CN108508408A - 一种水下声纳定向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下声纳定向系统及方法，通过水下探测器，包括一个中心探头和多个侧扫探头，探测水下目标信号，并将探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；用户终端或服务器对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位：当判断接收到的水下目标信号来自于中心探头或某一个侧扫探头时，则确定水下目标在此探头的扫描方向；当判断接收到的目标信号来自于相邻的两个侧扫探头时，则确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的范围内，解算模块根据相邻的两个侧扫探头接收到的信号强度之差解算出水下目标所对应的方位角。本发明具有结构简单、重量小、探测范围大、定向方法简单等优点，能够快速实现对水下目标的精确定向。

Description

一种水下声纳定向系统及方法

技术领域

本发明属于水下定向技术领域，特别是涉及一种水下声纳定向系统及方法。

背景技术

声呐系统是进行水下监测使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、定向、定位或跟踪，并可进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声呐系统还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等，和许多科学技术的发展一样，社会的需要和科技的进步促进了声呐技术的发展。按工作方式声纳系统可以分为主动声纳系统和被动声纳系统。主动声纳系统指声纳系统主动发射声波照射目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。被动声呐系统指声呐系统被动接收水中目标产生的辐射噪声或水声设备发射的信号，以测定目标的方位。

在现有技术中，多采用主动声纳系统进行水下目标定向，也有一部分采用被动声纳系统进行水下目标定向，而目前采用的被动声纳探测器多数是仅安装了一个向下的探头，仅能获得探测器下方或小幅度探测范围的水下目标信息并粗略判断目标方位，而无法实时获得大幅度探测范围的水下目标信息并进行精确定向。除上述探测器外，还有用于专业测量船只或少数大型船只使用的多波束测深系统及侧扫声纳，虽然能够大范围探测深度和海域周围信息，但由于体积较大、作业方式复杂、价格昂贵等原因，不适合投入实际使用。

如何提供一种既结构简单、重量小、定向方法快又能实现精确定向的声纳定向系统或声纳定向方法，降低声纳定向的应用门槛，是现有技术中一亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种水下声纳定向系统及方法，通过多点同时探测水下目标信号，并对探测到的水下目标信号进行简单的判断或解算处理来快速实现对水下目标的精确定向。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种水下声纳定向系统，包括一水下探测器和一用户终端或服务器，

所述水下探测器包括一个中心探头和多个侧扫探头，所述中心探头用于探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；所述多个侧扫探头用于探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；

所述用户终端或服务器用于对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

进一步的，所述水下探测器为一球形壳体，所述中心探头水平设置于所述球形壳体的正下方，所述侧扫探头围绕中心探头均匀分布并沿壳体球面以一定倾角设置。

进一步的，所述侧扫探头共四个，并按如下方式布置：以中心探头为中心，建立一直角坐标系，包括一X轴和一Y轴，将所述四个侧扫探头分别布置于X轴正半轴、X轴负半轴、Y轴正半轴和Y轴负半轴的位置上。

进一步的，所述X轴和Y轴组成的坐标分成四个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，其中，Ⅰ区对应第一象限，Ⅱ区对应第二象限，Ⅲ区对应第三象限，Ⅳ区对应第四象限；所述相邻的两个侧扫探头共同覆盖同一象限。

进一步的，所述每个侧扫探头均沿壳体球面以15°至30°倾角设置，在可覆盖中心探头探测范围的条件下，探测范围为90°至120°。

进一步的，所述水下探测器还包括一无线传输模块，在该无线传输模块位于水面上方时，将所述中心探头和侧扫探头探测到的目标信号通过该无线传输模块上传给用户终端或服务器。

进一步的，所述用户终端或服务器包括信号接收模块、信号判断及解算模块，所述信号接收模块用于接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，所述信号判断及解算模块用于对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

本发明还提供一种水下声纳定向方法，所述方法包括：

通过水下探测器探测水下目标信号，中心探头探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；多个侧扫探头探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；

用户终端或服务器接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，并对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

进一步的，所述用户终端或服务器确定水下目标方位的具体步骤如下：

S100、判断接收到的目标信号是否来自于中心探头，如是，则确定水下目标在探测器的正下方；如不是，则执行如下步骤；

S200、判断接收到的目标信号是否来自于某一个侧扫探头，如是，则确定水下目标在此侧扫探头的扫描方向；如不是，则执行如下步骤；

S300、判断接收到的目标信号是否来自于相邻的两个侧扫探头，如是，则确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限内；如不是，则重新接收水下探测器发送的目标信号，返回步骤S100，直到确定出水下目标方位。

进一步的，当确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限时，所述用户终端或服务器解算模块根据相邻的两个侧扫探头接收到的信号强度之差解算出水下目标所对应的方位角。

本发明采用如上技术方案带来的有益技术效果是：本发明具有结构简单、重量小、探测范围大、定向方法简单等优点，可快速实现对水下目标的精确定向。本发明水下声纳定向系统可广泛应用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌勘测等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的水下探测器的侧视图；

图2是本发明一个实施例提供的水下探测器的仰视图；

图3是本发明一个实施例提供的侧扫探头为15°设置时的探测范围示意图；

图4是本发明一个实施例提供的侧扫探头为30°设置时的探测范围示意图；

图5是本发明一个实施例提供的侧扫探头布局方法示意图；

图6是本发明一个实施例提供的对相邻两侧扫探头接收到的信号确定方位角的示意图；

图7是本发明一个实施例提供的对相邻两侧扫探头接收到的信号确定方位角波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，本文通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，即所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本发明提供的一种水下声纳定向系统，主要包括一水下探测器和一用户终端或服务器。其中，水下探测器用于多点同时探测水下目标信号，如图1、图2所示，所述水下探测器包括一个中心探头和多个侧扫探头，所述中心探头用于探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；所述多个侧扫探头用于探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；所述用户终端或服务器接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，并对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

在一个优选实施例中，如图1所示，所述水下探测器为一球形壳体，球形壳体下方设置有一个中心探头和多个侧扫探头，中心探头用于探测正下方水域目标信号，多个侧扫探头用于探测周围水域目标信号。进一步的，球形壳体包括上壳体和下壳体，上壳体与下壳体通过密封圈围合形成一个密闭的防水性空腔。一个中心探头和多个侧扫探头设置于所述下壳体的底端。进一步的，中心探头和侧扫探头作为本发明水下探测器的核心部件，因此将中心探头和侧扫探头均采用压电陶瓷制成，压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，易于加工成型。压电陶瓷对外力敏感的特性，可以将极其微弱的振动转换成电信号，压电陶瓷在受到外界的力后(如声波震动的力等),会在其两端面产生出不同极性的电压信号来，其产生的电压的大小和作用于其端面上的力和作用时间有关，接收声波一般可以达到mV级的电压，因此压电陶瓷具有稳定性好、精度高、适用频率范围宽等优点。进一步的，本发明水下探测器还包括一无线传输模块，在该无线传输模块位于水面上方时，将所述水下探测器的中心探头和侧扫探头探测到的目标信号通过该无线传输模块上传给用户终端或服务器。在本发明中，无线传输模块可优先选用WIFI技术或ZIGBEE技术。

在一个优选实施例中，水下探测器的中心探头和多个侧扫探头按一定规律排列，如图2所示，中心一个探头，有较好的指向性，水平放置，用来探测探测器的正下方水域目标信号。围绕中心探头均匀分布多个侧扫探头，用于探测周围水域目标信号，具有较大的探测范围。所述中心探头水平设置于所述球形壳体的正下方，所述多个侧扫探头围绕中心探头均匀分布并沿壳体球面以一定倾角θ设置。倾角θ的大小会影响探测器设备的探测范围，在可覆盖中心探头探测范围的条件下，θ越大，可探测的范围越大。如图1、图2、图3、图4所示，在本发明中，优选四个侧扫探头，每个侧扫探头均沿壳体球面以15°至30°倾角设置，在可覆盖中心探头探测范围的条件下，探测范围为90°至120°。当侧扫探头沿壳体球面以15°倾角设置时，在可覆盖中心探头探测范围的条件下，探测范围为90°。当侧扫探头沿壳体球面以30°倾角设置时，在可覆盖中心探头探测范围的条件下，探测范围为120°。通过如上设置，本发明中的水下探测器具有较大的探测范围。当然，本实施例并不限于此，例如本发明水下探测器中的侧扫探头还可选用多于四个侧扫探头，其侧扫探头的布局原理同样适用如上方式进行设置，即多个侧扫探头都是围绕中心探头均匀分布。当侧扫探头数量改变时，对其侧扫探头沿壳体球面设置的倾角θ也可根据实际情况作出相应调整。

在另一个优选实施例中，将所述四个侧扫探头，按如下方式布置：以中心探头为中心，建立一直角坐标系，包括一X轴和一Y轴，将所述四个侧扫探头分别布置于X轴正半轴、X轴负半轴、Y轴正半轴和Y轴负半轴的位置上；所述X轴和Y轴组成的坐标分成四个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，其中，Ⅰ区对应第一象限，Ⅱ区对应第二象限，Ⅲ区对应第三象限，Ⅳ区对应第四象限，所述相邻的两个侧扫探头共同覆盖同一象限。示例性的，如图5所示，数字标志的区域表示各探头探测到的区域范围，罗马数字标志的区域表示水下目标所在的象限。具体的，所述中心探头为1号探头，所述侧扫探头为四个，分别为2号探头、3号探头、4号探头和5号探头；将所述侧扫探头2号探头、3号探头、4号探头和5号探头按如下方式布置：以1号探头为中心，建立一直角坐标系，包括一X轴和一Y轴，所述X轴和Y轴组成的坐标分成四个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，其中，Ⅰ区对应第一象限，Ⅱ区对应第二象限，Ⅲ区对应第三象限，Ⅳ区对应第四象限，将所述2号探头设置于Y轴的正半轴位置上，将所述3号探头设置于Y轴的负半轴位置上，将所述4号探头设置于X轴的正半轴位置上，将所述5号探头设置于X轴的负半轴位置上。本实施例中，相邻的两个侧扫探头共同覆盖同一象限，所述2号探头和4号探头共同覆盖第一象限，所述2号探头和5号探头共同覆盖第二象限，所述5号探头和3号探头共同覆盖第三象限，所述3号探头和4号探头共同覆盖第四象限。本实施例所述侧扫探头按如上方式布置带来的优点是，当其中一个或相邻的两个侧扫探头探测到水下目标信号时，能够快速精确的实现对水下目标的方向定位。

在一个优选实施例中，所述用户终端或服务器包括信号接收模块、信号判断及解算模块，所述信号接收模块用于接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，所述信号判断及解算模块用于对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

本发明采用如上水下声纳定向系统进行水下目标的精确定向，将本发明中的水下探测器置于待探测的目标水域中，水下目标主动发射信号，且发射无指向性。水下探测器的中心探头和多个侧扫探头同时启动工作，多点同时探测水下目标信号，当有中心探头或侧扫探头探测到水下目标信息时，水下探测器将中心探头或侧扫探头探测到的水下目标信号通过无线传输模块上传给用户终端或服务器。用户终端或服务器的信号接收模块用于接收中心探头或侧扫探头探测到的水下目标信号，信号判断及解算模块对接收到的水下目标信号进行判断或解算处理，确定水下目标方位，当用户终端或服务器判断接收到的水下目标信号来自于中心探头或某一个侧扫探头时，则确定水下目标在此探头的正下方或扫描方向；当服务器判断接收到的水下目标信号来自于相邻的两个侧扫探头时，则确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的范围内，用户终端或服务器的解算模块根据相邻的两个侧扫探头接收到的信号强度之差解算出水下目标所对应的方位角，进而快速精确的实现对水下目标的定向。

实施例2

本发明提供的一种水下声纳定向方法，采用如上任一实施例所述的水下声纳定向系统，所述方法包括：

通过水下探测器探测水下目标信号，中心探头探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；多个侧扫探头探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；

用户终端或服务器接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，并对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

在一个更具体的实施例中，所述用户终端或服务器确定水下目标方位的具体步骤如下：

S100、判断接收到的目标信号是否来自于中心探头，如是，则确定水下目标在探测器的正下方；如不是，则执行如下步骤；

S200、判断接收到的目标信号是否来自于某一个侧扫探头，如是，则确定水下目标在此侧扫探头的扫描方向；如不是，则执行如下步骤；

S300、判断接收到的目标信号是否来自于相邻的两个侧扫探头，如是，则确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限内；如不是，则重新接收水下探测器发送的目标信号，返回步骤S100，直到确定出水下目标方位。

在一个更具体的实施例中，当确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限时，所述用户终端或服务器解算模块根据相邻的两个侧扫探头接收到的信号强度之差解算出水下目标所对应的方位角。

示例性的，将本发明中的水下探测器置于待探测的目标水域中，水下目标主动发射信号，且发射无指向性。水下探测器的中心探头和多个侧扫探头同时启动工作，多点同时探测水下目标信号，即中心探头1号探头探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；多个侧扫探头即2号探头、3号探头、4号探头和5号探头探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；用户终端或服务器接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，并对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位，如图5、图6、图7所示：

1、当中心探头1号探头可以接收到水下目标信号时，确定目标在探测器设备的正下方；

2、当中心探头1号探头无法接收到水下目标信号时：

(1)只有一个侧扫探头接收到水下目标信号，此时确定目标在此侧扫探头的扫描方向(如仅4号探头接收到了水下目标信号，此时确定目标在x轴正向)；

(2)当有相邻的两个侧扫探头可以接收到水下目标信号，此时确定目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限内(如2号探头和4号探头接收到了水下目标信号，此时确定目标在第一象限内)。

确定角度：当确定目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限内，相邻的两个侧扫探头接收到的信号强度之差会随目标方位角α呈线性变化，其中，u＝u2-u4，根据接收到的信号强度之差反推出水下目标对应的方位角。

本发明采用的水下声纳定向系统及方法，具有结构简单、重量小、探测范围大、定向方法简单等优点，可快速实现对水下目标的精确定向。本发明水下声纳定向系统及方法可广泛应用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌勘测等领域。

通过以上的实施方式的描述，本发明中使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件，即本领域的普通技术人员可以清楚地了解到部分实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分是以硬件加计算机软件产品的形式体现出来的，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下声纳定向系统，其特征在于,包括一水下探测器和一用户终端或服务器，所述水下探测器包括一个中心探头和多个侧扫探头，所述中心探头用于探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；所述多个侧扫探头用于探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；

所述用户终端或服务器用于对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

2.根据权利要求1所述的水下声纳定向系统，其特征在于，所述水下探测器为一球形壳体，所述中心探头水平设置于所述球形壳体的正下方，所述侧扫探头围绕中心探头均匀分布并沿壳体球面以一定倾角设置。

3.根据权利要求2所述的水下声纳定向系统，其特征在于，所述侧扫探头共四个，并按如下方式布置：以中心探头为中心，建立一直角坐标系，包括一X轴和一Y轴，将所述四个侧扫探头分别布置于X轴正半轴、X轴负半轴、Y轴正半轴和Y轴负半轴的位置上。

4.根据权利要求3所述的水下声纳定向系统，其特征在于，所述X轴和Y轴组成的坐标分成四个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，其中，Ⅰ区对应第一象限，Ⅱ区对应第二象限，Ⅲ区对应第三象限，Ⅳ区对应第四象限；所述相邻的两个侧扫探头共同覆盖同一象限。

5.根据权利要求2所述的水下声纳定向系统，其特征在于，所述每个侧扫探头均沿壳体球面以15°至30°倾角设置，在可覆盖中心探头探测范围的条件下，探测范围为90°至120°。

6.根据权利要求1所述的水下声纳定向系统，其特征在于，所述水下探测器还包括一无线传输模块，在该无线传输模块位于水面上方时，将所述中心探头和侧扫探头探测到的目标信号通过该无线传输模块上传给用户终端或服务器。

7.根据权利要求1所述的水下声纳定向系统，其特征在于，所述用户终端或服务器包括信号接收模块、信号判断及解算模块，所述信号接收模块用于接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，所述信号判断及解算模块用于对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

8.一种水下声纳定向方法，其特征在于，所述方法包括：

通过水下探测器探测水下目标信号，中心探头探测正下方水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；多个侧扫探头探测周围水域目标信号，并将其探测到的目标信号上传给用户终端或服务器；

用户终端或服务器接收中心探头或侧扫探头探测到的目标信号，并对接收到的目标信号进行判断和/或解算处理，确定水下目标方位。

9.根据权利要求8所述的水下声纳定向方法，其特征在于，所述用户终端或服务器确定水下目标方位的具体步骤如下：

S100、判断接收到的目标信号是否来自于中心探头，如是，则确定水下目标在探测器的正下方；如不是，则执行如下步骤；

S200、判断接收到的目标信号是否来自于某一个侧扫探头，如是，则确定水下目标在此侧扫探头的扫描方向；如不是，则执行如下步骤；

S300、判断接收到的目标信号是否来自于相邻的两个侧扫探头，如是，则确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限内；如不是，则重新接收水下探测器发送的目标信号，返回步骤S100，直到确定出水下目标方位。

10.根据权利要求9所述的水下声纳定向方法，其特征在于，当确定水下目标在相邻的两个侧扫探头共同覆盖的象限时，所述用户终端或服务器解算模块根据相邻的两个侧扫探头接收到的信号强度之差解算出水下目标所对应的方位角。