分裂波束魚探儀換能器的旁瓣級控制

胡健輝王艷趙歡史海榮

（1.水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201108；2.上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108)

分裂波束魚探儀換能器的旁瓣級控制

胡健輝1王艷2趙歡2史海榮2

（1.水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201108；2.上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108)

從一般離散陣列的指向性計(jì)算公式出發(fā)，利用對稱陣列的對稱特性簡化了計(jì)算公式，得出對稱離散陣列的通用計(jì)算方法，并進(jìn)一步推廣到連續(xù)對稱陣列指向性計(jì)算。利用簡化公式分析了分裂波束魚探儀換能器的指向性特性，并優(yōu)化分裂波束魚探儀換能器的陣形設(shè)計(jì)，得出其設(shè)計(jì)參數(shù)的一般取值范圍。根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)，研制了一款70 kHz分裂波束魚探儀換能器。通過消聲水池測試，其實(shí)測指向性與理論計(jì)算非常吻合，水平方向與垂直方向的旁瓣級均達(dá)到?20 dB以下。同時(shí)也驗(yàn)證了簡化后的計(jì)算公式對于對稱陣列的指向性計(jì)算的有效性。

魚探儀；分裂波束；換能器；指向性；旁瓣級

隨著魚探儀的發(fā)展，對漁業(yè)資源中被測目標(biāo)的探測、識別、分類的要求越來越高，其換能器也由以前的單波束窄帶換能器逐漸發(fā)展為分裂波束、寬帶魚探儀換能器。分裂波束式魚探儀運(yùn)用四個象限的換能器，發(fā)射并聯(lián)時(shí)發(fā)射脈沖式、準(zhǔn)連續(xù)式聲信號；接收時(shí)每個象限獨(dú)立接收聲波，跟蹤目標(biāo)在聲束中的位置。運(yùn)用目標(biāo)跟蹤技術(shù)可對魚類在測聲束內(nèi)的運(yùn)動軌跡、游動速率及方向等參數(shù)進(jìn)行測算。同時(shí)，利用分裂波束技術(shù)確定目標(biāo)在波束中的位置，并根據(jù)波束的指向性對偏離聲軸的回聲信號進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對魚類目標(biāo)強(qiáng)度的客觀估測。分裂波束魚探儀具有良好的目標(biāo)方位分辨特性，這與其低旁瓣級的指向性和各模塊的相位一致性密不可分。相位一致性通過制作工藝上保持各基元的一致性以及安裝定位的精度來保證。而低旁瓣級的指向性要求換能器基元在布陣時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合適的布陣設(shè)計(jì)可有效降低換能器的旁瓣級。挪威Simrad公司研制了中心頻率38 kHz、70 kHz、120 kHz和200 kHz四種分裂波束魚探儀換能器，其中心頻率處主波束寬度均為7°，旁瓣級均低于?23 dB。

1 對稱離散陣列的指向性計(jì)算

換能器的指向性為換能器輻射面孔徑函數(shù)傅里葉變化的模值。對于任意離散陣列的換能器指向性具有如下計(jì)算公式[1,2]：

通常換能器均有若干個基元等間距排列組成一個對稱的陣面，對于對稱離散陣列的指向性公式，復(fù)數(shù)的虛部完全抵消，實(shí)部合并相同項(xiàng)，簡化后的指向性公式如下：

n為換能器基元投影到x軸的最大個數(shù)。

對于連續(xù)陣列可以將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距不大于半波長，并將網(wǎng)格大小作為陣元的權(quán)系數(shù)，也可適用于公式（2）。

圖1 平面陣陣元分布圖

以圖1平面陣為例，水平方向8個基元，垂直方向5個基元。令基元間距為d，則有

水平方向基元個數(shù)為偶數(shù)，指向性計(jì)算公式為：

垂直方向基元個數(shù)為奇數(shù)，對稱軸處基元重復(fù)計(jì)算一次，y0權(quán)系數(shù)需要減半，指向性計(jì)算公式為：

圖2 平面陣指向性曲線

2 分裂波束換能器陣形設(shè)計(jì)

分裂波束魚探儀換能器將輻射面均勻分成四等份，發(fā)射時(shí)并聯(lián)工作，接收時(shí)四組換能器單獨(dú)接收回波信號。換能器設(shè)計(jì)時(shí)要求輻射面分別沿x軸和y軸對稱，通?？梢允钦叫位蚴菆A形，其基元個數(shù)為4的倍數(shù)。并聯(lián)發(fā)射時(shí)水平指向性與垂直指向性完全一致。輻射面為正方形時(shí)，指向性理論上第一旁瓣級為?13.5 dB；輻射面為圓形時(shí)，理論上第一旁瓣級為?17.6 dB[3,4]。更低的旁瓣級就需要對輻射面作進(jìn)一步束控設(shè)計(jì)，束控時(shí)仍需保持換能器沿x軸和y軸對稱，基元個數(shù)保持為4的倍數(shù)不變。

選擇邊長為L的正方形輻射面，均勻去除四個角，留取邊長為d，形成一個八邊形輻射面。輻射面仍具有90°旋轉(zhuǎn)對稱特性，水平指向性與垂直指向性一致。

圖3 分裂波束換能器輻射面示意圖

通過調(diào)節(jié)d/L的比值可改變其指向性特性，選擇合適的取值范圍可獲取較低的旁瓣級。將圖3在水平方向上均勻間距劃分成若干等分的網(wǎng)格，網(wǎng)格中心到原點(diǎn)的水平距離為xi，網(wǎng)格的高度為第i個陣元的加權(quán)系數(shù)iω，通過計(jì)算公式（2）可獲得其水平指向性。以L=10λ為例進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果分析可知，d/L的取值范圍為0.2～0.4之間最為合適，主波束寬度擴(kuò)展1.2～1.3倍，旁瓣級低于?20 dB，并可以根據(jù)面積份數(shù)計(jì)算出發(fā)送電壓響應(yīng)損失2～4 dB。

表1 d/L與指向性的關(guān)系

3 實(shí)際換能器制作

根據(jù)分析結(jié)果制作了換能器樣機(jī)如4所示，換能器由136個基元均勻排列組成，中心頻率70 kHz，直徑220 mm，空氣中重量5 kg左右。

圖4 換能器實(shí)物圖

L尺度上由14個基元等間隔均勻排列，d尺度上4個基元，d/L=4/14=0.286，換能器在水平方向和垂直方向完全對稱一致。將各項(xiàng)參數(shù)代入公式（2），該陣列水平、垂直指向性計(jì)算公式：

利用Matlab軟件對公式（6）進(jìn)行仿真計(jì)算，并與換能器實(shí)測指向性進(jìn)行對比。圖5和表2結(jié)果表明換能器實(shí)測值與理論計(jì)算結(jié)果吻合度非常好，水平指向性與垂直指向性也完全一致，旁瓣級均達(dá)到了?20 dB以下。

圖5 換能器指向性圖

表2 理論與實(shí)測指向性對比

4 結(jié)論

本文從一般離散陣列的指向性計(jì)算公式出發(fā)，推導(dǎo)出對稱離散陣列的簡化公式。簡化公式適用于陣列不同幅度加權(quán)的情況，利用各類通用計(jì)算軟件可方便快速計(jì)算出仿真結(jié)果，也便于修改仿真計(jì)算模型的輸入的參數(shù)。利用簡化公式計(jì)算了圖3類型陣列的各種不同情形下的指向性，得出d/L的取值范圍為0.2～0.4之間時(shí)換能器的旁瓣級比較低，且換能器發(fā)送電壓響應(yīng)損失較小。實(shí)際制作了一個136陣元的換能器陣列，陣列分布d/L=0.286，實(shí)測換能器指向性旁瓣級低于?23dB，且指向性實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算完全一致。

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