度為0.25倍波長，布陣間距半波長和一倍波長時基元受相鄰基元遮擋時對應(yīng)的角度。

圖7 基元受相鄰基元遮擋對應(yīng)的角度Fig.7 The corresponding angle of a primitive occluded by neighboring primitives

表3 不同布陣間距受相鄰基元遮擋時對應(yīng)的角度Tab.3 Corresponding angle when different array spacing is blocked by adjacent primitives (°)

從表3可以看出:接收換能器陣基元布陣間距增加，接收基元的水平指向性角度受遮擋的影響減少。

2.2 單基元水平指向性優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)2.1節(jié)計(jì)算和分析的結(jié)果，本文實(shí)際制作了兩款圖像聲納接收換能器陣小樣，為了能對比分析，接收換能器的工作頻率為400 kHz，通道數(shù)均為6，接收基元的寬度為0.15倍波長，布陣間距均為半波長。一款基元輻射面與障板面是齊平的，另一款基元的輻射面至障板的距離為0.25倍波長。

圖8 優(yōu)化后基元橫向邊界特性分析模型Fig.8 Analytical model of primitive lateral boundary characteristics after optimization

本文的兩款接收小樣換能器的制作工藝是相同的，制作完成后，在同樣的狀態(tài)測試兩款小樣換能器的單基元的水平指向性角度。在基元輻射面與障板面齊平的情況下，接收陣的單基元波束角度普遍低于100°。優(yōu)化后單基元的-3 dB指向性角度最大達(dá)到130°，實(shí)際測試結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)測兩種小樣換能器水平指向性角度Tab.4 Measured horizontal directivity angle of two sample transducers (°)

從圖9實(shí)際測試的結(jié)果可知，優(yōu)化基元的邊界特性后，基元的水平指向性角度增加效果明顯，6個基元的波束開角均在 120°以上。

圖9 3#基元水平指向性實(shí)測曲線對比圖Fig.9 3# comparison of primitive horizontal directivity measured curves

3 結(jié) 論

本文分析了壓電元件的邊界特性對圖像聲納換能器的指向性影響，介紹了圖像聲納換能器的指向性優(yōu)化方法，包括弧形發(fā)射換能器陣的指向性和接收陣的單基元水平指向性。通過調(diào)節(jié)弧形陣基元的布陣間距可降低弧形陣指向性邊緣的尖峰，減少弧形陣波束起伏，弧形陣的水平指向性起伏可控制在3 dB以內(nèi)。通過優(yōu)化接收陣基元的邊界特性可增加基元的水平指向性角度，優(yōu)化后實(shí)測小樣接收陣各單基元的水平指向性角度均大于 120°。本文介紹的方法改善了圖像聲納換能器的指向性特性，還可應(yīng)用于蛙人、水雷等小目標(biāo)探測聲納等領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。