Page 161 - 《应用声学）》2023年第5期

第 42 卷 第 5 期 李志超等： 螺线空间阵性能研究 1053

瓣 [6] ，以提高对声源的定位分析能力。本文参考了
0 引言
美国 TBCA 的阵列构造形式，提出了一种螺线空间
为了准确评估水下装备的声隐身性能，世界各 阵型，螺线结构的阵元空间分布更不规则、稀疏性
国十分重视水下目标的辐射噪声测试与定位技术， 更强，能够进一步发挥空间稀疏阵列的低旁瓣优势。
水下测试声阵经历了由单水听器、多水听器线阵再
1 螺线空间阵模型
到三维体积阵的发展过程。在辐射噪声测试的早期
阶段，常采用单水听器进行测量 [1] ，该方法原理简 1.1 阵元坐标参数
单、布放便捷，但无法在低信噪比条件下工作，且不
对于如图1 所示的一条高度为 H、半径为 R、阵
具备噪声源定位的能力；二战以后，美、苏等军事强
元数为M、阵元在垂直方向上等间隔分布的单条螺
国开始使用多水听器线列阵进行测试，大幅提高了
线阵，各层之间的阵元间距为
辐射噪声的分析能力，苏联曾使用水平测试阵，美国
的 QSAM 双阵列测试系统、PSI 测试系统，以及意 d = H/(M − 1). (1)
大利 WAAS船载水下噪声测试系统皆是垂直阵；20 各阵元在z 轴方向上的坐标可表示为
世纪 70年代以来，不断发展的声隐身技术使线阵越
z m,1 = (m − 1) · d − H/2, (2)
来越难以满足测试要求，美、法等发达国家便着手体
积阵测试系统的研究，美国曾研制出由1000多个水 式 (2) 中，m 表示第 m 层(共 M 层)，1 表示第一条螺
听器组成的AMFILL透明圆柱阵测试系统。相比于 线阵，z m,1 的范围在−H/2 ∼ H/2之间。
线阵和面阵，圆柱阵的空间对称性好、机械结构简 设单条螺线阵在水平方向上共存在 K 个圆
单，且在水平方向上无探测盲区，因此被广泛应用于 周 (每个圆周为 2π)，则每个阵元所在平面的圆周
各类声呐系统中 [2] ，但圆柱阵在水平方向上的指向 半径为
性函数为贝塞尔函数 [3] ，使用常规波束形成时旁瓣
r m,1 = 2Rz m,1 /H. (3)
较高，抗干扰能力不足，应用加权类算法又会降低波
每个阵元所在的圆周角度为
束形成的稳健性，美国于 AUTEC 水声试验场使用
K · 2π
双锥阵 (Twisted Bi-Cone array, TBCA) [4−5] 替代 α m,1 = (m − 1) · . (4)
M
原圆柱阵，现今在东南阿拉斯加试验场 (SEAFAC)
则 单 条 螺 线 阵 各 阵 元 的 x 坐 标 和 y 坐 标 可
和大西洋水下测试及评估中心 (AUTEC) 均使用双
表示为
锥体积阵。
具有空间稀疏特性的阵列，可利用阵元的非等 x m,1 = r m,1 · cos α m,1 , (5)
间隔排列有效抑制空间混叠效应，呈现出较低的旁 y m,1 = r m,1 · sin α m,1 . (6)

H⊳
H⊳
d

z  
H
r

֓H⊳
 ֓H⊳
y 
x R ֓R  R
(a) ᛃ஽ጳ (b) ӭ౎ᛃጳ᫼ (c) ᛃጳቇᫎ᫼
图 1 螺线阵示意图
Fig. 1 Schematic diagram of spiral array