图像声纳换能器指向性优化研究

赵 慧，马晶鑫，王 艳，卞加聪，李海森

(1.哈尔滨工程大学 水声工程学院，哈尔滨 150001；2.上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

近年来，随着对海洋资源和环境的开发研究活动的不断加强，人们对海底目标探测和识别的要求日益提高。因海洋防卫、水下作战等军事任务的迫切需要，使得利用水声技术发展的图像声纳技术越来越受到重视，尤其是在混浊的水域，更加需要借助图像声纳进行高分辨率图像成像[1-3]。

图像声纳又称水下照相机，声纳换能器是照相机的镜头，是图像声纳系统的重要组成分机，包含发射阵和接收阵：发射阵通常为弧形发射阵，发射波束角度较大，以实现宽波束照射；接收阵为线阵或者面阵，波束角度较小，以实现目标的定位与识别。近年来，随着图像声纳在水下潜器上的应用需求持续增长，图像声纳换能器阵朝着质量轻、体积小、分辨率高的方向发展。

换能器阵的指向性对声纳的技术参数有重要影响，它决定了图像声纳系统的观察范围和分辨率等指标。声学材料、布阵结构和制作工艺是设计换能器阵时重点考虑的3个方面，每一个方面都影响着换能器阵的指向性[4-7]。图像声纳的发射阵为弧形阵，弧形阵的设计需要重点考虑工作频率、曲率半径、发射基元对应的圆心角、水平波束范围内的指向性起伏等重要参数。通常为了能增加图像声纳的图像质量，要求指向性起伏控制在3 dB以内。本文提出一种利用椭圆长轴布阵的方式，为低指向性起伏弧形阵的设计制作提供新思路和新探索，结果证实这种方式对于控制弧形阵的指向性起伏非常有益。对图像声纳的接收阵而言，基元间的振幅一致性、间距、声障板、边界条件等对基元的指向性均有重要影响[8-13]。一般单基元-3 dB指向性角度要达到 100°以上是比较困难的，本文利用声障板的方式拓展单基元的指向性角度，通过各参数的综合设计可有效实现基元波束角度大于120°，使得波束开角能满足宽波束扫描范围的需求[14-15]。

1 发射换能器阵指向性

一般情况，图像声纳要求发射换能器阵宽波束发射，以便可以探测扫描更宽的范围，因此图像声纳的发射换能器通常为圆弧阵，各基元曲率半径相等的均匀圆弧阵是最常见的。

1.1 均匀圆弧阵指向性特性

相比于线阵，均匀圆弧发射换能器阵的水平指向性函数要复杂得多，式(1)是其指向性函数。

D(θ)=

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

(1)

式中:2m+1为发射基元的个数;r为弧形阵的半径;λ为水中波长;α为相邻两个基元之间的夹角;d为相邻两个基元之间的间距。本文仿真模拟了一个典型弧形发射换能器的指向性曲线，其参数为：频率400 kHz，直径200 mm，发射基元间距1.3 mm，基元个数为185个，发射基元对应的圆心角约为137°。图1为其指向性曲线图。

图1 均匀圆弧阵的水平指向性仿真曲线Fig.1 Horizontal directivity simulation curve of uniform arc array

分析均匀圆弧阵的指向性特性，有以下几个方面的特点[16]：

(1)均匀圆弧阵的波束较宽，且近似于恒定束宽，与频率无关，但在主波束范围内存在较大的起伏。

(2)声压最大值是波束边缘处的最后一个峰值，它前面的极小值是声压最小值。

(3)在圆弧阵的指向性图案中，主波束内的峰值数目为

M=2Fix(h/λ)+2

(2)

式中:h为圆弧的拱高；“Fix”为取整数。

(4)随着h/λ的值增加，指向性图中的中间波束起伏逐渐减少，但边缘波束仍存在较大起伏。

(6)在指向性图案中，若定义声压降低至最大声压的0.5倍时对应的角度为主波束宽度，则主波束宽度与发射基元对应的圆心角相等。

图像声纳一般工作频率较高，波束宽度要求较大，即h/λ的值较大，中间波束的起伏较小，边缘波束的起伏较大，边缘波束的起伏主要是由于发射基元在边缘处的截断效应造成。

1.2 圆弧阵指向性优化

主波束内指向性函数起伏度较大是均匀圆弧阵的主要缺点，这个缺点对图像声纳的成像质量有重要影响。采用幅度束控和不等距阵是克服这一缺点的两种方法，但是在图像声纳工程应用中，由于工作频率高，发射阵的发射基元尺寸非常小，工艺上很难将每一个基元都独立引出信号线，因此幅度束控的方式在工程上较难实现。

采用不等距阵，使得发射基元之间的距离各不相同，基元之间的间距在中心处最小，往波束边缘处基元之间间距最大，减少边缘截断效应的影响，降低边缘波束的起伏。不等间距的弧形阵的指向性计算可以通过任意离散阵的指向性公式来计算[17]，见式(3)。

(3)

图2 优化的不等间距阵和均匀圆弧阵的水平指向性仿真曲线Fig.2 Optimized horizontal directivity simulation curve of unequal spacing array and uniform arc array

为了在工程上实现不等距阵，本文提出采用椭圆长轴布阵的方式，当椭圆阵的参数在长轴与短轴之比为5∶4时，该椭圆阵的布阵间距可得到指向性起伏较低的弧形阵，并且指向性的角度基本保持不变。将发射基元的基底加工成椭圆形，基元在切割时进行等间距切割，然后再均匀地粘接到椭圆形基底上，椭圆的长轴长度为200 mm，短轴长度为160 mm。保证每个基元与基底面垂直。这样便于工程实现，并且制作工艺也较为方便，图3为椭圆阵结构示意图。

图3 椭圆阵结构示意图Fig.3 Schematic diagram of elliptic array structure

为了验证仿真设计的准确性，根据仿真计算的结果，制作了椭圆形换能器阵的实物，并测试了水平指向性。图4为弧形换能器阵实物，图5为椭圆形换能器阵的水平指向性曲线，曲线显示主波束范围内指向性起伏为2.9 dB。

图4 椭圆形换能器阵实物Fig.4 Oval transducer array in kind

图5 椭圆换能器阵400 kHz水平指向性的实测曲线Fig.5 Measured curve of 400 kHz horizontal directivity of elliptical transducer array

实际制作的椭圆形换能器阵中的每一个发射基元的频率一致性、振幅一致性以及安装位置等均与理论仿真的结果存在一定偏差，另外由于基元与基元之间浇注了高分子聚合物材料，高分子聚合物材料的均匀性会影响基元的谐振频率，从而对指向性产生影响，因此实际测试结果与理论计算存在少量偏差是可以接受的。

2 接收换能器阵指向性

图像声纳的接收换能器阵一般为线阵或者面阵，为了实现对精细目标的成像，接收阵的指向性角度通常较小，基元通道数较多，每一个接收基元独立输出。接收阵通过波束扫描技术确定目标的方位，波束扫描时，单基元的指向性角度决定了扫描的范围。因此为了获得宽的扫描范围，要求每个单基元的指向性角度足够大。

2.1 单基元水平指向性

为了避免栅瓣，降低混响，接收基元的布阵中心距为半波长。假如图像声纳的工作频率为400 kHz，半波长为1.875 mm，考虑基元之间独立输出，则基元的尺寸非常小，此时尺寸减少一半，其指向性角度并不会增加一倍，连续线阵的水平指向性公式已经失效，而对水平指向性有重要影响的是基元边界的障板。

理想情况下各个基元之间的水平指向性角度是一样的，建立基元的水平指向性分析模型，如图6所示。

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

基元辐射面至障板的距离为d，P点的脉动声压为Pr，则有

(4)

式中:A为常数;r为远场P点至基元声中心的距离;ω为角频率;t为时间;k为波数。

障板是声软边界，发射声压相位改变180°，设反射系数为η，所以合成声压为

(5)

j(1+η)sin(kdsinθ)]=|P|eiφ

(6)

其中

(7)

(8)

从式(7)～式(8)中可以看出，考虑基元受障板影响情况下，基元的指向性受工作频率、辐射面至障板的距离、障板的反射系数、基元的宽度等因素的影响。

假定基元之间的布阵间距足够宽，在单基元的水平指向性角度不受旁边基元影响的情况下，其他因素不变，距离d不同时基元的水平指向性角度,如表1所示。

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

其他因素不变，反射系数η不同时，基元的水平指向性角度情况,如表2所示。

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

通过计算，可以得出以下结论：

(1)辐射面到障板的距离增加，接收基元-3 dB指向性角度增加，但随着距离继续增加，指向性中间出现凹谷，距离越大，凹谷越深。

(2)在一定范围内，障板的反射系数对接收基元的指向性影响较小。

实际工程应用中，接收换能器阵的基元布阵间距是一定的，不同的布阵间距对接收基元的水平指向性也会有影响。这是因为当基元辐射面距离障板不同距离时，从虚源辐射出的声波经过相邻基元时，会受到相邻基元自身的遮挡反射，形成一个更加复杂的声场。

从图7可以看出:基元的在水平方向上的辐射面越窄，对应受遮挡的角度就越大，但是受制作工艺、晶片电容、焊接等因素影响，基元的宽度不可能无限小。表3给出了工作频率为400 kHz，基元宽度为0.25倍波长，布阵间距半波长和一倍波长时基元受相邻基元遮挡时对应的角度。

图7 基元受相邻基元遮挡对应的角度Fig.7 The corresponding angle of a primitive occluded by neighboring primitives

表3 不同布阵间距受相邻基元遮挡时对应的角度Tab.3 Corresponding angle when different array spacing is blocked by adjacent primitives (°)

从表3可以看出:接收换能器阵基元布阵间距增加，接收基元的水平指向性角度受遮挡的影响减少。

2.2 单基元水平指向性优化验证

根据2.1节计算和分析的结果，本文实际制作了两款图像声纳接收换能器阵小样，为了能对比分析，接收换能器的工作频率为400 kHz，通道数均为6，接收基元的宽度为0.15倍波长，布阵间距均为半波长。一款基元辐射面与障板面是齐平的，另一款基元的辐射面至障板的距离为0.25倍波长。

图8 优化后基元横向边界特性分析模型Fig.8 Analytical model of primitive lateral boundary characteristics after optimization

本文的两款接收小样换能器的制作工艺是相同的，制作完成后，在同样的状态测试两款小样换能器的单基元的水平指向性角度。在基元辐射面与障板面齐平的情况下，接收阵的单基元波束角度普遍低于100°。优化后单基元的-3 dB指向性角度最大达到130°，实际测试结果如表4所示。

表4 实测两种小样换能器水平指向性角度Tab.4 Measured horizontal directivity angle of two sample transducers (°)

从图9实际测试的结果可知，优化基元的边界特性后，基元的水平指向性角度增加效果明显，6个基元的波束开角均在 120°以上。

图9 3#基元水平指向性实测曲线对比图Fig.9 3# comparison of primitive horizontal directivity measured curves

3 结 论

本文分析了压电元件的边界特性对图像声纳换能器的指向性影响，介绍了图像声纳换能器的指向性优化方法，包括弧形发射换能器阵的指向性和接收阵的单基元水平指向性。通过调节弧形阵基元的布阵间距可降低弧形阵指向性边缘的尖峰，减少弧形阵波束起伏，弧形阵的水平指向性起伏可控制在3 dB以内。通过优化接收阵基元的边界特性可增加基元的水平指向性角度，优化后实测小样接收阵各单基元的水平指向性角度均大于 120°。本文介绍的方法改善了图像声纳换能器的指向性特性，还可应用于蛙人、水雷等小目标探测声纳等领域，具有非常广阔的应用前景。