声透镜波束形成技术仿真研究

声透镜波束形成技术仿真研究
卞红雨，桑恩方，纪祥春，赵景义
哈尔滨工程大学水声工程学院
【摘要】：目前，使用电子电路的传统高分辨率声呐通常具有较大的体积、较高的功耗和
较低的图像更新率$声透镜声呐使用声透镜形成图像，能够克服这些缺点$为此介绍了声透镜波束形成技术的基本原理和声场分析模型，对透镜形状、材料、尺寸，以及环境温度等参数对透镜声呐性能的影响进行了仿真研究。

结果表明，上述参数对主瓣宽度、旁瓣高度、聚焦深度等声呐性能指标具有较大的影响，通过对声透镜的合理设计可以达到优化声呐性能的目的。

【关键词】：声透镜；波束形成；仿真研究
我国近海多为混浊水域，能见度极低，因此声呐始终在水下探测中居主导地位$由于水下防卫和民用海洋开发的需要，人们对近距离成像声呐的分辨率提出了越来越高的要求$目前声呐的波束形成技术多采用电子电路的方法$它的规模和功耗都随着基元数量的增加而增加。

当声呐安装空间或所携带的能源受限制时，有限的基元数目必然制约分辨率的提高。

声透镜系统使用声透镜来实现波束形成，体积小，不耗电，使用最少的相关电路，有效的解决了这个问题。

由于它的高分辨率和快的成像速度使得它可以得到高质量的声图像。

美国海军对这种技术非常重视，国外已有几种试验型声呐相继问世$该技术对于在混浊及黑暗的水中近距离声成像有着重大的意义，尤其适合于潜水员手持声呐或ROV、AUV等水下潜器。

1、声透镜波束形成技术概述
1、1基本原理
声透镜对声波的聚焦原理与光学透镜对光波的聚焦原理是一样的$某一方向的声波经过声透镜后聚焦在一点，即焦点上；在焦点上放置一个接收基元，即可以实现对该方向的波束接收。

在聚焦平面上布放一个由多个基元组成的接收阵，采样后则可以接收到不同方向的入射声波，不同的采样时刻则对应着不同的距离$如果声透镜和接收阵都是一维的，则可以进行二维声成像；如果声透镜和接收阵都是二维的，则可以进行三维声成像。

由于波束形成由声透镜自身的聚焦作用来完成，属单纯的机械装置，所以本身不耗电，也减小了波束形成部分的电路规模。

1、2声透镜声场分析模型
对声透镜声场的分析利用几何声学和波动声学组成的混合模型来进行!将声源发出的声波划分为有限条声线，按几何声学跟踪声线通过透镜系统到达透镜后界面；声线到达此界面上的每一点被看做虚源，再按照波动声学将各个虚源对声场的贡献叠加起来，即可得到声透镜的声压场!按照以上模型，可以绘制声透镜声呐的波束指向性图，并得到主瓣宽度、旁瓣高度、聚焦深度等参数，以此对声呐进行优化设计。

2、仿真计算
为达到优化设计的目的，有必要对声呐性能随声透镜参数变化的规律进行仿真研究。

图1是仿真计算所用的薄透镜。

该透镜由两个透镜组成，初始设置为：第1个透镜的前后界面分别为椭球面和双曲面，第#个透镜的前后界面分别为双曲面和椭球面，系统工作频率为
90kHz，透镜材料的声衰减系数设为1Db/cm,，材料中的声速设定为2030m/s，透镜之间的介质为水。

2.1透镜界ICI参数与形状对透镜性能的影响
这里所说的透镜界ICI参数指离心率.其他参数不变，分别改变界面1,2,3.4的离心率，在一定孔径下，可以看到波束宽度基本不变，而焦点位置、旁瓣高度与位置均有明显变化.表1给出了界面3的离心率改变时透镜性能的变化.特别值得注意的是，离心率对某些性能的影响并不是单调的.例如，在仿真的取值范围内，旁瓣高度在离心率取1.391 591时达到极小值.这表明可以选择一个最佳的界ICI参数不中得旁瓣值最低。

除了界ICI参数，各个透镜界面的形状也对焦点位置、旁瓣高度、旁瓣位置有较大影响.图2给出了界面2分别为椭圆、双曲、抛物不同形状时的波束指向性图.可见可以通过对界面形状的设计来控制透镜的性能.
2.2透镜材料对透镜性能的影响
不同的透镜材料可以从多方ICI对透镜性能产生影响.
1)不同的透镜材料对应着不同的声速，这将使焦点位置、旁瓣高度、旁瓣位置等发生变化，见表2。

仿真表明介质声速对焦点位置影响最大—这与几何声学相吻合，但对其他性能影响相对较小.由十透镜声呐的体积与焦点位置密切相关，所以设计声透镜时，可以考虑通过具有适当声速的材料来减小声呐的体积。

2)由十不同的透镜材料有不同的反射系数与折射系数，因此通过选择透镜材料能够控制声透镜系统的内部混响，这也是声透镜技术中的一个主要研究内容.
3)不同的透镜材料对应着不同的声衰减系数.从提高接收信号强度的角度来说，希望透镜材料的衰减系数尽量小.但由十距离透镜声轴较远的声线比近轴声线要经历更长的距离通过透镜材料，边缘声线的声衰减比近轴声线的衰减要大的多，因此声衰减系数能起到一定的“束控”作用，见表3.所以为改善系统总体性能，应折衷选择具有合适的衰减系数的透镜材料.
2.3温度对透镜性能的影响
温度会使水和声透镜材料的声速发生变化，从而对透镜性能产生较大影响. 水中声速的经验公式为
v=1 446.2+4.6 T一0.005 T2+0 . 000 29 T3+ (1.34一0.010 T)(s一3.5)+0.016D
式中:v表示水中的声速，m/s; T表示水温，℃;s表示海水盐度，D表示土作深度，m.假定声透镜分别由A. B. C 3种材料制成.表4给出了这三种材料在不同温度下的声速以及对透镜能的影响。

可见，由B,C两种材料制成的声透镜在温度从6℃变为23.5℃时，其焦点位置已经在聚焦深度之外;如果没有足够的变焦能力，其应用的温度范围将受到限制.
此外，接收基元形状与尺寸、透镜孔径等参数也都会对透镜性能产生影响.
3结论
本文利用几何声学与波动声学组成的棍合模型对声透镜波束形成技术进行了仿真研究，给出了透镜参数对声透镜声呐性能影响的理论分析方法.
与传统的电子电路波束形成方法比较，声透镜波束形成技术利用声透镜实现对声波的聚焦，电路规模小、能耗低，成像速度快，可以利用较高的发射频率来提高声图像的分辨率.这一技术对于水下目标的近距离高分辨率探测具有重要意义.。