专利名称：一种双鳍阵声纳设备的制作方法
技术领域：
本发明属于声纳装备领域，特别涉及一种用于小型化水下活动平台的单鳍阵声纳
设备。
背景技术：
小型化水下活动平台主要包括水下无人航行器和水下拖曳探测平台。其中，水下 无人航行器(UUV， Underwater Unmanned Vehicle)由于自身具有灵活的机动性、良好的隐 蔽性和较大的续航力等技术特点，使其在现代海洋作战体系中具有相当重要的地位。UUV被 称为海军的"力量倍增器"，被广泛应用于现代海战中，特别在远程目标探测方面具有隐蔽、 机动等明显的优势，但是UUV相较于舰艇，其尺寸较小空间有限，因此如何在UUV上安装探 测声纳一直是UUV远程探测亟待解决的问题。目前，UUV所配的声纳主要以安装在舷下侧 的成像声纳和导航声纳、安装在艏部的前视声纳为主，真正用于探测的UUV声纳设备并不 多见。近年来，文献中可见的被动探测声纳类型有两种， 一种是SACLANTCEN和MIT合作在 Odyssey UUV安装的前鼻阵，全阵共8个阵元间隔10cm工作频段在8-16kHz。该系统最初 被用于进行成像扫雷，近年来被用于进行主被动目标探测试验。另一种是2008年美国NURC 为了适应反潜网络战的需要，将SLITA拖曳阵(31mm外径)安装在Ocean Explorer AUV上， 试验UUV拖曳阵性能。但是，这两型声纳均有明显的缺点，因为不论是前鼻阵还是拖曳阵， 都会严重影响UUV的流体性能、机动性和速度，另外由于均采用拆卸外挂式安装方式，工作 复杂度大，不利于UUV的释放和回收。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用仿鱼鳍设计的水下无人航行器用探测声纳装备，通
过双背鳍式布阵、鱼骨状支架、共形导流设计，提高被动探测声纳在水下无人航行器上的适
装性，减少了阵列对水下无人航行器的流体性能、机动性和速度的影响，安装方便且易于水
下无人航行器的释放与回收，以及加装其它载荷；同时，利用双线列阵结构克服了单线列阵
的左右舷模糊问题，使水下无人航行器无需机动便能判断目标的左右舷。 为实现上述发明目的，本发明提供的水下无人航行器用双背鳍阵声纳系统包括双
背鳍式水听器阵列1、双阵列支架2与固定器3、共形导流罩4、水密接口器5以及信号处理
机6，整个系统构成如图l所示。所述双背鳍式水听器阵列分为左右两个单线列阵，且每个
单线列阵由半波长、等间距的圆柱或者(半)球形水听器7组成，并沿水下无人航行器中轴
线左右对称、且按四分之一波长阵间距排列，并固定于双阵列支架上而成，其中阵列总长、
水听器阵元数以及双线列阵间距，由水下无人航行器的长度和阵列工作频率决定。 上述技术方案中，所述双阵列支架与固定器位于双背鳍式水听器阵列与水下无人
航行器之间，其中阵列支架为左右对称的双鱼骨形结构，主骨架分为左阵列支架8和右阵
列支架9，分别固定两组水听器阵列，即左阵IO和右阵ll，且左右两支主骨架之间由横向实
心栅栏12连接；骨剌状末端通过固定器与水下无人航行器相连，另外主骨架中空，阵列线缆13从中导出。固定器为凹槽结构，并且固定器两端的槽片中间开有圆孔，与水下无人航
行器外壳上相配套的凸块14契合，通过横穿螺栓15并配套螺母16进行固定。 上述技术方案中，所述共形导流罩，按照鱼鳍线型设计，并两侧开有椭圆状槽孔进
行导流。共形导流罩利用两侧圆形小孔内穿螺栓17固定于水下无人航行器外壳上的凸块上。 上述技术方案中，所述水密接口器，由多芯接插件18、双层水密0圈19以及外部 套头20组成，通过安装在水下无人航行器前端或者后端的与水密接口器相匹配的水密接 插件连接，完成双背鳍式水听器阵列所采集的模拟数据传输进入水下无人航行器内部的工 作。为了维护方便， 一般左右两条线列阵各用一个水密接口器。 上述技术方案中，所述信号处理机包括数字采集单元21、数据处理单元22和指控 接口单元23，安装于水下无人航行器内部，具有小型化、低功耗特点，能够完成对背鳍式水 听器阵列所采集模拟数据的数字采集、以远程目标探测、左右舷分辨、高精度定位和跟踪为 目的的信号处理，以及提供探测目标信息给水下无人航行器的指挥控制系统的信息发送工 作。其中，数字采集单元负责对背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据进行信号调理 和数字采集；数据处理单元对多通道数字阵列数据进行信号处理，以完成对远程目标的被 动探测、高精度定位和跟踪；指控接口单元，与水下无人航行器的指挥控制系统通过数据口 连接，将信号处理机所获得的探测目标信息传送给指挥控制系统，辅助其完成相应的任务 使命。 本发明提供的水下无人航行器用双背鳍阵声纳的安装与工作包括如下步骤
1)双背鳍式水听器阵列分别安装固定在双阵列支架的左右主骨架上，阵列线缆分 别通过中空主骨架引出； 2)双阵列支架通过安装在支架骨剌状末端的固定器与水下无人航行器固定；
3)鱼鳍状共形导流罩安装在双阵列支架之上，与支架一起固定在水下无人航行器 外壳上； 4)双背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据通过水密接口器传送至安装于 水下无人航行器内部的信号处理机； 5)信号处理机将多通道模拟数据进行调理与数字化后，进行数字声纳信号处理， 完成对远程目标的被动探测、左右舷分辨、高精度定位和跟踪，并通过数据接口将目标信息 传递给位于水下无人航行器内部的指挥控制系统，辅助完成整个水下无人航行器的任务使 命。 与现有技术相比，本发明具有如下优点 1、双背鳍式水听器布阵设计与安装，有效地减少了声纳阵列所占用的空间，方便 声纳探测阵列安装在相对体积较小的水下无人航行器上。 2、双背鳍式声纳阵列安装于水下无人航行器的背部或者腹部中轴线左右，有利于 释放两侧的载荷能力，使水下无人航行器能够携带更多的有效载荷，从而完成更多的使命 任务，同时也有利于水下无人航行器的释放与回收。 3、双背鳍式声纳阵列结构克服了单线列阵的左右舷模糊问题，使水下无人航行器 无需机动便能判断目标的左右舷。 4、鱼骨状双阵列支架结构提高声纳阵列的固定强度，同时也减少了固定材料的耗费。 5、符合鱼鳍线型的共形导流罩设计，减少了声纳阵列对水下无人航行器的流体性 能、机动性以及速度的影响。 6、小型化、低功耗的信号处理机，便于安装在水下无人航行器内部，通过可以延长 其水下工作时间。 6、本发明既适用于水下无人航行器系统，包括遥控水下航行器(R0V)和自主水 下航行器(AUV)，也适用于其它水下拖曳探测平台。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图1表示水下无人航行器用双背鳍阵声纳系统结构图，其中a为侧视图，b为俯视 图； 图2表示双背鳍式水听器阵列结构图，其中a为侧视图，b为俯视图； 图3表示双阵列支架与固定器结构图，其中a为侧视图，b为前视图； 图4表示双阵列支架通过固定器固定在水下无人航行器上的安装结构图； 图5表示共形导流罩结构图，其中a为俯视图，b为侧视图，c为前视图； 图6表示共形导流罩固定在水下无人航行器上的安装结构图； 图7表示水密接口器结构图，其中a为侧视图，b为前视图； 图8表示信号处理机结构图； 图9表示双线列阵左右舷目标分辨原理示意图； 图IO表示双背鳍阵声纳安装于水下无人航行器腹部的系统结构图，其中a为侧视 图，b为俯视图)。
具体实施例方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1 本实施例的水下无人航行器用双背鳍阵声纳系统，主体阵列部分安装在水下无人 航行器背部，按中轴线左右对称分布，阵列线缆前出线进入水下无人航行器内部，整个系统 构成如图1所示，包括双背鳍式水听器阵列、双阵列支架与固定器、共形导流罩、水密接口 器以及信号处理机等五个部分。 在这个安装位置上，本实施提供的水下无人航行器用双背鳍阵声纳的安装与工作 包括如下步骤 1)双背鳍式水听器阵列分别安装固定在双阵列支架的左右主骨架上，阵列线缆分 别通过中空主骨架引出； 2)双阵列支架的主骨架安装在水下无人航行器背部，按中轴线左右对称分布，并 通过安装在支架骨剌状末端的固定器与水下无人航行器固定； 3)鱼鳍状共形导流罩安装在双阵列支架之上，与支架一起固定在水下无人航行器 外壳上； 4)双背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据通过水密接口器传送至安装于水下无人航行器内部的信号处理机。 5)信号处理机将多通道模拟数据进行调理与数字化后，进行数字声纳信号处理， 完成对远程目标的被动探测、左右舷分辨、高精度定位和跟踪，并通过数据接口将目标信息 传递给位于水下无人航行器内部的指挥控制系统，辅助完成整个水下无人航行器的任务使 命。 以下叙述本实施例各步骤的具体细节。 所述步骤(1)中双背鳍式水听器阵列分为左右两个单线列阵，且每个单线列阵由 半波长、等间距的圆柱或者(半)球形水听器组成，并沿水下无人航行器中轴线左右对称、 且按四分之一波长阵间距排列，并固定于双阵列支架上而成，其结构如图2所示，其中阵列 总长、水听器阵元数以及双线列阵间距，由水下无人航行器的长度和阵列工作频率决定。
设水下无人航行器的长度L，阵列工作频率范围的上限频率为f，则阵列总长可以 表示为 1 = a L(l) 其中，a为比例系数，一般取0. 7 1之间。 而如果半波长等间距布阵，即阵元间距d = c/2f ，则水听器阵元数为
^ = 1 + 1 (2) 这里，c为声音在水中的速度。
而两线列阵之间的阵间距H = c/4f 。 所述步骤(2)中双阵列支架与固定器位于双背鳍式水听器阵列与水下无人航行
器之间，其中阵列支架为左右对称的双鱼骨形结构，主骨架分为左右两支，分别固定两组水 听器阵列，且左右两支主骨架之间由横向实心栅栏连接；骨剌状末端通过固定器与水下无
人航行器相连，另外主骨架中空，阵列线缆从中导出，其结构如图3所示；固定器为凹槽结 构，并且固定器两端的槽片中间开有圆孔，与水下无人航行器外壳上相配套的凸块契合，通 过横穿螺栓进行固定，其安装结构如图4所示。 所述步骤(3)中共形导流罩，按照鱼鳍线型设计，并两侧开有椭圆状槽孔进行导 流，其结构如图5所示。共形导流罩利用两侧圆形小孔内穿螺栓固定于水下无人航行器外 壳上的凸块上，其结构如图6所示。 所述步骤(4)中水密接口器，由多芯接插件、双层水密0圈以及外部套头组成，其 结构如图7所示，通过安装在水下无人航行器前端与水密接口器相匹配的水密接插件连 接，完成双背鳍式水听器阵列所采集的模拟数据传输进入水下无人航行器内部的工作。为 了维护方便， 一般左右两条线列阵各用一个水密接口器 所述步骤(5)中信号处理机包括数字采集单元、数据处理单元和指控接口单元， 其结构如图8所示，安装于水下无人航行器前端，具有小型化、低功耗特点，能够完成对背 鳍式水听器阵列所采集模拟数据的数字采集、以远程目标探测、高精度定位和跟踪为目的 的信号处理，以及提供探测目标信息给水下无人航行器的指挥控制系统的信息发送工作。 其中，数字采集单元负责对背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据进行信号调理和数 字采集；数据处理单元对多通道数字阵列数据进行信号处理，以完成对远程目标的被动探 测、高精度定位和跟踪；指控接口单元，与水下无人航行器的指挥控制系统通过数据口连接，将信号处理机所获得的探测目标信息传送给指挥控制系统，辅助其完成相应的任务使 命。 在声纳信号处理中，单个线阵存在左右舷模糊的问题，如果要分辨目标的左右舷
必须让载体机动，通过空间波束的变化方向来分辨目标的左右舷。而本发明通过双背鳍式 的阵列结构，可以通过信号处理机进行双阵处理直接获得目标左右舷结果，其原理如下 对于阵元数为N、等间隔d布阵且双阵间距为H的双线阵A和B，如果存在方位为 9的远场源目标(以舷侧方向为参考方向)，且信号的时间序列可以表示为s(t)，暂时忽略 噪声的影响，如图9所示，ti时刻A阵通道n的输出可以表示为
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
若以A阵为参考阵，则同一时刻B阵通道n的输出可以表示为
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
如果信号是窄带信号，且角频率为"。，j为复数虚部符号，则式(3)和(4)可以改
写为
<formula>formula see original document page 7</formula>
而通过双线列阵的窄带波束形成可以得到
<formula>formula see original document page 7</formula>
相对单阵列的窄带波束形成
<formula>formula see original document page 7</formula>(8) 通过公式(7)可以得到0到360度的波束分辨，而通过公式(8)只能分辨0到180
度，因此利用双阵可以解决单线阵目标左右舷模糊问题。 实施例2 本实施例的水下无人航行器用双背鳍阵声纳系统，主体阵列部分安装在水下无人 航行器腹部，按中轴线左右对称分布，阵列线缆后出线进入水下无人航行器内部，整个系统 构成如图9所示，包括包括双背鳍式水听器阵列、双阵列支架与固定器、共形导流罩、水密 接口器以及信号处理机等五个部分。 在这个安装位置上，本实施提供的水下无人航行器用双背鳍阵声纳的安装与工作 包括如下步骤 1)双背鳍式水听器阵列分别安装固定在双阵列支架的左右主骨架上，阵列线缆分 别通过中空主骨架引出； 2)双阵列支架的主骨架安装在水下无人航行器腹部，按中轴线左右对称分布，并 通过安装在支架骨剌状末端的固定器与水下无人航行器固定； 3)鱼鳍状共形导流罩安装在双阵列支架之上，与支架一起固定在水下无人航行器外壳上； 4)双背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据通过水密接口器传送至安装于 水下无人航行器内部的信号处理机。 5)信号处理机将多通道模拟数据进行调理与数字化后，进行数字声纳信号处理， 完成对远程目标的被动探测、左右舷分辨、高精度定位和跟踪，并通过数据接口将目标信息 传递给位于水下无人航行器内部的指挥控制系统，辅助完成整个水下无人航行器的任务使 命。 以下叙述本实施例各步骤的具体细节。 所述步骤(1)中双背鳍式水听器阵列分为左右两个单线列阵，且每个单线列阵由 半波长、等间距的圆柱或者(半)球形水听器组成，并沿水下无人航行器中轴线左右对称、 且按四分之一波长阵间距排列，并固定于双阵列支架上而成，其结构如图2所示，其中阵列 总长、水听器阵元数以及双线列阵间距，由水下无人航行器的长度和阵列工作频率决定，如 何计算同实施例1。 所述步骤(2)中双阵列支架与固定器位于双背鳍式水听器阵列与水下无人航行
器之间，其中阵列支架为左右对称的双鱼骨形结构，主骨架分为左右两支，分别固定两组水 听器阵列，且左右两支主骨架之间由横向实心栅栏连接；骨剌状末端通过固定器与水下无
人航行器相连，另外主骨架中空，阵列线缆从中导出，其结构如图3所示；固定器为凹槽结 构，并且固定器两端的槽片中间开有圆孔，与水下无人航行器外壳上相配套的凸块契合，通 过横穿螺栓进行固定，其安装结构如图4所示。 所述步骤(3)中共形导流罩，按照鱼鳍线型设计，并两侧开有椭圆状槽孔进行导 流，其结构如图5所示。共形导流罩利用两侧圆形小孔内穿螺栓固定于水下无人航行器外 壳上的凸块上，其结构如图6所示。 所述步骤(4)中水密接口器，由多芯接插件、双层水密0圈以及外部套头组成，其 结构如图7所示，通过安装在水下无人航行器前端与水密接口器相匹配的水密接插件连 接，完成双背鳍式水听器阵列所采集的模拟数据传输进入水下无人航行器内部的工作。为 了维护方便， 一般左右两条线列阵各用一个水密接口器 所述步骤(5)中信号处理机包括数字采集单元、数据处理单元和指控接口单元， 其结构如图8所示，安装于水下无人航行器前端，具有小型化、低功耗特点，能够完成对背 鳍式水听器阵列所采集模拟数据的数字采集、以远程目标探测、高精度定位和跟踪为目的 的信号处理，以及提供探测目标信息给水下无人航行器的指挥控制系统的信息发送工作。 其中，数字采集单元负责对背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据进行信号调理和数 字采集；数据处理单元对多通道数字阵列数据进行信号处理，以完成对远程目标的被动探 测、高精度定位和跟踪；指控接口单元，与水下无人航行器的指挥控制系统通过数据口连 接，将信号处理机所获得的探测目标信息传送给指挥控制系统，辅助其完成相应的任务使 命。其中，信号处理机进行目标左右舷分辨处理的原理同实施例1。 最后所应说明的是，以上仅用以说明本发明理论原理和技术方案而非限制。本领 域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发 明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种双鳍阵声纳设备，包括水听器阵列、阵列支架和导流罩，其特征在于，所述阵列支架固定在水下无人航行器外壳的背部或腹部，所述水听器阵列的各阵元固定安装在所述阵列支架上，所述水听器阵列包括两条平行的单线列阵，并且所述两条单线列阵沿着水下无人航行器外壳的背部或腹部的轴线镜像对称地布设阵元，所述导流罩与水下无人航行器外壳连接，并且所述水听器阵列和阵列支架位于所述导流罩与水下无人航行器外壳之间形成的腔体中。
2. 根据权利要求1所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述阵列支架为双鱼骨形支 架，包括主骨架、左骨剌和右骨剌，所述主骨架包括两条固定连接且平行的脊骨，其中左侧 脊骨连接左骨剌，右侧脊骨连接右骨剌；所述主骨架、左骨剌和右骨剌均贴覆在所述水下无 人航行器外壳的背部或腹部，所述阵列支架通过位于骨剌末端的固定器与水下无人航行器 外壳固连在一起，所述主骨架的左、右侧脊骨的轴线与水下无人航行器中轴线平行且左、右 侧脊骨对称设置，所述左、右侧脊骨上具有沿着轴线排列的多个基座，用于固定安装所述水 听器阵列的各个水听器。
3. 根据权利要求2所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述阵列支架的左、右侧脊骨 均中空，用于容纳水听器阵列的线缆。
4. 根据权利要求1所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述导流罩是双鱼鳍状共形 导流罩，通过位于所述阵列支架的骨剌末端的所述固定器与水下无人航行器外壳固定连 接，所述双鱼鳍状共形导流罩的外形具有两个鳍峰，分别对应于水听器阵列的两条单线列 阵。
5. 根据权利要求4所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述导流罩两侧分别开有一 排用于导流的椭圆形槽孔。
6. 根据权利要求1所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述水听器阵列的每条单线 列阵由等间距的圆柱状、球状或者半球状水听器组成；每条单线列阵的阵元间距均为水听器工作波长的一半，两条单线列阵之间的阵间间距为水听器工作波长的四分之一。
7. 根据权利要求2所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述固定器为凹槽结构，并且 固定器两端的槽片中间开有圆孔，与水下无人航行器外壳上相配套的凸块契合，通过横穿 螺栓固定。
8. 根据权利要求1所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述双鳍阵声纳设备还包括 水密接口器和信号处理机；所述水密接口器安装在水下无人航行器外壳的前端或者后端， 所述信号处理机位于所述水下无人航行器外壳的内部，所述水听器阵列的线缆通过所述水 密接口器穿过所述水下无人航行器外壳并与所述信号处理机电连接。
9. 根据权利要求8所述的双鳍阵声纳设备，其特征在于，所述水密接口器包括多芯接 插件、双层水密0圈以及外部套头，所述水密接口器通过安装在水下无人航行器前端或者 后端的与水密接口器相匹配的水密接插件与所述水下无人航行器外壳连接。
全文摘要
本发明涉及一种双鳍阵声纳设备，包括水听器阵列、阵列支架和导流罩，其特征在于，所述阵列支架固定在水下无人航行器外壳的背部或腹部，所述水听器阵列的各阵元固定安装在所述阵列支架上，所述水听器阵列包括两条平行的单线列阵，并且所述两条单线列阵沿着水下无人航行器外壳的背部或腹部的轴线镜像对称地布设阵元，所述导流罩与水下无人航行器外壳连接，并且所述水听器阵列和阵列支架位于所述导流罩与水下无人航行器外壳之间形成的腔体中。通过双背鳍式布阵、鱼骨状支架、共形导流设计，提高被动探测声纳在水下无人航行器上的适装性；同时克服了单线列阵的左右舷模糊问题，使水下无人航行器无需机动便能判断目标的左右舷。
文档编号G01S15/88GK101706574SQ200910235939
公开日2010年5月12日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者张春华, 朱沛胜, 李宇, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所;北京中科海跃科技有限责任公司