Page 188 - 《应用声学》2025年第1期

184 2025 年 1 月

其中，SL 为被测航行器辐射噪声测量频段内的声 无论从工程实施，还是从辐射噪声测量原理的角度
源级；TL 为传播损失；NL 为测量环境和测量系统 来看，均不利于低噪声水下目标的测量。
的噪声谱级；DI 为测量系统的接收指向性，S/N 为 对于m个阵元，间距为d的均匀线阵，其静态方
测量的信噪比，其计算结果与测量频段有关。为保 向图公式为
证对被测目标的准确测量，要求测量信噪比最低为 sin(mβ/2)
G 0 (θ) = , (2)
6 dB。 m sin(β/2)
由辐射噪声测量基本方程可知，当被测目标辐 式 (2) 中，空间频率 β = (2πd sin θ)/λ，其中，θ 为方
射噪声的声源级降低，需要满足以下条件才能进行 位角，λ 为波长。静态方向图是指向为 0 的波束图，
◦
辐射噪声测量：(1) 缩短测量距离，减少传播损失； 具有最窄的主瓣波束，在实际测量中，也尽量使被
(2) 选择环境噪声较低的测试水域，并尽可能远离 测目标处在 0 的位置处，通常认为幅值下降 3 dB
◦
周边噪声干扰，降低测量系统的自噪声；(3) 利用测 的间隔角度为波束宽度，可推导主瓣宽度的经验
量基阵的空间增益，提高测量系统的接收指向性。 公式为
测量基阵在测量水下目标辐射噪声时，需要确保基 λ
BW 0.5 ≈ 0.886 . (3)
阵的主波束完全覆盖被测目标 [11] 。 md
在确定的环境下，NL 基本不变，对于低噪声被 由公式 (3) 可以看到，对于确定的线列阵，其主
测目标，为保证足够的测量信噪比，需从降低传播损 瓣宽度是频率的函数，频率越低，主瓣宽度越宽。同
失与增强接收指向性两方面入手。假设声源级 SL 时，阵列尺寸越大，主瓣宽度越窄。
为 130 dB，噪声级 NL 为 100 dB，假设测量指向性 假设水下目标尺度为 L，测量距离为 d，基阵主
DI 不变 (分别为 3 dB、7 dB 与 11 dB) 的情况下，测 波束的 −3 dB 束宽为 θ −3 dB ，为满足测量波束完全
量距离与测量信噪比的关系如图1所示。 覆盖被测目标，则：
θ −3 dB
15 = tan −1 (L/2d). (4)
2
DI=3 dB
10 DI=7 dB 图 2 给出了目标声源级 SL 为 130 dB、环境噪
DI=11 dB
声级NL为100 dB、目标尺度L分别为5 m、10 m和
5 15 m时，所需达到上述测量要求的波束宽度。
η٪උ/dB 0 80

-5 L=5 m
70
L=10 m
L=15 m
-10 60
-15 50
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 ˟ฉౌ/(°) 40
ᡰሏ/m
30
图 1 测量距离与信噪比关系
20
Fig. 1 The relationship between measurement dis-
10
tance and signal-to-noise ratio
0
从图 1 中可以看到，在 100 m 以下的测量环境 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
ᡰሏ/m
中，降低测量距离所带来的信噪比增益大于阵列指
图 2 测量距离与主波束关系
向性所带来的信噪比增益。在实际测量条件下，被
Fig. 2 The relationship between measurement dis-
测目标通常与阵列的垂直距离约为 30 m。为了达
tance and main beam width
到最佳的测量效果，阵元间距的设计需要满足半波
长采样的条件。当频率低于 200 Hz 时，线阵对阵元 由图 2 可以看出，对于确定尺寸的水下航行器，
间距的需求急剧增加，导致距离最近和最远的阵元 随着被测距离的接近，需要的测量波束宽度增大，考
之间的信噪比差异巨大。此外，大孔径阵列在高频 虑高斯白噪声的理想情况，全空间方向上噪声各向
条件下，波束过窄，无法完全覆盖被测目标。因此， 同性，因此严格的方向性增益计算公式为