一種吊放式小目標(biāo)探測(cè)聲吶系統(tǒng)及探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種適用于小目標(biāo)探測(cè)的聲吶系統(tǒng)。本發(fā)明也涉及一種以及小目 標(biāo)探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)，海上出現(xiàn)各類操作平臺(tái)，開(kāi)展海洋環(huán)境和資源等 的調(diào)查研究、勘探和開(kāi)采等活動(dòng)，例如石油鉆井平臺(tái)、各類科考船只、遠(yuǎn)海島礁等，正面臨著 各類小目標(biāo)的威脅，迫切需要一種成本低、可靈活布放和探測(cè)性能良好的小目標(biāo)探測(cè)聲吶。
[0003] 聲吶是目前是水下目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測(cè)的最有效手段。小目標(biāo)由于具有尺度比較小， 機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，隱蔽性高等特點(diǎn)，探測(cè)難度較高，是當(dāng)前水下探測(cè)急需解決的重要技術(shù)問(wèn)題。由 于小目標(biāo)的目標(biāo)尺度相對(duì)較小，目標(biāo)強(qiáng)度較弱，探測(cè)難度很高，傳統(tǒng)的探測(cè)聲吶不適合對(duì)小 目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)聲吶場(chǎng)主要針對(duì)較大尺度的水面和水下目標(biāo)的探測(cè)，探測(cè)頻率 較低，通常固定在艦艇、岸基或水底等；另一方面，現(xiàn)有的小目標(biāo)探測(cè)聲吶常采用高分辨率 圖像聲吶或者在水底布放水聽(tīng)器基陣進(jìn)行過(guò)頂探測(cè)等方式，但通常體積較大，不易靈活布 放，制造和施工成本都相對(duì)較高，有時(shí)一旦布放就很難移動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、可靈活布放和探測(cè)性能良好的吊方式小目標(biāo) 探測(cè)聲吶系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于吊放式小目標(biāo)探測(cè)聲吶系統(tǒng)的探測(cè)方 法。
[0005] 本發(fā)明的吊放式小目標(biāo)探測(cè)聲吶系統(tǒng)包括水下、水上、吊放線纜三部分，水下部分 由發(fā)射換能器、接收基陣、耐壓倉(cāng)、深度計(jì)、姿態(tài)儀連接組成，水上部分由水面光端機(jī)和上位 機(jī)組成；水下部分通過(guò)吊放線纜吊放到水下，耐壓倉(cāng)的串口服務(wù)器與水面光端機(jī)進(jìn)行通信， 水面光端機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信，
[0006] 所述接收基陣為雙層圓柱形水聽(tīng)器接收陣，每個(gè)柱面等間隔分布Μ個(gè)垂直線陣， 每個(gè)線陣等間隔分布Ν個(gè)陣元，陣元為無(wú)指向性水聽(tīng)器，陣元間距d可用公式（1)計(jì)算，即：
[0007] d=c/2f〇 (1)
[0008] 接收基陣的外徑由公式（2)計(jì)算：
[0009]
(1):
[0010] 內(nèi)層直徑巧由公式（3)計(jì)算：
[0011]
(3)
[0012] 其中，c為水聲聲速。
[0013] Μ-般取4, 8, 12,Ν-般取2或4,陣元數(shù)和工作頻率確定后，根據(jù)公式（1)-(3)確 定陣的尺寸和陣元分布。系統(tǒng)的工作頻率&根據(jù)目標(biāo)強(qiáng)度、探測(cè)距離和發(fā)射換能器性能等 參數(shù)綜合選擇，一般在10kHz-20kHz之間。
[0014] 水下耐壓倉(cāng)內(nèi)的信號(hào)處理機(jī)，負(fù)責(zé)采集接收基陣的數(shù)據(jù)、接收深度計(jì)和姿態(tài)儀的 數(shù)據(jù)，目標(biāo)檢測(cè)和測(cè)向、與水面端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。信號(hào)處理機(jī)通過(guò)串口接收深度計(jì)和姿態(tài)的 數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)口與串口服務(wù)器相連。信號(hào)處理機(jī)對(duì)基陣信號(hào)放大、濾波和增益控制等處理以 后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、波束形成、信號(hào)檢測(cè)、測(cè)向和測(cè)距處理，并將處理結(jié)果通過(guò)串口服務(wù)器上 傳到水面。
[0015] 水下耐壓倉(cāng)內(nèi)的串口服務(wù)器，也可用以太網(wǎng)交換機(jī)，用于上傳水下接收基陣的姿 態(tài)、深度和目標(biāo)檢測(cè)與定位的結(jié)果數(shù)據(jù)，接收來(lái)自上位機(jī)的參數(shù)設(shè)置等指令。
[0016] 水面光端機(jī)可以為光纖以太網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)水面上位機(jī)和水下數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的通 {目。
[0017] 水面上位機(jī)可以使用筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)，負(fù)責(zé)向水下數(shù)字信號(hào)處理機(jī)發(fā)送指令 以及參數(shù)等數(shù)據(jù)，接收水下信號(hào)處理機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示水下接收基陣的三維姿態(tài)圖 像和顯示深度，并根據(jù)水下處理機(jī)的處理結(jié)果，顯示目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和距離等信息。
[0018] 姿態(tài)儀可選用數(shù)字電子羅經(jīng)或磁羅經(jīng)，可測(cè)量基陣相對(duì)姿態(tài)，以及相對(duì)地磁方向 的夾角。
[0019]吊放線纜可定制鎧裝的水密光電復(fù)合電纜，負(fù)責(zé)水下信號(hào)處理機(jī)的承重吊放、供 電和數(shù)據(jù)傳輸，為了避免電源干擾，可選用電池組供電。
[0020] 基于本發(fā)明的吊放式小目標(biāo)探測(cè)聲吶系統(tǒng)的探測(cè)方法為：
[0021] 步驟1 :利用絞車將水下部分（包括發(fā)射換能器、接收基陣和耐壓倉(cāng)）吊放到水面 以下，通過(guò)上位機(jī)指令讓系統(tǒng)開(kāi)始工作，利用深度計(jì)和上位機(jī)顯示控制，將水下部分吊放到 合適的深度；
[0022] 步驟2 :通過(guò)上位機(jī)設(shè)置發(fā)射換能器發(fā)射脈沖的參數(shù)，包括脈沖類型、脈沖寬度， 發(fā)射周期等。
[0023] 步驟3 :接收基陣接收回波信號(hào)；
[0024] 步驟4 :水下信號(hào)處理機(jī)對(duì)接收基陣輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，進(jìn)行同步采集，執(zhí)行 波束形成、信號(hào)檢測(cè)、測(cè)向和測(cè)距等運(yùn)算；
[0025] 步驟5 :用姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)向結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償；
[0026] 步驟6 :將檢測(cè)、定位、深度和基陣姿態(tài)等數(shù)據(jù)通過(guò)串口服務(wù)器和水面光端機(jī)上傳 至上位機(jī)進(jìn)行顯示，以觀察探測(cè)結(jié)果和控制系統(tǒng)工作。
[0027] 步驟7 :根據(jù)探測(cè)結(jié)果情況，可適當(dāng)改變探測(cè)波形、探測(cè)深度和測(cè)向算法等相關(guān)參 數(shù)，上述探測(cè)，直到滿意結(jié)果為止。
[0028] 步驟8 :探測(cè)結(jié)束后，關(guān)閉系統(tǒng)，并通過(guò)絞車將水下部分回收。
[0029] 上行和下行數(shù)據(jù)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換接口和光電復(fù)合電纜負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)傳輸。
[0030] 水下信號(hào)處理機(jī)、發(fā)射控制板和串口服務(wù)器等被封裝在水密耐壓倉(cāng)中，通過(guò)水密 接插件與深度計(jì)、姿態(tài)儀和接收基陣連接。耐壓倉(cāng)、接收基陣和發(fā)射換能器剛性連接，并通 過(guò)鎧裝光電復(fù)合電纜與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和承重吊放。聲吶系統(tǒng)具有主被動(dòng)兩種工作方 式，可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制切換。目標(biāo)探測(cè)、定位等運(yùn)算都在水下信號(hào)處理機(jī)中運(yùn)行，并將 深度、姿態(tài)和方位與距離等數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)實(shí)時(shí)繪制目標(biāo)軌跡圖 和接收基陣的三維姿態(tài)的圖像，顯示深度和姿態(tài)的數(shù)據(jù)。被動(dòng)探測(cè)模式下顯示目標(biāo)方位歷 程圖。
[0031] 本發(fā)明的有益效果在于：國(guó)內(nèi)對(duì)小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)主要采用高分辨率圖像聲吶，主 要布放在水底，目前還沒(méi)有用于水上平臺(tái)的小目標(biāo)探測(cè)的專用聲納，圖像聲吶因?yàn)楣ぷ黝l 率較高，探測(cè)距離較近，且成本高、體積和重量較大，不利于推廣和靈活吊放。發(fā)明的吊放式 小目標(biāo)探測(cè)聲吶系統(tǒng)是專門針對(duì)水下小目標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，具有體積小、重量輕和吊放 靈活的優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于水上的各類工作平臺(tái)，采用雙層圓柱形結(jié)構(gòu)的基陣，綜合考慮了目 標(biāo)強(qiáng)度弱和探測(cè)距離等因素，對(duì)基陣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠?qū)θ鯊?qiáng)度的小目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全景 360°的探測(cè)。結(jié)合波束形成和測(cè)向定位的算法可大大提高接收增益，并能夠?qū)λ滦∧繕?biāo) 進(jìn)行定位和跟蹤，通過(guò)上位機(jī)的顯控界面監(jiān)控探測(cè)結(jié)果，可滿足當(dāng)前海上平臺(tái)探測(cè)小目標(biāo) 的需求。該聲吶系統(tǒng)也可對(duì)能輻射噪聲的被動(dòng)小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，也可多臺(tái)聯(lián)合工作。基于 該系統(tǒng)的探測(cè)方法簡(jiǎn)單、操作靈活。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1吊放式小目標(biāo)探測(cè)聲吶系統(tǒng)框圖；
[0033] 圖2目標(biāo)探測(cè)方法流程圖；
[0034] 圖3信號(hào)處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0036] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的吊放式水下小目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)由水面顯示和控制上位機(jī)1、水面 光端機(jī)2、光電復(fù)合電纜3、水下耐壓倉(cāng)4、串口服務(wù)器41、發(fā)射控制板42、水下信號(hào)處理機(jī) 43、發(fā)射換能器5、接收基陣6、姿態(tài)儀7和深度計(jì)8組成。
[0037] 水面上位機(jī)1和水面光端機(jī)2之間通過(guò)光纜連接，水面光端機(jī)2和耐壓倉(cāng)4內(nèi)部 裝載的串口服務(wù)器41通過(guò)以太I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)相連接，用于上傳深度計(jì)8、姿態(tài)儀7以及數(shù)字信號(hào) 處理機(jī)43處理結(jié)果數(shù)據(jù)。電源線和網(wǎng)線被封裝在鎧裝復(fù)合電纜3中，水下部分光電復(fù)合纜 3吊放到水下。水面光端機(jī)2可以是光纖以太網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)水面顯控主機(jī)1與水下耐壓倉(cāng)4的 通信連接。水面上位機(jī)1可以是筆記本或臺(tái)式機(jī)，負(fù)責(zé)下發(fā)命令和參數(shù)，控制發(fā)射信號(hào)的波 形，接收水下處理分機(jī)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)繪制目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和接收基陣的三維姿 態(tài)，顯示深度數(shù)據(jù)等。
[0038] 本發(fā)明的接收基陣6的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)必須綜合考慮小目標(biāo)的特性及 探測(cè)性能的影響，接收基陣的尺寸要根據(jù)系統(tǒng)工作頻率來(lái)設(shè)計(jì)，在10_20kHz之間選擇，具 體是哪一個(gè)工作頻率要結(jié)合發(fā)射換能器的共振頻率點(diǎn)來(lái)選擇，基陣尺寸根據(jù)公式（1)-(3) 計(jì)算。
[0039] 例如，外層直徑200mm，內(nèi)層直徑148mm，每個(gè)柱面等間隔分布12個(gè)垂直線陣，每 個(gè)線陣4個(gè)陣元，陣元間距為52mm，總的陣元數(shù)為96個(gè)，陣元為無(wú)指向性水聽(tīng)器，此時(shí)最佳 的工作頻率為14. 3kHz，發(fā)射信號(hào)為CW脈沖或LFM脈沖，脈沖寬度100mS-200ms，發(fā)射周期 1. 5s〇
[0040] 結(jié)合附圖2和圖3,目標(biāo)探測(cè)的實(shí)施方案1如下：
[0041] 步驟1 :通過(guò)絞車將水下部分吊放到水面以下，開(kāi)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)配置發(fā) 射波形參數(shù)，并把參數(shù)發(fā)送給耐壓倉(cāng)的發(fā)射控制板，發(fā)射所需波形，例如發(fā)射CW脈沖，脈寬 100ms，頻率14. 3kHz，發(fā)射周期1. 5s，以便探測(cè)2000m以內(nèi)的目標(biāo)。上位機(jī)將配置好的相關(guān) 參數(shù)發(fā)送給水下數(shù)字信號(hào)處理機(jī)。
[0042] 步驟2 :利用深度計(jì)和顯控，控制水下部分吊放到水下所需深度，例如20m處。
[0043] 步驟3 :數(shù)字信號(hào)處理機(jī)采集基陣輸出的信號(hào)，并執(zhí)行波束形成和信號(hào)檢測(cè)算法；
[0044] 首先對(duì)內(nèi)外圈每個(gè)柱面上的12個(gè)線陣的每一個(gè)陣元的輸出求和，即：
[0045]
(1)
[0046] 其中，Xl](t)代表柱面上第i個(gè)線陣的第j個(gè)陣元輸出，Μ代表每個(gè)線陣的陣元數(shù)。 該計(jì)算使每個(gè)線陣等效成一個(gè)陣元，內(nèi)外兩個(gè)圓柱陣等效成2個(gè)圓陣。
[0047] 對(duì)內(nèi)外兩個(gè)圓陣分別預(yù)成16個(gè)波束，公式如下：
[0048]
(5)
[0049] 其中Xl代表基陣輸入信號(hào)，Θ,代表j號(hào)波束的預(yù)成角度，τi(ΘJ代表對(duì)應(yīng)預(yù)成 波束的時(shí)延，sjt)代表第j號(hào)波束的輸出，j= 1，"·16,N代表圓陣的陣元數(shù)。將內(nèi)外兩 圈的波束形成結(jié)果，按照波束號(hào)對(duì)應(yīng)相加，用s'，(t)表示。
[0050