CN112556516A - 一种水雷探测系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的水雷探测系统，通过包括多个环形子阵、消声橡胶板和水雷圆柱雷体；其中，所述多个环形子阵套嵌在所述水雷圆柱雷体上，所述消声橡胶板贴附在所述水雷圆柱雷体表面上，所述环形子阵之间贴覆有所述消声橡胶板。能够使环形子阵达到与水雷圆柱雷体共形的效果，避免产生突起部位引入流噪声，同时降低水雷圆柱雷体反射带来的障板效应，解决由单个换能器构成舷侧线列阵带来的等效声中心不在水雷圆柱雷体中心轴线上、水平指向性不严谨的全向接收、输出阻抗较高等问题。

Description

一种水雷探测系统
技术领域
本公开属于水雷探测技术领域，特别是涉及到一种水雷探测系统。
背景技术
水雷武器为了满足对水中目标的探测功能要求，其探测系统通常采取多个声学换能器构成传感器阵列的方法。由水声学基本原理可知，构成基阵阵列的换能器个数越多，阵列信号处理的增益就越高，对水中目标的探测效果相应就越好。以往水雷武器探测系统通常要求在水雷壳体一侧开相应的孔座安装一系列单个换能器构成线列状的水听器基阵，也称之为舷侧阵。
舷侧线列阵安装在雷体一侧，与雷体的中心轴线并不重合，存在雷体半径大小的距离误差，而水雷目标探测、导航控制等系统对目标定位的参考原点是以雷体中心轴线作为坐标系的垂直轴向，这样，锚系水雷武器平台放入水工作时，受到海流影响产生旋转、横滚等现象，水雷目标探测系统自身横滚角的变化引入目标与舷侧阵相对位置的变化，会对探测结果产生影响；此外，在消声水池中在近场条件下对探测系统性能进行调试校准时，雷体转动带来位置误差的影响更为严重。同时，由于雷体自身障板效应的作用，安装在雷体一侧的线列舷侧阵，水平方向上的接收指向性产生非均匀的变化，而且频率越高，影响越显著。
此外，由单个换能器构成的舷侧线列阵，构成每个阵元的单个压电换能器由于尺度的限制，静态电容量较小带来较高的输出阻抗，这样，要减小探测系统前端的灵敏度损失，提高信号采集的完整性，与压电换能器匹配的信号调理电路的输入阻抗要达到更高的量级，高输入阻抗类型的电路就需要高阻值匹配电阻，高阻值电阻就有自身热噪声以及电流—电压噪声较高的特点，就有可能引起较高的自噪声，并且带来易受干扰的问题。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种水雷探测系统，能够使环形子阵达到与水雷圆柱雷体共形的效果，避免产生突起部位引入流噪声，同时降低水雷圆柱雷体反射带来的障板效应，解决由单个换能器构成舷侧线列阵带来的等效声中心不在水雷圆柱雷体中心轴线上、水平指向性不严谨的全向接收、输出阻抗较高等问题。
根据本公开的一方面，本公开提出了一种水雷探测系统，所述系统包括：多个环形子阵、消声橡胶板和水雷圆柱雷体；其中，所述多个环形子阵套嵌在所述水雷圆柱雷体上，所述消声橡胶板贴附在所述水雷圆柱雷体表面上，所述环形子阵之间贴覆有所述消声橡胶板。
在一种可能的实现方式中，所述环形子阵由多个片形压电换能器均匀排布拼合而成。
在一种可能的实现方式中，所述多个片形压电换能器并联构成虚拟阵元，所述虚拟阵元的等效声中心与所述环形子阵的中心轴线重合。
在一种可能的实现方式中，所述环形子阵的外径小于等于所述水雷探测系统所接收的声波信号的波长的二十分之一。
在一种可能的实现方式中，相邻的两个环形子阵之间的距离为所述水雷探测系统的下限工作频率波长的二分之一。
在一种可能的实现方式中，所述消声橡胶板由吸声橡胶制成，横截面为弧形。
在一种可能的实现方式中，所述环形子阵和所述消声橡胶板构成与所述水雷圆柱雷体共形的圆柱共形声基阵。
在一种可能的实现方式中，所述多个环形子阵沿着所述水雷圆柱雷体的中心轴线均匀嵌套在所述水雷圆柱雷体上形成虚拟线阵列。
本公开的水雷探测系统，通过包括多个环形子阵、消声橡胶板和水雷圆柱雷体；其中，所述多个环形子阵套嵌在所述水雷圆柱雷体上，所述消声橡胶板贴附在所述水雷圆柱雷体表面上，所述环形子阵之间贴覆有所述消声橡胶板。能够使环形子阵达到与水雷圆柱雷体共形的效果，避免产生突起部位引入流噪声，同时降低水雷圆柱雷体反射带来的障板效应。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的结构示意图；
图2示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的环形子阵的结构示意图；
图3示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的环形子阵的片形压电换能器的连接示意图；
图4示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的环形子阵的单个片形压电换能器的输出等效阻抗的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的结构示意图。如图1所示，该探测系统可以包括：环形子阵1#，环形子阵2#，…，环形子阵n#等多个环形子阵、消声橡胶板1和水雷圆柱雷体2。环形子阵1#，环形子阵2#，…，环形子阵n#等多个环形子阵嵌套在水雷圆柱雷体2上，消声橡胶板1贴敷在水雷圆柱雷体2的表面上，且环形子阵1#，环形子阵2#，…，环形子阵n#之间也贴敷有消声橡胶板1。
本公开的水雷探测系统，通过包括多个环形子阵、消声橡胶板和水雷圆柱雷体；其中，所述多个环形子阵套嵌在所述水雷圆柱雷体上，所述消声橡胶板贴附在所述水雷圆柱雷体表面上，所述环形子阵之间贴覆有所述消声橡胶板。能够使环形子阵达到与水雷圆柱雷体共形的效果，避免产生突起部位引入流噪声，同时降低水雷圆柱雷体反射带来的障板效应。
图2示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的环形子阵的结构示意图。
在一种可能的实现方式中，如图2所示，环形子阵可以由多个片形压电换能器均匀排布拼合而成。例如，可以由多个片形压电换能器均匀排布拼合整体灌封构成环形子阵，若干个环形子阵套装在圆柱形水雷壳体上，贴覆在水雷圆柱雷体壳体外表面构成共形阵。
在一种可能的实现方式中，多个片形压电换能器并联构成虚拟阵元，且虚拟阵元的等效声中心与所述环形子阵的中心轴线重合。
其中，每个片形压电换能器都有各自独立的支撑结构与引线，通过引线可以将环形子阵内所有片形压电换能器并联构成虚拟阵元。如图1所示，多个片形压电换能器均匀分布，其等效声中心环形子阵的几何中心(中心轴线上)上，也可以说在水雷圆柱雷体内部的中心线轴上，且在水平方向上接收指向性是全向的。
图3示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的环形子阵的片形压电换能器的连接示意图。图4示出了根据本公开一实施例的水雷探测系统的环形子阵的单个片形压电换能器的输出等效阻抗的示意图。
如图3所示，片形压电换能器T1、片形压电换能器T2、片形压电换能器T3、片形压电换能器T4和片形压电换能器T5采用并联的连接方式构成环形子阵，即将片形压电陶瓷片的正负极板引线分别并联，降低环形子阵片形换能器的输出阻抗。
如图4所示，环形子阵的单个片形压电换能器的输出等效阻抗为：
Figure BDA0002821825390000051
其中，RG为压电换能器阻抗，
Figure BDA0002821825390000052
为压电换能器容抗。
则，如图3所示的环形子阵的5个片形压电换能器并联时的等效输出复阻抗为：
Figure BDA0002821825390000053
即环形子阵内有n个片形压电换能器，则其输出阻抗为与单个片形压电换能器输出阻抗的n分之一。
通过将环形子阵内部的片形压电换能器并联，能够提高虚拟阵元的静态电容，降低传感器的输出阻抗，从而降低了对水雷探测系统匹配电路的设计要求，同时增大了单个虚拟阵元的接收面积，提高了单个虚拟阵元的灵敏度。
在一种可能的实现方式中，多个环形子阵可以沿着水雷圆柱雷体的中心轴线均匀嵌套在所述水雷圆柱雷体上形成虚拟线阵列。
如图1所示，将环形子阵1#，环形子阵2#，…，环形子阵n#等多个环形子阵(多个环形虚拟阵元)沿水雷圆柱雷体的中心轴线均匀排布，虚拟阵元的等效声中心落在圆柱形水雷圆柱雷体的中心轴线上，等效构成线列阵。
在一种可能的实现方式中，环形子阵的外径小于等于所述水雷探测系统所接收的声波信号的波长的二十分之一。
由水声学基本原理可知，环形子阵要满足水平全向接收，应当对环形子阵的工作频率上限要加以限定。环形子阵(环形虚拟阵元)的外径小于水雷探测系统所接收声波的波长，例如，工程设计上可以取声波波长的1/20(二十分之一)，则水雷探测系统接收声波信号的波长大于20倍的环形子阵外径D，即
Figure BDA0002821825390000061
环形子阵的上限工作频率
Figure BDA0002821825390000062
其中，水中声速取近似值1500m/s。
同理，可以通过限定环形子阵的上限工作频率，使其水平接收指向性满足全向。举例来说，环形子阵的外径
Figure BDA0002821825390000063
其中，c0为水中声速，取近似值1500m/s，若环形子阵的外径D取为0.5m，则环形子阵的上限工作频率
Figure BDA0002821825390000064
通过对环形子阵的外径或环形子阵的上限工作频率进行限定，能够使得环形子阵的水平方向上接收指向性是全向的。
在一种可能的是实现方式中，相邻的两个环形子阵之间的距离为所述水雷探测系统的下限工作频率波长的二分之一。
例如，环形子阵(虚拟阵元)之间的间距可以为水雷探测系统的下限工作频率波长的1/2，即：环形子阵(虚拟阵元)间距：
Figure BDA0002821825390000071
其中λ为水雷探测系统下限工作频率波长。
如图1所示，若4个环形子阵即环形子阵1#、环形子阵2#、环形子阵3#、环形子阵4#沿着水雷圆柱雷体的中心轴线由上至下均匀排布嵌套安装在水雷圆柱雷体2上，环形子阵之间贴敷有消声橡胶板1，环形子阵之间的间距d满足：
Figure BDA0002821825390000072
λ为水雷探测系统的下限工作频率波长。例如，当水雷探测系统的下限工作频率取150Hz时的波长λ为：
Figure BDA0002821825390000073
则环形子阵之间的间距d为：
Figure BDA0002821825390000074
即子阵间间距为5米，4个环形子阵按照5米间距均匀排列分布构成长度为20米的虚拟线列阵。通过设定虚拟阵元的工作频率上限，环形子阵间的距离，使若干个环形子阵(虚拟阵元)构成虚拟线列阵，沿水雷圆柱雷体的轴线排布，使得每个虚拟阵元的等效声中心在雷体中轴线上。
在一种可能的实现方式中，消声橡胶板可以由吸声橡胶制成，横截面为弧形。且环形子阵和消声橡胶板构成与水雷圆柱雷体共形的圆柱共形声基阵。
如图1所示，片形压电换能器单元子阵安装在水雷探测系统的水雷圆柱雷体(仪表舱段)的壳体表面后，尽管片形压电换能器单元模块采用了片式的敏感结构，整体厚度相比于以往的圆环形换能器得到大幅减小，但片形压电换能器单元模块仍然会突出于仪表舱段的壳体表面。不仅容易受到碰撞、刮擦等机械损伤，而且可能带来水下自噪声增大、水下系留稳定性降低等不利后果，因此，在仪表舱段的片形压电换能器环形子阵单元间的空白部分填充安装消声橡胶板1，消声橡胶板1可以是由吸声橡胶制成、横截面为弧形的导流装置，能够贴覆在水雷圆柱雷体(仪表舱段)段的壳体表面，与片形压电换能器单元模块一起组成完整的柱面，构成与水雷圆柱雷体(仪表舱段)共形的圆柱共形声基阵。通过消声橡胶板1的吸声、导流效果，能够对水下流噪声起到抑制作用，同时避免水下入射声波在水雷圆柱雷体(仪表舱段)段的壳体表面反射产生环绕波。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种水雷探测系统，其特征在于，所述系统包括：多个环形子阵、消声橡胶板和水雷圆柱雷体；其中，所述多个环形子阵套嵌在所述水雷圆柱雷体上，所述消声橡胶板贴附在所述水雷圆柱雷体表面上，所述环形子阵之间贴覆有所述消声橡胶板。
2.根据权利要求1所述的水雷探测系统，其特征在于，所述环形子阵由多个片形压电换能器均匀排布拼合而成。
3.根据权利要求2所述的水雷探测系统，其特征在于，所述多个片形压电换能器并联构成虚拟阵元，所述虚拟阵元的等效声中心与所述环形子阵的中心轴线重合。
4.根据权利要求2所述的水雷探测系统，其特征在于，所述环形子阵的外径小于等于所述水雷探测系统所接收的声波信号的波长的二十分之一。
5.根据权利要求1所述的水雷探测系统，其特征在于，相邻的两个环形子阵之间的距离为所述水雷探测系统的下限工作频率波长的二分之一。
6.根据权利要求1所述的水雷探测系统，其特征在于，所述消声橡胶板由吸声橡胶制成，横截面为弧形。
7.根据权利要求1所述的水雷探测系统，其特征在于，所述环形子阵和所述消声橡胶板构成与所述水雷圆柱雷体共形的圆柱共形声基阵。
8.根据权利要求1所述的水雷探测系统，其特征在于，所述多个环形子阵沿着所述水雷圆柱雷体的中心轴线均匀嵌套在所述水雷圆柱雷体上形成虚拟线阵列。
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