一种低旁瓣线列阵的设计

黄水兵 李勤博

（海鹰企业集团有限责任公司，无锡，214000）

为满足对海洋资源探测和开发的需求，各类多波束声呐和侧扫声呐成为研究热点[1]。换能器作为声呐的电声转换器件，其能力一定程度上决定了声呐的性能。指向性是换能器的主要参数，旁瓣级越低，说明抑制干扰的能力越强，旁瓣的大小直接影响高频成像声呐的探测能力。低旁瓣表示受主瓣位置外的信号干扰小，对于声呐，旁瓣越低越好，不采取任何措施的等间距线列阵旁瓣级通常为-13 dB左右。

目前，大多数声呐的波束形成和旁瓣的控制采用电子线路的手段实现，需要通过附加电路对声基阵的每路基元进行相位和幅度上的加权[2]。这需要对每路基元进行单独控制，即声基阵每路基元的电极需要全部单独引出，控制电路的复杂程度随着声基阵基元的增多而增加，工艺复杂会造成声呐设备的可靠性和稳定性降低。一般来说，幅度加权用于解决波束宽度和旁瓣级的控制，相位或频率的加权用于实现宽度阵的恒定波束宽度[3]。本文采用串并联的方式对线列阵的基元幅度进行加权，不需要额外的控制电路即可实现线列阵的低旁瓣级。

1 线列阵指向性

等间距线列阵的指向性函数为

式中，N为基元个数，DB(θ) 为基元指向性，δ(θ)为相邻基元的相位差，An为基元的加权系数。常规线列阵An都为1，此时旁瓣为-13.2 dB。

通常声基阵使用并联方式连接基元，各基元施加电压相等，即权系数都为 1。压电陶瓷的振幅与施加在电极两端的电压成正比，利用串联分压原理，可以为基元提供1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等电压权系数。

同均匀阵比较，若振速响应函数由阵的对称中心单调下调，则阵的主波束变宽，旁瓣降低；反之主波束变窄，旁瓣升高[3]。即降低线列阵的旁瓣级，需要中间基元权系数大，两端基元权系数单调下降。用契比雪夫束控计算一个旁瓣级为-26 dB的10元线列阵各基元的权系数，如表1所示。

表1 10元阵契比雪夫权系数

利用串联分压原理，可以得到1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等电压权系数，由于使用声基阵基元内部连接得到权系数的局限性，权系数必须成组出现。将表 1中 0.36、0.49、0.71、0.9、1分别趋近设计为权系数①（1/2、1/2、1、1、1）和权系数②（1/3、1/3、2/3、1、1）两组，计算了频率f=80 kHz、单基元尺寸d1=13 mm、间距d=15.5 mm的线列阵加权后与未加权指向性，如图1所示。

图1 10元阵加权后与未加权指向性比较图

从图1中可以看出，线列阵经加权后旁瓣都有所降低，主瓣宽度变宽，权系数①旁瓣级最大为-19.6 dB，主瓣宽度为未加权主瓣的1.15倍，权系数②旁瓣级最大为-21.2 dB，为未加权主瓣的1.27倍。权系数②施加过多导致线列阵指向性最大旁瓣不是第一旁瓣，此时旁瓣较权系数①降低不明显，但主瓣宽度变宽很多。从图1可以得出，权系数①的加权方式较为理想平衡。10元阵可以通过基元交替串并联方式得到的权系数还有几组，但效果都较差。10元阵较为理想的权系数如表2所示。

表2 10元阵加权系数

使用代入法计算了12元阵、15元阵、20元阵的指向性，得到表3～5中所列的较为理想权系数（权系数为对称关系）。计算频率f=80 kHz、单基元尺寸d1=13 mm、间距d=15.5 mm的线列阵指向性，如图2～4所示。

表3 12元阵加权系数

表4 15元阵加权系数

表5 20元阵加权系数

图2 12元加权阵指向性图

图3 15元加权阵指向性图

图4 20元加权阵指向性图

12元阵经加权后旁瓣级最大为-23.0 dB，主瓣宽度为未加权主瓣的1.26倍，主瓣幅度为未加权主瓣的0.66倍；15元阵经加权后旁瓣级最大为-23.0 dB，主瓣宽度为未加权主瓣的1.24倍，主瓣幅度为未加权主瓣的0.64倍；20元阵经加权后旁瓣级最大为-23.4 dB，主瓣宽度为未加权主瓣的1.21倍，主瓣幅度为未加权主瓣的0.74倍。

以上结果表明，线列阵基元通过串并联所得的加权系数可以降低旁瓣，但降低旁瓣的同时会降低主瓣幅度和增宽主瓣宽度。

2 低旁瓣线列阵样阵

采用高频纵向振子作为基元，制作了一个 15元线列阵，使用纵向振子作为样机的基元是为了利用其较宽的带宽和良好的发射接收性能，且易于成阵。声基阵结构示意图如图5所示。图中，1-基元；2-基座；3-壳体；4-去耦材料；5-去耦材料；6-水密包覆层；7-水密电缆。纵向振子安装在绝缘非金属结构件上，非金属结构安装在带测量接口的铝合金壳体中。纵向振子间及与非金属结构件之间都使用去耦隔振材料减少振子的相互耦合，辐射面使用聚氨酯灌注封装实现水密透声，电缆从铝合金壳体上引出。

图5 低旁瓣线列阵示意图

纵向振子辐射面尺寸为13 mm×13 mm，间距d=15.5 mm均匀布阵，线列阵内部基元接线采用图6的接线方式，以获取表4中的加权系数。

图6 低旁瓣线列阵接线示意图

图7 低旁瓣线列阵试验样机

样阵在消声水池进行了发射响应、接收灵敏度及指向性的测试，线列阵的远场条件为 3.6 m，实际测试距离为7 m，测试水深为3 m。在60、80和100 kHz的发送电压响应级和接收灵敏度级分别为145.8、152.5、150.0 dB 和-182.7、-177.3、-184.5 dB。实测发射指向性和接收指向性如图8所示。

图8 换能器实测指向性图

线列阵在80 kHz时理论计算指向性-3 dB波束宽度为5.0°，最大旁瓣为-23.0 dB，实测发射指向性与接收指向性波束宽度都为5.0°，发射左旁瓣为-21.41 dB，右旁瓣为-19.03 dB。接收指向性左旁瓣为-23.28 dB，右旁瓣为-21.49 dB；实测指向性与理论预估指向性有着良好的拟合。线列阵实测最大旁瓣见表 6。从样机的测试结果可以看出，通过改变线列阵基元间的串并联关系，对基元加权的方式起到了控制指向性旁瓣、优化波束的效果。

表6 线列阵实测指向性最大旁瓣级

3 结论

本文介绍了一种降低线列阵旁瓣的方法，制作了一个低旁瓣线列阵样机，可以得到以下结论：

（1）线列阵利用串联分压的原理，选取串联或并联的方式进行引接线可以为基元提供1/2、1/3、2/3、1/4、3/4等电压权系数；

（2）使用本文提供的加权系数，可有效降低旁瓣级8～10 dB；

（3）本文所描述的采用改变基元间串并联关系加权控制和波束优化的设计方法已在高频单波束侧扫声基阵中应用，工程上是切实可行的。