从水声工程的角度来看，由两个高强度声波产生差频波，即通常所说的参量阵，因其具有不同于常规线性声场的特点，使得声学换能器能够在分辨力上突破瑞利限，因而具有较大的应用价值。从20世纪60年代起，国内外针对参量阵技术开展了大量的理论、实验和设备研究，本文回顾了参量阵技术主要的水声工程应用历史，分析了阻碍其获得更广泛应用的技术瓶颈以及针对这些技术瓶颈所开展的研究。

一

参量阵技术

根据线性声学的原理，如果声场中同时存在着两个不同频率的声波，总的声场只是这两个声波的线性叠加，他们彼此之间并不产生相互作用。但是，从非线性声学的角度来看，如果空间存在两个不同频率的声波，则每个声波的传播都是在被另一个声波扰动了的介质中进行的，不再能看成是在均匀介质中的传播，因此会因为介质不均匀而发生散射。这种声波受到被另一个声波扰动的不均匀介质的散射的现象，通常称为“声散射声”。因为介质是被另一个声波扰动的，可以定性地理解为散射声中存在被另一个声波所调制的频率成分，即存在着两个声波的差频及和频成分。

两列同向传播的平面波(原频波)，在垂直于传播方向的平面上产生的声散射声的相位相同。对于没有频散效应的介质，各种频率成分以相同的波速传播。因为两个原频波在传播过程中不断产生声散射声，其正向散射部分(与原频波传播方向相同的部分)同相叠加到前些时刻产生的散射声上得以逐渐加强。这个过程可看作空间有一个由无数个产生二级声场的虚源组成的体积阵，通常称为参量(发射)阵，如图1所示。

图1 参量(发射)阵原理图

参量阵的二级声场包括差频声场、和频声场和谐波声场，从声纳应用角度来看，差频声场特性是参量阵声场所主要关注的。

参量阵声场因为是一个累加场，差频波的总能量是随着传播距离的增加而增加的，扣除差频波的吸收效应以后，近场测量的声源级要比远场测量的声源级低。因此要准确测量参量阵的声源级，测量点必须距离声源足够远。

从参量阵的物理和数学模型中可以知道，其主要优点有三点：⑴可以在小孔径下实现低频窄波束，即具有超指向性能力；⑵通常没有可观察到的旁瓣；⑶容易实现高带宽。其缺点是转换效率低，因而差频声源级不大。实际上早期人们忽略了参量阵还有另外一个缺点：实现多波束困难。

二

在水声工程领域的主要应用

从参量阵的优、缺点可以看出，其主要的应用方向是在要求窄波束、低频率而换能器尺寸又不能太大的场合，最典型的水声应用是高分辨率海底地层剖面仪，其他如掩埋物体探测、大深度多普勒计程仪、水声通讯等领域国内外也有应用研究，直到最近国外才出现了比较成熟的基于参量阵技术的水下小目标探测声纳。

1

参量阵地层剖面仪

海底地层的声吸收非常大，通常只有很低频率(几百赫兹到几千赫兹)的声波才能穿透底层到达海底以下几十到数百米深的地方；采用线性声纳原理的常规海底地层剖面仪通常波束很宽，在40°～60°之间，因而径向分辨率很低，而且非常容易受到海面回波的干扰，且因为宽波束造成的侧向回波与正向回波时延相差很大，使得界面混响大幅度降低了设备的轴向分辨率，即便采用拖曳阵接收也只能解决一维问题。这个缺陷使得常规海底地层剖面仪在地质勘探中的使用价值一直不高。当海底地层剖面仪的波束宽度小于5°时，上述问题则可以基本得到解决。但是如果用常规线性声纳方式来实现这么窄的波束宽度，对换能器孔径的要求极大(几米到十几米的平面阵)，通常是不现实的，而参量阵技术的低频、小尺寸、高指向性特点正好能满足要求。

中国科学院声学研究所东海研究站曾于20世纪80年代仿ATLAS公司的海底地层剖面仪研制了线性调频参量阵海底地层剖面仪，达到了差频(8kHz左右)4.5°束宽，声源级195dB左右的性能指标。工作方式为单波束。

德国的Innomar公司于上世纪末推出了轻便式参量阵海底地层剖面仪，其原频频率为100kHz，差频频率为4～12kHz，差频束宽3.6°，工作方式为单波束。

挪威Kongsberg公司于本世纪初推出了两款海底地层剖面仪，TopasPS18和TopasPS40。TopasPS18的原频频率为15～21kHz，差频频率为0.5～6kHz，4kHz时声源级为204dB，差频波束宽度4.5°(圆形阵)；TopasPS40的原频频率为35～45kHz，差频频率为1～10kHz，6kHz时声源级为204dB，差频波束宽度3°～5°(圆形阵)；两个型号均为单波束。

ATLAS公司于2004年推出了最新的参量阵测深、海底地层剖面两用声纳PARASOUND，其最大差频声源级可以达到206dB，测深深度可达10000m，海底地层剖面深度可达200m。其原频频率范围为18～39kHz，差频频率范围为0.5～6.0kHz，典型差频波束宽度为4.5°×5.0°。PARASOUND可以采用13个独立波束的发射，据介绍是采用线性调频信号和Barker码信号，并且可以允许用户自己编码。但是多波束并不是其成熟功能。

中国科学院声学研究所东海研究还曾采用参量阵技术研制了水库堤坝安全检测设备，其应用类似于地层剖面仪。其中采用了电子波束旋转技术，实现了±16°的波束旋转，但是不具备同时区分不同方向回波的能力，仍然必须等待一个方向探测完成后，再旋转到另外一个方向探测，只不过电子旋转代替了以往国内的机械旋转方式。

2

大深度多普勒计程仪

多普勒计程仪提高测速灵敏度需要窄波束；高频声波在几千至上万米的海水传播中吸收很大，须选择低频；上述两项要求使得参量阵技术是一种较好的选择，因此20世纪七八十年代美国研制过参量阵大深度多普勒计程仪，工作深度达6000m，但是最终没有获得广泛的应用(也许是因为相关测速技术的发展使得低频宽指向性常规声纳得以应用)。

3

掩埋物探测声纳

20世纪90年代是世界各国竞相研制海底掩埋雷探测声纳的时期，当时的欧共体数国曾联合研制试验了参量阵探雷声纳，国内也同期开展了相应的研究。但到目前为止，参量阵技术并没有能够在掩埋雷探测声纳中获得广泛应用，其中有一个重要的原因就是军用声纳对探测效率要求较高，而参量阵声纳的多波束技术还处于探索阶段，目前一般只能以单波束方式工作，因此虽然参量阵声纳常常是实验室和海上进行掩埋物探测试验的首选，却没有能够成为成熟的装备。

4

参量阵通信声纳

参量阵的低频、窄波束、高带宽、几乎无旁瓣的特性有一定的水声通信应用价值。对于浅海远距离高速率的水声通讯，要求低频以满足作用距离，宽带以满足通讯速率，窄波束以减小浅海界面的多途效应，参量阵技术是一个较好的选择；英国伯明翰大学在上世纪末本世纪初进行了相关的理论和试验研究。

5

港口警戒声纳

本世纪初，美国Nuvosonic公司推出了SeaScout港口警戒声纳。其原频频率范围为21～33kHz，差频频率范围为4～7kHz，5kHz时的声源级超过200dB；差频波束宽度为7°×8°，号称作用距离超过2000m。该声纳采用相控阵发射和接收(收发分置)，采用复杂长脉冲信号(PCW及编码脉冲信号，典型脉宽100ms，最大脉宽3S)，其与以往参量阵技术的水声工程应用的最显著的区别是采用了相对复杂的信号处理技术，但从其使用方式判断仍为单波束。

三

主要问题及相关研究

从以往的工程应用中可以看出，参量阵技术在水声工程中的最主要、最成功的应用是高分辨率海底地层剖面仪。这个应用最大限度地回避了参量阵声纳面临的两个主要问题：⑴转换效率低因而差频声源级不高；⑵实现多波束很困难。

参量阵实现多波束困难主要是工程范畴的问题，而不是物理范畴的问题。因为海底地层中的声吸收随频率的升高急剧增加，参量阵因转换效率低带来的差频声源级的损失相比较频率增加带来的吸收损失要小很多，因此在要求小体积、窄波束的情况下，其相对较低的声源级但是频率很低的特点，比起较高声源级但吸收损失很大的高频声波仍然有明显的优势；再者，海底地层剖面仪通常没有多波束要求，垂直向下的单个波束具有最佳穿透效率。

而因为参量阵差频声源级较低、实现多波束困难，其在常规的水下目标探测声纳中则一直没有获得很好应用；同时，国内外针对参量阵的这两个弱点的研究也一直在进行。

1

差频声源级的提高

提高参量阵转换效率，因而提高差频声源级有3个可能的途径：⑴改变介质参数；⑵提高原频声源级；⑶提高差频频率。

通过发射波形选择可以使差频声源级相对于两个单频波发射的情况有几分贝的改善，但是实际应用从来都不是采用两个单频信号，因此一般不将这种发射信号形式的选择认为是提高差频声源级的方法。

最早的提高参量阵转换效率的研究都是从改变介质参数入手，如果介质的密度减小、声速减小、非线性参数增大，差频声源级会显著增大。硅橡胶、气泡层作为提高转换效率的手段都获得了实验验证，但是显然这两种物质都不可能大范围地出现在探测声纳的前方，因而不具有在水声工程中实际应用的价值。

提高原频声源级也是常用的提高参量阵转换效率的手段，但是原频声源级的提高也是有限制的，即使能够忍受声饱和效应对参量阵性能带来的恶化，声空化也将限制原频声源级的提高。通常情况下声源级仅适合提高到弱饱和的状态(即SLc量级)。

再有一个手段则是提高差频波的频率。这个手段以往较少采用，主要有两个原因：一是提高差频波的频率意味着要提高换能器的带宽，这对于换能器的要求很高；二是提高了差频波的频率，也就增加了其吸收损失，而且波束宽度变窄的比率相比较而言没有更低的差频频率情况下那么显著。

随着宽带换能器技术的发展，提高差频频率变得比较简单后，较高的差频频率、即小下移比(原频和差频频率的比值)的情况越来越多地出现在了国外参量阵技术的水声工程应用中。比如Parasound的下移比达到了6，而Topas的下移比达到了3～4，比以往常用的10左右的下移比大大减小了，致使差频声源级可以提高十几分贝，因此声源级大于200dB在国外近年的海底地层剖面仪中比较常见。

2

多波束参量阵

因为通常的探测声纳对于探测速度都是有一定的要求的，单波束方式较低的探测效率也是参量阵声纳获得更广泛应用的一个制约因素。如果说提高参量阵的转换效率、使差频声源级基本达到水声工程的实用阶段在国外已经基本实现了的话，多波束参量阵技术则是国内外都还在继续探索的课题。

从前面的分析可知，参量阵的低频窄波束特性是在换能器发射的声波的传播过程中产生的，而其声波的接收方式通常为低频宽波束接收(如果采用低频窄波束接收，必然接收阵的孔径很大，失去了参量阵声纳换能器孔径小这一最主要的优点)，因此不具有常规多波束声纳通过接收多波束来区分不同方向的信号的能力。

采用电子扫描方式实现参量阵声纳的波束旋转，在国内(如前述中国科学院声学研究所东海研究的水库堤坝安全检测设备)和国外都有应用，但都不是真正意义上的多波束，因为必须等待一个方向的信号回波到达后波束才能旋转到另外一个方向，否则宽指向性接收时无法区分不同方向的回波信号。只有电子扫描多波束发射的各个方向的波束之间的相关性很小时，宽指向性接收情况下才有可能通过信号相关检测来区分不同方向的信号，实现真正的多波束发射(即不需要等一个方向的信号回来之后再发射另一个方向的信号)。

从信号的空间特性角度来区分不同方向的波束主要可以采用频分和码分的方式，可以有多种信号形式，但是考虑到在复杂的海洋环境下实际探测时对信号带宽、脉冲长度的要求，抑制混响的要求，以及参量阵信号的自解调效应等等因素，很多方法的实际应用效果都受到限制。国内在这方面做了一些仿真和实验研究，研究了包括频分多址和码分多址技术应用于参量阵的多波束发射的可能性，但是国内外都没有相关的成熟的工程应用的报道。

国外在Parasound的性能介绍中提到了13个独立波束，其是否是真正的多波束发射、性能如何，从其技术人员的介绍来看并不乐观。采用正交编码的方式来形成多个发射波束有两个问题：一是高效率地产生双极性码调制的正弦信号，对于参量阵的非线性自解调效应来说并不是很简单，二是因为不同的编码方式占用的是同一个频带，在强混响环境下会增加混响强度，此时的混响强度须按接收的宽波束考虑，而不是如单波束参量阵声纳那样按发射的窄波束考虑。而采用频分的方式来形成多个发射波束也有问题，会大幅度降低单个波束的带宽，对声纳的距离分辨率和抗混响特性都会产生较大的影响。如何在浅海混响环境下实现参量阵声纳的有效的多波束发射仍是一个有待深入研究的课题。

四

结语

由于介质的非线性，两个同向传播的高强度声波可产生具有累积效应的同向传播的差频波，此即参量阵技术的基本物理原理。参量阵技术的主要特点是可以用小孔径的换能器产生高指向性的低频声波，且波束基本无旁瓣，较容易实现大带宽。其在水声工程中主要应用在高分辨率海底地层剖面仪上，在掩埋物体探测、大深度多普勒计程仪、水声通讯等应用领域也有相关研究，最近还出现了基于参量阵技术的水下小目标探测声纳。

限制参量阵技术在水声工程中、特别是在水下目标探测中被广泛应用的主要问题是：差频声源级较低以及形成多波束较困难。对这两个问题的研究目前都有一些进展，但仍有待进一步提高，目前能实现的差频声源级比常规线性声纳常用的声源级还低一个量级，在多波束性能上还不能很好地满足浅海高混响环境下的应用。如果在两个问题的研究上能更进一步，参量阵技术将在声纳领域有更好的应用。

END

来源：溪流之海洋人生

作者：李颂文，1966年出生，上海船舶电子设备研究所水声对抗技术国防科技重点实验室，研究员，研究方向为水声信号处理、水下声成像和非线性水声学

原标题：《学术交流 | 参量阵技术在水声工程中的应用及其相关问题研究》