CN105387924B - 一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器。该矢量水听器专用于拖曳声纳阵列，能实现矢量水听器横滚方向的姿态自矫正，达到使阵列中各矢量水听器基元姿态自动保持一致的目的。具体设计了一种偏重心的悬挂支撑系统，该系统与矢量水听器固连，且能自由转动。根据动力学原理，矢量水听器能自动保持重心最低的状态，从而确保阵列各基元保持相同的姿态。本发明不仅适用于拖曳矢量阵列矢量水听器的姿态控制，同时适用于拖曳阵列姿态传感器的姿态控制，保证拖曳阵列内姿态传感器始终保持在水平状态，从而提高姿态传感器的测量精度。

Description

一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器。该光纤矢量水听器专用于拖曳声纳阵列，通过能在外支撑框架内自由旋转的偏重心内悬挂框架自动矫正水听器的姿态，使阵列中各水听器基元的传感轴方向保持一致。

背景技术

矢量水听器是水声探测领域的重要传感器，单基元就能获取介质质点运动的矢量信息，因而能准确测量声压信号的传播方向。特别是在拖曳水听器声纳阵列应用方向，它相较于标量水听器具有辨别左右舷模糊的能力，且在有限的声纳孔径内，矢量水听器阵列能获得更好的空间增益，大大提高水声目标探测水平。

在拖曳矢量水听器声纳阵列中，对矢量水听器的姿态进行控制是矢量水声信号探测的基础。矢量水听器获取的是水声信号相对于其自身的方位信息，考虑到综合作战系统的需要，通常需要把该相对方位信息转换成水声信号相对于大地坐标的方位信息，然后利用阵列中不同矢量水听器的探测结果进行波束形成等水声信号处理，才能准确获得水声目标的方位。将相对坐标转化为大地坐标需要电子罗盘对水听器的姿态进行监测，若一个电子罗盘对应一个矢量水听器，对于大规模阵列应用来说，既受限于可串联的电子罗盘数目，也会大大增加成本和系统复杂性。因而，保证阵列中各矢量水听器姿态的一致性对拖曳矢量水听器声纳阵列至关重要。

在潜标和浮标等空间不受限制的声纳系统中，矢量水听器可以依靠相互正交的三对弹性体对称悬挂在一个较大的悬挂框架中，同时利用一个大重物块和三维自由旋转装置使矢量水听器基元在同一方向，但缺点是矢量水听器结构非常大。在拖曳矢量水听器阵列中，为减小声纳体积，必须控制阵列的外径；同时为了保证矢量水听器在液体介质中处于悬浮状态并提高灵敏度，矢量水听器的外径则越大越好，因而在有限的空间内，由三维悬挂框架、大重物块和三维自由旋转装置组成的姿态自矫正装置难以满足拖曳阵列应用需求。为解决该问题，本发明设计了一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器。该光纤矢量水听器为圆柱状结构，通过八根弹簧在水听器轴向两端对称悬挂的方式与内悬挂框架连接，该内悬挂框架可绕外支撑框架自由旋转，内悬挂框架采用偏重心结构设计，能使光纤矢量水听器自动稳定至系统重心最低的状态，有效解决了拖曳阵有限尺寸内的光纤矢量水听器悬挂和姿态矫正的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，设计一种针对拖曳声纳阵列的具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器，能实现光纤矢量水听器横滚方向的姿态自矫正，达到使阵列中各光纤矢量水听器基元姿态自动保持一致的目的。

(二)发明原理

拖曳矢量声纳阵列由一定数量的光纤矢量水听器基元组成，基元以一定间隔均匀分布在一条PU材质的软管中，如图1所示。每个光纤矢量水听器都有三个正交轴，针对光纤矢量水听器自身的直角坐标系，定义沿PU管轴向的方向为Z轴，其他两个轴分别为X轴和Y轴。在矢量阵列装配过程中，若不能有效控制各个光纤矢量水听器的姿态，各基元的X轴和Y轴之间就不能保证方向相同，这会增加矢量阵列信号处理的复杂度。

本发明设计了一种机械结构，能使光纤矢量水听器的X轴和Y轴自动调节方向。该机械结构由内悬挂框架、外支撑框架、旋转轴承和弹性体组成，重点是保证内悬挂框架能绕Z轴自由旋转。光纤矢量水听器通过弹性体与内悬挂框架固连，因此能和内悬挂框架同步转动。内悬挂框架的自动旋转靠绕Z轴均匀圆周分布的四根支撑杆实现，四根支撑杆中有三根支撑杆采用密度相同的金属制成，一根支撑杆采用密度比其它三根支撑杆大的金属制成，支撑杆起到支撑作用和调节系统重心的作用。拖曳阵列在工作时光纤矢量水听器的Z轴与水平面平行，即四根支撑杆与水平面平行。根据动力学原理，内悬挂框架重心最低时将处于稳定状态，此时密度最大的支撑杆将旋转至最低位置，并在阵列姿态改变时自动调节系统保持该状态。当每个光纤矢量水听器基元均以该方式调节自身姿态时，各基元的X轴和Y轴方向便能自动保持一致，这就是本发明所述姿态自矫正水听器姿态自矫正的原理和目的。

(三)技术方案

本发明采用的技术方案为：一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器，包括：内悬挂框架、外支撑框架、自由旋转轴承、光纤矢量水听器、悬挂支架和弹性体。

所述内悬挂框架由两个圆环内套和四根内支撑杆组成，两个圆环内套分别位于四根内支撑杆的两端，所述圆环内套由两个内径相同外径不同的圆环组成，其中外径较小圆环位于轴向外侧，外径较大圆环的圆周径向外侧间隔90度设置四个带有缺口的耳状突起，用于固定内支撑杆，外径较大圆环的圆周轴向内侧间隔90度设置四个圆台，圆台上开有小孔，用于固定弹性体。所述四根内支撑杆中的三根采用密度相同的金属制成，另外一根采用密度比其它三根支撑杆大的金属制成，四根内支撑杆的几何尺寸均相同；

所述外支撑框架由两个圆环外套和四根外支撑杆组成，两个圆环外套分别位于四根外支撑杆的两端，所述圆环外套的圆周径向外侧间隔90度设置四个缺口，用于固定外支撑杆，所述圆环外套的内孔在轴向的外侧边缘处设置定位凸台，防止旋转轴承因为轴向受力从圆环外套中脱落；所述外支撑框架的外径与光纤矢量水听器拖曳阵PU管内径相匹配，具有一定的抗侧压能力，起到支撑和保护光纤矢量水听器的目的，所述四根外支撑杆的材料及几何尺寸均相同；

所述自由旋转轴承为两个内径等于圆环内套中外径较小圆环的外径，外径等于圆环外套内径的滚珠轴承，分别镶嵌在圆环内套和圆环外套之间，起到使内悬挂框架自由旋转的作用；

所述光纤矢量水听器是用于水声信号探测的三维同振型振速传感器(其内部结构参见Experimental research of an all-polarization-maintaining optical fibervector hydrophone,Wang J F,Luo H,Meng Z,et al.,Journal of LightwaveTechnology,2012,30(8):1178-1184.)，外形为圆柱状，中间突起部分间隔90度开有四个槽，方便内悬挂框架的四根内支撑杆从中穿过，起到限位和减小内悬挂框架径向尺寸的作用；

所述悬挂支架固定在光纤矢量水听器的两端，所述悬挂支架上沿圆周对称分布有四个小孔，用于固定弹性体；

所述弹性体是用于连接光纤矢量水听器和内悬挂框架的弹簧，能保证光纤矢量水听器有限制地自由运动但不过度偏离振动中心，且不与内悬挂框架和外支撑框架有接触，所述弹性体的静态长度要能保证其初始处于拉伸状态。

(四)发明优点

本发明具有以下优点：

1)采用偏心结构设计，使光纤矢量水听器通过重力作用达到系统重心最低的状态，有效保证了阵列中各个矢量基元姿态的一致性。

2)外支撑框架采用高强度的金属材料，两端的轴承支撑部分能减少轴承承受外界的侧向压力，保证轴承能在一定的侧向压力下仍能自由旋转；外支撑杆能保证阵列弯曲时，光纤矢量水听器姿态自矫正装置不发生形变，从而保证内悬挂框架不发生变形，并与自由旋转轴承一起能在外支撑框架内自由旋转。

3)光纤矢量水听器采用两端弹性悬挂，可以避免光纤矢量水听器三轴正交悬挂需求的大空间，从而在有限的拖曳阵直径下，使光纤矢量水听器直径最大化，有利于提高光纤矢量水听器的灵敏度和工作频带。

4)光纤矢量水听器依靠弹性体悬挂在内悬挂框架内，与内悬挂框架和外支撑框架无接触，从而保证光纤矢量水听器能准确感受到声压产生的微小振速信号。内悬挂框架也能限制光纤矢量水听器工作在有限的范围内，降低了过大的振动和冲击对光纤矢量水听器的破坏风险。

5)本发明不仅适用于拖曳矢量阵列中光纤矢量水听器的姿态控制，同时适用于拖曳阵列姿态传感器的姿态控制，使拖曳阵列内姿态传感器始终保持在水平状态，从而提高姿态传感器的测量精度。

附图说明

图1为本发明所述具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器用于拖曳光纤矢量水听器阵列的示意图；

图2为本发明所述的具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器结构示意图；

图3所示为内悬挂框架的结构示意图；

图4所示为圆环内套的结构示意图；

图5所示为外支撑框架的结构示意图；

图6所示为圆环外套的结构示意图；

图7所示为自由旋转轴承的结构示意图；

图8所示为光纤矢量水听器的结构示意图；

图9所示为悬挂支架的结构示意图；

图10所示为弹性体示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体实施过程作进一步的详细说明如下，图1为本发明所述的具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器用于拖曳矢量水听器阵列示意图；图2为本发明所述的具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器结构示意图；图3至图10所示为本发明所述的具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器主要组成部件的结构示意图。

一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器，包括：内悬挂框架1、外支撑框架2、自由旋转轴承3、光纤矢量水听器4、悬挂支架5和弹性体6。

所述内悬挂框架1由两个圆环内套11和四根内支撑杆12组成，两个圆环内套11分别位于四根内支撑杆12的两端，所述圆环内套11由两个内径相同外径不同的圆环组成，其中外径较小圆环位于轴向外侧，外径较大圆环的圆周径向外侧间隔90度设置四个带有缺口的耳状突起，用于固定内支撑杆12，外径较大圆环的圆周轴向内侧间隔90度设置四个凸台，凸台上开有小孔，用于固定弹性体6。所述四根内支撑杆12中的三根采用密度相同的金属制成，另外一根采用密度比其它三根支撑杆大的金属制成，四根内支撑杆12的几何尺寸均相同；

所述外支撑框架2由两个圆环外套21和四根外支撑杆22组成，两个圆环外套21分别位于四根外支撑杆22的两端，所述圆环外套21的圆周径向外侧间隔90度设置四个缺口，用于固定外支撑杆22；所述圆环外套21的内孔在轴向的外侧边缘处设置定位凸台，防止旋转轴承3因为轴向受力从圆环外套21中脱落；所述外支撑框架2的外径与光纤水听器拖曳阵PU管内径相匹配，具有一定的抗侧压能力，起到支撑和保护光纤矢量水听器的目的；所述四根外支撑杆22的材料及几何尺寸均相同；

所述自由旋转轴承3为两个内径等于圆环内套11中外径较小圆环的外径，外径等于圆环外套21内径的滚珠轴承，分别镶嵌在圆环内套11和圆环外套21之间，起到使内悬挂框架1自由旋转的作用；

所述光纤矢量水听器4是用于水声信号探测的三维同振型振速传感器，外形为圆柱状，中间突起部分间隔90度开有四个槽，方便内悬挂框架1的四根内支撑杆从中穿过，起到限位和减小内悬挂框架径向尺寸的作用；

所述悬挂支架5通过螺孔固定在光纤矢量水听器4的两端，所述悬挂支架5上沿圆周对称分布有四个小孔，用于固定弹性体6；

所述弹性体6是用于连接光纤矢量水听器4和内悬挂框架1的弹簧，能保证光纤矢量水听器4有限制地自由运动但不过度偏离振动中心，且不与内悬挂框架1和外支撑框架2有接触，所述弹性体6的静态长度要能保证其初始处于拉伸状态。

Claims (1)

1.一种具有姿态自矫正功能的光纤矢量水听器，其特征在于：所述水听器包括内悬挂框架、外支撑框架、自由旋转轴承、光纤矢量水听器、悬挂支架和弹性体；

所述内悬挂框架由两个圆环内套和四根内支撑杆组成，两个圆环内套分别位于四根内支撑杆的两端，所述圆环内套由两个内径相同外径不同的圆环组成，其中外径较小圆环位于轴向外侧，外径较大圆环的圆周径向外侧间隔90度设置四个带有缺口的耳状突起，用于固定内支撑杆，外径较大圆环的圆周轴向内侧间隔90度设置四个圆台，圆台上开有小孔，用于固定弹性体；所述四根内支撑杆中的三根采用密度相同的金属制成，另外一根采用密度比其它三根支撑杆大的金属制成，四根内支撑杆的几何尺寸均相同；

所述外支撑框架由两个圆环外套和四根外支撑杆组成，两个圆环外套分别位于四根外支撑杆的两端，所述圆环外套的圆周径向外侧间隔90度设置四个缺口，用于固定外支撑杆，所述圆环外套的内孔在轴向的外侧边缘处设置定位凸台，防止旋转轴承因为轴向受力从圆环外套中脱落；所述外支撑框架的外径与光纤矢量水听器拖曳阵PU管内径相匹配，具有一定的抗侧压能力，起到支撑和保护光纤矢量水听器的目的，所述四根外支撑杆的材料及几何尺寸均相同；

所述自由旋转轴承为两个内径等于圆环内套中外径较小圆环的外径，外径等于圆环外套内径的滚珠轴承，分别镶嵌在圆环内套和圆环外套之间，起到使内悬挂框架自由旋转的作用；

所述光纤矢量水听器是用于水声信号探测的三维同振型振速传感器，外形为圆柱状，中间突起部分间隔90度开有四个槽，方便内悬挂框架的四根内支撑杆从中穿过，起到限位和减小内悬挂系统径向尺寸的作用；

所述悬挂支架固定在光纤矢量水听器的两端，所述悬挂支架上沿圆周对称分布有四个小孔，用于固定弹性体；

所述弹性体是用于连接光纤矢量水听器和内悬挂框架的弹簧，能保证光纤矢量水听器有限制地自由运动但不过度偏离振动中心，且不与内悬挂框架和外支撑框架有接触，所述弹性体的静态长度要能保证其初始处于拉伸状态。