CN109031313A - 一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，包括带有阵外信号传输缆以及尾绳的曲线型阵列单元，所述曲线型阵列单元包括两端封闭且弯曲呈曲线型的套管，所述套管内分别设有阵内信号传输缆、多个标量水听器基元以及多个姿深传感器，且多个标量水听器基元以及多个姿深传感器均分别沿着套管的长度方向均匀分布排列。本发明仅利用一条标量水听器阵列就可以实现对目标的左右舷分辨，具有成本低和舰艇机动性不受影响等优点。

Description

一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列

技术领域

本发明涉及水声探测技术，具体涉及一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列。

背景技术

水听器是利用在海洋中传播的声波作为信息载体对水中目标进行探测并对目标进行定位、识别、跟踪以及实现水下导航、测量和通信的传感器。水听器技术被广泛用于海军水下活动的各个方面，是舰艇探测、侦察、导航的主要手段。由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，水听器技术已得到空前的发展。

为了提高探测距离以及对目标进行精确定位定向，水听器通常需要组成阵列来进行目标探测。其中，线阵列是常用的水听器阵列形式，主要用在拖曳线列阵和海底固定线列阵。基于无指向性声压水听器的标量直线阵无法分辨目标是来自阵列的左舷还是右舷，即存在左右舷模糊问题。对于拖曳直线阵而言，在实际应用中通常采用本舰机动的方法实现左右舷分辨，这种做法的弊端是不能实时分辨目标的具体方位和影响舰艇的正常航行。对于海底固定直线阵而言，一条阵列更加无法区分左右舷。因此通常采用多线阵和矢量阵的形式来克服左右舷模糊问题。多线阵存在收放困难，不便于舰艇机动的问题；矢量阵尚有一系列复杂的物理问题未能很好解决。针对单条标量水听器直线阵存在的左右舷模糊问题，本发明提出了一种可区分左右舷的曲线型水听器阵列，具有显著的应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，本发明仅利用一条标量水听器声纳阵列就可以实现对目标的左右舷分辨，具有成本低和舰艇机动性不受影响等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，包括带有阵外信号传输缆以及尾绳的曲线型阵列单元，所述曲线型阵列单元包括两端封闭且弯曲呈曲线型的套管，所述套管内分别设有阵内信号传输缆、多个标量水听器基元以及多个姿深传感器，且多个标量水听器基元以及多个姿深传感器均分别沿着套管的长度方向均匀分布排列。

优选地，所述套管内还设有多个阵列加固骨架，所述阵列加固骨架为圆柱状结构，所述阵列加固骨架的柱体外径与套管内径相同，所述多个阵列加固骨架沿着套管的长度方向均匀分布排列。

优选地，所述套管内还设有拉绳，所述拉绳的两端分别连接在套管两端的封闭堵头部件上，所述多个标量水听器基元、多个姿深传感器以及多个阵列加固骨架均与拉绳连接固定。

优选地，所述多个标量水听器基元、多个姿深传感器以及多个阵列加固骨架的外壳上分别设计两道轴向对称的凹槽，所述套管内总设有两根拉绳，且所述拉绳分别卡设在一个凹槽中且与凹槽内壁过盈配合。

优选地，所述多个标量水听器基元、多个姿深传感器以及多个阵列加固骨架的外壳沿轴线方向预留贯穿孔，所述阵内信号传输缆贯穿布置于贯穿孔中。

优选地，所述套管内的空隙中设有阵列填充物。

优选地，所述阵列填充物为硅油。

优选地，所述曲线型阵列单元的套管呈抛物线型。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明针对现有的标量水听器阵列存在的左右舷模糊问题，通过将阵列形状设计为曲线型，仅利用一条标量水听器阵列就可以实现对目标的左右舷分辨。

2、本发明克服了传统标量水听器阵列需要通过增加阵列数量或舰艇机动的方式来区分左右舷的缺点，具有成本低和舰艇机动性不受影响等优点。

3、本发明对标量水听器阵列的阵形设计具有一定的指导和借鉴意义，通过人为控制阵列的布放施工过程可有效控制阵形，充分利用特殊的阵形，仅利用单条阵列就可以达到多条阵列的探测效果。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的局部结构示意图。

图3为本发明实施例中曲线型阵列单元3的阵形示意图。

图4为本发明实施例中曲线型阵列波束形成算法的流程图。

图5为本发明实施例中抛物线型阵形的波束形成结果。

图6为本发明实施例中作为对比的直线型阵形的波束形成结果。

图例说明：1、阵外信号传输缆；2、尾绳；3、曲线型阵列单元；30、套管；31、阵内信号传输缆；32、标量水听器基元；33、姿深传感器；34、阵列加固骨架；35、拉绳；36、阵列填充物。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列包括带有阵外信号传输缆1以及尾绳2的曲线型阵列单元3，曲线型阵列单元3包括两端封闭且弯曲呈曲线型的套管30，套管30内分别设有阵内信号传输缆31、多个标量水听器基元32以及多个姿深传感器33，且多个标量水听器基元32以及多个姿深传感器33均分别沿着套管30的长度方向均匀分布排列。

阵外信号传输缆1与曲线型阵列单元3进行连接，用于将阵列传感信号传输回外部的信号处理子系统，外部的信号处理子系统用于对阵列传感信号进行数据处理、对姿深传感器进行通信控制、对光纤水听器提供光源、对压电水听器和姿深传感器提供电源。标量水听器基元32采用光纤水听器时，阵外信号传输缆1为光电复合缆；标量水听器基元32采用压电水听器时，阵外信号传输缆1为电缆。

尾绳2主要用于回收水听器阵列后将曲线型阵列单元3的尾端固定到舰船上的阵列收放绞盘上。

套管30具体采用PU管，两端采用金属堵头部件封闭，其主要作用是形成曲线型阵列单元3和保护标量水听器基元32。

阵内信号传输缆31用于对水听器数据、姿态深度传感数据进行传输。标量水听器基元32采用光纤水听器时，阵内信号传输缆31为光电复合缆；标量水听器基元32采用压电水听器时，阵内信号传输缆31为电缆。

标量水听器基元32用于进行水下声压信号探测，不限于水听器类型，可采用标量光纤水听器和标量压电水听器。区别在于，标量水听器基元32采用光纤水听器时，阵内信号传输缆31和阵外信号传输缆1为光电复合缆；标量水听器基元32采用压电水听器时，阵内信号传输缆31和阵外信号传输缆1为电缆。

姿深传感器33用于测量阵列不同位置处的深度和姿态信息，其传感信息通过阵内信号传输缆31和阵外信号传输缆1传输回信号处理子系统，利用该信息可解算出阵列的实际阵形。

如图1和图2所示，套管30内还设有多个阵列加固骨架34，阵列加固骨架34为圆柱状结构，阵列加固骨架34的柱体外径与套管30内径相同，多个阵列加固骨架34沿着套管30的长度方向均匀分布排列，阵列加固骨架34用于支撑套管30，外径与套管30内径相同。

如图1和图2所示，套管30内还设有拉绳35，拉绳35的两端分别连接在套管30两端的封闭堵头部件上，多个标量水听器基元32、多个姿深传感器33以及多个阵列加固骨架34均与拉绳35连接固定，拉绳35起到沿阵缆方向固定标量水听器基元32、姿深传感器33以及阵列加固骨架34位置的作用，同时具有提高阵列抗拉性能的作用。本实施例中，拉绳35具体采用凯夫拉绳。

本实施例中，多个标量水听器基元32、多个姿深传感器33以及多个阵列加固骨架34的外壳上分别设计两道对称的凹槽，套管30内总设有两根拉绳35，且拉绳35分别卡设在一个凹槽中且与凹槽内壁过盈配合。

本实施例中，多个标量水听器基元32、多个姿深传感器33以及多个阵列加固骨架34的外壳沿轴线方向预留贯穿孔，阵内信号传输缆31贯穿布置于贯穿孔中。

如图1和图2所示，套管30内的空隙中设有阵列填充物36，阵列填充物36起到支撑阵列、对阵列的密度进行调节以使阵列在水中达到零浮力状态的作用。本实施例中，阵列填充物36为硅油（中性），具有化学性质稳定的优点。

本实施例中，曲线型阵列单元3的套管30呈抛物线型。

本实施例可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列的制备方法如下：①研制可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列的各部件，在标量水听器基元32、姿深传感器33以及阵列加固骨架34的外壳上分别设计两道轴向对称的凹槽，槽宽同拉绳35的直径，在三者内部沿轴线方向预留一个与阵内信号传输缆31同直径的贯穿孔。②在成阵车间的操作台上准备好两根与阵列长度等长的拉绳35，拉绳35两端分别连接阵列两端的金属堵头连接，利用拉力计将拉绳35绷直，并监测拉绳35受力状态。③根据阵列设计准备好标量水听器基元32、姿深传感器33以及阵列加固骨架34，将三种元件沿拉绳35的长度方向按预先设计均匀分布排列，然后将两根拉绳35分别卡进三种元件表面上的凹槽中，将用于组阵的胶涂覆在凹槽中固定各元件。④将阵内信号传输缆31穿过三种元件的贯穿孔中，并保持传输缆弯曲，使其有一定的长度余量，将标量水听器基元32、姿深传感器33的输出端接入阵内信号传输缆31。⑤准备好定制的套管30，将制备好的阵列内部结构通过导引绳穿入套管30中，利用扣压设备将套管30两端在两端的金属堵头部件处固定。⑥利用灌油设备将阵列填充物36（硅油）通过金属堵头部件上的小孔灌入阵列套管30中，在套管30中充满硅油后停止灌油，并将金属堵头部件的小孔密封。⑦将阵外信号传输缆1与金属堵头部件上的阵内信号传输缆31接头连接，并通过结构强度好的保护套对接头处进行保护。⑧将阵外信号传输缆1与信号处理子系统的信号输入接头连接，完成阵列系统的调试。

本实施例可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列区分左右舷的原理如下：一般可假设水下目标发出的声音信号是平面波，它相对于阵列长度方向有一个入射角。假如有两条阵列，一条为现有的直线阵、另一条为本实施例的曲线型阵列单元3，两者之间的传感器数目、规格参数、传感器间距和阵列长度都一样，对于同样的入射声信号，两条阵列中的传感器组获取的数据不同。将传感器组获取的数据输入波束形成算法即可得到声信号的入射方向，在不同输入数据的条件下，采用相同的波束形成算法，得到的算法输出不同。现有的直线阵会获得两个相对180°对称的目标方向，其中一个是假的目标方向；而本实施例的曲线型阵列单元3只获得一个真的目标方向。原因是，对于现有的直线阵来说，当声信号相对阵列长度方向对称入射时，传感器组得到的数据是相同的，即算法输入是一样的，在算法不变的情况下，算法输出相同，故根据算法输出结果无法区分目标来着阵列左边还是右边。而对于本实施例的曲线型阵列单元3来说，目标从阵列左边和右边入射时传感器组得到的数据不同，即算法输入不同，在相同的算法下得到的输出不同，根据算法结果即可知道目标来自阵列左边还是右边。

本实施例可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列在使用时，通过分布于套管30内部的姿深传感器33对水听器阵列的阵形进行测量，获得阵形信息，采用现有的曲线型阵列波束形成算法对目标进行波达方向估计。设曲线型阵列单元3的阵形为二次曲线线型，各个阵元之间的弧线长度相同，相邻阵元弧形长度为d；阵元个数为2M+1。建立如图3所示坐标系，设阵列中点的阵元位于坐标原点，入射角θ定义为平面波入射方向与x轴负半轴的夹角。如图4所示，采用的现有的曲线型阵列波束形成算法步骤包括：（1）确定曲线型阵列单元3的阵形的二次函数形式y=ax ²；（2）通过线积分公式求得各水听器（标量水听器基元32）位置坐标；（3）根据各个水听器的位置坐标计算出平面波到达各水听器与参考点的时延和相位延迟；（4）写出曲线型阵列单元3的阵形的导向矢量a(θ)；（5）根据需要选择合适的阵列权矢量w；（6）根据p(θ)=w ^H·a(θ)画出阵列波形图，其中H表示共轭转置。本实施例仿真算例的参数具体设置为：阵元个数为27，阵元间弧长为10m，声波波长为20m，声速为1500m/s，声波入射方向分别为60°和300°。本实施例中在曲线型阵列单元3的阵形为抛物线型（y=ax ²）条件下，得到其波束形成结果如图5所示；作为对比，在同仿真算例的参数下将阵列为直线型进行仿真，得到其波束形成结果如图6所示，由图6可知当入射波方向为60°时，直线阵波束形成图上显示在60°和300°都存在入射波，我们把这种情况称为左右舷模糊。由图5可知，曲线型阵列单元3的阵形为抛物线型时，当入射方向为60°时，阵列波束图上仅在60°方向有较强信号，即曲线阵可区分左右舷。需要说明的是，上述实施例仅仅是以套管30呈抛物线型为例进行验证，但是根据上述原理，主要是套管30为曲线形，其都可以基于相同的原理区分左右舷，在此不再详述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：包括带有阵外信号传输缆（1）以及尾绳（2）的曲线型阵列单元（3），所述曲线型阵列单元（3）包括两端封闭且弯曲呈曲线型的套管（30），所述套管（30）内分别设有阵内信号传输缆（31）、多个标量水听器基元（32）以及多个姿深传感器（33），且多个标量水听器基元（32）以及多个姿深传感器（33）均分别沿着套管（30）的长度方向均匀分布排列。

2.根据权利要求1所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述套管（30）内还设有多个阵列加固骨架（34），所述阵列加固骨架（34）为圆柱状结构，所述阵列加固骨架（34）的柱体外径与套管内径相同，所述多个阵列加固骨架（34）沿着套管（30）的长度方向均匀分布排列。

3.根据权利要求1所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述套管（30）内还设有拉绳（35），所述拉绳（35）的两端分别连接在套管（30）两端的封闭堵头部件上，所述多个标量水听器基元（32）、多个姿深传感器（33）以及多个阵列加固骨架（34）均与拉绳（35）连接固定。

4.根据权利要求3所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述多个标量水听器基元（32）、多个姿深传感器（33）以及多个阵列加固骨架（34）的外壳上分别设计两道轴向对称的凹槽，所述套管（30）内总设有两根拉绳（35），且所述拉绳（35）分别卡设在一个凹槽中且与凹槽内壁过盈配合。

5.根据权利要求4所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述多个标量水听器基元（32）、多个姿深传感器（33）以及多个阵列加固骨架（34）的外壳沿轴线方向预留贯穿孔，所述阵内信号传输缆（31）贯穿布置于贯穿孔中。

6.根据权利要求1所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述套管（30）内的空隙中设有阵列填充物（36）。

7.根据权利要求6所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述阵列填充物（36）为硅油。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的可区分左右舷的曲线型标量水听器阵列，其特征在于：所述曲线型阵列单元（3）的套管（30）呈抛物线型。