一種低旁瓣線列陣的設計

黃水兵 李勤博

（海鷹企業集團有限責任公司，無錫，214000）

為滿足對海洋資源探測和開發的需求，各類多波束聲吶和側掃聲吶成為研究熱點[1]。換能器作為聲吶的電聲轉換器件，其能力一定程度上決定了聲吶的性能。指向性是換能器的主要參數，旁瓣級越低，說明抑制干擾的能力越強，旁瓣的大小直接影響高頻成像聲吶的探測能力。低旁瓣表示受主瓣位置外的信號干擾小，對于聲吶，旁瓣越低越好，不采取任何措施的等間距線列陣旁瓣級通常為-13 dB左右。

目前，大多數聲吶的波束形成和旁瓣的控制采用電子線路的手段實現，需要通過附加電路對聲基陣的每路基元進行相位和幅度上的加權[2]。這需要對每路基元進行單獨控制，即聲基陣每路基元的電極需要全部單獨引出，控制電路的復雜程度隨著聲基陣基元的增多而增加，工藝復雜會造成聲吶設備的可靠性和穩定性降低。一般來說，幅度加權用于解決波束寬度和旁瓣級的控制，相位或頻率的加權用于實現寬度陣的恒定波束寬度[3]。本文采用串并聯的方式對線列陣的基元幅度進行加權，不需要額外的控制電路即可實現線列陣的低旁瓣級。

1 線列陣指向性

等間距線列陣的指向性函數為

式中，N為基元個數，DB(θ) 為基元指向性，δ(θ)為相鄰基元的相位差，An為基元的加權系數。常規線列陣An都為1，此時旁瓣為-13.2 dB。

通常聲基陣使用并聯方式連接基元，各基元施加電壓相等，即權系數都為 1。壓電陶瓷的振幅與施加在電極兩端的電壓成正比，利用串聯分壓原理，可以為基元提供1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等電壓權系數。

同均勻陣比較，若振速響應函數由陣的對稱中心單調下調，則陣的主波束變寬，旁瓣降低；反之主波束變窄，旁瓣升高[3]。即降低線列陣的旁瓣級，需要中間基元權系數大，兩端基元權系數單調下降。用契比雪夫束控計算一個旁瓣級為-26 dB的10元線列陣各基元的權系數，如表1所示。

表1 10元陣契比雪夫權系數

利用串聯分壓原理，可以得到1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等電壓權系數，由于使用聲基陣基元內部連接得到權系數的局限性，權系數必須成組出現。將表 1中 0.36、0.49、0.71、0.9、1分別趨近設計為權系數①（1/2、1/2、1、1、1）和權系數②（1/3、1/3、2/3、1、1）兩組，計算了頻率f=80 kHz、單基元尺寸d1=13 mm、間距d=15.5 mm的線列陣加權后與未加權指向性，如圖1所示。

圖1 10元陣加權后與未加權指向性比較圖

從圖1中可以看出，線列陣經加權后旁瓣都有所降低，主瓣寬度變寬，權系數①旁瓣級最大為-19.6 dB，主瓣寬度為未加權主瓣的1.15倍，權系數②旁瓣級最大為-21.2 dB，為未加權主瓣的1.27倍。權系數②施加過多導致線列陣指向性最大旁瓣不是第一旁瓣，此時旁瓣較權系數①降低不明顯，但主瓣寬度變寬很多。從圖1可以得出，權系數①的加權方式較為理想平衡。10元陣可以通過基元交替串并聯方式得到的權系數還有幾組，但效果都較差。10元陣較為理想的權系數如表2所示。

表2 10元陣加權系數

使用代入法計算了12元陣、15元陣、20元陣的指向性，得到表3～5中所列的較為理想權系數（權系數為對稱關系）。計算頻率f=80 kHz、單基元尺寸d1=13 mm、間距d=15.5 mm的線列陣指向性，如圖2～4所示。

表3 12元陣加權系數

表4 15元陣加權系數

表5 20元陣加權系數

圖2 12元加權陣指向性圖

圖3 15元加權陣指向性圖

圖4 20元加權陣指向性圖

12元陣經加權后旁瓣級最大為-23.0 dB，主瓣寬度為未加權主瓣的1.26倍，主瓣幅度為未加權主瓣的0.66倍；15元陣經加權后旁瓣級最大為-23.0 dB，主瓣寬度為未加權主瓣的1.24倍，主瓣幅度為未加權主瓣的0.64倍；20元陣經加權后旁瓣級最大為-23.4 dB，主瓣寬度為未加權主瓣的1.21倍，主瓣幅度為未加權主瓣的0.74倍。

以上結果表明，線列陣基元通過串并聯所得的加權系數可以降低旁瓣，但降低旁瓣的同時會降低主瓣幅度和增寬主瓣寬度。

2 低旁瓣線列陣樣陣

采用高頻縱向振子作為基元，制作了一個 15元線列陣，使用縱向振子作為樣機的基元是為了利用其較寬的帶寬和良好的發射接收性能，且易于成陣。聲基陣結構示意圖如圖5所示。圖中，1-基元；2-基座；3-殼體；4-去耦材料；5-去耦材料；6-水密包覆層；7-水密電纜?？v向振子安裝在絕緣非金屬結構件上，非金屬結構安裝在帶測量接口的鋁合金殼體中?？v向振子間及與非金屬結構件之間都使用去耦隔振材料減少振子的相互耦合，輻射面使用聚氨酯灌注封裝實現水密透聲，電纜從鋁合金殼體上引出。

圖5 低旁瓣線列陣示意圖

縱向振子輻射面尺寸為13 mm×13 mm，間距d=15.5 mm均勻布陣，線列陣內部基元接線采用圖6的接線方式，以獲取表4中的加權系數。

圖6 低旁瓣線列陣接線示意圖

圖7 低旁瓣線列陣試驗樣機

樣陣在消聲水池進行了發射響應、接收靈敏度及指向性的測試，線列陣的遠場條件為 3.6 m，實際測試距離為7 m，測試水深為3 m。在60、80和100 kHz的發送電壓響應級和接收靈敏度級分別為145.8、152.5、150.0 dB 和-182.7、-177.3、-184.5 dB。實測發射指向性和接收指向性如圖8所示。

圖8 換能器實測指向性圖

線列陣在80 kHz時理論計算指向性-3 dB波束寬度為5.0°，最大旁瓣為-23.0 dB，實測發射指向性與接收指向性波束寬度都為5.0°，發射左旁瓣為-21.41 dB，右旁瓣為-19.03 dB。接收指向性左旁瓣為-23.28 dB，右旁瓣為-21.49 dB；實測指向性與理論預估指向性有著良好的擬合。線列陣實測最大旁瓣見表 6。從樣機的測試結果可以看出，通過改變線列陣基元間的串并聯關系，對基元加權的方式起到了控制指向性旁瓣、優化波束的效果。

表6 線列陣實測指向性最大旁瓣級

3 結論

本文介紹了一種降低線列陣旁瓣的方法，制作了一個低旁瓣線列陣樣機，可以得到以下結論：

（1）線列陣利用串聯分壓的原理，選取串聯或并聯的方式進行引接線可以為基元提供1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等電壓權系數；

（2）使用本文提供的加權系數，可有效降低旁瓣級8～10 dB；

（3）本文所描述的采用改變基元間串并聯關系加權控制和波束優化的設計方法已在高頻單波束側掃聲基陣中應用，工程上是切實可行的。