空气声呐科普贴系列（三）

声源定位与声场成像有什么区别？

上一篇科普贴中，我们讲到了空气声呐因为阵形不同，性能会有显著区别。详细内容参看前期文章空气声呐不同阵形的性能有什么区别？

在该文中我们曾提到过——螺旋阵不规则的分布，波束图的旁瓣很低，适合用来声场成像，那么其他阵型为什么不适合呢？这里还得从声源定位与声场成像的区别说起。

我们先说声源定位（因为实际上声源定位的方法众多，这里提到的声源定位仅指通过阵列波束形成被动声源定位），本文仅从工程实现上谈谈两者的区别。对于大部分基于波束形成的声源定位系统，其实现流程一般都有如下所示的几个步骤：

声源定位流程

在声源定位流程中，计算出阵列的波束图之后，一般还有两步：

1)寻找波束峰值——也就是搜寻主瓣的峰值，因为主瓣（最高的小山峰）峰值此时对应的空间角度是声源的方向，可以从而获得声源方向信息。

2)空间位置映射——计算出来声源方向后，根据阵列的已知位置信息进行空间映射即可计算出声源的相对位置。

可以看出，整个声源定位的核心步骤是前两步，因为主瓣所对应的空间角度的准确性直接决定了声源定位系统的精度。正向我们前面所说的，主瓣宽度越窄，相对旁瓣越高，此时定位的精度则越高，抗干扰性越强。

正是基于这个道理，我们常见的声源定位系统的阵型一般都会选择大孔径的均匀阵，这是提升声源定位系统精度最简单粗暴的方法，因为这样合成的波束主瓣又高又窄。因此在常见的声源定位系统中，主瓣宽度（3dB宽度）往往会被作为很重要的系统指标。

下图展示了日常生活中的几种声源定位系统，可以看出这些系统大多采用简单粗暴的均匀线列阵或是平面阵，而且尺寸都比较大（潜艇的舷侧阵声呐可长达数十米）。

接下来我们详细了解一下声场成像技术。

声场成像，正如其名，主要是将声场可视化展示的一个技术，这里主要是指基于波束形成的声场成像技术，原理先不做赘述，先看工程上的实现步骤吧。

仅从实现步骤来看，基于波束形成声场成像与声源定位前两步骤是完全一样的，考虑到波束形成的运算量较大，从计算角度考虑，两者有80%的工作是相同计算，那么声场成像后两步在干什么呢？

1)图像等高线化——这一步是将三维的波束图投影到同一平面并等高线化的过程，颜色越红则代表该区域值越大。可以想象，最红的区域自然是主瓣了。

2)图像映射——这一步则是把声场的等高线图按照一定规则映射到实际画面中，实际映射区域也会根据画面视场角进行调整。

说到这可能有点抽象，实现原理需要大家展开丰富的想象，不过不影响我们今天的主题，那么为什么不规则螺旋阵更适合声场成像啊？原因很简单，说通俗点，不规则螺旋阵用来成的像更漂亮！

这是为什么？下图展示了32元十字阵与螺旋阵的波束图与波束等高线图，我们先看看：

上一篇我们讲过了，相比螺旋阵，十字阵旁瓣较高，此时同时用十字阵与螺旋阵来成像的效果则如下图所示：

这是我们合成的成像图，虽然和真实的略有差距，但能说明问题，可以看出，两张图虽然主瓣都成像在音箱之上，但是十字阵在成像时由于旁瓣较高，也会随着主瓣被呈现出来，导致整个声场成像图出现干扰性的画面，抗干扰能力较弱；而螺旋阵由于旁瓣很低，在成像时会完美展现主瓣部分，抗干扰能力较强，再加上后期模糊、羽化等处理，实际中你看到的声场成像是下面这样的：

可以看出，相比声源定位系统，声场成像更看重阵列抑制旁瓣的能力，主瓣的宽窄对于成像效果并不会有太大的影响，但是旁瓣的干扰则会另成像效果大打折扣，所以，用于声场成像的声学相机大多数都会选择不规则的螺旋阵作为阵型。

国外知名企业的几款声学相机，都是不规则阵型

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基于波束形成的声源定位技术与声场成像技术本质是同一技术的不同应用形态，只是两者技术的侧重点不同，声源定位系统更在意更高的分辨率与精度，而声场成像技术更在意更好的成像效果与抗干扰性，因此决定了两者选择的声呐阵型也有较大差距。