CN113702980A - 一种轻型鱼雷声学导引装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于鱼雷学的自导工程技术领域，公开了一种轻型鱼雷声学导引装置，其包括导引头以及换能器基阵；导引头的前端面为圆形平面；导引头的后端为电子仓，且采用圆柱状结构；导引头的前端面直径小于电子仓直径；在导引头前端面与电子仓之间设置过渡段；过渡段采用流线型弧线段；换能器基阵包括前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵；前端面平面阵包括布置在导引头的前端面且按照对称原则排布的多个换能器阵元；侧边稀疏圆周阵包括在过渡段的圆周方向上等间距布设的多个换能器阵元，侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元朝向前方。本发明通过对换能器基阵优化布阵及紧凑布局，便于在小口径声学导引装置有限的体积空间内充分获取最大的空间增益。

Description

一种轻型鱼雷声学导引装置以及方法

技术领域

本发明属于鱼雷学的自导工程技术领域，特别涉及一种轻型鱼雷声学导引装置，以及一种基于所述轻型鱼雷声学导引装置的轻型鱼雷声学导引方法。

背景技术

鱼雷工作时主要通过导引装置探测目标，经过信号的放大、解算后，计算出鱼雷与目标的相对位置关系以及速度关系，再由三角原理解算攻击轨迹后，由控制系统将信号传递到舵面，控制鱼雷运动轨迹对目标进行攻击。因此，导引装置是鱼雷在水下运动的耳目，而鱼雷声学导引装置是通过水声换能器感受目标的声波能量而自动形成导引指令的系统，有主动、被动和主被动联合三种方式。主动声学导引装置主要通过安装在导引头前端面的水声换能器主动发射声波，并利用目标反射的声波能量发现目标和测定目标运动参量。

现代海战中，水下UUV（Unmanned Underwater Vehicle ，即无人水下航行器）是水面舰艇和潜艇的重要威胁之一。为了防御UUV攻击，需要发展硬杀伤手段应对水下UUV威胁以提高舰艇的生存能力。轻型鱼雷尽管没有重型鱼雷威力大，但是由于携载平台多样，更为灵活机动，对于攻击浅海UUV目标，是经济实惠的选择。

由于轻型鱼雷以水下航行UUV作为探测目标，其探测目标具有目标强度较小的特性。小型UUV口径通常为533mm，长度为6～7m，由此导致其目标强度较小，经估算533mm口径UUV在头部方向的目标强度约为-17dB，正横方向的目标强度约为0dB，要求轻型鱼雷声学导引头具有较大的自导搜索扇面和较远的自导作用距离，以覆盖UUV的目标解算误差。因此，声学导引装置是轻型鱼雷实现水下UUV小目标自动寻的和精确制导的关键系统。

目前，各型鱼雷主要是以舰艇、潜艇等大型目标为对抗目标，而对抗水下UUV等浅海小型目标的轻型鱼雷技术尚属国内空白。因此，针对轻型鱼雷对抗水下航行UUV目标的需求，在小口径约束条件下，实现收发共用换能器基阵结构的优化布局，并通过基阵结构的优化设计，以获得优良的导引方案设计，从而满足轻型鱼雷的使命任务需求，是声学导引装置设计成功与否的关键。

发明内容

本发明的目的在于提出一种轻型鱼雷声学导引装置，以便在小口径约束条件下实现声学导引装置换能器基阵优化布阵和紧凑布局，使其更适应于对抗浅海海域水下小型UUV目标。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种轻型鱼雷声学导引装置，包括导引头以及换能器基阵；

所述导引头的前端面为圆形平面；导引头的后端为电子仓，且采用圆柱状结构；导引头的前端面直径小于电子仓直径；在导引头的前端面与电子仓之间设置过渡段；

所述过渡段采用流线型弧线段；

所述换能器基阵包括前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵；

前端面平面阵包括布置在导引头的前端面上，且按照对称原则排布的多个换能器阵元，前端面平面阵中各个换能器阵元间距为换能器中心工作频率对应声波的半波长；

所述前端面平面阵为平面相控阵；

侧边稀疏圆周阵包括在所述过渡段的圆周方向上等间距布设的多个换能器阵元，侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元朝向前方，且与声学导引装置柱体轴线方向形成锐角夹角。

优选地，前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元均采用收发合置的换能器阵元；其中，每个换能器阵元构成一路水声信号通道；

其中，前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元均采用同样的发射电路以及发射变压器进行信号发射驱动；

前端面平面阵中各个换能器阵元与侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元分别连接至电子仓内不同的信号电路通道上。

优选地，锐角夹角的范围为30度-60度。

此外，本发明还提出了一种轻型鱼雷声学导引装置，该轻型鱼雷声学导引装置与上面述及的轻型鱼雷声学导引装置略有不同，其具体技术方案如下：

一种轻型鱼雷声学导引装置，包括导引头以及换能器基阵；

所述导引头的前端面为圆形平面；导引头的后端为电子仓，且采用圆柱状结构；导引头的前端面直径小于电子仓直径；在导引头的前端面与电子仓之间设置过渡段；

所述过渡段采用流线型弧线段；

所述换能器基阵包括前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵；

前端面平面阵包括布置在导引头的前端面上，且按照对称原则排布的多个换能器阵元，前端面平面阵中各个换能器阵元间距为换能器中心工作频率对应声波的半波长；

所述前端面平面阵为平面相控阵；

侧边稀疏圆周阵包括在所述导引头的后端电子仓的圆周方向上等间距布设的多个换能器阵元，侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元朝向与声学导引装置柱体轴线方向垂直。

此外，本发明还提出了一种轻型鱼雷声学导引方法，该轻型鱼雷声学导引方法基于上面述及的轻型鱼雷声学导引装置，以满足不同任务阶段轻型鱼雷的导引需求。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种轻型鱼雷声学导引方法，包括如下步骤：

步骤1. 轻型鱼雷入水阶段，轻型鱼雷大角度入水，侧边稀疏圆周阵粗略感知鱼雷周边态势，搜索结果与鱼雷发射前接收到的目标初始指令通过信息融合后控制鱼雷转向目标所在大致空间方位；

步骤2. 鱼雷初始航行阶段，平面相控阵通过预成波束形成左、中、右、下四个波束，宽波束大范围搜索目标，侧边稀疏圆周阵作为补充，扩大搜索空间范围，搜索结果通过平面相控阵与侧边稀疏圆周阵信息融合后控制鱼雷运动，使平面相控阵中波束对准目标，向目标航行逼近；

步骤3. 鱼雷航行到目标近距离范围，轻型鱼雷在深度上已经调整到与目标等深度处，平面相控阵水平方位采用分裂波束定向法，将前端面平面阵水平分为对称的两个子阵，各个子阵独立形成波束，通过互谱法精测给出精测角度，此阶段，侧边稀疏圆周阵可选择不工作。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明述及了一种轻型鱼雷声学导引装置，该装置在小口径约束条件下，实现了声学导引装置换能器基阵优化布阵以及紧凑布局，从而在小口径声学导引装置有限的体积空间内充分获取最大的空间增益，并通过波束形成技术满足不同任务阶段轻型鱼雷的的导引需求，进而完成浅海海域对抗水下小型UUV目标的使命任务需求。

附图说明

图1为本发明实施例1中轻型鱼雷声学导引装置的正面图。

图2为本发明实施例1中轻型鱼雷声学导引装置的侧面图。

图3为本发明实施例2中轻型鱼雷声学导引装置的侧面图。

图4为本发明实施例3中轻型鱼雷声学导引方法的流程示意图。

附图标号说明：1-导引头，2-圆形平面，3-电子仓，4-过渡段，5-前端面平面阵，6-侧边稀疏圆周阵，7-换能器阵元，8-换能器阵元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

本实施例1述及了一种轻型鱼雷声学导引装置。

如图1和图2所示，该轻型鱼雷声学导引装置包括导引头1以及换能器基阵。

其中，导引头1采用平顶雷头结构，即导引头1的前端面为直径相对较小的圆形平面2，导引头1的后端为电子仓3，电子仓3采用直径相对较大的圆柱状结构。

在导引头1的前端面与电子仓3之间设置过渡段4，其中过渡段4采用流线型弧线段。

换能器基阵包括前端面平面阵5以及侧边稀疏圆周阵6。

其中，前端面平面阵5包括布置在导引头1的前端面上且按照对称原则，根据前端面直径及阵元辐射面大小排布的多个换能器阵元，例如换能器阵元7。

前端面平面阵中各个换能器阵元间距为换能器中心工作频率对应声波的半波长。

以口径为210mm的轻型鱼雷声学导引装置为例，在导引头1的前端面圆形平面上按照对称原则以声波半波长为间距布放了21个阵元，构成平面相控阵，如图1所示。

前端面平面阵5设计为相控阵，可形成在水平方向和垂直方向均具有良好指向性的波束，并且还可通过预成波束在水平方向形成左、中、右3个波束以及在垂直方向上形成上、下2个波束以实现更宽范围的波束覆盖。

因此，发射波束与接收波束可以配置成多种形式，轻型鱼雷在整个使命过程中会根据阶段不同而采用不同的发射策略，以满足不同任务阶段轻型鱼雷的的导引需求，进而完成浅海海域对抗水下小型UUV目标的使命任务需求。

侧边稀疏圆周阵6包括在过渡段4的圆周方向上等间距布设的多个换能器阵元，例如换能器阵元8，换能器阵元8在圆周方向上间距较大。

以口径为210mm的轻型鱼雷声学导引装置为例，在过渡段4的圆周方向上共布放了8个换能器阵元8，这8个换能器阵元8共同构成了侧边稀疏圆周阵6，如图1所示。

侧边稀疏圆周阵6中各个换能器阵元8朝向前方，且各个换能器阵元8与声学导引装置柱体轴线方向形成锐角夹角，即夹角范围为度。

其中，声学导引装置柱体轴线是指过圆形平面2中心的轴线。

更进一步的优选设计，锐角夹角的范围为30度-60度，例如可以选取45度。

本实施例1中侧边稀疏圆周阵6的作用在于有如下三个：

1. 在轻型鱼雷以较大的角度发射入水时，侧边稀疏圆周阵6可以尽快粗略地确定轻型鱼雷周边态势并在目标相距较近时大致确定目标所在的方位距离，从而在第一时间通过综合控制系统引导轻型鱼雷转向以朝着目标大致方位运动。

2. 在轻型鱼雷航行的初始阶段，侧边稀疏圆周阵6可以作为前端面平面阵5的补充，在空间上有效的增大搜索范围，确保快速搜索到目标并且确认跟踪目标。

3. 在轻型鱼雷航行全过程，侧边稀疏圆周阵6可作为独立的信息获取单元持续保持对轻型鱼雷周边态势的感知能力。

上述布阵方法中，前端面平面阵5与侧边稀疏圆周阵6硫化成一个整体，均采用收发合置的换能器阵元，每个换能器阵元构成一路水声信号通道，后续的水声信号处理算法可根据轻型鱼雷不同运行阶段的不同任务需求选取相应通道的水声信号进行处理以满足不同的导引需求。

前端面平面阵5与侧边稀疏圆周阵6中各个换能器阵元可采用同样的发射电路及发射变压器进行信号发射驱动。然而，前端面平面阵5中各个换能器阵元7与侧边稀疏圆周阵6中各个换能器阵元8分别连接至电子仓3内不同的信号电路通道上，在接收信号的信号处理过程中，前端面平面阵5与侧边稀疏圆周阵6是互相独立的，并采用不同的波束形成算法进行信号处理，前端面平面阵5与侧边稀疏圆周阵6的处理结果可相互补充。

本实施例1在小口径约束条件下，实现了声学导引装置换能器基阵优化布阵以及紧凑布局，从而在小口径声学导引装置有限的体积空间内充分获取最大的空间增益。

实施例2

本实施例2述及了一种轻型鱼雷声学导引装置，该装置除以下技术特征与上述实施例1不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1。

如图3所示，为了尽可能避免流噪声对换能器基阵的影响，本实施例2更改了侧边稀疏圆周阵6的布放方式，即将侧边稀疏圆周阵6中各个换能器阵元8布放于紧接流线型弧线过渡段4的圆柱状段（即电子仓3）上。

在此种情况下，换能器阵元8在圆周方向上等间距布放，换能器阵元8在圆周方向上间距较大，且换能器阵元8的方向与轻型鱼雷声学导引装置柱体轴线方向垂直。

实施例3

本实施例3述及了一种轻型鱼雷声学导引方法，该方法基于上述实施例1或实施例2中的轻型鱼雷声学导引装置，以满足不同任务阶段轻型鱼雷的导引需求。

如图4所示，一种轻型鱼雷声学导引方法，包括如下步骤：

步骤1. 轻型鱼雷入水阶段，轻型鱼雷大角度入水，侧边稀疏圆周阵6粗略感知鱼雷周边态势，并在目标相距较近时大致确定目标所在的方位距离，搜索结果与鱼雷发射前接收到的目标初始指令通过信息融合，通过综合控制系统控制鱼雷转向目标所在大致空间方位。

步骤2. 在轻型鱼雷航行初始阶段，目的是尽快搜索到目标并且确认跟踪目标，因此该阶段发射会选择宽波束发射，接收波束形成左、中、右和下波束四个波束在宽范围上进行目标搜索。

平面相控阵通过预成波束形成左、中、右、下四个波束，宽波束大范围搜索目标，当找到最大值并且连续几次探测稳定跟踪后，确认目标并将目标参数信息（方位、距离、速度）发送到轻型鱼雷综合控制系统。侧边稀疏圆周阵作为补充，扩大搜索空间范围，搜索结果通过平面相控阵与侧边稀疏圆周阵6信息融合，综合控制系统预测航迹后控制鱼雷运动，使平面相控阵中波束对准目标，向目标航行逼近。当声学导引装置探测到目标距离较近时，会将发射波束调整为窄波束工作模式，锁定中间波束跟踪目标运动。

在轻型鱼雷航行的初始阶段，侧边稀疏圆周阵可作为前端面平面阵的补充，可在空间上有效的增大搜索范围，从而确保快速搜索到目标并且确认跟踪目标。

另外，在轻型鱼雷航行全过程，侧边稀疏圆周阵6作为独立的信息获取单元持续保持对轻型鱼雷周边态势的感知能力。

步骤3. 当轻型鱼雷进入目标的近距离范围内时，轻型鱼雷应在深度上已经调整到与目标等深度处，此时平面相控阵接收信号的信噪比较高。

为进一步提高命中精度，平面相控阵会在水平方位采用分裂波束定向法，将前端面平面阵水平分为对称的左右两个子阵，各个子阵独立形成波束，通过互谱法对左右波束进行精测，给出精测角度，虽然分裂波束会损失一定的信噪比，但在近距离处信噪比已经足够高，方位精测会大大提高命中率。

此阶段，侧边稀疏圆周阵6可选择不工作。

本发明实施例3述及的轻型鱼雷声学导引方法，在小口径声学导引装置有限的体积空间内充分获取最大的空间增益的基础上，通过波束形成技术，以满足不同任务阶段轻型鱼雷的的导引需求，进而完成浅海海域对抗水下小型UUV目标的使命任务需求。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.一种轻型鱼雷声学导引装置，包括导引头以及换能器基阵；其特征在于，

所述导引头的前端面为圆形平面；导引头的后端为电子仓，且采用圆柱状结构；导引头的前端面直径小于电子仓直径；在导引头的前端面与电子仓之间设置过渡段；

所述过渡段采用流线型弧线段；

所述换能器基阵包括前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵；

前端面平面阵包括布置在导引头的前端面且按照对称原则排布的多个换能器阵元，前端面平面阵中各个换能器阵元间距为换能器中心工作频率对应声波的半波长；

所述前端面平面阵为平面相控阵；

侧边稀疏圆周阵包括在所述过渡段的圆周方向上等间距布设的多个换能器阵元，侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元朝向前方，且与声学导引装置柱体轴线方向形成锐角夹角。

2.根据权利要求1所述的轻型鱼雷声学导引装置，其特征在于，

所述前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元均采用收发合置的换能器阵元；其中，每个换能器阵元构成一路水声信号通道；

其中，前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元均采用同样的发射电路以及发射变压器进行信号发射驱动；

前端面平面阵中各个换能器阵元与侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元分别连接至电子仓内不同的信号电路通道上。

3.根据权利要求1所述的轻型鱼雷声学导引装置，其特征在于，

所述锐角夹角的范围为30度-60度。

4.一种轻型鱼雷声学导引装置，包括导引头以及换能器基阵；其特征在于，

所述导引头的前端面为圆形平面；导引头的后端为电子仓，且采用圆柱状结构；导引头的前端面直径小于电子仓直径；在导引头的前端面与电子仓之间设置过渡段；

所述过渡段采用流线型弧线段；

所述换能器基阵包括前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵；

前端面平面阵包括布置在导引头的前端面上，且按照对称原则排布的多个换能器阵元，前端面平面阵中各个换能器阵元间距为换能器中心工作频率对应声波的半波长；

所述前端面平面阵为平面相控阵；

侧边稀疏圆周阵包括在所述导引头的后端电子仓的圆周方向上等间距布设的多个换能器阵元，侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元方向与声学导引装置柱体轴线方向垂直。

5.根据权利要求4所述的轻型鱼雷声学导引装置，其特征在于，

所述前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元均采用收发合置的换能器阵元；其中，每个换能器阵元构成一路水声信号通道；

其中，前端面平面阵以及侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元均采用同样的发射电路以及发射变压器进行信号发射驱动；

前端面平面阵中各个换能器阵元与侧边稀疏圆周阵中各个换能器阵元分别连接至电子仓内不同的信号电路通道上。

6.一种轻型鱼雷声学导引方法，基于权利要求1至5任一项所述的轻型鱼雷声学导引装置；其特征在于，所述轻型鱼雷声学导引方法包括如下步骤：

步骤1. 轻型鱼雷入水阶段，轻型鱼雷大角度入水，侧边稀疏圆周阵粗略感知鱼雷周边态势，搜索结果与鱼雷发射前接收到的目标初始指令通过信息融合后，控制鱼雷转向目标所在空间方位；

步骤2. 鱼雷初始航行阶段，平面相控阵通过预成波束形成左、中、右、下四个波束，宽波束大范围搜索目标，侧边稀疏圆周阵作为补充，扩大搜索空间范围，搜索结果通过平面相控阵与侧边稀疏圆周阵信息融合后控制鱼雷运动，使平面相控阵中波束对准目标，向目标航行逼近；

步骤3. 鱼雷航行到目标近距离范围，轻型鱼雷在深度上已经调整到与目标等深度处，平面相控阵水平方位采用分裂波束定向法，将前端面平面阵水平分为对称的两个子阵，各个子阵独立形成波束，通过互谱法精测给出精测角度；此阶段，侧边稀疏圆周阵可选择不工作。

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