Page 161 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 衣晓锋等： 浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦 621

分别为入 提高了 8.1 dB，这将大大提高相控阵在环境失配情
β m 为第 m阶模态的衰减系数，θ m 1 和θ m 2
况下的目标检测性能。
射和散射的掠射角，v g,m 第 m 阶模态的群速度，τ 0
η
为脉冲宽度，η 为界面粗糙度，R (x) 和 σ η 分别为 η
的相关函数和均方根，P 为 η 的功率谱，L 为相关 4 结论
η
长度，一般介于10 m到20 m 之间，在小掠射角情况
针对最优发射权系数声场聚焦对海洋环境比
下，式 (21) 中的 P 是与海底反射系数相移有关的参
较敏感的问题，本文提出了一种具有环境适应性的
数，在小掠射角情况下，P ≈ π/θ rc ，θ rc 全内反射的
多模声场聚焦方法。仿真结果表明，在环境失配情
临界角。
况下，多模聚焦仍有良好的声场聚焦效果，聚焦位置
图 7 是根据巴斯微扰理论，仿真计算环境失配
处的声场能量比最优发射权系数提高了将近 3 dB。
时最优发射权系数聚焦声场和多模聚焦声场的混
然后基于巴斯微扰理论计算了聚焦声场的相干和
响平均强度衰减曲线，环境参数和第2 小节一致，聚
非相干混响平均强度，由于多模聚焦声场将绝大部
焦位置为 r = 10 km, z = 12 m，取 τ 0 = 100 ms，
分能量都集中在掠射角比较小的前 3 阶模态中，因
σ η = 0.1，L = 15 m。从图 7 中可以看到，多模声场
此比起最优发射权系数，多模声场聚焦具有更好的
聚焦的非相干混响平均强度低于最优权系数声场
混响抑制能力，如果用多模聚焦方法进行聚焦深度
聚焦的非相干混响平均强度，这是由于多模聚焦声
扫描，可以实现目标的深度分辨，这在主动探测方面
场的能量绝大部分都集中在掠射角很小的前3 阶模
具有较高的应用前景。
态中，而掠射角越小，海底散射越弱，从而混响越
小。随着时间变长，散射距离越来越远，最优权系
数聚焦声场的高阶模态衰减越来越多，因此其与多 参 考 文 献
模聚焦声场的混响强度的差值越来越小，当时间足
[1] 何子述, 金林, 韩蕴洁, 等. 光控相控阵雷达发展动态和实现
够长，散射距离足够远时，最优权系数聚焦声场只
中的关键技术 [J]. 电子学报, 2005, 33(12): 2191–2194.
剩下前几阶模态，此时其混响平均强度将低于多模 He Zishu, Jin Lin, Han Yunjie, et al. Development and
声场，但由于实际中达不到那么远的探测距离，所 implementation techniques of optically controlled phased
array radar[J]. Acta Electronica Sinica, 2005, 33(12):
以图中未予显示。r = 10 km 对应的混响时间约为
2191–2194.
t ≈ 13.4 s，在图 7 中用竖直的点画线标出，此时最 [2] Wang R, Liu Z, Wu J, et al. Research on phased array ul-
优权系数聚焦的混响强度为−87.9 dB，而多模聚焦 trasonic testing on CFETR vacuum vessel welding[J]. Fu-
sion Engineering and Design, 2019, 139(2019): 124–127.
的混响强度为−93.2 dB，比最优权系数聚焦降低了
[3] 蔡明飞, 师芳芳, 孔超, 等. 超声检测中常用激励波形的高精
5.2 dB。而根据第 2 小节的仿真结果，多模聚焦比 度相控发射实现 [J]. 应用声学, 2015, 34(6): 526–532.
最优权系数聚焦的能量提高了 2.9 dB，因此信混比 Cai Mingfei, Shi Fangfang, Kong Chao, et al. High
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图 7 聚焦声场的混响平均强度衰减曲线
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Fig. 7 The reverberation average intensity decay [7] Kuperman W A, Hodgkiss W S, Song H C, et al. Phase
curves of the focused sound field conjugation in the ocean: experimental demonstration of