Page 158 - 应用声学2019年第4期

618 2019 年 7 月

计算出现偏差，进而导致最优发射权系数的估计 2 多模声场聚焦
出现误差，从而在期望位置处达不到理想的聚焦
效果。 为了改善环境失配时声场聚焦的效果，提
下面以海底声速失配为例，仿真环境失配对声 高 相 控 阵 声 场 聚 焦 的 环 境 适 应 性， 需 要 对 发
场聚焦的影响。假定图 1 中给出的参数是实际的海 射权系数进行改进。表 1 给出了期望聚焦位置
洋环境参数，而获取的海底声速为 1640 m/s，其他 (r = 10 km, z = 12 m) 处最优权系数聚焦声场在
参数都准确获取。然后通过获取的海洋环境参数计 前 12 阶模态中的能量分布，更高阶的模态由于能
算最优发射权系数，进行声场聚焦，期望聚焦位置 量衰减更强烈，对声场贡献很微弱，表中未予列
仍为r = 10 km, z = 12 m。实际聚焦效果如图3(a) 出。从表1 中可以看出，聚焦声场主要是前3阶模态
所示，声场依然实现了聚焦，但焦点位置发生了偏 的贡献，无环境失配时前 3 阶模态占据了聚焦声场
移，由 r = 10 km, z = 12 m 变为了 r = 10.07 km, 63.72%的能量，而环境失配情况下前 3 阶模态也占
z = 11 m。图3(b)给出了期望聚焦距离(r = 10 km) 据了聚焦声场 60.04%的能量，而且由于环境失配对
处声压的深度分布，从图 3(b) 中可以看出，海底声 低阶模态本征值和本征函数的影响小于对高阶模
速失配导致聚焦深度 (z = 12 m) 处的声场损失了 态的影响，如果在相控发射时通过调节发射权系数，
5.6 dB，如果此时将相控阵声场聚焦用于目标探测， 使前 3 阶模态的能量实现最大化，则可以改善环境
目标的回波能量将大大降低，这将严重降低相控阵 失配对聚焦声场的影响。因此考虑只利用前 3 阶简
的目标检测性能。 正模态进行发射权系数的估计，即只利用前 3 阶模
态来计算式(4)中的向量P ，并另记为向量Q：
TL/dB
120
5 Q = [q 1 , q 2 , · · · , q N ], (13)
10 100
15 ࠄᬅᐑཥͯᎶ 其中，
రమᐑཥͯᎶ
3
20 80 ∑ (1)
ງए/m 25 60 q n = iπ m=1 ψ m (z n )ψ m (z)H 0 (k m r). (14)
30
35 而发射权系数向量变为
40 40
√
H
45 W multi = CQ /||Q||. (15)
50 20
9.0 9.5 10.0 10.5 11.0
ᡰሏ/km 表 1 最优权系数聚焦声场在前 12 阶模态中的
(a) ࠄᬅᐑཥܦڤ 能量分布
0 Table 1 The energy distribution in first
12 modes of the focused sound field with
10 the optimal weight coefficient vector

模态能量占总声场能量百分比/%
模态阶数
ງए/m 20 1 无环境失配 环境失配
15.63
13.86
30
2 32.16 29.26
3 19.53 17.28
40 4 1.34 0.80
௄ဗܒܿᦡ
๒अܦᤴܿᦡ 5 4.06 4.68
6 12.07 13.37
50
-70 -60 -50 -40
7 8.24 9.22
ܦԍ/dB
(b) r=10 kmܫܦԍᄊງएѬ࣋ 8 1.25 1.04
9 0.46 0.83
图 3 环境失配时最优权系数聚焦声场 10 2.27 4.12
Fig. 3 The focused sound field with the optimal weight 11 1.87 3.51
coefficient vector in the mismatched environment 12 0.31 0.84