均勻線(xiàn)列陣遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)低頻指向性仿真研究

劉 健，楊 博，張 帥，萬(wàn) 俊，伍宏亮

（91388 部隊(duì)水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524022）

0 引言

空間指向性是水聽(tīng)器測(cè)量陣列所具有的基本功能，在水下目標(biāo)探測(cè)和輻射噪聲測(cè)量作業(yè)中都需利用測(cè)量陣列的指向性[1-3]，在目標(biāo)探測(cè)中通過(guò)對(duì)陣元域數(shù)據(jù)進(jìn)行非線(xiàn)性變換或加權(quán)，使得陣列指向性具有高分辨特征[4，5]；在輻射噪聲測(cè)量中為保證各頻段測(cè)量結(jié)果不失真，多采用常規(guī)指向性，通過(guò)選取不同間隔陣元或線(xiàn)性加權(quán)方式，使得陣列指向性具有頻域恒定束寬特征[6，7]。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，艦船輻射噪聲源在空間上呈明顯的分布特征，為提高陣增益，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可以同時(shí)利用所有接收陣元，理論上只要通過(guò)高頻精聚焦找到分布噪聲源的等效聲源方位，就能夠保證全頻段測(cè)量誤差在3 dB 內(nèi)。江磊等[8]利用虛擬陣元技術(shù)開(kāi)展均勻線(xiàn)列陣恒定波束形成技術(shù)研究，可提高均勻線(xiàn)列陣的方位估計(jì)性能；王志偉等[9]研究了利用均勻線(xiàn)列陣水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的線(xiàn)譜噪聲源方法，并通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了方法的有效性。本文基于均勻聲壓水聽(tīng)器線(xiàn)列陣，從輻射噪聲測(cè)量的角度對(duì)其近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)低頻接收指向性進(jìn)行仿真，主要研究在各向同性環(huán)境噪聲場(chǎng)中指向性指數(shù)（即陣增益）和功率估計(jì)隨工作參數(shù)的變化規(guī)律。

1 物理模型

線(xiàn)陣接收信號(hào)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)模型如圖1 所示，實(shí)心黑點(diǎn)即為聲壓水聽(tīng)器接受陣元。遠(yuǎn)場(chǎng)中信號(hào)為單向傳播的平面波；近場(chǎng)中信號(hào)為各向傳播的球面波，其到各陣元的傳播距離不相等。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)聲場(chǎng)模型

常規(guī)的遠(yuǎn)場(chǎng)歸一化指向性函數(shù)為[8]：

式中，c為聲速，θ0為期望方向，d陣元間隔，f為工作頻率，N為陣元數(shù)。

近場(chǎng)指向性函數(shù)無(wú)解析式，需要將各陣元接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)延和幅度補(bǔ)償、相加平均并求均方根值后歸一化得到。

線(xiàn)陣在水平面內(nèi)抑制各向同性、均勻環(huán)境噪聲的能力用指向性指數(shù)DI（dB）來(lái)表示[10]：

2 數(shù)值仿真

仿真基本參數(shù)設(shè)置為：c=1500 m/s，d=3 m，N=120，單頻信號(hào)功率110 dB，采樣率fs= 10000 Hz，近場(chǎng)目標(biāo)距離300 m，即噪聲源到均勻線(xiàn)列陣的直線(xiàn)距離。均勻水聽(tīng)器線(xiàn)列陣其接受信號(hào)為左右舷對(duì)稱(chēng)，且噪聲源在仿真模型的中垂線(xiàn)上，因此波束引導(dǎo)方位在0°～90°內(nèi)等間距選取。

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)指向性指數(shù)與功率估計(jì)

選取1/3 倍頻程低頻段部分頻點(diǎn)，圖2 為遠(yuǎn)場(chǎng)指向性指數(shù)與入射角變化關(guān)系，由圖可知，對(duì)同一頻點(diǎn)，指向性指數(shù)隨入射角的增大而增大，在入射角為90°時(shí)達(dá)到最大；對(duì)不大于以定間距為半波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)（本文為250 Hz），遠(yuǎn)場(chǎng)指向性隨著頻率的增大而增大。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)指向性指數(shù)與入射角變化關(guān)系

表1 給出了各頻點(diǎn)處不同波束引導(dǎo)方位的遠(yuǎn)場(chǎng)指向性指數(shù)和功率估計(jì)結(jié)果。由表可知，對(duì)所有研究頻點(diǎn)不同波束引導(dǎo)方位，單頻信號(hào)功率估計(jì)值均與仿真設(shè)置值吻合；對(duì)同一頻點(diǎn)，隨著引導(dǎo)方位的增大，指向性指數(shù)增大，而越接近正橫方位，增大趨勢(shì)越不明顯；對(duì)同一引導(dǎo)方位，隨著工作頻率的增大，指向性指數(shù)增大。從表中還可看出，當(dāng)頻率增大一倍時(shí)，相應(yīng)的指向性指數(shù)增大約3 dB。

表1 遠(yuǎn)場(chǎng)指向性指數(shù)和功率估計(jì)

2.2 近場(chǎng)指向性指數(shù)與功率估計(jì)

表2 給出了各頻點(diǎn)處不同波束引導(dǎo)方位的近場(chǎng)指向性指數(shù)和功率估計(jì)結(jié)果。由表可知，對(duì)所有研究頻點(diǎn)不同波束引導(dǎo)方位，當(dāng)聚焦距離等于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)，功率估計(jì)值均與仿真設(shè)置值吻合，指向性指數(shù)變化趨勢(shì)與遠(yuǎn)場(chǎng)情形類(lèi)似，而數(shù)值整體偏小。當(dāng)聚焦距離小于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)，功率估計(jì)值均小于仿真設(shè)置值，除20 Hz 外，隨引導(dǎo)方位的增大，功率估計(jì)值減小，指向性指數(shù)先增大后減小。當(dāng)聚焦距離大于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)，除個(gè)別頻點(diǎn)個(gè)別方位的功率估計(jì)值與仿真設(shè)置值接近，其余情形都與仿真設(shè)置值不相等，隨引導(dǎo)方位的增大，功率估計(jì)值減小，指向性指數(shù)無(wú)明顯變化規(guī)律。從表中還可看出，當(dāng)聚焦距離不等于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)，在接近正橫方位的指向性指數(shù)要明顯小于聚焦距離等于實(shí)際距離時(shí)相應(yīng)的值；再者聚焦距離大于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)的功率估計(jì)和指向性指數(shù)，均要大于聚焦距離小于實(shí)際距離時(shí)相應(yīng)的值。

表2 近場(chǎng)指向性指數(shù)和功率估計(jì)

3 結(jié)論

本文從輻射噪聲測(cè)量的角度對(duì)均勻線(xiàn)列陣遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)指向性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)功率估計(jì)值均與仿真設(shè)置值吻合，隨引導(dǎo)方位的增大，指向性指數(shù)增大。近場(chǎng)當(dāng)聚焦距離等于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)，功率估計(jì)值均與仿真設(shè)置值吻合，指向性指數(shù)變化規(guī)律與遠(yuǎn)場(chǎng)相似，整體上數(shù)值要小于遠(yuǎn)場(chǎng)情形；當(dāng)聚焦距離不等于目標(biāo)實(shí)際距離時(shí)，指向性曲線(xiàn)變化不規(guī)則，功率估計(jì)值與仿真設(shè)置值有較大差異，指向性指數(shù)變化規(guī)律較為雜亂，在正橫方位要顯著小于距離相等時(shí)相應(yīng)的值。本文研究結(jié)果對(duì)大孔徑線(xiàn)列陣在水下目標(biāo)低頻輻射噪聲測(cè)量中的應(yīng)用有一定的借鑒作用。