均匀线列阵远场与近场低频指向性仿真研究

刘 健，杨 博，张 帅，万 俊，伍宏亮

（91388 部队水声对抗技术重点实验室，广东 湛江 524022）

0 引言

空间指向性是水听器测量阵列所具有的基本功能，在水下目标探测和辐射噪声测量作业中都需利用测量阵列的指向性[1-3]，在目标探测中通过对阵元域数据进行非线性变换或加权，使得阵列指向性具有高分辨特征[4，5]；在辐射噪声测量中为保证各频段测量结果不失真，多采用常规指向性，通过选取不同间隔阵元或线性加权方式，使得阵列指向性具有频域恒定束宽特征[6，7]。实测数据表明，舰船辐射噪声源在空间上呈明显的分布特征，为提高阵增益，在数据处理过程中可以同时利用所有接收阵元，理论上只要通过高频精聚焦找到分布噪声源的等效声源方位，就能够保证全频段测量误差在3 dB 内。江磊等[8]利用虚拟阵元技术开展均匀线列阵恒定波束形成技术研究，可提高均匀线列阵的方位估计性能；王志伟等[9]研究了利用均匀线列阵水下运动目标的线谱噪声源方法，并通过数值仿真验证了方法的有效性。本文基于均匀声压水听器线列阵，从辐射噪声测量的角度对其近场和远场低频接收指向性进行仿真，主要研究在各向同性环境噪声场中指向性指数（即阵增益）和功率估计随工作参数的变化规律。

1 物理模型

线阵接收信号近场和远场模型如图1 所示，实心黑点即为声压水听器接受阵元。远场中信号为单向传播的平面波；近场中信号为各向传播的球面波，其到各阵元的传播距离不相等。

图1 远场与近场声场模型

常规的远场归一化指向性函数为[8]：

式中，c为声速，θ0为期望方向，d阵元间隔，f为工作频率，N为阵元数。

近场指向性函数无解析式，需要将各阵元接收信号进行时延和幅度补偿、相加平均并求均方根值后归一化得到。

线阵在水平面内抑制各向同性、均匀环境噪声的能力用指向性指数DI（dB）来表示[10]：

2 数值仿真

仿真基本参数设置为：c=1500 m/s，d=3 m，N=120，单频信号功率110 dB，采样率fs= 10000 Hz，近场目标距离300 m，即噪声源到均匀线列阵的直线距离。均匀水听器线列阵其接受信号为左右舷对称，且噪声源在仿真模型的中垂线上，因此波束引导方位在0°～90°内等间距选取。

2.1 远场指向性指数与功率估计

选取1/3 倍频程低频段部分频点，图2 为远场指向性指数与入射角变化关系，由图可知，对同一频点，指向性指数随入射角的增大而增大，在入射角为90°时达到最大；对不大于以定间距为半波长对应的频点（本文为250 Hz），远场指向性随着频率的增大而增大。

图2 远场指向性指数与入射角变化关系

表1 给出了各频点处不同波束引导方位的远场指向性指数和功率估计结果。由表可知，对所有研究频点不同波束引导方位，单频信号功率估计值均与仿真设置值吻合；对同一频点，随着引导方位的增大，指向性指数增大，而越接近正横方位，增大趋势越不明显；对同一引导方位，随着工作频率的增大，指向性指数增大。从表中还可看出，当频率增大一倍时，相应的指向性指数增大约3 dB。

表1 远场指向性指数和功率估计

2.2 近场指向性指数与功率估计

表2 给出了各频点处不同波束引导方位的近场指向性指数和功率估计结果。由表可知，对所有研究频点不同波束引导方位，当聚焦距离等于目标实际距离时，功率估计值均与仿真设置值吻合，指向性指数变化趋势与远场情形类似，而数值整体偏小。当聚焦距离小于目标实际距离时，功率估计值均小于仿真设置值，除20 Hz 外，随引导方位的增大，功率估计值减小，指向性指数先增大后减小。当聚焦距离大于目标实际距离时，除个别频点个别方位的功率估计值与仿真设置值接近，其余情形都与仿真设置值不相等，随引导方位的增大，功率估计值减小，指向性指数无明显变化规律。从表中还可看出，当聚焦距离不等于目标实际距离时，在接近正横方位的指向性指数要明显小于聚焦距离等于实际距离时相应的值；再者聚焦距离大于目标实际距离时的功率估计和指向性指数，均要大于聚焦距离小于实际距离时相应的值。

表2 近场指向性指数和功率估计

3 结论

本文从辐射噪声测量的角度对均匀线列阵远场与近场指向性进行了仿真研究，结果表明，远场信号功率估计值均与仿真设置值吻合，随引导方位的增大，指向性指数增大。近场当聚焦距离等于目标实际距离时，功率估计值均与仿真设置值吻合，指向性指数变化规律与远场相似，整体上数值要小于远场情形；当聚焦距离不等于目标实际距离时，指向性曲线变化不规则，功率估计值与仿真设置值有较大差异，指向性指数变化规律较为杂乱，在正横方位要显著小于距离相等时相应的值。本文研究结果对大孔径线列阵在水下目标低频辐射噪声测量中的应用有一定的借鉴作用。