典型陣列聲納束控演示軟件開發研究＊

曲曉慧 曲魯輝 王傳芳

（海軍航空工程學院電子信息工程系1） 煙臺 264001）（煙臺海頤軟件股份有限公司2） 煙臺 264001）

1 引言

聲納波束形成（束控）的目的是使陣元構成的基陣經適當處理得到在預定方向的指向性。對于一個發射系統，具有指向性意味著發射能量集中在某一方向，這樣可以用較小的發射功率探測更遠距離的目標。接收系統具有指向性，則可使系統定向接收，從而抑制其它方向的信號和干擾。此外，利用接收系統的指向性可以準確測定目標方位。如果接收系統形成多個波束，則可分辨多個目標。隨著近代信號處理技術的發展，波束形成技術已經成為聲納信號處理的一個重要的組成部分。波束形成器可以看作是一個空間域的濾波器，它通過對基陣單個陣元輸出信號進行一系列的加權、延時和求和運算，使期望方向的信號輸出最大，而壓制其他方向的干擾信號。

本文在簡要介紹均勻間隔直線陣和矩形陣指向性函數的基礎上，分析影響波束形成的因素，設計波束形成的演示界面，并對界面中各部分進行說明，最后給出典型的仿真結果。

2 影響直線陣和平面陣波束圖的因素分析

2.1 直線陣的波束形成

一個N元等間距線陣，間距為d，各陣元接收靈敏度相同，平面波入射方向為θ，如圖1所示。

圖1 均勻間隔線陣幾何形狀

圖1中，0，1，…，N－1表示各個陣元的序列號。τ＝dsinθ／c表示平面波到達不同陣元的時間差，φ表示相鄰陣元接收信號間的相位差，有

分析可知，這個陣列的歸一化自然指向性函數為

當在相鄰陣元之間插入相移β或時延τ（τ＝β／（2πf））時，歸一化陣輸出幅度變為

可以分析出主極大方向從sinθ＝0變到sinθ0＝βλ／2πd。將在陣元之間插入相移使波束主極大方向控制于不同方位的方法稱為相移波束形成，而插入時延使波束控制于不同方位的方法稱為時延波束形成。在窄帶應用（一般在主動聲納中）時，常用相移波束形成；在寬帶應用（被動聲納中）時，則用時延波束形成。這是因為相移是頻率的函數，而時延則可做到與頻率無關。

2.2 矩形陣的波束形成

圖2 矩形陣三維坐標圖

陣元分布在均勻的矩形網格點上的陣列稱為均勻矩形陣列，如圖2所示。

dx是x軸方向的陣元間距，dy是y軸方向的陣元間距，一個M×N的歸一化自然指向性函數為

v分別在x軸、y軸相鄰陣元之間插入相移β1和β2，得到

2.3 影響波束圖的因素分析

從前面的分析中可以看出，影響聲納陣列指向性的因素有：陣元的數目，陣元的間距與波長的比值，加入的相移，從公式中可以看出這些因素的影響，但不夠直觀，所以我們制作演示軟件，便于對不同參數時的波束有更直觀的認識。

3 典型陣列聲納波束形成演示軟件

3.1 仿真演示界面設計

仿真軟件的編寫依據前面討論的直線陣和平面陣的指向性函數的表達式，目的是顯示陣元的各種參數對波束圖的影響以及各陣元參數之間的相互關系，同時方便教學演示，基于此目的，我們設計了如圖3所示的仿真演示界面。

界面中，“陣元參數1”和“陣元參數2”部分是設置聲納陣列的各種參數，有陣元數、陣元間距、相移和工作波長，其中陣元間距和工作波長的單位為米，相移的單位為度。“波束圖1”和“波束圖2”部分是選擇想要生成的波束圖，有極大值、旁瓣和零點分布圖、線性坐標圖、φ＝0切面的對數坐標圖和（θ，φ）空間圖。界面右側上下兩個坐標系，分別對應于“陣元參數1”、“波束圖1”和“陣元參數2”、“波束圖2”兩組繪圖選項，并將生成的圖形繪于其中，用于分析比較波束圖的差異。界面最下方“參數復位”鍵是將所有可修改的選項都恢復成默認值。演示界面的左下角“空間變角和插入相移”部分是計算為了得到不同方位的波束需要插入多大的相移。當需要波束在平面陣的正前方時，即θ＝0，φ＝0，點擊“計算相移”按鈕，即可得到相應的β1和β2的值。

3.2 仿真演示實例

仿真演示例子1：

圖4 兩陣元參數不同時極坐標下的波束圖

演示例子2：

圖5 加入不同相移時極大值、旁瓣和零點分布圖

限于篇幅，這里對各種情況不一一舉例，值得一提的是，在演示界面中既可以顯示相同陣元參數時不同顯示形式的波束圖，也可以顯示不同陣元參數時相同顯示方式下的波束圖，但限于界面的大小，在一次顯示時只能顯示兩幅圖的對比。

4 結語

一直以來“聲納技術”中有關波束形成部分都比較抽象難懂，教材僅給出了波束形成技術的一般原理性介紹，無法從直觀上認識到波束形成的過程和最終的波束圖，本文給出了比較有代表性的均勻間隔直線陣和均勻間隔平面陣的波束形成的仿真軟件，并設計了直觀合理的界面，在教學中可以逐個改變陣元參數生成波束圖，比較參數改變對波束圖的影響，能夠比較感性地認識每個陣元參數對最終波束圖的影響，相關工作對更好地理解這一節能起到一定幫助。

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