CN113740861B - 一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，其包括电子仓壳体、发射换能器基阵、接收换能器基阵以及发射变压器等。其中，发射换能器基阵由至少两个圆弧阵通道组成，各个圆弧阵通道在发射换能器基阵的圆周方向上均匀分布，且所有圆弧阵通道共同覆盖水平360度方向，每个圆弧阵通道连接一个发射变压器，且由相应的发射变压器驱动。本发明可根据工作环境情况选择全部或部分圆弧阵通道进行工作，当选择部分圆弧阵通道工作时，一般选取邻近的连续几个圆弧阵通道构成一个大的圆弧阵进行工作，便于进行波束形成等后续信号处理，如此在近岸港口环境工作时，正对岸边的圆弧阵通道可选择不发射声波信号，有效地抑制了来自岸边的混响干扰。

Description

一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵

技术领域

本发明属于水下小目标探测技术领域，尤其涉及一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵。

背景技术

小目标探测声纳是保护港口、水面舰艇不受蛙人、UUV等物理尺寸小的水下慢速移动目标威胁的重要手段，它是在西方发达国家的海洋战略方针指导下逐步发展起来的。过去，美国及北约奉行“蓝水海战”，海上探测和防御的对象主要是舰船和潜艇等大型目标，对军事和商业港口的防护多局限在空中，对水下防御需求不高。而且当时几乎没有国家开发出适合潜入港口和输送蛙人的小型安静型水下运载器，相关技术也没有得到重视和发展。

冷战后，随着大洋中苏联潜艇的销声匿迹，以美国为首的各主要西方国家纷纷把对海上军事战略的关注由深海转向浅海乃至港口附近水域，浅水水声探测技术兴起。另一方面，近年来随着科学技术的发展，恐怖主义袭击也开始具有鲜明的“非对称性”特点。利用蛙人、水下无人平台（UUV）等小型武器，就可以造成巨大的生命和财产损失。

随着水下武器装备小型化的发展和世界恐怖主义威胁的日趋紧张，港口防御小目标入侵问题已经凸显出来，针对小目标的探测技术也得到快速发展。

因此，在重要水域或港口布放声纳探测设备，对入侵目标进行探测、定位、识别以及跟踪，是目前对抗水下蛙人、运载器、水下机器人等威胁的重要手段。

小目标探测声纳是以蛙人、UUV等小目标为探测对象的高分辨率图像声纳，小目标探测声纳的设计主要受到距离方位分辨率和作用距离的制约。小目标探测声纳一般布放在浅水区或近岸港口，在水下十几米深度工作，且蛙人、UUV目标速度低、目标反射强度很小，因此提高小目标探测声纳作用距离的关键是如何提高信混比，抑制海面和海底的界面混响干扰。一般所采用的方法，一是合理设计发射信号形式，通过接收机和信号处理，尽量抑制混响。二是通过在后置信号处理中利用动目标航迹特征等方法进行混响抑制。

目前，国内外小目标探测声纳普遍采用的圆柱型换能器基阵，均采用全向360度水平方向发射与接收，以实现对水下慢速小目标的探测与跟踪；然而，在将圆柱型换能器基阵部署在近岸港口进行水下安保时，小目标探测声纳采用的是360度全向发射声波，岸边带来的混响干扰将严重影响声纳的探测效果。可见，现有的圆柱形换能器基阵需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，能够灵活选择发射声波水平覆盖范围，以有效地减小近岸工作时海岸带来的混响干扰。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，包括电子仓壳体、发射换能器基阵、接收换能器基阵以及发射变压器；

发射换能器基阵以及接收换能器基阵均采用环形柱状结构；

发射换能器基阵由至少两个圆弧阵通道组成，其中，各个圆弧阵通道在发射换能器基阵的圆周方向上均匀分布，且所有圆弧阵通道共同覆盖水平360度方向；

每个圆弧阵通道均由多个列结构阵并联组成；

发射变压器有多个，且发射变压器的数量与圆弧阵通道的数量相等，每个圆弧阵通道与一个发射变压器对应相连，并由相应的发射变压器驱动。

优选地，圆弧阵通道的数量有4个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为90度，且4个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

发射变压器的数量有4个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

优选地，圆弧阵通道的数量有6个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为60度，且6个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

发射变压器的数量有6个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

优选地，圆弧阵通道的数量有8个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为45度，且8个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

发射变压器的数量有8个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

优选地，圆弧阵通道的数量有10个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为36度，且10个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

发射变压器的数量有10个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

优选地，发射换能器基阵与接收换能器基阵为一体硫化成型；其中，发射换能器基阵位于接收换能器基阵的上方，在发射换能器基阵与接收换能器基阵之间设有隔声障板。

优选地，电子仓壳体位于由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体的上方，且电子仓壳体与由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体通过螺钉连接；

在电子仓壳体与由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体的连接处设置密封圈。

优选地，由发射换能器基阵与接收换能器基阵组成的整体内部空腔设置发射变压器安装支架；各个发射变压器均设置于发射变压器安装支架上。

优选地，接收换能器基阵由在圆周方向等间隔分布的多个列结构阵通道组成，且所有列结构阵通道的信号接收范围覆盖水平360度方向；

各个列结构阵通道分别通过线缆连接到电子仓壳体内的信号处理电路上。

本发明具有如下优点：

如上所述，本发明述及了一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，该圆柱型小目标探测声纳基阵包括电子仓壳体、发射换能器基阵、接收换能器基阵以及发射变压器等。其中，发射换能器基阵由至少两个圆弧阵通道组成，其中，各个圆弧阵通道在发射换能器基阵的圆周方向上均匀分布，且所有圆弧阵通道共同覆盖水平360度方向，每个圆弧阵通道连接一个发射变压器且由所述发射变压器驱动。本发明中述及的发射换能器基阵可根据工作环境情况选择全部或部分圆弧阵通道进行工作，当选择部分圆弧阵通道工作时，一般选取邻近的连续几个圆弧阵通道构成一个大的圆弧阵进行工作，便于进行波束形成等后续信号处理，如此在近岸港口环境工作时，正对岸边的圆弧阵通道可选择不发射声波信号，就可以有效抑制来自岸边的混响干扰。由于本发明能够灵活选择发射声波水平覆盖范围，因而能够有效地减小近岸工作时海岸带来的混响干扰，进而提高了反蛙人声纳的探测效果。

附图说明

图1为本发明实施例1中可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵的结构示意图；

图2为本发明实施例1中可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵的剖视图；

图3为本发明实施例1中可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵的局部结构图；

图4为本发明实施例1中可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵（去除了电子仓壳体）的俯视图；

图5为本发明实施例1中发射换能器基阵的结构示意图；

图6为本发明实施例1中接收换能器基阵的结构示意图；

图7为本发明实施例1中发射换能器基阵的结构示意图；

图8为本发明实施例1中发射换能器基阵的结构示意图；

图9为本发明实施例1中发射换能器基阵的结构示意图。

附图标号说明：

标号	部件名称	标号	部件名称
				1	电子仓壳体	9	第一安装支架
2	发射换能器基阵	10	水平翻边
				3	接收换能器基阵	11	第二环形支撑面
4	发射变压器	12	第二安装支架
				5	圆弧阵通道	13	水平隔板
6	空腔	14	列结构阵通道
				7	基阵安装板	15	基阵外壳
8	第一环形支撑面	16	环形密封圈

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

如图1至图3所示，本实施例1述及了一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，其包括电子仓壳体1、换能器基阵以及发射变压器4。

换能器基阵采用收发分置的方式，即换能器基阵包括发射换能器基阵2以及接收换能器基阵3，其中，发射换能器基阵2以及接收换能器基阵3均采用环形柱状结构。

如图5所示，本实施例中发射换能器基阵2由8个圆弧阵通道5组成。

各个圆弧阵通道5在发射换能器基阵2的圆周方向上均匀分布，每个圆弧阵通道5发射声波水平覆盖范围为45度，所有圆弧阵通道5共同覆盖水平360度方向。

每个圆弧阵通道5均由多个（在本实施例1中例如有13个）列结构阵并联组成。

发射换能器基阵2的垂直方向开角由列结构阵的每列阵元数决定，是固定不变的，为了减少海底或海面反射带来的混响干扰，发射换能器基阵2垂直方向开角一般较小。

发射变压器4有多个，且发射变压器4的数量与圆弧阵通道5的数量相等，在本实施例1中圆弧阵通道5有8个，因此，发射变压器4的数量也是8个，如图4所示。

每个圆弧阵通道5与一个发射变压器4对应相连，并由相应的发射变压器4驱动。

发射换能器基阵2可根据工作环境情况选择全部或部分圆弧阵通道5进行工作。

当选择部分圆弧阵通道5工作时，一般选取邻近的连续几个圆弧阵通道5构成一个大的圆弧阵进行工作，便于进行波束形成等后续信号处理。例如：

当选择工作的发射变压器4数量只有一个时，则单个圆弧阵通道5工作，此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为45度。

当选择工作的发射变压器4数量有两个时，则两个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的两个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为90度。

当选择工作的发射变压器4数量有三个时，则三个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的三个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为135度。

依次类推，还可以根据需要选择四个、五个、六个、七个、八个发射变压器4同时工作，可选择的发射声波水平覆盖范围还有180度、225度、270度、315度、360度。

通过以上设计，使得本实施例1在近岸港口环境工作时，可选择发射声波水平覆盖范围，使得面向岸边的圆弧阵通道5不发射信号，有效地抑制了来自岸边的混响干扰。

如图2所示，本实施例1中发射换能器基阵2与接收换能器基阵3优选采用一体硫化成型；其中，发射换能器基阵2位于接收换能器基阵3的上方。

在发射换能器基阵2与接收换能器基阵3之间设有隔声障板（图中未示出）。

通过以上设计，使得由发射换能器基阵2与接收换能器基阵3组成的整体为环形柱状结构，由发射换能器基阵2与接收换能器基阵3组成的整体内侧为空腔6。

电子仓壳体1位于由发射换能器基阵2和接收换能器3基阵组成的整体的上方，且电子仓壳体1与由发射换能器基阵2和接收换能器基阵3组成的整体通过螺钉连接。

在电子仓壳体与由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体的连接处设置密封圈。

具体的，在发射换能器基阵2上方还设有基阵安装板7，如图2所示。

基阵安装板7与发射换能器基阵2与接收换能器基阵3均为一体硫化成型，由发射换能器基阵2与接收换能器基阵3组成的整体通过基阵安装板7与电子仓壳体1连接。

如图3所示，本实施例1中基阵安装板7为环形。

在基阵安装板7的周向设置螺纹孔，在电子仓壳体1的周向方向上也设置与基阵安装板7上螺纹孔一一对应的螺纹孔，基阵安装板7与电子仓壳体1之间通过螺纹连接。

在基阵安装板7与电子仓壳体1的垂直接触面以及水平接触面均设置环形密封圈16，以保证本实施例中圆柱型小目标探测声纳基阵的密封性。

此外，在基阵安装板7的内侧还设有水平的第一环形支撑面8。

在基阵安装板7的位置还设有向下伸展至空腔6内的第一安装支架9，第一安装支架9的上部设有水平翻边10，水平翻边10设置于第一环形支撑面8上并固定。

在第二安装支架9上设有水平的第二环形支撑面11。

在第二环形支撑面11上设有第二安装支架12，第二安装支架12为水平环形支架，该第二安装支架12作为发射变压器安装支架，用于安装发射变压器4。

第二安装支架12放置于第二环形支撑面11上并固定，如图3所示。

此外，在水平翻边10的上方还设有水平隔板13。

水平隔板13用于将电子仓壳体1与由发射换能器基阵2和接收换能器3组成的整体隔开。

在由发射换能器基阵2与接收换能器基阵3组成的整体外侧还设有基阵外壳15。

其中，基阵外壳15是由橡胶材料制成的。

如图6所示，接收换能器基阵3由在圆周方向等间隔分布的多个列结构阵通道14组成，所有列结构阵通道14的信号接收范围覆盖水平360度方向。

列结构阵通道14之间间距一般为发射声波中心频率半波长为宜。

接收换能器基阵3中的每个列结构阵构成一个接收通道，接收换能器基阵3的垂直方向开角由列结构阵的每列阵元数决定，是固定不变的。

在本实施例1中，接收换能器基阵3由96个列结构阵通道14组成，所有列结构阵通道14共同覆盖水平360度方向，每个通道接收波束水平方向开角可达3.75度。

接收换能器基阵3的96个列结构阵通道14均能接收信号，覆盖360度水平方位的范围。

各个列结构阵通道14分别通过线缆连接到电子仓壳体1内的信号处理电路上。

其中，电子仓壳体1内的信号处理电路可采用已有的信号处理电路。

在后续信号处理中，信号处理电路可根据发射换能器基阵2发射信号覆盖的水平方位范围灵活选择对应水平方位范围内的接收通道接收到的水声信号进行信号处理。

以上设计，可根据实际情况剔除无效接收信号，减少计算量加快信号处理速度。

本实施例1通过对发射换能器基阵2改进，能够灵活选择发射声波水平覆盖范围，有效地减小近岸工作时海岸带来的混响干扰，进而提高了反蛙人声纳的探测效果。

实施例2

本实施例2也述及了一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，该小目标探测声纳基阵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7所示，本实施例2中圆弧阵通道5的数量有4个，每个圆弧阵通道5发射声波水平覆盖范围为90度，且4个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度。

发射变压器4的数量有4个，且每个发射变压器4与一个圆弧阵通道5相连。

发射换能器基阵2可根据工作环境情况选择全部或部分圆弧阵通道5进行工作。

当选择部分圆弧阵通道5工作时，一般选取邻近的连续几个圆弧阵通道5构成一个大的圆弧阵进行工作，便于进行波束形成等后续信号处理。例如：

当选择工作的发射变压器4数量有一个时，则单个圆弧阵通道5工作，此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为90度。

当选择工作的发射变压器4数量有两个时，则两个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的两个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为180度。

当选择工作的发射变压器4数量有三个时，则三个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的三个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为270度。

当选择工作的发射变压器4数量有四个时，则四个圆弧阵通道5同时工作，此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为360度。

实施例3

本实施例3也述及了一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，该小目标探测声纳基阵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8所示，本实施例3中圆弧阵通道5的数量有6个，其中，每个圆弧阵通道5发射声波水平覆盖范围为60度，且4个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度。

发射变压器4的数量有6个，且每个发射变压器4与一个圆弧阵通道6相连。

发射换能器基阵2可根据工作环境情况选择全部或部分圆弧阵通道5进行工作。

当选择部分圆弧阵通道5工作时，一般选取邻近的连续几个圆弧阵通道5构成一个大的圆弧阵进行工作，便于进行波束形成等后续信号处理。例如：

当选择工作的发射变压器4数量有一个时，则单个圆弧阵通道5工作，此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为60度。

当选择工作的发射变压器4数量有两个时，则两个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的两个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为120度。

当选择工作的发射变压器4数量有三个时，则三个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的三个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为180度。

依次类推，可选择的发射声波水平覆盖范围还有240度、300度、360度。

实施例4

本实施例4也述及了一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，该小目标探测声纳基阵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9所示，本实施例3中圆弧阵通道5的数量有10个，其中，每个圆弧阵通道5发射声波水平覆盖范围为36度，且4个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度。

发射变压器4的数量有10个，且每个发射变压器4与一个圆弧阵通道6相连。

发射换能器基阵2可根据工作环境情况选择全部或部分圆弧阵通道5进行工作。

当选择部分圆弧阵通道5工作时，一般选取邻近的连续几个圆弧阵通道5构成一个大的圆弧阵进行工作，便于进行波束形成等后续信号处理。例如：

当选择工作的发射变压器4数量有一个时，则单个圆弧阵通道5工作，此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为36度。

当选择工作的发射变压器4数量有两个时，则两个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的两个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为72度。

当选择工作的发射变压器4数量有三个时，则三个圆弧阵通道5工作（一般选取相连的三个圆弧阵通道5工作），此时，可选择的发射声波水平覆盖范围为108度。

依次类推，根据工作的发射变压器4的数量，可选择的发射声波水平覆盖范围还有144度、180度、216度、252度、288度、324度以及360度。

当然，本发明中圆弧阵通道5不限于上述4个、6个、8个、10个，例如还可以根据需要设置为2个、3个、5个、7个、9个，甚至更多，此处不再赘述。

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 (8)

1.一种可选水平覆盖范围的圆柱型小目标探测声纳基阵，包括电子仓壳体、发射换能器基阵、接收换能器基阵以及发射变压器；其特征在于，

所述发射换能器基阵以及接收换能器基阵均采用环形柱状结构；

所述发射换能器基阵由至少两个圆弧阵通道组成，其中，各个所述圆弧阵通道在发射换能器基阵的圆周方向上均匀分布，且所有圆弧阵通道共同覆盖水平360度方向；

每个所述圆弧阵通道均由多个列结构阵并联组成；

所述发射变压器有多个，且发射变压器的数量与圆弧阵通道的数量相等，每个所述圆弧阵通道与一个发射变压器对应相连，并由相应的发射变压器驱动；

所述接收换能器基阵由在圆周方向等间隔分布的多个列结构阵通道组成，且所有列结构阵通道的信号接收范围覆盖水平360度方向；

各个列结构阵通道分别通过线缆连接到所述电子仓壳体内的信号处理电路上。

2.根据权利要求1所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

所述圆弧阵通道的数量有4个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为90度，且4个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

所述发射变压器的数量有4个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

3.根据权利要求1所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

所述圆弧阵通道的数量有6个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为60度，且6个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

所述发射变压器的数量有6个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

4.根据权利要求1所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

所述圆弧阵通道的数量有8个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为45度，且8个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

所述发射变压器的数量有8个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

5.根据权利要求1所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

所述圆弧阵通道的数量有10个，其中，每个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为36度，且10个圆弧阵通道发射声波水平覆盖范围为圆周360度；

所述发射变压器的数量有10个，且每个发射变压器与一个圆弧阵通道相连。

6.根据权利要求1所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

所述发射换能器基阵与接收换能器基阵为一体硫化成型；其中，发射换能器基阵位于接收换能器基阵的上方，在发射换能器基阵与接收换能器基阵之间设有隔声障板。

7.根据权利要求6所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

所述电子仓壳体位于由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体的上方，且电子仓壳体与由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体通过螺钉连接；

在电子仓壳体与由发射换能器基阵和接收换能器基阵组成的整体的连接处设置密封圈。

8.根据权利要求6所述的圆柱型小目标探测声纳基阵，其特征在于，

由所述发射换能器基阵与接收换能器基阵组成的整体内侧空腔设有发射变压器安装支架；各个所述发射变压器均设置于所述发射变压器安装支架上。

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