专利名称：一种单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 ExplorerAUV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。 为实现上述发明目的，本发明提供的单鳍阵声纳系统包括水听器阵列1、阵列支架
2、固定器3、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。所述水
听器阵列由半波长、等间距的圆柱状、球状或者半球状水听器7组成；所述阵列支架为鱼骨
形支架，包括脊骨和骨剌，所述阵列支架安装在水下无人航行器的背部或腹部，通过位于阵
列支架的骨剌末端的所述固定器与水下无人航行器固定连接，所述脊骨的轴线与水下无人
航行器中轴线平行，所述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；水听器阵列总长和水听器阵元数由水下无人航行器的长度和阵列工作
频率决定。所述导流罩是鱼鳍状共形导流罩，该导流罩盖在所述阵列支架和水听器阵列上，
并通过位于阵列支架的骨剌末端的所述固定器与水下无人航行器连接。 上述技术方案中，所述阵列支架的主骨架8脊骨中空，用于容纳水听器阵列的线缆9。
上述技术方案中，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10契合，通过横穿螺栓11并配套螺母12进行固 定。 上述技术方案中，所述导流罩两侧分别开有一排用于导流的椭圆形槽孔。所述导 流罩利用两侧圆形小孔内穿螺栓13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14、双层水密0圈15以及外部套 头16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。
上述技术方案中，所述信号处理机包括数字采集单元17、数据处理单元18和指控 接口单元19，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、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单背鳍阵声纳的安装与工作包括如下步骤
1)鱼鳍式水听器阵列安装固定在阵列支架的主骨架上，阵列线缆通过中空主骨架 引出； 2)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)鱼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、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、鱼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、鱼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上，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、鱼骨形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。 4、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。 5、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单背鳍阵声纳系统结构图，其中a为侧视图，b为俯视 图； 图2表示背鳍式水听器阵列结构图； 图3表示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表示单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 本实施例是一种水下无人航行器用单背鳍阵声纳系统，主体阵列部分安装在水下 无人航行器背部中轴线处，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，包括背鳍式水听器阵列、阵列支架与固定器、导流罩、水密接口器以及信号处理机等 五个部分。下面进一步介绍所述单背鳍阵声纳系统的各个组成部分。 本实施例中，水听器阵列由等间距的圆柱状、球状或者半球状水听器组成；所述间 距为水听器工作波长的一半。 阵列支架固定在水下无人航行器外壳的背部，水听器阵列的各阵元固定安装在阵 列支架上，并且水听器阵列的各阵元沿着水下无人航行器外壳的背部的轴线排列，所述导 流罩与水下无人航行器外壳连接，并且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。所述阵列支架为鱼骨形支架，包括脊骨和骨剌，脊骨和骨剌 均贴覆在所述水下无人航行器外壳的背部，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，所述脊骨的轴线与水下无人航行器中轴线平行，所述脊骨 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。所述阵列 支架的脊骨中空，用于容纳水听器阵列的线缆。 所述导流罩是鱼鳍状共形导流罩，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。导流罩两侧分别开有一排用于导流的椭圆形槽孔。
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。 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。 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。 本实施提供的水下无人航行器用单背鳍阵声纳的安装与工作包括如下步骤 1)背鳍式水听器阵列安装固定在阵列支架的主骨架(即鱼骨形支架的脊骨)上，
阵列线缆通过中空主骨架引出； 2)阵列支架的主骨架安装在水下无人航行器背部中轴线处，并通过安装在支架的骨剌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)背鳍式水听器阵列的阵列线缆通过水密接口器接入水下无人航行器内部并与信号处理机电连接。本实施例中，阵列线缆用于传送背鳍式水听器阵列所采集的多通道模拟数据。 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、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。
以下叙述上述各步骤的具体细节。 所述步骤(1)中背鳍式水听器阵列由半波长等间距的圆柱或者半球形水听器沿水下无人航行器中轴线排列，并固定于阵列支架上而成，其结构如图2所示，其中阵列总长和水听器阵元数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 (1)
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，则水听器阵元数为
、r 2// ， iV = 2 + l
c (2) 这里，c为声音在水中的速度。 所述步骤(2)中阵列支架与固定器位于背鳍式水听器阵列与水下无人航行器之间，其中阵列支架为鱼骨形结构，主骨架固定水听器阵列，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，并且两端槽片中间开有圆孔，与水下无人航行器外壳上的凸块配合，通过横穿螺栓并配套螺母进行固定，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。
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。 实施例2 本实施例是一种水下无人航行器用单腹鳍阵声纳系统，主体阵列部分安装在水下无人航行器腹部中轴线处，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，包括腹鳍式水听器阵列、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(具体细节可参考实施例1的描述，这里不再赘述)。
本实施提供的水下无人航行器用单腹鳍阵声纳的安装与工作包括如下步骤
1)腹鳍式水听器阵列安装固定在阵列支架的主骨架上，阵列线缆通过中空主骨架引出； 2)阵列支架的主骨架安装在水下无人航行器腹部中轴线处，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)腹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、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)中腹鳍式水听器阵列由半波长等间距的圆柱或者半球形水听器沿水下无人航行器中轴线排列，并固定于阵列支架上而成，其结构如图2所示，其中阵列总长和水听器阵元数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)中阵列支架与固定器位于腹鳍式水听器阵列与水下无人航行器之间，其中阵列支架为鱼骨形结构，主骨架固定水听器阵列，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，并且两端槽片中间开有圆孔，与水下无人航行器外壳上的凸块配合，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后端与水密接口器相匹配的水密接插件连接，完成腹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。
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后端，具有小型化、低功耗特点，能够完成对腹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腹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。 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
一种单鳍阵声纳设备，包括水听器阵列、阵列支架和导流罩，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，并且所述水听器阵列的各阵元沿着水下无人航行器外壳的背部或腹部的轴线排列，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所述的单鳍阵声纳设备，其特征在于，所述阵列支架为鱼骨形支架， 包括脊骨和骨剌，脊骨和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，所述脊骨的轴线与水 下无人航行器中轴线平行，所述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所述的单鳍阵声纳设备，其特征在于，所述阵列支架的脊骨中空，用 于容纳水听器阵列的线缆。
4. 根据权利要求1所述的单鳍阵声纳设备，其特征在于，所述导流罩是鱼鳍状共形导 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。
5. 根据权利要求4所述的单鳍阵声纳设备，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所述的单鳍阵声纳设备，其特征在于，所述水听器阵列由等间距的 圆柱状、球状或者半球状水听器组成；所述间距为水听器工作波长的一半。
7. 根据权利要求2所述的单鳍阵声纳设备，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所述的单鳍阵声纳设备，其特征在于，所述单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所述的单鳍阵声纳设备，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
本发明提供了一种单鳍阵声纳设备，包括水听器阵列、阵列支架和导流罩，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，并且所述水听器阵列的各阵元沿着水下无人航行器外壳的背部或腹部的轴线排列，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。本发明占用的空间小；有利于释放搭载平台两侧的载荷能力；对搭载平台的流体性能、机动性以及速度的影响小。
文档编号G01S7/521GK101702028SQ200910235940
公开日2010年5月5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