CN103713283A - 参量接收阵组成基阵的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种参量接收阵组成基阵的实现方法，包括步骤：对一个高频泵波发射换能器、一个高频泵波发射机、多个差频接收水听器进行布置，其中，高频泵波发射换能器连接高频泵波发射机，差频接收水听器接收高频泵波发射机发射的信号，各个差频接收水听器水平布阵。本发明还提供相应的实现系统。本发明是一种提高参量接收阵输出信噪比的组合创新技术，有助于提高参量接收阵的工程应用价值。

Description

参量接收阵组成基阵的实现方法

技术领域

本发明属于水声工程中声纳技术领域，具体涉及一种参量接收阵组成基阵的实现方法。

背景技术

参量接收阵利用声学非线性效应形成的虚拟端射阵实现低频指向性接收[Berktay,H,O，Parametric Amplification by the Use of Acoustic Non-Linearities and SomePossible Applications,J.Sound Vib.2:462-470(1965)]。其实现只需要一个高频发射换能器和一个水听器，在垂直于声传播方向上的尺寸要求很低，可以应用于受一定空间限制而又需要高指向性接收的环境。

参量接收阵的基本原理是：用一个高频换能器发射一个频率f₀的高频强声波（称为泵波），使它与被接收的频率为f_s（波长λ_s）的低频信号产生相互作用，由于泵波幅度很强，考虑声传播的非线性效应时，泵波与被测信号在相互作用区内会产生具有累加效应的差频波及和频波，在泵波换能器的声轴上放置一个接收换能器，该换能器除了接收到频率为f₀的泵波外，还会接收到两个边带调制成份的波。

参量接收阵是在强的泵波背景上检测频率为f₀±f_s的和差弱信号参量声波，由于差频及和频波具有累加效应，可以形成类似于端射阵的指向性，因此，经过解调输出后，通过参量接收阵可以获得较高的低频指向性增益。参量接收阵只需要两个换能器，并且其径向（沿声传播方向）尺度很小，在一些有安装空间限制的情况下可以实现常规线阵难以实现的低频高指向性接收。

参量接收阵的空间指向性和接收阵增益由其阵长和低频波长决定，满足下面两个公式：

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sin [k_{s}L(1-\cos \mathrm{\θ})/2]}{k_{s}L(1-\cos \mathrm{\θ})/2}---\left(2\right)$

G=20log₁₀14.6L/λ_s   （3）

P(θ)是差频声压随低频波入射角度的变化关系，其中ω₁、ω₂分别为泵波和低频信号的角频率，β为介质的非线性系数（海水约为3.5），ρ₀为介质密度，c₀为介质中的声速，α_±为差频波的声吸收系数，k_±、k_s分别为差频波和低频波的波数，P₁为泵波声压，P₂为低频信号声压，j=sqrt(-1)，L为参量接收阵阵长（泵波换能器与接收水听器之间的距离），θ为低频信号传播方向与泵波换能器-接收水听器连线之间的夹角，λ_s为低频信号波长。

D(θ)是差频信号的指向性公式，G是参量接收阵输出信号获得的信噪比增益。

多个参量接收阵还可以联合构成基阵，以形成更高的指向性和更大的接收空间增益[Berktay,H.O.and Muir,T.G.,Arrays of Parametric Receiving Arrays,J.Acoust.Soc.Am,53:1377-1383,1973]

根据复合基阵的Bridge乘积定理，图2所示的参量接收阵组成的基阵的指向性应由公式（1）和由N（例如，图2中N=5）个按半波长间距排列的无指向性点源组成的线阵的指向性公式相乘获得，如式（4）:

$D_A\left(\mathrm{\θ}\right)=D\left(\mathrm{\θ}\right)\·\frac{\sin \left[\frac{1}{2}\left({\mathrm{Nk}}_{s}d\sin \mathrm{\θ}\right)\right]}{N\sin \left[\frac{1}{2}\left(k_{s}d\sin \mathrm{\θ}\right)\right]}---\left(4\right)$

式中，D_A(θ)为N个参量接收阵组成基阵的指向性公式，d为相邻参量接收阵轴线之间的距离，图2中d=λ_s/2；D(θ)即公式（2）。对于半波长间距的情况下，由于噪声不相干，而信号相干，因此，多个参量接收阵组成基阵后，除了式（3）给出的信噪比增益外，还可以如常规基阵一样获得进一步的信号处理增益。对5元阵的情况，增加的阵增益为10xlg5=7dB。

但是，这种参量接收阵组成基阵的方式实现起来有一定的难度，因为：1、要求每个泵波发射换能器发出的泵波完全相干；2、各个泵波之间不应形成明显的交叉干扰。这其中第2条尤其难以实现，因为相邻接收水听器的间距较小，当参量接收阵阵长较长时（一般应用都要求如此，否则不能获得足够的指向性增益），很难保证泵波换能器的信号不会辐射至相邻的接收水听器，严重影响参量接收阵的性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明采用单个泵波换能器、多个接收水听器的方式构成参量接收阵基阵，可以克服常规参量接收阵组成基阵的困难，并获得比单个参量接收阵更大的增益。

根据本发明提供的参量接收阵组成基阵的实现方法，包括步骤：

对一个高频泵波发射换能器、一个高频泵波发射机、多个差频接收水听器进行布置，其中，高频泵波发射换能器连接高频泵波发射机，差频接收水听器接收高频泵波发射机发射的信号，各个差频接收水听器水平布阵。

优选地，高频泵波发射换能器和高频泵波发射机构成水平宽波束、垂直窄波束的高频泵波声源。

优选地，根据差频接收波束，确定参量接收阵阵长。

优选地，相邻差频接收水听器之间的距离为1个波长。

优选地，通过相位延迟使得多个差频接收水听器输出的差频信号实现同相叠加。

根据本发明提供的参量接收阵组成基阵的实现系统，包括：一个高频泵波发射换能器、一个高频泵波发射机、多个差频接收水听器；其中，高频泵波发射换能器连接高频泵波发射机，差频接收水听器接收高频泵波发射机发射的信号，各个差频接收水听器水平布阵。

优选地，高频泵波发射换能器和高频泵波发射机构成水平宽波束、垂直窄波束的高频泵波声源。

优选地，在所述实现系统中，根据差频接收波束，确定参量接收阵阵长。

优选地，相邻差频接收水听器之间的距离为1个波长。

优选地，在所述实现系统中，通过相位延迟使得多个差频接收水听器输出的差频信号实现同相叠加。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

参量接收阵技术是一个尚未获得广泛应用的工程问题，本发明是一种提高参量接收阵输出信噪比的组合创新技术，有助于提高参量接收阵的工程应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是单个参量接收阵实现方式示意图，其中L为泵波换能器到接收水听器的距离，称为参量接收阵的阵长，θ为被测低频信号传播方向与泵波-水听器连线之间的夹角。

图2是以五组泵波换能器-水听器对为例，参考常规基阵方式，按差频半波长间距布阵组成参量接收阵的基阵。

图3是采用单个泵波换能器与5个接收水听器组合，实现一种新的参量接收阵组成基阵的方法。

图4是参量接收阵及不同方法组成基阵的指向性图，其中实线“—”表示单个参量阵、点“…”表示图2所示参量接收阵基阵，星号“***”表示图3所示参量接收阵基阵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1和图2是现有技术的图示，本发明的实现方式为图3所示，但须借助图1和图2加以说明。

本发明中参量接收阵组成基阵的设备包括：一个高频泵波发射换能器、一个高频泵波发射机（含信号发生器）、多个差频接收水听器，每个水听器配备一个信号调理器及信号采集器。与常规的参量接收阵组成基阵必须采用多个泵波发射换能器和同样数量的发射机不同，本发明只需采用一个泵波发射换能器和一个发射机，杜绝了某个发射换能器发出的信号对其相邻接收水听器的干扰（例如图2中泵波声源S1对接收水听器R2的干扰，反之亦然），同时避免了实现多个泵波声源发出的信号完全相干的实施复杂性，并且因为采用多个水听器输出，在恰当选择各个水听器之间的距离的情况下，它们的输出信号中由被测信号与泵波信号经过非线性作用产生的差频信号完全相干，而环境噪声与泵波信号经过非线性作用产生的差频信号相干性很小，因此经过相位延迟处理后各个水听器输出的差频信号同相叠加，可以获得信噪比增益。

1、选择水平宽波束、垂直窄波束高频泵波声源

多个水听器输出差频信号叠加处理，要求各个水听器输出信号幅度不能相差太大，因此要求泵波声源的波束开角要足够宽。对于图3所示布阵方式，各个水听器水平布阵，相邻水听器之间的距离为1个波长，当泵波声源-3dB水平波束开角大于20度时，可以忽略各个水听器接收到的泵波信号幅度的差异。但是声源的波束开角过大会影响泵波声源级，因此必须通过垂直窄波束来弥补水平宽波束造成的发射阵增益。选择-3dB垂直波束宽度为2度，可以获得的阵增益约为29dB，只需1千瓦的声功率即可实现230dB的泵波声源级以得足够的非线性效应，进而实现参量接收阵组成基阵。

2、选择适当的参量接收阵阵长，使得差频接收波束较宽

因为单个参量接收阵的差频输出是具有指向性的，因此图3中各个水听器输出的差频信号不仅相位不同而且幅度也会有差异，经过推导，其指向性公式满足：

公式（5）中，P_new(θ)为N个水听器输出差频信号声压，N为水听器个数，P(θ_m)为第m个水听器输出差频声压，P₁为泵波声压，P₂为低频信号声压，j=sqrt(-1)，L为泵波换能器到接收水听器的距离，ω₁、ω₂分别为泵波和低频信号的角频率，β为介质的非线性系数（海水约为3.5），ρ₀为介质密度，c₀为介质中的声速，α_±为差频波的声吸收系数，k_±、k_s分别为差频波和低频波的波数，θ_m是被测低频信号分别于泵波-接收水听器m之间的夹角，以图3为例，则m为1～5。

按图3所示方式布阵，相邻水听器之间的距离为1个低频信号波长，对于频率为2kHz的信号，传播方向在中间那个参量接收阵（即泵波声源与接收水听器R3构成的参量阵）的-3dB波束宽度的角度范围内，各个接收水听器输出差频信号的幅度起伏最大不超过0.2dB。

我们以泵波频率100kHz，低频频率2kHz，参量接收阵阵长为40个低频波长（30米）分别计算单个参量阵的指向性、5组泵波-水听器对组成的参量接收阵组成基阵、以及一个泵波与5个接收水听器组成参量接收阵基阵的指向性。采用一个泵波与5个水听器成阵时，泵波换能器采用宽波束，因此忽略泵波本身传播到各个接收水听器处的幅度差异。

计算结果如图4所示。

3、选择合适的间距布设多个接收水听器

由图可见，采用图3所示方式组成基阵的指向性跟单个参量接收阵的指向性几乎重合，因此并不如图2所示方式那样具有改善指向性的能力，因此这种成阵方式的目的主要是为了获得更大的信号增益，因为可以利用各接收水听器输出的信号相干而噪声不相干（或弱相干）的特点，通过同相相加而获得信噪比增益。

当接收水听器间距足够远时，泵波与低频环境噪声发生非线性作用产生于各水听上的差频噪声的相干性也下降，而由泵波与被测低频信号发生非线性作用产生于各水听器上的差频信号的相干性并不下降，因此各个水听器输出的差频信号叠加后，可以获得进一步的信号处理增益。不过，考虑到低频环境噪声导致的差频噪声也存在一个累积过程，其在最初靠近泵波附近地方的噪声也是相干的，随着传播距离的增加，泵波-水听器轴线逐渐分离（如图3中的轴线L1、L2、L3、L4、L5所示）。当分离距离大于λ_s/2时，噪声完全不相干。因此，由低频环境噪声导致的差频噪声并非如常规线阵或图2所示参量接收阵基阵的噪声那样完全不相干，而是相干性有所下降。当各个水听器间距越大时，差频噪声相干性越低。为简单说明原理，我们以空间两点间从间距为0时噪声相干性为1线性下降到间距为λ_s/2时噪声相干性为0。假设相邻两水听器的间距为λ_s，由简单的线性叠加原理可知，在两轴线的中点处间距为λ_s/2，噪声相干性下降为0。假设相干性随间距线性变化的，则可等效为轴线上从泵波声源处到轴线长度的1/4处的噪声相干性为1，其余3/4长度上的噪声相干性为0，因此，我们可以简单认为两个水听器输出的噪声相干系数只有ρ=0.25。

4、通过相位延迟使得多个接收水听器输出的差频信号实现同相叠加

通过式（5）可以计算出某一方向传播的低频信号与泵波产生非线性相互作用后在各个水听器上输出的差频信号的相位值，以其中任意一个信号相位为基准，其他各个信号相应地延迟（或提前）至同相位处，然后各个信号叠加，可以获得信噪比增益。

对于非完全相干信号叠加输出相对于完全非相干信号叠加输出的增益G₁有公式：

$G_1=\frac{1+\mathrm{\ρ}}{1-\mathrm{\ρ}}-\frac{2\mathrm{\ρ}(1-{\mathrm{\ρ}}^M)}{M(1-\mathrm{\ρ})}---\left(6\right)$

其中，M为参与叠加的信号个数，ρ为相邻水听器接收到信号的相干系数。对于图3所示5个水听器情况（水听器间距为λ_s），ρ=0.25，则G₁=1.5，也就是增益为1.8dB。而前面指出，完全相干信号相对完全不相干信号的增益可达7dB，二者相差约5dB。也就是说，采用图3所示方式组成的参量接收阵基阵比单个参量接收阵可额外获得约5dB的信噪比增益。如果水听器间距进一步扩大为2λ_s，可得出额外的信噪比增益为6dB。

此处没有考虑水听器间距扩大时，各水听器输出信号幅度下降也会增大，这个因素还需要针对实际参量阵阵长、低频信号频率、高频信号指向性进行修正。对于图3所示阵长40米，低频频率2kHz，5个阵元的情况，水听器间距为λ_s时，高频宽波束情况下，修正因子小于0.5dB，水听器间距为2λ_s时，修正因子小于1dB。也就是说，对于图3所示方式实现的参量接收阵基阵，可以获得5dB左右的额外信噪比增益。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种参量接收阵组成基阵的实现方法，其特征在于，包括步骤：

对一个高频泵波发射换能器、一个高频泵波发射机、多个差频接收水听器进行布置，其中，高频泵波发射换能器连接高频泵波发射机，差频接收水听器接收高频泵波发射机发射的信号，各个差频接收水听器水平布阵。

2.根据权利要求1所述的参量接收阵组成基阵的实现方法，其特征在于，高频泵波发射换能器和高频泵波发射机构成水平宽波束、垂直窄波束的高频泵波声源。

3.根据权利要求1所述的参量接收阵组成基阵的实现方法，其特征在于，根据差频接收波束，确定参量接收阵阵长。

4.根据权利要求1所述的参量接收阵组成基阵的实现方法，其特征在于，相邻差频接收水听器之间的距离为1个低频信号波长。

5.根据权利要求1所述的参量接收阵组成基阵的实现方法，其特征在于，通过相位延迟使得多个差频接收水听器输出的差频信号实现同相叠加。

6.一种参量接收阵组成基阵的实现系统，其特征在于，包括：一个高频泵波发射换能器、一个高频泵波发射机、多个差频接收水听器；其中，高频泵波发射换能器连接高频泵波发射机，差频接收水听器接收高频泵波发射机发射的信号，各个差频接收水听器水平布阵。

7.根据权利要求6所述的参量接收阵组成基阵的实现系统，其特征在于，高频泵波发射换能器和高频泵波发射机构成水平宽波束、垂直窄波束的高频泵波声源。

8.根据权利要求6所述的参量接收阵组成基阵的实现系统，其特征在于，在所述实现系统中，根据差频接收波束，确定参量接收阵阵长。

9.根据权利要求6所述的参量接收阵组成基阵的实现系统，其特征在于，相邻差频接收水听器之间的距离为1个低频信号波长。

10.根据权利要求6所述的参量接收阵组成基阵的实现系统，其特征在于，在所述实现系统中，通过相位延迟使得多个差频接收水听器输出的差频信号实现同相叠加。

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