典型阵列声纳束控演示软件开发研究＊

曲晓慧 曲鲁辉 王传芳

（海军航空工程学院电子信息工程系1） 烟台 264001）（烟台海颐软件股份有限公司2） 烟台 264001）

1 引言

声纳波束形成（束控）的目的是使阵元构成的基阵经适当处理得到在预定方向的指向性。对于一个发射系统，具有指向性意味着发射能量集中在某一方向，这样可以用较小的发射功率探测更远距离的目标。接收系统具有指向性，则可使系统定向接收，从而抑制其它方向的信号和干扰。此外，利用接收系统的指向性可以准确测定目标方位。如果接收系统形成多个波束，则可分辨多个目标。随着近代信号处理技术的发展，波束形成技术已经成为声纳信号处理的一个重要的组成部分。波束形成器可以看作是一个空间域的滤波器，它通过对基阵单个阵元输出信号进行一系列的加权、延时和求和运算，使期望方向的信号输出最大，而压制其他方向的干扰信号。

本文在简要介绍均匀间隔直线阵和矩形阵指向性函数的基础上，分析影响波束形成的因素，设计波束形成的演示界面，并对界面中各部分进行说明，最后给出典型的仿真结果。

2 影响直线阵和平面阵波束图的因素分析

2.1 直线阵的波束形成

一个N元等间距线阵，间距为d，各阵元接收灵敏度相同，平面波入射方向为θ，如图1所示。

图1 均匀间隔线阵几何形状

图1中，0，1，…，N－1表示各个阵元的序列号。τ＝dsinθ／c表示平面波到达不同阵元的时间差，φ表示相邻阵元接收信号间的相位差，有

分析可知，这个阵列的归一化自然指向性函数为

当在相邻阵元之间插入相移β或时延τ（τ＝β／（2πf））时，归一化阵输出幅度变为

可以分析出主极大方向从sinθ＝0变到sinθ0＝βλ／2πd。将在阵元之间插入相移使波束主极大方向控制于不同方位的方法称为相移波束形成，而插入时延使波束控制于不同方位的方法称为时延波束形成。在窄带应用（一般在主动声纳中）时，常用相移波束形成；在宽带应用（被动声纳中）时，则用时延波束形成。这是因为相移是频率的函数，而时延则可做到与频率无关。

2.2 矩形阵的波束形成

图2 矩形阵三维坐标图

阵元分布在均匀的矩形网格点上的阵列称为均匀矩形阵列，如图2所示。

dx是x轴方向的阵元间距，dy是y轴方向的阵元间距，一个M×N的归一化自然指向性函数为

v分别在x轴、y轴相邻阵元之间插入相移β1和β2，得到

2.3 影响波束图的因素分析

从前面的分析中可以看出，影响声纳阵列指向性的因素有：阵元的数目，阵元的间距与波长的比值，加入的相移，从公式中可以看出这些因素的影响，但不够直观，所以我们制作演示软件，便于对不同参数时的波束有更直观的认识。

3 典型阵列声纳波束形成演示软件

3.1 仿真演示界面设计

仿真软件的编写依据前面讨论的直线阵和平面阵的指向性函数的表达式，目的是显示阵元的各种参数对波束图的影响以及各阵元参数之间的相互关系，同时方便教学演示，基于此目的，我们设计了如图3所示的仿真演示界面。

界面中，“阵元参数1”和“阵元参数2”部分是设置声纳阵列的各种参数，有阵元数、阵元间距、相移和工作波长，其中阵元间距和工作波长的单位为米，相移的单位为度。“波束图1”和“波束图2”部分是选择想要生成的波束图，有极大值、旁瓣和零点分布图、线性坐标图、φ＝0切面的对数坐标图和（θ，φ）空间图。界面右侧上下两个坐标系，分别对应于“阵元参数1”、“波束图1”和“阵元参数2”、“波束图2”两组绘图选项，并将生成的图形绘于其中，用于分析比较波束图的差异。界面最下方“参数复位”键是将所有可修改的选项都恢复成默认值。演示界面的左下角“空间变角和插入相移”部分是计算为了得到不同方位的波束需要插入多大的相移。当需要波束在平面阵的正前方时，即θ＝0，φ＝0，点击“计算相移”按钮，即可得到相应的β1和β2的值。

3.2 仿真演示实例

仿真演示例子1：

图4 两阵元参数不同时极坐标下的波束图

演示例子2：

图5 加入不同相移时极大值、旁瓣和零点分布图

限于篇幅，这里对各种情况不一一举例，值得一提的是，在演示界面中既可以显示相同阵元参数时不同显示形式的波束图，也可以显示不同阵元参数时相同显示方式下的波束图，但限于界面的大小，在一次显示时只能显示两幅图的对比。

4 结语

一直以来“声纳技术”中有关波束形成部分都比较抽象难懂，教材仅给出了波束形成技术的一般原理性介绍，无法从直观上认识到波束形成的过程和最终的波束图，本文给出了比较有代表性的均匀间隔直线阵和均匀间隔平面阵的波束形成的仿真软件，并设计了直观合理的界面，在教学中可以逐个改变阵元参数生成波束图，比较参数改变对波束图的影响，能够比较感性地认识每个阵元参数对最终波束图的影响，相关工作对更好地理解这一节能起到一定帮助。

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