柱面型声透镜设计及验证

　　1 引 言

　　对于采用电子电路的方法来形成波束的高分辨率成像声纳而言, 它的规模和功耗都随着基元数目的增加而增加。当声纳的安装空间或所能携带的能源受限制时, 有限的基元数目必然会制约波束形成器分辨率的提高[1]。近几年来, ROV、AUV等水下潜器和蛙人技术的发展对常用的电子电路波束形成技术提出了挑战。蛙人, 水下潜器等均要求所携带的声纳具有体积小、功耗低、分辨率高的特点, 因此, 常规波束形成技术所固有的矛盾使得该技术在小型高分辨率成像声纳上的应用受到了限制。声透镜波束形成技术正是面对这样一个挑战而提出的一种新的波束形成技术。声透镜声纳系统使用声透镜对声波的自然聚焦实现多波束形成, 它基元数少、电路简单、功耗低, 有效解决了这个问题[2-3]。美国海军对该项技术高度重视; 美国华盛顿大学应用物理实验室投入了大量的人力物力对其进行研究, 并已经取得了一些成果, 如 LIMIS, GLACIS 和 ABIS 等[4-7]。文献[2] 中的声线追迹程序无法全面深入地纠正声透镜的像差和像面弯曲, 因此本文采用 ZEMAX 光学设计软件来追迹声透镜聚焦声线, 并用它完成了声透镜的优化。同时因为光学软件分析聚焦声场时存在一定的局限性[2], 所以本文在 ZEMAX 软件声线追迹的基础上又结合波动声学的分析方法分析了声透镜聚焦声场。

　　2 声透镜多波束形成技术概述

　　2.1 基本原理

　　声透镜波束形成是通过透镜对声波的自然聚焦而形成的, 声波的发射和接收都是通过位于透镜系统后收发合置换能器阵列来完成的, 某一方向的声波经过声透镜后, 被聚焦在唯一对应的焦点上; 换能器阵列上的接收基元位于该焦点上, 即可以实现对该方向的波束接收。在聚焦平面上布放的由多个基元组成的接收阵, 可以接收到不同方向的入射声波, 不同的回波时刻则对应着不同的距离。其基本原理图如图 1 和图 2 所示, 图 1 说明柱面型声透镜在水平方向聚焦声波形成波束, 而垂直方向上不形成波束; 图2 中由换能器 T 发射的窄脉冲(例如 CW 脉冲)经透镜 L2、L1 后在水平方向上形成了多波束。L1 和 L2之间, L2 和 T 之间的介质是水。

　　2.2 声透镜设计及分析方法

　　声透镜对入射声波聚焦的原理源于光学透镜对光线的聚焦, 因此声透镜的设计和分析也可以借鉴通用光学透镜的设计和部分分析方法。将商业光学设计软件 ZEMAX 用于设计声透镜, 把声透镜的制作材料置换到 ZEMAX 的玻璃库中, 完成折射率的换算, 再设置好视场范围、孔径大小、环境温度等一系列设计参数, 并用该软件对声透镜的部分性能进行分析和优化[8-9]。