專利名稱：一種雙鰭陣聲納設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于聲納裝備領域，特別涉及一種用于小型化水下活動平臺的單鰭陣聲納
設備。
背景技術：
小型化水下活動平臺主要包括水下無人航行器和水下拖曳探測平臺。其中，水下 無人航行器(UUV， Underwater Unmanned Vehicle)由于自身具有靈活的機動性、良好的隱 蔽性和較大的續(xù)航力等技術特點，使其在現(xiàn)代海洋作戰(zhàn)體系中具有相當重要的地位。UUV被 稱為海軍的"力量倍增器"，被廣泛應用于現(xiàn)代海戰(zhàn)中，特別在遠程目標探測方面具有隱蔽、 機動等明顯的優(yōu)勢，但是UUV相較于艦艇，其尺寸較小空間有限，因此如何在UUV上安裝探 測聲納一直是UUV遠程探測亟待解決的問題。目前，UUV所配的聲納主要以安裝在舷下側 的成像聲納和導航聲納、安裝在艏部的前視聲納為主，真正用于探測的UUV聲納設備并不 多見。近年來，文獻中可見的被動探測聲納類型有兩種， 一種是SACLANTCEN和MIT合作在 Odyssey UUV安裝的前鼻陣，全陣共8個陣元間隔10cm工作頻段在8-16kHz。該系統(tǒng)最初 被用于進行成像掃雷，近年來被用于進行主被動目標探測試驗。另一種是2008年美國NURC 為了適應反潛網(wǎng)絡戰(zhàn)的需要，將SLITA拖曳陣(31mm外徑)安裝在Ocean Explorer AUV上， 試驗UUV拖曳陣性能。但是，這兩型聲納均有明顯的缺點，因為不論是前鼻陣還是拖曳陣， 都會嚴重影響UUV的流體性能、機動性和速度，另外由于均采用拆卸外掛式安裝方式，工作 復雜度大，不利于UUV的釋放和回收。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種采用仿魚鰭設計的水下無人航行器用探測聲納裝備，通
過雙背鰭式布陣、魚骨狀支架、共形導流設計，提高被動探測聲納在水下無人航行器上的適
裝性，減少了陣列對水下無人航行器的流體性能、機動性和速度的影響，安裝方便且易于水
下無人航行器的釋放與回收，以及加裝其它載荷；同時，利用雙線列陣結構克服了單線列陣
的左右舷模糊問題，使水下無人航行器無需機動便能判斷目標的左右舷。 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的水下無人航行器用雙背鰭陣聲納系統(tǒng)包括雙
背鰭式水聽器陣列1、雙陣列支架2與固定器3、共形導流罩4、水密接口器5以及信號處理
機6，整個系統(tǒng)構成如圖l所示。所述雙背鰭式水聽器陣列分為左右兩個單線列陣，且每個
單線列陣由半波長、等間距的圓柱或者(半)球形水聽器7組成，并沿水下無人航行器中軸
線左右對稱、且按四分之一波長陣間距排列，并固定于雙陣列支架上而成，其中陣列總長、
水聽器陣元數(shù)以及雙線列陣間距，由水下無人航行器的長度和陣列工作頻率決定。 上述技術方案中，所述雙陣列支架與固定器位于雙背鰭式水聽器陣列與水下無人
航行器之間，其中陣列支架為左右對稱的雙魚骨形結構，主骨架分為左陣列支架8和右陣
列支架9，分別固定兩組水聽器陣列，即左陣IO和右陣ll，且左右兩支主骨架之間由橫向實
心柵欄12連接；骨剌狀末端通過固定器與水下無人航行器相連，另外主骨架中空，陣列線纜13從中導出。固定器為凹槽結構，并且固定器兩端的槽片中間開有圓孔，與水下無人航
行器外殼上相配套的凸塊14契合，通過橫穿螺栓15并配套螺母16進行固定。 上述技術方案中，所述共形導流罩，按照魚鰭線型設計，并兩側開有橢圓狀槽孔進
行導流。共形導流罩利用兩側圓形小孔內穿螺栓17固定于水下無人航行器外殼上的凸塊上。 上述技術方案中，所述水密接口器，由多芯接插件18、雙層水密0圈19以及外部 套頭20組成，通過安裝在水下無人航行器前端或者后端的與水密接口器相匹配的水密接 插件連接，完成雙背鰭式水聽器陣列所采集的模擬數(shù)據(jù)傳輸進入水下無人航行器內部的工 作。為了維護方便， 一般左右兩條線列陣各用一個水密接口器。 上述技術方案中，所述信號處理機包括數(shù)字采集單元21、數(shù)據(jù)處理單元22和指控 接口單元23，安裝于水下無人航行器內部，具有小型化、低功耗特點，能夠完成對背鰭式水 聽器陣列所采集模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字采集、以遠程目標探測、左右舷分辨、高精度定位和跟蹤為 目的的信號處理，以及提供探測目標信息給水下無人航行器的指揮控制系統(tǒng)的信息發(fā)送工 作。其中，數(shù)字采集單元負責對背鰭式水聽器陣列所采集的多通道模擬數(shù)據(jù)進行信號調理 和數(shù)字采集；數(shù)據(jù)處理單元對多通道數(shù)字陣列數(shù)據(jù)進行信號處理，以完成對遠程目標的被 動探測、高精度定位和跟蹤；指控接口單元，與水下無人航行器的指揮控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)口 連接，將信號處理機所獲得的探測目標信息傳送給指揮控制系統(tǒng)，輔助其完成相應的任務 使命。 本發(fā)明提供的水下無人航行器用雙背鰭陣聲納的安裝與工作包括如下步驟
1)雙背鰭式水聽器陣列分別安裝固定在雙陣列支架的左右主骨架上，陣列線纜分 別通過中空主骨架引出； 2)雙陣列支架通過安裝在支架骨剌狀末端的固定器與水下無人航行器固定；
3)魚鰭狀共形導流罩安裝在雙陣列支架之上，與支架一起固定在水下無人航行器 外殼上； 4)雙背鰭式水聽器陣列所采集的多通道模擬數(shù)據(jù)通過水密接口器傳送至安裝于 水下無人航行器內部的信號處理機； 5)信號處理機將多通道模擬數(shù)據(jù)進行調理與數(shù)字化后，進行數(shù)字聲納信號處理， 完成對遠程目標的被動探測、左右舷分辨、高精度定位和跟蹤，并通過數(shù)據(jù)接口將目標信息 傳遞給位于水下無人航行器內部的指揮控制系統(tǒng)，輔助完成整個水下無人航行器的任務使 命。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1、雙背鰭式水聽器布陣設計與安裝，有效地減少了聲納陣列所占用的空間，方便 聲納探測陣列安裝在相對體積較小的水下無人航行器上。 2、雙背鰭式聲納陣列安裝于水下無人航行器的背部或者腹部中軸線左右，有利于 釋放兩側的載荷能力，使水下無人航行器能夠攜帶更多的有效載荷，從而完成更多的使命 任務，同時也有利于水下無人航行器的釋放與回收。 3、雙背鰭式聲納陣列結構克服了單線列陣的左右舷模糊問題，使水下無人航行器 無需機動便能判斷目標的左右舷。 4、魚骨狀雙陣列支架結構提高聲納陣列的固定強度，同時也減少了固定材料的耗費。 5、符合魚鰭線型的共形導流罩設計，減少了聲納陣列對水下無人航行器的流體性 能、機動性以及速度的影響。 6、小型化、低功耗的信號處理機，便于安裝在水下無人航行器內部，通過可以延長 其水下工作時間。 6、本發(fā)明既適用于水下無人航行器系統(tǒng)，包括遙控水下航行器(R0V)和自主水 下航行器(AUV)，也適用于其它水下拖曳探測平臺。


以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中 圖1表示水下無人航行器用雙背鰭陣聲納系統(tǒng)結構圖，其中a為側視圖，b為俯視 圖； 圖2表示雙背鰭式水聽器陣列結構圖，其中a為側視圖，b為俯視圖； 圖3表示雙陣列支架與固定器結構圖，其中a為側視圖，b為前視圖； 圖4表示雙陣列支架通過固定器固定在水下無人航行器上的安裝結構圖； 圖5表示共形導流罩結構圖，其中a為俯視圖，b為側視圖，c為前視圖； 圖6表示共形導流罩固定在水下無人航行器上的安裝結構圖； 圖7表示水密接口器結構圖，其中a為側視圖，b為前視圖； 圖8表示信號處理機結構圖； 圖9表示雙線列陣左右舷目標分辨原理示意圖； 圖IO表示雙背鰭陣聲納安裝于水下無人航行器腹部的系統(tǒng)結構圖，其中a為側視 圖，b為俯視圖)。
具體實施例方式
下面結合附圖與具體實施例對本發(fā)明作進一步地描述。
實施例1 本實施例的水下無人航行器用雙背鰭陣聲納系統(tǒng)，主體陣列部分安裝在水下無人 航行器背部，按中軸線左右對稱分布，陣列線纜前出線進入水下無人航行器內部，整個系統(tǒng) 構成如圖1所示，包括雙背鰭式水聽器陣列、雙陣列支架與固定器、共形導流罩、水密接口 器以及信號處理機等五個部分。 在這個安裝位置上，本實施提供的水下無人航行器用雙背鰭陣聲納的安裝與工作 包括如下步驟 1)雙背鰭式水聽器陣列分別安裝固定在雙陣列支架的左右主骨架上，陣列線纜分 別通過中空主骨架引出； 2)雙陣列支架的主骨架安裝在水下無人航行器背部，按中軸線左右對稱分布，并 通過安裝在支架骨剌狀末端的固定器與水下無人航行器固定； 3)魚鰭狀共形導流罩安裝在雙陣列支架之上，與支架一起固定在水下無人航行器 外殼上； 4)雙背鰭式水聽器陣列所采集的多通道模擬數(shù)據(jù)通過水密接口器傳送至安裝于水下無人航行器內部的信號處理機。 5)信號處理機將多通道模擬數(shù)據(jù)進行調理與數(shù)字化后，進行數(shù)字聲納信號處理， 完成對遠程目標的被動探測、左右舷分辨、高精度定位和跟蹤，并通過數(shù)據(jù)接口將目標信息 傳遞給位于水下無人航行器內部的指揮控制系統(tǒng)，輔助完成整個水下無人航行器的任務使 命。 以下敘述本實施例各步驟的具體細節(jié)。 所述步驟(1)中雙背鰭式水聽器陣列分為左右兩個單線列陣，且每個單線列陣由 半波長、等間距的圓柱或者(半)球形水聽器組成，并沿水下無人航行器中軸線左右對稱、 且按四分之一波長陣間距排列，并固定于雙陣列支架上而成，其結構如圖2所示，其中陣列 總長、水聽器陣元數(shù)以及雙線列陣間距，由水下無人航行器的長度和陣列工作頻率決定。
設水下無人航行器的長度L，陣列工作頻率范圍的上限頻率為f，則陣列總長可以 表示為 1 = a L(l) 其中，a為比例系數(shù)，一般取0. 7 1之間。 而如果半波長等間距布陣，即陣元間距d = c/2f ，則水聽器陣元數(shù)為
^ = 1 + 1 (2) 這里，c為聲音在水中的速度。
而兩線列陣之間的陣間距H = c/4f 。 所述步驟(2)中雙陣列支架與固定器位于雙背鰭式水聽器陣列與水下無人航行
器之間，其中陣列支架為左右對稱的雙魚骨形結構，主骨架分為左右兩支，分別固定兩組水 聽器陣列，且左右兩支主骨架之間由橫向實心柵欄連接；骨剌狀末端通過固定器與水下無
人航行器相連，另外主骨架中空，陣列線纜從中導出，其結構如圖3所示；固定器為凹槽結 構，并且固定器兩端的槽片中間開有圓孔，與水下無人航行器外殼上相配套的凸塊契合，通 過橫穿螺栓進行固定，其安裝結構如圖4所示。 所述步驟(3)中共形導流罩，按照魚鰭線型設計，并兩側開有橢圓狀槽孔進行導 流，其結構如圖5所示。共形導流罩利用兩側圓形小孔內穿螺栓固定于水下無人航行器外 殼上的凸塊上，其結構如圖6所示。 所述步驟(4)中水密接口器，由多芯接插件、雙層水密0圈以及外部套頭組成，其 結構如圖7所示，通過安裝在水下無人航行器前端與水密接口器相匹配的水密接插件連 接，完成雙背鰭式水聽器陣列所采集的模擬數(shù)據(jù)傳輸進入水下無人航行器內部的工作。為 了維護方便， 一般左右兩條線列陣各用一個水密接口器 所述步驟(5)中信號處理機包括數(shù)字采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和指控接口單元， 其結構如圖8所示，安裝于水下無人航行器前端，具有小型化、低功耗特點，能夠完成對背 鰭式水聽器陣列所采集模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字采集、以遠程目標探測、高精度定位和跟蹤為目的 的信號處理，以及提供探測目標信息給水下無人航行器的指揮控制系統(tǒng)的信息發(fā)送工作。 其中，數(shù)字采集單元負責對背鰭式水聽器陣列所采集的多通道模擬數(shù)據(jù)進行信號調理和數(shù) 字采集；數(shù)據(jù)處理單元對多通道數(shù)字陣列數(shù)據(jù)進行信號處理，以完成對遠程目標的被動探 測、高精度定位和跟蹤；指控接口單元，與水下無人航行器的指揮控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)口連接，將信號處理機所獲得的探測目標信息傳送給指揮控制系統(tǒng)，輔助其完成相應的任務使 命。 在聲納信號處理中，單個線陣存在左右舷模糊的問題，如果要分辨目標的左右舷
必須讓載體機動，通過空間波束的變化方向來分辨目標的左右舷。而本發(fā)明通過雙背鰭式 的陣列結構，可以通過信號處理機進行雙陣處理直接獲得目標左右舷結果，其原理如下 對于陣元數(shù)為N、等間隔d布陣且雙陣間距為H的雙線陣A和B，如果存在方位為 9的遠場源目標(以舷側方向為參考方向)，且信號的時間序列可以表示為s(t)，暫時忽略 噪聲的影響，如圖9所示，ti時刻A陣通道n的輸出可以表示為
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
若以A陣為參考陣，則同一時刻B陣通道n的輸出可以表示為
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
如果信號是窄帶信號，且角頻率為"。，j為復數(shù)虛部符號，則式(3)和(4)可以改
寫為
<formula>formula see original document page 7</formula>
而通過雙線列陣的窄帶波束形成可以得到
<formula>formula see original document page 7</formula>
相對單陣列的窄帶波束形成
<formula>formula see original document page 7</formula>(8) 通過公式(7)可以得到0到360度的波束分辨，而通過公式(8)只能分辨0到180
度，因此利用雙陣可以解決單線陣目標左右舷模糊問題。 實施例2 本實施例的水下無人航行器用雙背鰭陣聲納系統(tǒng)，主體陣列部分安裝在水下無人 航行器腹部，按中軸線左右對稱分布，陣列線纜后出線進入水下無人航行器內部，整個系統(tǒng) 構成如圖9所示，包括包括雙背鰭式水聽器陣列、雙陣列支架與固定器、共形導流罩、水密 接口器以及信號處理機等五個部分。 在這個安裝位置上，本實施提供的水下無人航行器用雙背鰭陣聲納的安裝與工作 包括如下步驟 1)雙背鰭式水聽器陣列分別安裝固定在雙陣列支架的左右主骨架上，陣列線纜分 別通過中空主骨架引出； 2)雙陣列支架的主骨架安裝在水下無人航行器腹部，按中軸線左右對稱分布，并 通過安裝在支架骨剌狀末端的固定器與水下無人航行器固定； 3)魚鰭狀共形導流罩安裝在雙陣列支架之上，與支架一起固定在水下無人航行器外殼上； 4)雙背鰭式水聽器陣列所采集的多通道模擬數(shù)據(jù)通過水密接口器傳送至安裝于 水下無人航行器內部的信號處理機。 5)信號處理機將多通道模擬數(shù)據(jù)進行調理與數(shù)字化后，進行數(shù)字聲納信號處理， 完成對遠程目標的被動探測、左右舷分辨、高精度定位和跟蹤，并通過數(shù)據(jù)接口將目標信息 傳遞給位于水下無人航行器內部的指揮控制系統(tǒng)，輔助完成整個水下無人航行器的任務使 命。 以下敘述本實施例各步驟的具體細節(jié)。 所述步驟(1)中雙背鰭式水聽器陣列分為左右兩個單線列陣，且每個單線列陣由 半波長、等間距的圓柱或者(半)球形水聽器組成，并沿水下無人航行器中軸線左右對稱、 且按四分之一波長陣間距排列，并固定于雙陣列支架上而成，其結構如圖2所示，其中陣列 總長、水聽器陣元數(shù)以及雙線列陣間距，由水下無人航行器的長度和陣列工作頻率決定，如 何計算同實施例1。 所述步驟(2)中雙陣列支架與固定器位于雙背鰭式水聽器陣列與水下無人航行
器之間，其中陣列支架為左右對稱的雙魚骨形結構，主骨架分為左右兩支，分別固定兩組水 聽器陣列，且左右兩支主骨架之間由橫向實心柵欄連接；骨剌狀末端通過固定器與水下無
人航行器相連，另外主骨架中空，陣列線纜從中導出，其結構如圖3所示；固定器為凹槽結 構，并且固定器兩端的槽片中間開有圓孔，與水下無人航行器外殼上相配套的凸塊契合，通 過橫穿螺栓進行固定，其安裝結構如圖4所示。 所述步驟(3)中共形導流罩，按照魚鰭線型設計，并兩側開有橢圓狀槽孔進行導 流，其結構如圖5所示。共形導流罩利用兩側圓形小孔內穿螺栓固定于水下無人航行器外 殼上的凸塊上，其結構如圖6所示。 所述步驟(4)中水密接口器，由多芯接插件、雙層水密0圈以及外部套頭組成，其 結構如圖7所示，通過安裝在水下無人航行器前端與水密接口器相匹配的水密接插件連 接，完成雙背鰭式水聽器陣列所采集的模擬數(shù)據(jù)傳輸進入水下無人航行器內部的工作。為 了維護方便， 一般左右兩條線列陣各用一個水密接口器 所述步驟(5)中信號處理機包括數(shù)字采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和指控接口單元， 其結構如圖8所示，安裝于水下無人航行器前端，具有小型化、低功耗特點，能夠完成對背 鰭式水聽器陣列所采集模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字采集、以遠程目標探測、高精度定位和跟蹤為目的 的信號處理，以及提供探測目標信息給水下無人航行器的指揮控制系統(tǒng)的信息發(fā)送工作。 其中，數(shù)字采集單元負責對背鰭式水聽器陣列所采集的多通道模擬數(shù)據(jù)進行信號調理和數(shù) 字采集；數(shù)據(jù)處理單元對多通道數(shù)字陣列數(shù)據(jù)進行信號處理，以完成對遠程目標的被動探 測、高精度定位和跟蹤；指控接口單元，與水下無人航行器的指揮控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)口連 接，將信號處理機所獲得的探測目標信息傳送給指揮控制系統(tǒng)，輔助其完成相應的任務使 命。其中，信號處理機進行目標左右舷分辨處理的原理同實施例1。 最后所應說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明理論原理和技術方案而非限制。本領 域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā) 明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種雙鰭陣聲納設備，包括水聽器陣列、陣列支架和導流罩，其特征在于，所述陣列支架固定在水下無人航行器外殼的背部或腹部，所述水聽器陣列的各陣元固定安裝在所述陣列支架上，所述水聽器陣列包括兩條平行的單線列陣，并且所述兩條單線列陣沿著水下無人航行器外殼的背部或腹部的軸線鏡像對稱地布設陣元，所述導流罩與水下無人航行器外殼連接，并且所述水聽器陣列和陣列支架位于所述導流罩與水下無人航行器外殼之間形成的腔體中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述陣列支架為雙魚骨形支 架，包括主骨架、左骨剌和右骨剌，所述主骨架包括兩條固定連接且平行的脊骨，其中左側 脊骨連接左骨剌，右側脊骨連接右骨剌；所述主骨架、左骨剌和右骨剌均貼覆在所述水下無 人航行器外殼的背部或腹部，所述陣列支架通過位于骨剌末端的固定器與水下無人航行器 外殼固連在一起，所述主骨架的左、右側脊骨的軸線與水下無人航行器中軸線平行且左、右 側脊骨對稱設置，所述左、右側脊骨上具有沿著軸線排列的多個基座，用于固定安裝所述水 聽器陣列的各個水聽器。
3. 根據(jù)權利要求2所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述陣列支架的左、右側脊骨 均中空，用于容納水聽器陣列的線纜。
4. 根據(jù)權利要求1所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述導流罩是雙魚鰭狀共形 導流罩，通過位于所述陣列支架的骨剌末端的所述固定器與水下無人航行器外殼固定連 接，所述雙魚鰭狀共形導流罩的外形具有兩個鰭峰，分別對應于水聽器陣列的兩條單線列 陣。
5. 根據(jù)權利要求4所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述導流罩兩側分別開有一 排用于導流的橢圓形槽孔。
6. 根據(jù)權利要求1所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述水聽器陣列的每條單線 列陣由等間距的圓柱狀、球狀或者半球狀水聽器組成；每條單線列陣的陣元間距均為水聽器工作波長的一半，兩條單線列陣之間的陣間間距為水聽器工作波長的四分之一。
7. 根據(jù)權利要求2所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述固定器為凹槽結構，并且 固定器兩端的槽片中間開有圓孔，與水下無人航行器外殼上相配套的凸塊契合，通過橫穿 螺栓固定。
8. 根據(jù)權利要求1所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述雙鰭陣聲納設備還包括 水密接口器和信號處理機；所述水密接口器安裝在水下無人航行器外殼的前端或者后端， 所述信號處理機位于所述水下無人航行器外殼的內部，所述水聽器陣列的線纜通過所述水 密接口器穿過所述水下無人航行器外殼并與所述信號處理機電連接。
9. 根據(jù)權利要求8所述的雙鰭陣聲納設備，其特征在于，所述水密接口器包括多芯接 插件、雙層水密0圈以及外部套頭，所述水密接口器通過安裝在水下無人航行器前端或者 后端的與水密接口器相匹配的水密接插件與所述水下無人航行器外殼連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙鰭陣聲納設備，包括水聽器陣列、陣列支架和導流罩，其特征在于，所述陣列支架固定在水下無人航行器外殼的背部或腹部，所述水聽器陣列的各陣元固定安裝在所述陣列支架上，所述水聽器陣列包括兩條平行的單線列陣，并且所述兩條單線列陣沿著水下無人航行器外殼的背部或腹部的軸線鏡像對稱地布設陣元，所述導流罩與水下無人航行器外殼連接，并且所述水聽器陣列和陣列支架位于所述導流罩與水下無人航行器外殼之間形成的腔體中。通過雙背鰭式布陣、魚骨狀支架、共形導流設計，提高被動探測聲納在水下無人航行器上的適裝性；同時克服了單線列陣的左右舷模糊問題，使水下無人航行器無需機動便能判斷目標的左右舷。
文檔編號G01S15/88GK101706574SQ200910235939
公開日2010年5月12日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權日2009年10月30日
發(fā)明者張春華, 朱沛勝, 李宇, 黃海寧 申請人:中國科學院聲學研究所;北京中科海躍科技有限責任公司