CN111025272A - 具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，属于水声学阵列波束形成技术领域。包括利用平面声学基阵两个相邻平面基元辐射超宽覆盖波束，开始发射后，与平面基元1对应的通道1输出信号至平面基元1并开始计时，当计时到达两倍信号脉冲宽度时，通道1停止输出信号；而与平面基元2对应的通道2在开始发射后先不输出信号，但与通道1同时计时，当到达相控时延时，开始输出与通道1相同的信号至平面基元2并重新计时，当计时到达信号脉冲宽度时，通道2停止输出信号，完成一次脉冲宽度的超宽覆盖波束发射。本发明可实现中央波束强度低、两侧波束强度高的超宽覆盖发射波束，可有效抑制隧道效应，且方法简单，易于实施。

Description

具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射 方法

技术领域

本发明涉及一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，属于水声学阵列波束形成技术领域。

背景技术

在水声工程中，海底探测技术是快速发展的一项高新技术，在大面积扫海探测这一需求牵引下，为了提高多波束测深声呐等海洋探测仪器的探测效率和探测准确度，超宽覆盖波束发射技术成为非常关键的核心技术之一。虽然采用弧形面阵、半圆柱形面阵等技术实现了超宽覆盖探测波束的发射，但同时带来以下几个方面的问题：1.为了不造成波束遮挡，弧形或半圆柱形的发射面阵需突出搭载平台表面安装，这会伴随引入水阻，增加了搭载平台的能耗；2.非流线型的弧形或半圆柱形发射阵极易引起流噪声，附加的流噪声通常会对探测系统的探测效能产生较大影响；3.突出平台的结构容易受到水中杂物碰撞，在浅水水域也极易触底，造成基阵损坏，产生不可估量的经济损失；4.上述方案产生的超宽覆盖波束正中央的强度与波束两侧的强度相当，特别是半圆柱形面阵，各方向上辐射波束强度相同，而对于宽覆盖波束探测应用来说，波束正下方海底的声波散射最强，波束两侧角度越大散射越弱，这将造成探测系统外侧接收波束的旁瓣获得较其主瓣更强的散射信号，引起一直困扰该技术领域的“隧道效应”，该效应将造成海底的错误检测，使探测结果失效。这一效应是探测机理造成的，通过减弱发射波束中央区域的强度是目前已知最便捷、最具操作性、最节省系统实时信号处理或后处理所需资源的实施方案。

平面声学基阵是一种传统的基阵形式，但由于常规波束形成方法的局限性，特别是受基阵瑞利限的限制，其难以实现超宽覆盖波束的发射，同时按传统波束形成方法也无法回避隧道效应的产生，甚至这一效应较弧形或半圆柱形基阵更强。但平面阵具有优于其它异形基阵的适装性，与搭载平台同一平面的共形安装可最大限度地减小水阻和流噪声，安全性也大大提高，如提高平面声学基阵发射波束的覆盖宽度，同时可产生中央区域强度低、两侧强度高的发射波束，即可以满足当前对宽覆盖探测能力的需求，又可抑制隧道效应对探测效果的影响，提高海洋探测仪器的适装性和探测性能，有利于基于目前广泛应用的平面声学基阵进行设备升级改造，增加超宽覆盖声呐系统功能，并形成多种功能一体化探测能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决平面声学基阵发射宽覆盖和具备抑制隧道效应能力的发射波束的问题而提供一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法。

本发明的目的是这样实现的，一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，具体包括以下步骤：

步骤1、利用平面声学基阵两个相邻平面基元即平面基元1和平面基元2辐射超宽覆盖波束，两相邻基元间的基元间距为d；

步骤2、开始发射后，与平面基元1对应的通道1输出信号S至平面基元1并开始计时，当计时到达两倍信号脉冲宽度t₁＝2T_p时，通道1停止输出信号；

步骤3、与平面基元2对应的通道2在开始发射后先不输出信号，但与通道1同时计时，当到达相控时延△T_d时，开始输出信号S至平面基元2并重新计时，当计时到达信号脉冲宽度T_p时，通道2停止输出信号，完成一次脉冲探测信号宽度为T_p的超宽覆盖波束发射.

本发明还包括这样一些结构特征：

1、所述平面基元1和平面基元2发射信号波形、起始相位和脉冲宽度完全相同。

2、步骤2所述输出信号对应要发射的信号，可为任意脉冲信号即CW、LFM、Ricker、编码信号、噪声。

3、步骤3所述相控时延△T_d由下式计算得到：

式中，d为阵元间距，c为水中声速，θ为相控角度。相控角度取生成超宽覆盖波束两侧对称时对应的相控角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明仅采用两个相邻平面基元即可实了平面声学基阵超宽覆盖发射，方案易于实现，且辐射波束中央区域强度明显弱于两侧区域，这一特点又使该方法具备了隧道效应的抑制能力。该方法的实施和应用可降低为了实现超宽覆盖而设计的各种异形基阵结构带来的水阻、流噪声、设备安全性降低等问题，也有利于充分发挥具有最大应用市场占有率的传统平面声学基阵的技术升级，规避其它类型基阵存在的上述各种问题，带来更大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射流程；

图2是本发明方法的理论数值计算与实测发射波束的指向性图；

图3是传统波束形成方法产生发射波束的指向性图；

图4是本发明方法实际工程应用中的实时波束剖面图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述

如附图1所示，是具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射流程；具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，利用平面声学基阵两个相邻平面基元(平面基元1和平面基元2)辐射超宽覆盖波束，两相邻基元间的基元间距为d。

开始发射后，与平面基元1对应的通道1输出信号S至平面基元1并开始计时，当计时到达两倍信号脉冲宽度t₁＝2T_p时，通道1停止输出信号。输出信号对应要发射的信号，可以是任意脉冲信号(如CW、LFM、Ricker、编码信号、噪声等等)。

与平面基元2对应的通道2在开始发射后先不输出信号，但与通道1同时计时，当到达相控时延△T_d时，开始输出信号S至平面基元2并重新计时，当计时到达信号脉冲宽度T_p时，通道2停止输出信号，完成一次脉冲探测信号宽度为T_p的超宽覆盖波束发射。其中，相控时延△T_d由下式计算得到：

式中，d为阵元间距，c为水中声速，θ为相控角度。相控角度取生成超宽覆盖波束两侧对称时对应的相控角度。

为了确保该发明的实施，平面基元1和平面基元2所发射信号波形、起始相位和脉冲宽度需完全相同。

以一个具体实例进一步说明本发明的实施效果，选取平面声学基阵相邻基元间距d＝8.3mm，信号采用CW脉冲信号，信号频率为100kHz，脉冲宽度1ms，水中声速为1500m/s，相控角度为64°。开始发射后，平面基元1连续发射2ms的CW脉冲信号，平面基元2同时计时，当时间到达0.005ms时，平面基元2开始发射1ms的CW脉冲信号，对这一参数下生成的发射波束指向性进行了理论数值计算和实际测量，结果如图2所示，实测结果与理论值吻合，平面基元1发射的前面一个脉冲宽度的信号与延迟发射的平面基元2发射的脉冲信号共同产生了双基元相控64°的两侧对称的波束指向性；平面基元1后面一个脉冲宽度的信号生成了平面基元1的单基元指向性，其指向性中央强度较两侧对称相控波束最大值弱几分贝，抑制了超宽覆盖波束正下方海底的强反射产生的隧道效应，利用本发明方法实现的3dB波束宽度可达125°(波束覆盖宽度为深度的近4倍)，而同一基阵采用传统波束形成方法产生的波束宽度仅为46.9°，波束图如图3所示。将该项技术应用于超宽覆盖海底扫测声呐系统(技术参数同上述实例)开展海底探测试验，选取一帧实时测量的波束剖面图如图4所示，当前水深(波束中央)为7.1m，波束照射在海底的横向跨度约32m，实际发射波束实现了约4.5倍水深的超宽覆盖，进一步验证了本发明的有效性和可实施性。

综上，本发明公开了一种平面阵超宽覆盖波束发射方法，属阵列波束形成技术领域。该方法利用平面声学基阵两个相邻平面基元辐射超宽覆盖波束，开始发射后，与平面基元1对应的通道1输出信号S至平面基元1并开始计时，当计时到达两倍信号脉冲宽度2T_p时，通道1停止输出信号；而与平面基元2对应的通道2在开始发射后先不输出信号，但与通道1同时计时，当到达相控时延△T_d时，开始输出与通道1相同的信号S至平面基元2并重新计时，当计时到达信号脉冲宽度T_p时，通道2停止输出信号，完成一次脉冲宽度为T_p的超宽覆盖波束发射。本发明仅采用两个平面基元即可实现超宽覆盖波束发射，易于实现；发射波束宽度可达常规方法的3倍，且波束强度中心低两侧高的特性使其具备良好的隧道效应抑制能力。

Claims (4)

1.一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、利用平面声学基阵两个相邻平面基元即平面基元1和平面基元2辐射超宽覆盖波束，两相邻基元间的基元间距为d；

步骤2、开始发射后，与平面基元1对应的通道1输出信号S至平面基元1并开始计时，当计时到达两倍信号脉冲宽度t₁＝2T_p时，通道1停止输出信号；

步骤3、与平面基元2对应的通道2在开始发射后先不输出信号，但与通道1同时计时，当到达相控时延△T_d时，开始输出信号S至平面基元2并重新计时，当计时到达信号脉冲宽度T_p时，通道2停止输出信号，完成一次脉冲探测信号宽度为T_p的超宽覆盖波束发射。

2.根据权利要求1所述一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，其特征在于：所述平面基元1和平面基元2发射信号波形、起始相位和脉冲宽度完全相同。

3.根据权利要求2所述一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，其特征在于：步骤2所述输出信号对应要发射的信号，可为任意脉冲信号即CW、LFM、Ricker、编码信号、噪声。

4.根据权利要求3所述一种具备隧道效应抑制能力的平面声学基阵超宽覆盖波束发射方法，其特征在于：步骤3所述相控时延△T_d由下式计算得到：

式中，d为阵元间距，c为水中声速，θ为相控角度。相控角度取生成超宽覆盖波束两侧对称时对应的相控角度。

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