圖像聲納換能器指向性優化研究

趙 慧，馬晶鑫，王 艷，卞加聰，李海森

(1.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，哈爾濱 150001；2.上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

近年來，隨著對海洋資源和環境的開發研究活動的不斷加強，人們對海底目標探測和識別的要求日益提高。因海洋防衛、水下作戰等軍事任務的迫切需要，使得利用水聲技術發展的圖像聲納技術越來越受到重視，尤其是在混濁的水域，更加需要借助圖像聲納進行高分辨率圖像成像[1-3]。

圖像聲納又稱水下照相機，聲納換能器是照相機的鏡頭，是圖像聲納系統的重要組成分機，包含發射陣和接收陣：發射陣通常為弧形發射陣，發射波束角度較大，以實現寬波束照射；接收陣為線陣或者面陣，波束角度較小，以實現目標的定位與識別。近年來，隨著圖像聲納在水下潛器上的應用需求持續增長，圖像聲納換能器陣朝著質量輕、體積小、分辨率高的方向發展。

換能器陣的指向性對聲納的技術參數有重要影響，它決定了圖像聲納系統的觀察范圍和分辨率等指標。聲學材料、布陣結構和制作工藝是設計換能器陣時重點考慮的3個方面，每一個方面都影響著換能器陣的指向性[4-7]。圖像聲納的發射陣為弧形陣，弧形陣的設計需要重點考慮工作頻率、曲率半徑、發射基元對應的圓心角、水平波束范圍內的指向性起伏等重要參數。通常為了能增加圖像聲納的圖像質量，要求指向性起伏控制在3 dB以內。本文提出一種利用橢圓長軸布陣的方式，為低指向性起伏弧形陣的設計制作提供新思路和新探索，結果證實這種方式對于控制弧形陣的指向性起伏非常有益。對圖像聲納的接收陣而言，基元間的振幅一致性、間距、聲障板、邊界條件等對基元的指向性均有重要影響[8-13]。一般單基元-3 dB指向性角度要達到 100°以上是比較困難的，本文利用聲障板的方式拓展單基元的指向性角度，通過各參數的綜合設計可有效實現基元波束角度大于120°，使得波束開角能滿足寬波束掃描范圍的需求[14-15]。

1 發射換能器陣指向性

一般情況，圖像聲納要求發射換能器陣寬波束發射，以便可以探測掃描更寬的范圍，因此圖像聲納的發射換能器通常為圓弧陣，各基元曲率半徑相等的均勻圓弧陣是最常見的。

1.1 均勻圓弧陣指向性特性

相比于線陣，均勻圓弧發射換能器陣的水平指向性函數要復雜得多，式(1)是其指向性函數。

D(θ)=

j∑mk=-msin2πrλcos(θ+kα)[]sinπdλ+sin(θ+kα)πdλsin(θ+kα)üty????

(1)

式中:2m+1為發射基元的個數;r為弧形陣的半徑;λ為水中波長;α為相鄰兩個基元之間的夾角;d為相鄰兩個基元之間的間距。本文仿真模擬了一個典型弧形發射換能器的指向性曲線，其參數為：頻率400 kHz，直徑200 mm，發射基元間距1.3 mm，基元個數為185個，發射基元對應的圓心角約為137°。圖1為其指向性曲線圖。

圖1 均勻圓弧陣的水平指向性仿真曲線Fig.1 Horizontal directivity simulation curve of uniform arc array

分析均勻圓弧陣的指向性特性，有以下幾個方面的特點[16]：

(1)均勻圓弧陣的波束較寬，且近似于恒定束寬，與頻率無關，但在主波束范圍內存在較大的起伏。

(2)聲壓最大值是波束邊緣處的最后一個峰值，它前面的極小值是聲壓最小值。

(3)在圓弧陣的指向性圖案中，主波束內的峰值數目為

M=2Fix(h/λ)+2

(2)

式中:h為圓弧的拱高；“Fix”為取整數。

(4)隨著h/λ的值增加，指向性圖中的中間波束起伏逐漸減少，但邊緣波束仍存在較大起伏。

(6)在指向性圖案中，若定義聲壓降低至最大聲壓的0.5倍時對應的角度為主波束寬度，則主波束寬度與發射基元對應的圓心角相等。

圖像聲納一般工作頻率較高，波束寬度要求較大，即h/λ的值較大，中間波束的起伏較小，邊緣波束的起伏較大，邊緣波束的起伏主要是由于發射基元在邊緣處的截斷效應造成。

1.2 圓弧陣指向性優化

主波束內指向性函數起伏度較大是均勻圓弧陣的主要缺點，這個缺點對圖像聲納的成像質量有重要影響。采用幅度束控和不等距陣是克服這一缺點的兩種方法，但是在圖像聲納工程應用中，由于工作頻率高，發射陣的發射基元尺寸非常小，工藝上很難將每一個基元都獨立引出信號線，因此幅度束控的方式在工程上較難實現。

采用不等距陣，使得發射基元之間的距離各不相同，基元之間的間距在中心處最小，往波束邊緣處基元之間間距最大，減少邊緣截斷效應的影響，降低邊緣波束的起伏。不等間距的弧形陣的指向性計算可以通過任意離散陣的指向性公式來計算[17]，見式(3)。

(3)

圖2 優化的不等間距陣和均勻圓弧陣的水平指向性仿真曲線Fig.2 Optimized horizontal directivity simulation curve of unequal spacing array and uniform arc array

為了在工程上實現不等距陣，本文提出采用橢圓長軸布陣的方式，當橢圓陣的參數在長軸與短軸之比為5∶4時，該橢圓陣的布陣間距可得到指向性起伏較低的弧形陣，并且指向性的角度基本保持不變。將發射基元的基底加工成橢圓形，基元在切割時進行等間距切割，然后再均勻地粘接到橢圓形基底上，橢圓的長軸長度為200 mm，短軸長度為160 mm。保證每個基元與基底面垂直。這樣便于工程實現，并且制作工藝也較為方便，圖3為橢圓陣結構示意圖。

圖3 橢圓陣結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of elliptic array structure

為了驗證仿真設計的準確性，根據仿真計算的結果，制作了橢圓形換能器陣的實物，并測試了水平指向性。圖4為弧形換能器陣實物，圖5為橢圓形換能器陣的水平指向性曲線，曲線顯示主波束范圍內指向性起伏為2.9 dB。

圖4 橢圓形換能器陣實物Fig.4 Oval transducer array in kind

圖5 橢圓換能器陣400 kHz水平指向性的實測曲線Fig.5 Measured curve of 400 kHz horizontal directivity of elliptical transducer array

實際制作的橢圓形換能器陣中的每一個發射基元的頻率一致性、振幅一致性以及安裝位置等均與理論仿真的結果存在一定偏差，另外由于基元與基元之間澆注了高分子聚合物材料，高分子聚合物材料的均勻性會影響基元的諧振頻率，從而對指向性產生影響，因此實際測試結果與理論計算存在少量偏差是可以接受的。

2 接收換能器陣指向性

圖像聲納的接收換能器陣一般為線陣或者面陣，為了實現對精細目標的成像，接收陣的指向性角度通常較小，基元通道數較多，每一個接收基元獨立輸出。接收陣通過波束掃描技術確定目標的方位，波束掃描時，單基元的指向性角度決定了掃描的范圍。因此為了獲得寬的掃描范圍，要求每個單基元的指向性角度足夠大。

2.1 單基元水平指向性

為了避免柵瓣，降低混響，接收基元的布陣中心距為半波長。假如圖像聲納的工作頻率為400 kHz，半波長為1.875 mm，考慮基元之間獨立輸出，則基元的尺寸非常小，此時尺寸減少一半，其指向性角度并不會增加一倍，連續線陣的水平指向性公式已經失效，而對水平指向性有重要影響的是基元邊界的障板。

理想情況下各個基元之間的水平指向性角度是一樣的，建立基元的水平指向性分析模型，如圖6所示。

圖6 基元水平指向性分析模型Fig.6 Analysis model of primitive horizontal directivity

基元輻射面至障板的距離為d，P點的脈動聲壓為Pr，則有

(4)

式中:A為常數;r為遠場P點至基元聲中心的距離;ω為角頻率;t為時間;k為波數。

障板是聲軟邊界，發射聲壓相位改變180°，設反射系數為η，所以合成聲壓為

(5)

j(1+η)sin(kdsinθ)]=|P|eiφ

(6)

其中

(7)

(8)

從式(7)～式(8)中可以看出，考慮基元受障板影響情況下，基元的指向性受工作頻率、輻射面至障板的距離、障板的反射系數、基元的寬度等因素的影響。

假定基元之間的布陣間距足夠寬，在單基元的水平指向性角度不受旁邊基元影響的情況下，其他因素不變，距離d不同時基元的水平指向性角度,如表1所示。

表1 不同距離d的基元水平指向性角度Tab.1 The horizontal directivity angles of primitives at different distances d

其他因素不變，反射系數η不同時，基元的水平指向性角度情況,如表2所示。

表2 不同反射系數η的基元水平指向性角度Tab.2 Basic element horizontal directivity angles with different reflection coefficients η

通過計算，可以得出以下結論：

(1)輻射面到障板的距離增加，接收基元-3 dB指向性角度增加，但隨著距離繼續增加，指向性中間出現凹谷，距離越大，凹谷越深。

(2)在一定范圍內，障板的反射系數對接收基元的指向性影響較小。

實際工程應用中，接收換能器陣的基元布陣間距是一定的，不同的布陣間距對接收基元的水平指向性也會有影響。這是因為當基元輻射面距離障板不同距離時，從虛源輻射出的聲波經過相鄰基元時，會受到相鄰基元自身的遮擋反射，形成一個更加復雜的聲場。

從圖7可以看出:基元的在水平方向上的輻射面越窄，對應受遮擋的角度就越大，但是受制作工藝、晶片電容、焊接等因素影響，基元的寬度不可能無限小。表3給出了工作頻率為400 kHz，基元寬度為0.25倍波長，布陣間距半波長和一倍波長時基元受相鄰基元遮擋時對應的角度。

圖7 基元受相鄰基元遮擋對應的角度Fig.7 The corresponding angle of a primitive occluded by neighboring primitives

表3 不同布陣間距受相鄰基元遮擋時對應的角度Tab.3 Corresponding angle when different array spacing is blocked by adjacent primitives (°)

從表3可以看出:接收換能器陣基元布陣間距增加，接收基元的水平指向性角度受遮擋的影響減少。

2.2 單基元水平指向性優化驗證

根據2.1節計算和分析的結果，本文實際制作了兩款圖像聲納接收換能器陣小樣，為了能對比分析，接收換能器的工作頻率為400 kHz，通道數均為6，接收基元的寬度為0.15倍波長，布陣間距均為半波長。一款基元輻射面與障板面是齊平的，另一款基元的輻射面至障板的距離為0.25倍波長。

圖8 優化后基元橫向邊界特性分析模型Fig.8 Analytical model of primitive lateral boundary characteristics after optimization

本文的兩款接收小樣換能器的制作工藝是相同的，制作完成后，在同樣的狀態測試兩款小樣換能器的單基元的水平指向性角度。在基元輻射面與障板面齊平的情況下，接收陣的單基元波束角度普遍低于100°。優化后單基元的-3 dB指向性角度最大達到130°，實際測試結果如表4所示。

表4 實測兩種小樣換能器水平指向性角度Tab.4 Measured horizontal directivity angle of two sample transducers (°)

從圖9實際測試的結果可知，優化基元的邊界特性后，基元的水平指向性角度增加效果明顯，6個基元的波束開角均在 120°以上。

圖9 3#基元水平指向性實測曲線對比圖Fig.9 3# comparison of primitive horizontal directivity measured curves

3 結 論

本文分析了壓電元件的邊界特性對圖像聲納換能器的指向性影響，介紹了圖像聲納換能器的指向性優化方法，包括弧形發射換能器陣的指向性和接收陣的單基元水平指向性。通過調節弧形陣基元的布陣間距可降低弧形陣指向性邊緣的尖峰，減少弧形陣波束起伏，弧形陣的水平指向性起伏可控制在3 dB以內。通過優化接收陣基元的邊界特性可增加基元的水平指向性角度，優化后實測小樣接收陣各單基元的水平指向性角度均大于 120°。本文介紹的方法改善了圖像聲納換能器的指向性特性，還可應用于蛙人、水雷等小目標探測聲納等領域，具有非常廣闊的應用前景。