一种多波束接收阵的分析与设计

　　引言

　　声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的设备,它广泛地应用于水中兵器、舰船和渔业领域。现代声纳普遍采用水声换能器基阵来提高探测和定位能力,波束形成系统是声纳的核心部件之一,是声纳具有良好的战术技术性能的基础[1]。对于发射阵,波束形成主要是对特定方向的有用信号形成波束,使之输出最大并衰减其他方向的干扰信号。对于接收阵,往往期望在较大的范围内形成波束,以期获得较多的数据信息。目前,声纳往往是通过算法来实现多波束,例如相控偏转技术[2]、LMS自适应法[3]、阵列流行向量法等[1]。这些方法虽然能够形成多波束,但是都需要复杂的计算和庞大的硬件系统作为支持。

　　本文基于鱼雷声引信仿真系统的实际需求,利用简单电路研制了一种多波束半球阵。基阵由5个均匀布放在半球圆周上的半波阵子压电换能器构成,能够形成覆盖半空间的并行波束,并在半空间范围内捕获目标信息,给出目标粗略的方位[4],为鱼雷声引信仿真系统提供可靠的技术支持。

　　1　模型设计

　　为实现波束对半空间的全向覆盖,提高基阵对目标信号的接收精度,让每个阵元工作在主波束上,设计时采用“接力”式的工作方式,以期望获得如下页图1所示的理想波束图。图1中,每个阵元分管各自的工作区域,在其主波束相交的位置(图中箭头所指位置)即为工作接力点,当阵元波束扫描至接力点时,下一个阵元开始工作,依次往下进行,实现了基阵波束对半空间的覆盖。

　　在基阵设计中,阵元参数的选取是十分重要的,它直接影响到整个基阵的性能。本文在设计基阵时,选取半波阵子换能器作为基阵阵元,根据参考文献[5]可知:

　　式中f0为半波阵子换能器的谐振频率,l为换能器的厚度。本文所设计的基阵工作频率为100kHz～150kHz,选取谐振频率为125 kHz的换能器作为阵元,根据方程(1)可求得换能器的厚度l为0.6cm。

　　要实现波束对半空间的全向覆盖,必须考虑单个阵元的指向性。在基阵阵元设计时,采用圆面压电陶瓷作为换能器的有源材料,其指向性计算可由式(2)给出[6],式中a为圆面压电陶瓷片的半径。

　　在实际的工程应用中,需要在压电陶瓷片中进行打孔,根据圆面活塞式换能器指向性计算原理,打孔后的指向性计算应由式(3)给出:

　　上式中r1为压电陶瓷片的外径,r2为其内径,J1为一阶贝塞尔函数,k为波数。通过大量仿真分析,最终选取外径为1cm,内径为0.2cm,高度为0.6cm的压电陶瓷片作为基阵阵元,据式(3)可以计算出在给定频率下单个换能器的指向性图,如图2所示。由图2可知,单个换能器的主瓣高度远远大于旁瓣高度,这说明让换能器在工作区域内始终工作在主瓣上是可行的。