水声传感阵列指向性与系统传输性能研究*

张 雷,何 宁,黄灵鹭,何志毅

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

随着人类对海洋的探索、开发及海洋资源的利用，在海洋环境下进行必要的信息传递和交流具有重要意义。由于浅海水下环境的复杂性及水声信道的特殊性，长距离、高速率可靠通信一直是水声通信中的难题。增加通信距离的传统方法是提高单个阵元的发射功率，此时需要阵元具有较大的表面积以避免空化，但在较高的工作频率下，增大阵元表面积会牺牲指向性或者无法合理地兼顾指向性等指标。因此采用指向性良好的发射阵列可增加系统通信距离，抑制多途效应；且限制了接收视场角，增加了系统的保密性[1-2]。

1 影响水声通信系统传输性能的因素

水声通信利用水作为传播介质，通过声波与水相互作用将信息传输到目的地。水声转换是水下声通信的关键技术，在通信两端由水声换能器负责完成电/声间的相互转换。

水声通信系统的传输性能包括通信距离、传输速率、接收灵敏度、信噪比等。由于水声信道的复杂性，使得系统传输性能与诸多因素有关，比如：海洋中的噪声、调制方式、编码方式、发射接收阵列的指向性、多途效应、环境噪声等。在浅海近程通信中，噪声和多途效应对系统性能影响较为明显。

1.1 海洋中的噪声

海洋中的噪声源主要包括潮汐、洋流、海面风浪、生物噪声、工业噪声等,是水声通信的主要干扰背景，直接影响系统接收端信噪比和通信距离。在人类活动频繁的近海、港口和港湾，生物活动和近海工业是信道噪声的主要来源，而且噪声随着时间、空间、地理位置和天气的变化而变化。

水声通信中考虑的噪声源主要有三种：热噪声、海洋环境噪声和舰船噪声。热噪声由声纳接收机中的电路引入，海洋环境噪声在30 kHz以上频段成为噪声的主要来源，舰船噪声对几千赫兹以下的低频段有重要影响。

在水下环境噪声一定时，增大发射声源级可以明显增加系统通信距离。利用被动声呐方程和传播损失方程可以得出声源级与通信距离之间的关系。被动声呐方程为[4]：

其中，SL为发射声源级，TL为传播损失，NL为噪声级，DI为接收指向性指数，DT为检测阈。将传播损失TL考虑为球面扩展和吸收损失之和时有[3]:

其中,r为通信距离，α为吸收系数。由以上两式可知，当给定NL、DT、DI和吸收系数α后，发射声源级 SL是通信距离r的函数，通信距离r随着声源级SL的增大而增加。

1.2 多途效应

水声环境中多途效应的形成机理是声线弯曲和海底、海面的反射，海水内部结构如潮汐、内波、紊流等的影响，以及声源和接收机平台的运动等，通常浅海的多途效应比深海严重得多。

浅海近程水声传播特性主要与海况、海深、工作频率、发射基阵指向性等有关，由海面、海底反射产生的多途信号到达接收端时未完全衰减，叠加后引起信号衰落。由射线声学理论可知，高频声波在海水中传播可以视为声线在声束管中传播。当声源发射角较大时，经海面、海底反射后形成的多途信号数量多，历经的时延和衰减大，接收端信号起伏大；当声源发射角较小时，海面、海底反射次数少，多途信号数量少，历经的时延和衰减小，接收端信号起伏小。多途效应使发送的码元产生畸变，导致码间串扰，降低了通信的可靠性和稳定性，同时也限制了传输速率[4]。因此，减小多途效应的有效方法是减小声源的发射角度，即减小发射基阵的指向性开角；海水深度对多途效应亦有一定影响，深度较小时，声线更容易发生海面、海底反射，多途效应明显，此时应使指向性开角尽量小。

2 水声换能器基阵特性仿真与分析

2.1 发射基阵的声功率

声功率是指单位时间内声波辐射出的平均能量流，是衡量系统作用距离的重要依据。假设单个阵元的输入电功率为Pe，当采用n个阵元进行组阵后，输入电功率变为nPe，利用电声效率η可得基阵的声功率P=ηnPe，即利用阵元组阵后基阵的声功率线性增加。因此当单个阵元的声功率提高到阈值后而无法再增加时，可考虑组成发射基阵。

2.2 发射基阵指向性的仿真

发射基阵是由若干换能器按一定排列形式组成的阵列，常见的平面阵有矩形阵、圆形阵、环形阵等。发射基阵的参数包括阵元半径、工作波长、阵元数目、阵元间距等。本文选用阵元型号为DYW-500-F，-3 dB波束宽度为 4.2°，工作频率f=500 kHz,阵元半径R=43 mm。发射端阵列形式采用图 1所示的矩形阵，d1、d2分别为X方向和Y方向阵元间距，M、N是X方向和Y方向阵元数目。

图1 矩形阵列

式(3)中k为波数，k=2π/λ，水中声速v=1500 m/s，波长λ=v/f。仿真得到单个阵元指向性图如图2所示。

半径为R的圆形活塞阵元的指向性函数为[5]：

图2 阵元指向性图

由半径为R的圆形活塞阵元构成矩形阵，该基阵的指向性函数(与图1不对应)为[5]：

直角坐标系下基阵指向性图如图3所示。

对比图2和图3可知：采用多个阵元进行组阵后，基阵的波束宽度要明显大于单个阵元的波束宽度，以下分析阵元间距和数目对指向性的影响，得出最优的基阵指向性图。

假定阵元个数M=N=2，图4为不同阵元间距下基阵指向性图。

图3 基阵指向性图

图4 阵元间距变化的基阵指向特性

由图4可知，当d1=d2=λ/4时,基阵指向角最大且没有旁瓣产生；当d1=d2=λ/2时,指向角减小亦没有旁瓣产生；当d1=d2=3λ/4时,指向角进一步减小且有 1个较小旁瓣产生；当d1=d2=λ时,指向角最小且旁瓣也最大。因此可知，在阵元数目一定的情况下，当阵元间距逐渐增大时，基阵的指向角逐渐变得尖锐，旁瓣逐渐出现且幅度不断增大；选择阵元间距d=λ/2既可抑制旁瓣产生又可获得一定指向性。

当基阵的阵元数目变化时,基阵指向性也随之改变。以阵元间距为d1=d2=λ/2进行仿真讨论,由仿真可知，当采用2×2基阵时，指向角最大且没有旁瓣产生；采用 3×3基阵时，基阵指向角减小且有1个较小旁瓣产生；采用4×4基阵时基阵指向角进一步减小，旁瓣数量不变但幅度增大；采用5×5基阵时，基阵指向角最小，旁瓣幅度进一步增大，数量增加到2个。因此，在阵元间距一定的情况下，逐渐增加阵元个数时，基阵指向角逐渐减小，旁瓣逐渐产生且其幅度和数量不断增加，但增加的趋势在减小。表1为不同阵元间距和不同阵元数目时的波束宽度。

图5 单个阵元功率放大和阻抗匹配电路

3 实验系统设计与测试

3.1 发射基阵的驱动与匹配

压电换能器依靠高压脉冲激励产生机械振动向外辐射声波。激励电压过小，辐射声功率很小；激励电压过大有可能使阵元发生不可逆转的损坏。因此应合理设计发射基阵驱动电路以提高能量利用率，保证各个阵元安全高效地工作于谐振频率。基阵驱动电路部分包括阵元间的连接形式、功率的放大和阻抗匹配等[6]。

表1 不同情况下的波束宽度

阵元间的连接形式可采用串联、并联、串并联等。其工作特性等效为容性负载，当阵元间采用并联形式时，负载阻抗增大，匹配特性受到破坏；当采用串联形式时，由于每个阵元阻抗不同，工作时各阵元的功率特性不一致。

阵元间串联或并联时还会产生互耦合现象,而采用串并联混合的方式也会存在上述情况[7]。综上所述，为提高发射阵的辐射声功率，采取了对每一个阵元使用单独的功率放大电路和匹配电路，如图5所示。

图5中功率放大电路由IRF840单极型MOSFET和脉冲变压器构成。 电路中，已调信号经CD4069升压到+12 V后输入到IRF840的栅极，控制MOS管的导通和关断来产生高压脉冲信号。对已调信号进行升压的目的是保证MOS管可靠导通。

处于谐振状态的压电换能器对外呈现是一个容性负载，若将其直接连接到功率放大电路中，会出现很大的无功损耗，这样不仅会使换能器的效率和辐射声功率降低，而且会影响到功率放大电路的安全工作。由于组成基阵的阵元间会有细微的差异，为保证每个阵元两端信号幅度一致，需对每个阵元单独进行阻抗匹配。

阵元的阻抗匹配分为抗的匹配和阻的匹配。抗的匹配是指在阵元两端并联或者串联一个反向电抗 (即电感)，使阵元由电抗性负载变为纯阻性负载。当阵元抗的匹配完成后可视为纯电阻，在前级电路的等效电阻与阵元的电阻相同时阵元上才能获得最大功率，即能量最大传输定理。阻的匹配通过脉冲变压器来实现[8]。图5中由并联在阵元两端的电感L1实现抗的匹配，而脉冲变压器TRANS1实现阻的匹配。进行阻抗匹配后阵元两端的信号波形具有较好的一致性。

3.2 系统水下传输测试分析

系统采用 ASK调制,载波 500 kHz,基带信号100 kHz，已调信号经功率放大和阻抗匹配后由发射基阵发出。接收端经过前置放大、检波、脉冲整形后恢复出相应的基带信号。

由于室内规则水池小，壁面和池底均带来多径反射，影响系统测试，因此选择开阔池塘进行系统通信测试。池塘平均水深5 m，发射端和接收端深度为2.5 m，收发端水平距离100 m，如图6所示。

图6 室外实验测试图

3.2.1 发射端采用单个阵元与基阵时接收端波形对比

测试发射端分别采用单个阵元和基阵时，接收端信号波形如图7所示。

图7 接收端信号波形

由图可知发射端采用单个阵元时，由于辐射声功率较小，接收端信号幅度只有336 mV；而采用基阵时，提高了辐射声功率，接收端信号幅度明显增大，峰峰值达到1.96 V，接收端增益增加15 dB，有效提高了接收端信噪比。

3.2.2 基阵指向性对多途效应的抑制

测试过程中利用表1的内容，确定阵元间距后，通过改变阵元数目使基阵波束宽度发生变化，实验采用6×6和2×2两种阵列结构进行测试，接收端信号波形如图8所示。

图8 接收端信号波形

由图8可知接收信号中多途信号的幅度随着发射波束宽度增加逐渐增大。当采用6×6基阵时，多径效应不明显；采用2×2基阵时，多径效应已经非常严重。因此，基阵指向性越好，对多途效应抑制越明显。

针对浅海近程水声信道特点，分析了水下信号传输特性，提出采用基阵结构与指向性发射控制改善多途效应的方法，通过仿真与实验对单个阵元和基阵的指向性与功率进行分析对比。实验测试结果表明：水下传感发射指向性与传输性能有一定关系，适当控制声阵列发射角可有效抑制多途效应，有利于接收端信噪比和系统性能改善。

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