当前课程知识点：声纳技术 > 第七章 声纳信号的发送与接收 > 7.4 相控发射 > 7.4.1 学习视频
本知识点介绍了相控发射的原理，分析了其与探照灯式发射的区别，以及具体的实现方法。
大家好
本次课我们学习相控发发射
在波束形成技术的学习中
我们知道对于发射基阵而言
波束形成技术可以形成定向发射
使得发射能量集中在某一个方向
从而可以用较小的发射功率
探测更远距离的目标
对于接收基阵而言
波束形成技术可以形成定向接收
从而抑制其它方向的信号和干扰
提高信噪比
如果接收系统形成多个波束
还可以分辨多个目标
在此基础上
我们以接收波束形成为例
学习了波束形成的基本原理
即对按一定几何形状排列的
多元阵阵元接收信号
进行时延或相移补偿
使对预定方向的入射信号形成同相相加
并且分别学习了加权 加档
相移波束形成和时延波束形成的
实现方法等
本次课我们学习具体的
发射波束形成技术
分析其与接收波束形成技术的差异
包括两部分内容
相控发射和发射波束形成的实现方法
首先来学习相控发射
我们知道
声纳发射机的任务是
通过换能器向周围空间辐射声波
通常有三种发射方式
全向发射 单波束发射和多波束发射
其中全向发射方式又称为水平发射
即发射机通过换能器一次性
向整个水平空间均匀地发射声波
其发射方向性为一个圆
如图所示
这种发射方式对搜索
整个空间所花的时间最少
但由于空间范围大
所以能量分散
声纳的作用距离小
为了提高作用距离
希望发射的能量要集中在
一个很小的空间范围内
即单波束发射系统
其发射方向性为一个很窄的单波束
如图所示
这也就是我们在波束形成部分
提到的探照灯式声纳发射
相应的搜索方式为步距式搜索
即为了探测一个角度范围的目标
若只有一个发射波束
则需要等最远距离的
目标回波到达接收端后
才能使波束转到另一指向再次发射
早期声纳主要采用这种方式
而且常常是靠机械转动装置
控制基阵的旋转
显然
要完成一个大扇面的探测
将花费很长的时间
因此搜索速率低
为了提高搜索速率
可以使波束加宽
但加宽波束又会导致探测距离受限
极限情况就是刚才所说的
全向发射
也就是说
对于探照灯式发射而言
无法同时提高搜索速度和探测距离
为了解决搜索速度和
探测距离之间的矛盾
因此引入了多波束发射
其发射方向性如图所示
工作方式是
在一个短时间内
换能器依次向空间的不同方位
发射多个单波束声波
然后在一个很宽的扇面发射完后
再开始接收
因此搜索同样空间的时间
就大大缩短了
这种工作方式有点类似于机枪扫射
依次快速地朝着几个
目标方向依次发射
最后再统一查看结果
又有点类似于头不动眼动
基阵本身不动
但其声波发射方向却依次发生变化
从而覆盖一定的扇面
发射波束形成和接收波束形成
在原理上是相通的
都是通过时延或相移补偿
然后形成同向相加
从而形成指向性
但是在具体的实现中又有明显差别
首先
如图所示
接收波束形成的相加过程
是在接收电路中实现的
而发射波束形成是先对
各电信号源的信号进行时延或相移补偿
然后再送到发射换能器发射
相加过程是在水介质中进行的
所以说
接收波束形成可以预先形成
即对于不同指向的波束
可预先设置多组不同的补偿相位或时延
从而构成多输入多输出系统
这里的多输入当然是指
多阵元接收的信号
多输出即多个预成波束
然而
由于不能将不同组的相移或时延
同时作用于多个发射换能器
所以不可能同时形成多个发射波束
只能是一段时间加一组相移或时延
发射某一个方向的波束
然后再加另一组相移或时延
旋转一个角度再发射一个波束
依次类推
也就是说发射波束形成只能
分时地形成不同指向的发射波束
换言之
各波束所对应的空间只能
依次被激励一个短时间
也就是旋转发射
如图所示
依次发射五个波束
然后再开始接收
其搜索时间只相当于“探照灯”式
扫描方式的大约五分之一
因此
这种方式比机械旋转基阵要快得多
从而大大提高了搜索效率
同时
为了保障在被搜索的空间内
不遗漏目标
相临波束之间要有一定的覆盖
那么
相控发射相对于探照灯式发射而言
一点缺点都没有吗
我们来看一下其对应的
脉冲发射信号时序图
当发射一个脉冲对应一个发射波束
要连续发射五个脉冲信号
然后再打开接收机开始接收信号
从这里不难看出
相控发射在提高了搜索速度的同时
也付出了一定的代价
就是增加了由脉冲发射引起的探测盲区
即利用发射多波束技术来
提高声纳的搜索速度
是以牺牲声纳在近距离上目标的
探测能力为代价的
上图的例子中
旋转发射5个波束
则发射信号的持续时间相当于增加了五倍
因而盲区也增加五倍
如果要搜索一个360度范围的空间
用一个波束旋转发射所占的时间
将会相当长
为了克服多波束旋转发射的这一缺点
有时采用几部发射机同时工作的方式
每一部发射机只负责搜索一个扇面
称为多重旋转发射
图中所示为一个三重旋转发射时
波束位置示意图
此时有三组发射机同时工作
每一组发射机负责120度空间
即同一时间在间隔120度的方向上
同时形成3组波束
接下来我们学习发射波束形成的
实现方法
发射波束形成类似于接收波束形成
都是通过相位补偿原理实现的
以图中的8元直线阵为例来说明
如果8个基元同时施加激励电压
那么8个基元所发出的声波
传到基阵法线方向上的远点某处Q时
由于距离相等
8个基元的声波在该点同向叠加
就形成一个朝向法线方向的
单波束发射声波
若希望在α1方向形成发射声波
那么各基元发射的声波
应能在α1方向形成同相相加
从图中可以看出
各基元产生的声波到达
远处的Q' 处就会有声程差
相邻两基元之间的声程差为
l=dsinα1
d为阵元间距
其相应的时间差和相位差
分别为τ= l/c和φ=2πfτ
因此
各基元同时激励的话
就不能在α1方向形成同相相加
为了形成在α1方向上的同相相加
可以通过延迟激励时间的方法
或者采用补偿激励电压相位φ的
方法来达到目的
如图所示
基元8首先被激励
然后依次延迟1τ 2τ 3τ
4τ 5τ 6τ 7τ
再分别去激励基元7 6 5 4 3 2 1
这就相当于直线阵旋转了一个角度α1
波束方向也就旋转了一个角度
依次类推
要做到多波束发射
只能分别通过多组延迟电路实现
这种方法类似于接收波束形成中的
时延波束形成器
即信号源产生相位同相的信号
但激励触发起始时刻不同
按波束指向要求给以延迟
而补偿激励电压相位的方法
类似于相移波束形成器
即在各信号源产生的信号上
预先加上不同的附加相移
然后同时激励各阵元信号
具体实现这里不再赘述
小结
本次课学习了
相控发射的原理和实现方法
其与接收波束形成的区别在于
首先接收波束形成的相加过程
发生在电路中
而发射波束形成的相加过程
发生在水介质中
接收波束形成可以预先形成多个波束
而发射波束形成则需要分时旋转发射
相控发射与探照灯式发射的区别在于
其搜索效率比探照灯式高
但同时探测盲区也相应增大
然后简要分析了
发射波束形成的实现方法
分延迟激励时间和
补偿激励电压相位两种方法
本次课就学到这里
再见
-1.1 从美人鱼看什么是声纳
--1.1.3 本节小测验
-1.2 声纳的发展简史
--1.2.3 本节小测验
-1.3 从一艘潜艇看声纳的分类
--1.3.3 本节小测验
-1.4 声纳方程
--1.4.3 本章小测验
-1.5 声纳系统的战术和技术指标
-2.1 初识声纳信号
--2.1.3 本节小测验
-2.2 主动声纳信号的描述
--2.2.3 本节小测验
-2.3 从汽笛声看多普勒频移
--2.3.3 本节小测验
-2.4 从分辨力的角度看模糊函数
--2.4.3 本节小测验
-2.5 常用主动声纳信号之CW信号分析
--2.5.3本节小测验
-2.6 常用主动声纳信号之LFM信号分析
--2.6.3 本节小测验
-3.1 振幅测向——最大值测向
--3.1.3 本节小测验
-3.2 振幅测向——振幅差值法测向
--3.2.3 本节小测验
-3.3 相位法测向
--3.3.3 本节小测验
-3.4 相位法测向的多值性问题
--3.4.3 本节小测验
-4.1 从手电筒操作看波束形成的原理
--4.1.3 本节小测验
-4.2 加权和加档
--4.2.3 本节小测验
-4.3 直线单波束的指向性
--4.3.3 本节小测验
-4.4 直线多波束的相关问题
--4.4.3 本节小测验
-4.5 波束形成器
--4.5.3 本节小测验
-5.1 测距导语
--5.1.3 本节小测验
-5.2 脉冲测距法
--5.2.3 本节小测验
-5.3 调频信号测距法
--5.3.3 本节小测验
-5.4 调频信号测距法——动目标测距
--5.4.3 本节小测验
-5.5 潜艇侧面为什么有三个阵
--5.5.3 本节小测验
-【选学内容】5.6相位测距法
-6.1 测速导语
--6.1.3 本节小测验
-6.2 矢量速度的测量
--6.2.3 本节小测验
-6.3 又见脉冲——脉冲测速法
--6.3.3 本节小测验
-6.4 目标多普勒测速法
--6.4.3 本节小测验
-6.5 本舰多普勒测速法——基本原理和发射波形
--6.5.3 本节小测验
-6.6 【选学内容】本舰多普勒测速法——误差分析
--6.6.3 本节小测验
-6.7 相关测速
--6.7.3 本节小测验
-7.1 声纳发射机
--7.1.3 本节小测验
-7.2 声纳接收机
--7.2.3 本节小测验
-7.3 设备会说谎吗？
--7.3.3 本节小测验
-7.4 相控发射
--7.4.3 本节小测验
-【选学内容】7.5 匹配滤波器的原理
-【选学内容】7.6 主动声纳信号的匹配滤波
-8.1 航空声纳浮标系统
--8.1.3 本节小测验
-8.2 航空吊放声纳系统
--8.2.3 本节小测验
-期末考试
