多波束测深仪换能器基阵指向性优化设计

赵慧胡建辉王艳李科

（1.上海船舶电子设备研究所，上海，201108；2.水声对抗技术重点实验室，上海，201108）

近年来，随着对海洋资源和环境的开发研究活动的不断加强，人们对海底地形地貌的求知要求日益提高。多波束测深系统在与航迹垂直的平面内一次能够给出几十个甚至上百个深度，获得一定宽度的全覆盖水深条带，所以它能够精确快速地测出沿航迹线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化[1-2]。

早期的多波束换能器基阵采用两条相互垂直的直线阵构成T形阵，它存在一个明显的缺点：在与航迹垂直平面内回波信号不均匀，0°方向散射信号强，并且干扰也较大，往180°方向回波信号逐渐变弱。将多波束发射基阵设计成椭圆形，波束覆盖角度可达160°，边缘波束比中心波束高10 dB左右，可有效地降低“隧道效应”和声线的“折射效应”[3-4]的影响，提高作业效率和测量精度[5]。

接收基阵通常要求基元的横向波束开角较宽，−3 dB开角要达到100°以上。基元间的隔声材料及其占比对基元的横向波束开角有重要影响。通过各参数的综合设计可调节基元的横向波束开角，使得波束开角能满足波束扫描范围的需求。

1 弧形发射阵指向性优化设计

一般情况，多波束测深仪要求发射换能器为宽波束发射，以便可以探测扫描更宽的范围。将发射换能器设计成弧形可满足这一要求。等直径的均匀圆弧是常见的弧形发射阵。

弧形发射阵的指向性通常在主波束内存在连续的起伏，震荡幅度由中心向两侧逐渐增大，在波束边缘处有最大值。本文计算f＝200 kHz，圆心角为180°的水平指向性图。由图1可以看出，圆心角为180°时，实际主波束的−6 dB开角约为165°，比圆心角小8%左右。

图1 180°均匀圆弧指向曲线

通过仿真计算，优化陶瓷尺寸、切缝、填充材料、以及调节基元的振幅和边界条件等手段，可以实现弧形阵指向性的优化，降低弧形指向性波束起伏。本文通过仿真优化，调节弧形阵基元间距，使波束中心往边缘处基元间距逐渐增加，这样得到弧形阵边缘处的基元间距最大，从而降低弧形阵指向性波束边缘的尖峰，可以将弧形指向性的波束起伏控制在−3 dB以内。

图2 优化后180°圆弧指向曲线

为了降低多波束测深系统 0°方向散射信号，将弧形发射阵的阵型优化设计成椭圆形，基元沿着椭圆弧线布阵，方向性图由工作频率、椭圆长轴与短轴尺寸比等因素决定。本文计算了f＝200 kHz，长轴b与短轴a之比为2、2.5、3的方向性图，如图3。随着b/a的值由2增加到3，中心波束由−10 dB降至−15 dB。此外，边缘波束的起伏比中心波束的起伏大，并随b/a的值增大，边缘波束的起伏逐渐降低。

图3 椭圆形布阵方向性图曲线

椭圆形多波束发射换能器制作设计的难点在于制作工艺。本文制作了椭圆形的长轴与短轴之比b/a=2的发射换能器单基元（图4），测试了该单元的水平方向性图，测试频率f=200 kHz，图5为实测得到的指向性图，与图3的仿真结果对比可知，实测结果与仿真结果吻合较好，说明仿真计算的结果真实可信，计算方法有效。

图4 椭圆形发射单基元

图5 实测椭圆形发射指向性图

2 宽波束接收阵指向性优化设计

多波束测深仪接收换能器一般为多基元直线阵，每个接收基元独立输出，基元布阵间距通常为半波长。理想情况下各个基元之间的横向波束开角是一样的，因此对于仿真建模分析横向波束开角只需考虑其中的一个基元的开角即可，两边基元作为分析基元的边界应予以考虑，分析模型如图6。

图6 基元横向边界特性分析简化模型

影响接收阵基元波束开角的因素有：障板的反射系数、相对灵敏度、布阵间距、反射面占比等，可以通过仿真的手段调节各因素，分析其对横向指向性影响的规律，以优化基元横向波束的开角。按照图6模型仿真计算了200 kHz、基元半波长布阵情况下，在优化前和优化后单基元的横向波束开角分别为85°和128°，仿真结果见图7。

图7 200 kHz基元边界优化前后方向性曲线

本文实际制作了200 kHz半波长布阵多波束接收小样换能器，并测试小样换能器在优化前和优化后单基元的横向波束开角。在不优化的情况下，接收阵单基元的波束开角一般低于100°。实际测量的典型指向性图见图8。

图8 单基元不优化典型指向性图，2θ-3dB=83°

保持布阵间距不变，通过调节背衬的高度等参数，可增加单基元的横向指向性波束开角。具体优化后的结构模型如图9。优化后−3dB波束开角达到130°，见图10。

图9 优化后基元横向边界特性分析简化模型

图10 边界优化单基元指向性图，2θ-3dB=130°

实际测试结果与仿真计算的结果一致性吻合较好。6基元的宽波束小样接收换能器阵各基元的横向波束指向性结果见表 1。实际制作的宽波束接收换能器小样测试结果显示，6个基元的波束开角均在100°以上，1#和6#与其他基元之间存在一点差异，是因为这两个基元处在基阵的边缘，它的边界条件与中间基元有差异，但是总的测量结果基本符合预期，优化效果明显。

表1 基元横向波束开角

1#基元的测试结果为115°，6#基元的测试结果为 145°，两者在边界条件上是对称的，但却相差30°。主要是由于加工、制作及测试工装等个方面影响，使得1#基元在波束范围内起伏稍大于6#基元，若考察−4 dB的波束开角，1#基元的开角为145°，6#基元的开角为149°，两者相差不大。

3 结论

介绍了多波束测深仪换能器基阵指向性优化设计方法，给出了弧形发射阵指向性优化措施和宽波束接收阵指向性优化措施，优化措施具有较好的实用性。除了可应用于多波束测深仪以外，还可应用于蛙人、水雷等小目标探测等领域，具有非常广阔的应用前景。