分裂波束鱼探仪换能器的旁瓣级控制

胡健辉王艳赵欢史海荣

（1.水声对抗技术重点实验室，上海，201108；2.上海船舶电子设备研究所，上海，201108)

分裂波束鱼探仪换能器的旁瓣级控制

胡健辉1王艳2赵欢2史海荣2

（1.水声对抗技术重点实验室，上海，201108；2.上海船舶电子设备研究所，上海，201108)

从一般离散阵列的指向性计算公式出发，利用对称阵列的对称特性简化了计算公式，得出对称离散阵列的通用计算方法，并进一步推广到连续对称阵列指向性计算。利用简化公式分析了分裂波束鱼探仪换能器的指向性特性，并优化分裂波束鱼探仪换能器的阵形设计，得出其设计参数的一般取值范围。根据优化后的设计参数，研制了一款70 kHz分裂波束鱼探仪换能器。通过消声水池测试，其实测指向性与理论计算非常吻合，水平方向与垂直方向的旁瓣级均达到−20 dB以下。同时也验证了简化后的计算公式对于对称阵列的指向性计算的有效性。

鱼探仪；分裂波束；换能器；指向性；旁瓣级

随着鱼探仪的发展，对渔业资源中被测目标的探测、识别、分类的要求越来越高，其换能器也由以前的单波束窄带换能器逐渐发展为分裂波束、宽带鱼探仪换能器。分裂波束式鱼探仪运用四个象限的换能器，发射并联时发射脉冲式、准连续式声信号；接收时每个象限独立接收声波，跟踪目标在声束中的位置。运用目标跟踪技术可对鱼类在测声束内的运动轨迹、游动速率及方向等参数进行测算。同时，利用分裂波束技术确定目标在波束中的位置，并根据波束的指向性对偏离声轴的回声信号进行补偿，从而实现对鱼类目标强度的客观估测。分裂波束鱼探仪具有良好的目标方位分辨特性，这与其低旁瓣级的指向性和各模块的相位一致性密不可分。相位一致性通过制作工艺上保持各基元的一致性以及安装定位的精度来保证。而低旁瓣级的指向性要求换能器基元在布阵时进行优化设计，合适的布阵设计可有效降低换能器的旁瓣级。挪威Simrad公司研制了中心频率38 kHz、70 kHz、120 kHz和200 kHz四种分裂波束鱼探仪换能器，其中心频率处主波束宽度均为7°，旁瓣级均低于−23 dB。

1 对称离散阵列的指向性计算

换能器的指向性为换能器辐射面孔径函数傅里叶变化的模值。对于任意离散阵列的换能器指向性具有如下计算公式[1,2]：

通常换能器均有若干个基元等间距排列组成一个对称的阵面，对于对称离散阵列的指向性公式，复数的虚部完全抵消，实部合并相同项，简化后的指向性公式如下：

n为换能器基元投影到x轴的最大个数。

对于连续阵列可以将其进行网格划分，网格间距不大于半波长，并将网格大小作为阵元的权系数，也可适用于公式（2）。

图1 平面阵阵元分布图

以图1平面阵为例，水平方向8个基元，垂直方向5个基元。令基元间距为d，则有

水平方向基元个数为偶数，指向性计算公式为：

垂直方向基元个数为奇数，对称轴处基元重复计算一次，y0权系数需要减半，指向性计算公式为：

图2 平面阵指向性曲线

2 分裂波束换能器阵形设计

分裂波束鱼探仪换能器将辐射面均匀分成四等份，发射时并联工作，接收时四组换能器单独接收回波信号。换能器设计时要求辐射面分别沿x轴和y轴对称，通常可以是正方形或是圆形，其基元个数为4的倍数。并联发射时水平指向性与垂直指向性完全一致。辐射面为正方形时，指向性理论上第一旁瓣级为−13.5 dB；辐射面为圆形时，理论上第一旁瓣级为−17.6 dB[3,4]。更低的旁瓣级就需要对辐射面作进一步束控设计，束控时仍需保持换能器沿x轴和y轴对称，基元个数保持为4的倍数不变。

选择边长为L的正方形辐射面，均匀去除四个角，留取边长为d，形成一个八边形辐射面。辐射面仍具有90°旋转对称特性，水平指向性与垂直指向性一致。

图3 分裂波束换能器辐射面示意图

通过调节d/L的比值可改变其指向性特性，选择合适的取值范围可获取较低的旁瓣级。将图3在水平方向上均匀间距划分成若干等分的网格，网格中心到原点的水平距离为xi，网格的高度为第i个阵元的加权系数iω，通过计算公式（2）可获得其水平指向性。以L=10λ为例进行计算。根据表1的计算结果分析可知，d/L的取值范围为0.2～0.4之间最为合适，主波束宽度扩展1.2～1.3倍，旁瓣级低于−20 dB，并可以根据面积份数计算出发送电压响应损失2～4 dB。

表1 d/L与指向性的关系

3 实际换能器制作

根据分析结果制作了换能器样机如4所示，换能器由136个基元均匀排列组成，中心频率70 kHz，直径220 mm，空气中重量5 kg左右。

图4 换能器实物图

L尺度上由14个基元等间隔均匀排列，d尺度上4个基元，d/L=4/14=0.286，换能器在水平方向和垂直方向完全对称一致。将各项参数代入公式（2），该阵列水平、垂直指向性计算公式：

利用Matlab软件对公式（6）进行仿真计算，并与换能器实测指向性进行对比。图5和表2结果表明换能器实测值与理论计算结果吻合度非常好，水平指向性与垂直指向性也完全一致，旁瓣级均达到了−20 dB以下。

图5 换能器指向性图

表2 理论与实测指向性对比

4 结论

本文从一般离散阵列的指向性计算公式出发，推导出对称离散阵列的简化公式。简化公式适用于阵列不同幅度加权的情况，利用各类通用计算软件可方便快速计算出仿真结果，也便于修改仿真计算模型的输入的参数。利用简化公式计算了图3类型阵列的各种不同情形下的指向性，得出d/L的取值范围为0.2～0.4之间时换能器的旁瓣级比较低，且换能器发送电压响应损失较小。实际制作了一个136阵元的换能器阵列，阵列分布d/L=0.286，实测换能器指向性旁瓣级低于−23dB，且指向性实测结果与理论计算完全一致。

[1]路德明.水声换能器及其原理[M].青岛:青岛海洋大学出版社,2001:360-390.

[2]袁易全.近代声学基阵原理及其应用[M].南京:南京大学出版社,1994:151-157.

[3]周福洪.水声换能器及基阵[M].国防工业出版社,1984:205-232.

[4]SHERMAN C H,BUTLER J L.Transducers and arrays for underwater sound[M].New York:Spring,2007:16-136,505-530.