CN111220969B - 水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，通讯声纳在陆上工作不依赖于水介质，将水面平台和水下平台通讯声纳的水声换能器基阵通过声对接装置的匹配材料完成声信号耦合和声功率的吸收，形成陆上组网训练和性能测试的一体化装置，在陆上支持多部通讯声纳海水中工作的半双工通信方式，支持通讯声纳海水中全向工作方式与定向工作方式的语音、电报、测距和识别等组网通信训练和通讯声纳在线性能检查测试。

Description

水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置

技术领域

本发明涉及水声通信设备的技术领域，具体涉及一种水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置。

背景技术

随着海洋开发的技术需求，水声通信设备获得较快的技术发展。由于水声通信设备工作和组网通信训练必需依赖于海洋水下环境，需调用大量的船只和水下载人航行器，难度很大，耗费大量的人力、物力和财力。而且受技术和安全等因素影响有些组网训练和性能测试难以实现。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，为通讯声纳操作人员的训练、科研人员的产品开发、批量产品的验收和维修人员对产品的检测维修提供陆上一体化支持的平台环境。

本发明提供了一种水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于包括：水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备、计算机及电子装置、全向定向声对接装置；水面平台通讯声纳设备包括全向发射接收换能器基阵，水下平台通讯声纳设备包括全向发射接收换能器基阵和定向发射接收换能器基阵，全向发射接收换能器基阵和定向发射接收换能器基阵分别通过全向通信的声对接装置和定向通信的声对接装置在计算机及电子装置的控制下实现多部通讯声纳的通信；水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备在陆上工作不依赖于水介质，通过声对接装置实现声信号耦合，支持水面平台通讯声纳设备和多部水下平台通讯声纳设备在陆上工作的半双工通信方式，实现水面平台通讯声纳设备和水下平台通讯声纳设备全向工作方式与定向工作方式的语音、电报、测距和识别组网通信训练和通讯声纳在线性能检查测试一体化。

上述技术方案中，计算机采用工控机为上位机，实现对系统运行管理、与下位机的信息交换、控制、人机交互等，电子装置中的嵌入式计算机为下位机，工控机通过以太网实现与嵌入式计算机的通信，电子装置通过母板总线将嵌入式计算机和电子装置中的各种功能电路板连接在一起，控制各功能板实现参数的设置、信号采集、数据存储、通信信息记录、数字衰减、参数计算、背景噪声产生、D/A转换、驱动匹配输出等多种功能，各功能板的输入输出通过接插件和电缆连接到多部通讯声纳水声换能器基阵的声对接装置。

上述技术方案中，水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备均为实装，包括通讯声纳的操作台、显示终端、水声发射机、水声接收机、信号处理机、水声换能器基阵，以及电缆、接插件相关附件。

上述技术方案中，全向通信的声对接装置包括两个半圆形的上加压罩和下加压罩，全向发射接收换能器基阵设置于上加压罩和下加压罩之间，全向发射接收换能器基阵外侧包覆有圆管形的匹配材料；上、下加压罩形成的内圆的半径为全向通讯声纳换能器基阵的半径加匹配材料的厚度之和；上加压罩外表面正上方设置有一平台，平台上有两个径向通孔，用于安装全向对接接收换能器、全向对接发射换能器和它们的定位、加压固定座；上下加压罩对接处设置有折边，通过折边上的定位销和固定螺钉孔，将通讯声纳的换能器基阵、开口型圆管匹配材料和上下加压罩紧固为一体。通过匹配材料实现对接接收、发射换能器和全向换能器基阵之间的声耦合。

上述技术方案中，定向通信的声对接装置为一框架结构，包括上加压板和固定支架；通讯声纳的定向换能器基阵整体安装在固定支架中，换能器基阵的接收、发射面朝上，长方形匹配材料放置接收、发射面上，上加压板通过紧固螺丝与固定支架连接，形成声对接装置的框架式结构；上加圧板在通讯声纳的定向发射接收换能器基阵的对应阵元面处设置两个通孔，通孔直径应保证对接接收、发射换能器在固定座中上下移动时与上加压板通孔边沿无摩擦，在上加压板的上方的通孔位置边沿通过螺钉安装对接接收、发射换能器的固定座。

上述技术方案中，全向、定向通信的声对接装置中的对接接收、发射换能器的固定座为圆筒形结构，具有定位、加压和导向等功能，圆筒上方有螺纹用于安装压力调节盖，圆筒的下方的安装法兰分别与上加压罩的平台和上加压板固定；压力调节盖内安装弹簧和钢球，压力调节盖内侧有螺纹，通过旋转压力调节盖，经过弹簧和钢球可以给对接接收换能器、对接发射换能器加压和减压；旋转压力调节盖加压后，通过匹配材料实现对接接收换能器和对接发射换能器与通讯声纳的全向、定向换能器基阵的声耦合。

上述技术方案中，全向通信的声对接装置和定向通信的声对接装置均为收发共用的声对接装置，且均安装有对接发射换能器和对接接收换能器；全向通信的声对接装置声耦合面和定向通信的声对接装置声耦合面，与全向发射接收换能器基阵和定向发射接收换能器基阵共形，能够接收通讯声纳换能器基阵发射的声通信信号和向通讯声纳的换能器基阵发射声通信信号。

上述技术方案中，对接发射换能器和对接接收换能器为收发共用换能器，满足通讯声纳工作的频带响应要求和声对接装置的发射和接收灵敏度要求，换能器尺寸满足声对接装置安装要求。

上述技术方案中，匹配材料以天然橡胶为主份的透声材料，其声阻抗率与海水一致，硬度系数随温度变化满足环境使用要求，匹配材料厚度15-25毫米，全向声对接装置的匹配材料为开口圆管形，定向声对接装置的匹配材料为长方形，与通讯声纳的全向、定向换能器基阵的声耦合面相对应，使用时在通讯声纳的换能器基阵面和匹配材料之间涂抹有声耦合剂。

上述技术方案中，所述的对接接收换能器，接收全向发射接收换能器基阵或定向发射接收换能器基阵发射的声信号，并将声信号转换为电信号送到计算机及电子装置的信号采集，通过计算机分析通讯声纳的发射功率、频率、脉冲宽度等性能参数是否满足指标要求；所述的对接发射换能器将对接接收换能器接收到的全向发射接收换能器基阵或定向发射接收换能器基阵发射的声信号，经计算机及电子装置变换处理后，发射给另一部通讯声纳的换能器基阵，可测试通讯声纳的接收灵敏度及信号处理机的性能参数，反之亦然。

本发明不依赖于海洋水下环境，使用方便，不受时间、地点和经费等的限制，可以方便的在实验室或厂房开展通讯声纳的陆上组网训练和通讯声纳的性能测试，为通讯声纳操作人员的训练、科研人员的产品开发、批量产品的验收和维修人员对产品的检测维修提供陆上一体化支持的平台环境。

附图说明

图1为本发明一种水下通讯声纳陆上组网训练和性能测试的一体化装置的系统框图。

图2为通讯声纳全向通信的声对接装置。

图3为通讯声纳定向通信的声对接装置。

图4对接接收换能器和对接发射换能器

其中，A-水面平台通讯声纳设备，B-计算机及电子装置，C-水下平台通讯声纳设备，D-全向发射接收换能器基阵，E-全向通信的声对接装置，F-定向通信的声对接装置，G-定向发射接收换能器基阵；1-上加压罩，2-下加压罩，3-上下加压罩定位销，4-上下加压罩紧固螺钉，5-全向声对接装置的匹配材料，6-对接接收换能器固定座，7-对接发射换能器固定座，8-全向对接接收换能器，9-全向对接发射换能器，10-压力调节盖，11-弹簧和钢球，12-全向发射接收换能器基阵，13-对接换能器电缆插座，14-上加压板，15-固定支架座，16-上加压板定位销，17-上加压板紧固螺钉，18-定向声对接装置的匹配材料，19-对接接收换能器固定座，20-对接发射换能器固定座，21-定向对接接收换能器，22-定向对接发射换能器，23-压力调节盖，24-弹簧和钢球，25-定向发射接收换能器基阵，26-对接换能器电缆插座，27-固定支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，本例中以一台水面平台通讯声纳设备和两台水下平台通讯声纳设备构成陆上组网训练和性能测试一体化装置见图1。包括：水面平台通讯声纳设备A一台和它的全向发射接收换能器基阵D；水下平台通讯声纳设备C两台(也可多台)和它的全向发射接收换能器基阵D及定向发射接收换能器基阵G；计算机及电子装置B和它的全向通信的声对接装置E和定向通信的声对接装置F。水面平台和水下平台通讯声纳设备组网通信时，水面平台通讯声纳设备A通过它的全向发射接收换能器基阵D发射声信号，计算机及电子装置B通过它的全向声对接装置E接收全向发射接收换能器基阵D发射的声信号，经计算机及电子装置B变换处理后，通过它的全向通信的声对接装置E和定向通信的声对接装置F，将全向发射接收换能器基阵D发射的声信号耦合给水下平台通讯声纳设备C的全向发射接收换能器基阵D和定向发射接收换能器基阵G，经水下平台通讯声纳设备C接收处理后得到水面平台通讯声纳设备A到水下平台通讯声纳设备C的通信信息，反之亦然；水面平台通讯声纳设备A到水下平台通讯声纳设备C的通信是广播式的，水下平台通讯声纳设备C到水面平台通讯声纳设备A的通信是广播式(全向)或点对点(定向)，点对点通信性能优于广播式通信；通讯声纳设备组网通信时，通过计算机及电子装置B的声对接装置可采集存储各通讯声纳设备的发射接收信号，经过计算机及电子装置B分析处理后给出测试结果，实现在线测试。使用时，可以将水面平台通讯声纳设备和水下平台通讯声纳设备设置于同一场所的不同房间内，通过声对接装置、计算机及电子装置以及电缆等附件，实现水面平台通讯声纳设备和水下平台通讯声纳设备之间的相互通讯。

水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备均为实装，均包括通讯声纳的操作台、显示终端、水声发射机、水声接收机、信号处理机、水声换能器基阵等，以及电缆、接插件等附件。水面平台通讯声纳设备在陆上工作不依赖于水介质，将水面平台和水下平台通讯声纳的水声换能器基阵通过声对接装置的匹配材料完成声信号耦合和声功率的吸收，形成陆上组网训练和性能测试的一体化装置，在陆上支持多部通讯声纳海水中工作的半双工通信方式，支持通讯声纳海水中全向工作方式与定向工作方式的语音、电报、测距和识别等组网通信训练和通讯声纳在线性能检查测试。

图1中计算机及电子装置B，计算机采用工控机为上位机，实现对系统运行管理、与下位机的信息交换、控制、人机交互等；电子装置中的嵌入式计算机为下位机，工控机通过以太网实现与嵌入式计算机的通信，电子装置通过母板总线将嵌入式计算机和电子装置中的各种功能电路板连接在一起，控制各功能板实现参数的设置、信号采集、数据存储、通信信息记录、数字衰减、参数计算、背景噪声产生、D/A转换、驱动匹配输出等多种功能，各功能板的输入输出通过接插件和电缆连接到多部通讯声纳水声换能器基阵的声对接装置。

全向通讯声纳的水声换能器基阵的声对接装置图2结构包括上加压罩1、下加压罩2、上下加压罩定位销3、上下加压罩紧固螺钉4、全向声对接装置匹配材料5、对接接收换能器固定座6、对接发射换能器固定座7、全向对接接收换能器8、全向对接发射换能器9、压力调节盖10、弹簧和钢球11、对接换能器电缆、对接换能器电缆插座13。上加压罩1和下加压罩2固定连接配合形成管状结构，上加压罩1和下加压罩2通过对接处的折边、上下加压罩定位销3、上下加压罩紧固螺钉4形成紧固连接，管状结构内设置有全向换能器基阵12，全向换能器基阵12和管状结构内壁之间设置有全向声对接装置匹配材料5。上加压罩1外表面正上方设置一平台，平台上有两个径向通孔，用于安装全向对接接收换能器8和全向对接发射换能器9和它们的对接接收换能器固定座6和对接发射换能器固定座7，通孔直径应保证全向对接接收换能器8和全向对接发射换能器9在对接接收换能器固定座6和对接发射换能器固定座7中上下移动时与上加压罩1通孔边沿无摩擦，全向对接接收换能器8和全向对接发射换能器9通过上加压罩1与全向声对接装置匹配材料5相接触，对接接收换能器固定座6和对接发射换能器固定座7为圆管形结构，内径与平台上径向通孔相一致，对接接收换能器固定座6和对接发射换能器固定座7上部有螺纹与压力调节盖10配合，下部有安装法兰与上加压罩1的平台配合，压力调节盖10内安装有弹簧和钢球11，旋转压力调节盖10加压时，通过弹簧和钢球11，全向对接接收换能器8和权限对接发射换能器9施加压力，通过匹配材料5实现全向对接接收换能器8、全向对接发射换能器9和全向换能器基阵12之间的声耦合。

所述的定向通讯声纳换能器基阵的声对接装置图3结构包括上加压板14、固定支架座15、上加压板定位销16、上加压板紧固螺钉17、长方形的匹配材料18、对接接收换能器固定座19、对接发射换能器固定座20、定向对接接收换能器21、定向对接发射换能器22、压力调节盖23、弹簧和钢球24、对接换能器电缆、对接换能器电缆插座26、固定支架27。固定支架27的顶部通过上加压板定位销16、上加压板紧固螺钉17固定于上加压板14下表面配合形成框架式结构，框架式结构内底部放置固定支架座15，固定支架座15上安装定向换能器基阵25，定向换能器基阵25的顶面和上加圧板的底面之间设置有长方形的匹配材料18，上加圧板14在通讯声纳的定向发射接收换能器基阵25的对应阵元面处设置两个通孔，通孔直径应保证对接接收、发射换能器在固定座中上下移动时与上加压板通孔边沿无摩擦，在上加压板14的上方通孔位置边沿通过螺钉安装对接接收、发射换能器的固定座19、20，固定座为圆筒形结构，具有定位、加压和导向等功能，圆筒上方有螺纹用于安装压力调节盖23，圆筒的下方有安装法兰与上加压板14固定，压力调节盖23内安装弹簧和钢球24，压力调节盖23内侧有螺纹，通过旋转压力调节盖23，经过弹簧和钢球24可以给对接接收换能器21、对接发射换能器22加压和减压，旋转压力调节盖23加压后，通过匹配材料18实现对接接收换能器21和对接发射换能器22与通讯声纳的定向换能器基阵25的声耦合。

图2、图3中声对接装置为收发共用的声对接装置，每个声对接装置安装有对接发射换能器9、22和对接接收换能器8、21，全向通讯声纳换能器基阵的声对接装置声耦合面和定向通讯声纳换能器基阵的声对接装置声耦合面，与通讯声纳的全向定向发射、接收换能器基阵共形，能够接收通讯声纳换能器基阵发射的声通信信号和向通讯声纳的换能器基阵发射声通信信号。通过声对接装置的匹配材料能够吸收通讯声纳换能器基阵发射的声功率并耦合给对接接收换能器，并能够将声对接装置发射换能器发射的声通信信号耦合给通讯声纳的换能器基阵。

声对接装置中的对接发射换能器9、22和对接接收换能器8、21，为收发共用换能器见图4，其区别在于全向声对接装置的对接发射、接收换能器声耦合面222带有圆弧与全向通讯声纳的换能器基阵共形，定向声对接装置的对接发射、接收换能器声耦合面为平面。满足通讯声纳工作的频带响应要求和声对接装置的发射、接收灵敏度要求，以及安装尺寸要求。

水下通讯声纳陆上组网训练和性能测试的一体化装置，能够在组网通信训练操作的同时，实时在线完成性能测试(可软件设定)。声对接装置上的对接接收换能器能够接收全向或定向通讯声纳换能器基阵发射的声信号，并将声信号转换为电信号送到计算机及电子装置的信号采集，通过计算机分析通讯声纳的发射功率、频率、脉冲宽度等性能参数是否满足指标要求；

声对接装置上的对接发射换能器能够将对接接收换能器接收到的由通讯声纳换能器基阵发射的声信号，经计算机及电子装置变换处理后，发射给另一部通讯声纳(水面平台通讯声纳设备或水下平台通讯声纳设备)的换能器基阵，可测试通讯声纳的接收灵敏度及信号处理机的性能参数，反之亦然。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于包括：水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备、计算机及电子装置、全向定向声对接装置；水面平台通讯声纳设备包括全向发射接收换能器基阵，水下平台通讯声纳设备包括全向发射接收换能器基阵和定向发射接收换能器基阵，全向发射接收换能器基阵和定向发射接收换能器基阵分别通过全向通信的声对接装置和定向通信的声对接装置在计算机及电子装置的控制下实现多部通讯声纳的通信；水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备在陆上工作不依赖于水介质，通过声对接装置实现声信号耦合和声吸收，支持水面平台通讯声纳设备和多部水下平台通讯声纳设备在陆上工作的半双工通信方式，实现水面平台通讯声纳设备和水下平台通讯声纳设备全向工作方式与定向工作方式的语音、电报、测距和识别组网通信训练和通讯声纳在线性能检查测试一体化；

全向通信的声对接装置包括相互配合的两个半圆形的上加压罩和下加压罩，全向发射接收换能器基阵设置于上加压罩和下加压罩之间，全向发射接收换能器基阵外侧包覆有圆管形的匹配材料；上加压罩和下加压罩内圆的半径为全向通讯声纳换能器基阵的半径加匹配材料的厚度之和；上加压罩外表面正上方设置一平台，平台上有两个径向通孔，用于安装全向对接接收换能器、全向对接发射换能器与其对应的定位、加压固定座，径向通孔直径应保证全向对接接收换能器、全向对接发射换能器在固定座中上下移动时与上加压罩通孔的边沿无摩擦；上加压罩和下加压罩对接处设置有折边，通过折边上的定位销和固定螺钉孔，将通讯声纳的换能器基阵、开口型圆管匹配材料和上下加压罩紧固为一体；通过匹配材料实现全向对接接收换能器、全向对接发射换能器和全向换能器基阵之间的声耦合；

全向通信的声对接装置和定向通信的声对接装置均为收发共用的声对接装置，且均安装有对接发射换能器和对接接收换能器；全向通信的声对接装置声耦合面和定向通信的声对接装置声耦合面，与全向发射接收换能器基阵和定向发射接收换能器基阵共形，接收通讯声纳换能器基阵发射的声通信信号和向通讯声纳的换能器基阵发射声通信信号。

2.根据权利要求1所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于计算机采用工控机为上位机，实现对系统运行管理、与下位机的信息交换、控制、人机交互，电子装置中的嵌入式计算机为下位机，工控机通过以太网实现与嵌入式计算机的通信，电子装置通过母板总线将嵌入式计算机和电子装置中的各种功能电路板连接在一起，控制各功能板实现参数的设置、信号采集、数据存储、通信信息记录、数字衰减、参数计算、背景噪声产生、D/A转换、驱动匹配输出功能，各功能板的输入输出通过接插件和电缆连接到多部通讯声纳水声换能器基阵的声对接装置。

3.根据权利要求1所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于水面平台通讯声纳设备、水下平台通讯声纳设备均为实装，包括通讯声纳的操作台、显示终端、水声发射机、水声接收机、信号处理机、水声换能器基阵以及电缆、接插件相关附件。

4.根据权利要求1所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于所述的定向通信的声对接装置为一框架结构，包括上加压板和固定支架；通讯声纳的定向换能器基阵整体安装在固定支架中，定向换能器基阵的接收、发射面朝上，长方形的匹配材料放置于接收、发射面上，上加压板通过紧固螺丝与固定支架连接，形成声对接装置的框架式结构；上加压板在通讯声纳的定向发射接收换能器基阵的对应阵元面处设置两个通孔，通孔直径应保证定向对接接收换能器、定向对接发射换能器在固定座中上下移动时与上加压板的通孔边沿无摩擦，在上加压板的上方通孔位置边沿通过螺钉安装对接接收、发射换能器的固定座。

5.根据权利要求4所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于全向、定向通信的声对接装置中的对接接收、发射换能器的固定座为圆筒形结构，具有定位、加压和导向的功能，圆筒上方有螺纹用于安装压力调节盖，圆筒的下方有安装法兰分别与上加压罩的平台和上加压板固定；压力调节盖内底部安装弹簧和钢球，压力调节盖内侧有螺纹，通过旋转压力调节盖，经过弹簧和钢球给对接接收换能器、对接发射换能器加压和减压；旋转压力调节盖加压后，通过匹配材料实现对接接收换能器和对接发射换能器与通讯声纳的全向、定向换能器基阵的声耦合。

6.根据权利要求5所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于对接发射换能器和对接接收换能器为收发共用换能器，满足通讯声纳工作的频带响应要求和声对接装置的发射和接收灵敏度要求，换能器尺寸满足声对接装置安装要求。

7.根据权利要求1所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于匹配材料以天然橡胶为主份的透声材料，其声阻抗率与海水一致，硬度系数随温度变化满足环境使用要求，匹配材料厚度15-25毫米；使用时在通讯声纳的换能器基阵面和匹配材料之间涂抹有声耦合剂。

8.根据权利要求6所述的水下通讯声纳的陆上组网训练和性能测试一体化装置，其特征在于所述的对接接收换能器，接收全向发射接收换能器基阵或定向发射接收换能器基阵发射的声信号，并将声信号转换为电信号送到计算机及电子装置的信号采集，通过计算机分析通讯声纳的发射功率、频率、脉冲宽度性能参数是否满足指标要求；所述的对接发射换能器将对接接收换能器接收到的全向发射接收换能器基阵或定向发射接收换能器基阵发射的声信号，经计算机及电子装置变换处理后，发射给另一部通讯声纳的换能器基阵，可测试通讯声纳的接收灵敏度及信号处理机的性能参数，反之亦然。

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