(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利

(10)【授权公告号】CN110637516B
(45)【授权公告日】20140604

(21)【申请号】201010051865.2
(22)【申请日】20101125
(73)【专利权人】 中国船舶重工集团公司第七二六研究所 ; 【地址】 201108 上海市闵行区金都路5200号 ;
(72)【发明人】 李梅 ; 姚新 ; 胡健辉 ;
(74)【专利代理机构】 【代理人】
(51)【Int.CI.】 G01S 7/524 (2006.01) ; G01S 15/00 (2006.01) ;
(56)【对比文件】 【审查员】

(54)【发明名称】一种非线性主动声纳多波束扫描方法
(57)【摘要】本发明涉及一种非线性主动声纳多波束扫描方法,该方法利用下移比对非线性声纳差频声源级的影响,在非线性声纳波束扫描的大角度上,降低下移比来提高差频声源级,从而提高非线性声纳的观察范围。本发明的优点之一是通过波束扫描解决了非线性声纳的观察范围问题。

【权利要求书】


1.一种非线性主动声纳多波束扫描方法,其特征在于通过如下步骤实现:

步骤1、对非线性主动声纳的各个基元发射信号进行束控,以在观察范围内的指定角度上形成波束,公式为:

xi(t)=x0(t-τi)

其中xi(t)为第i路基元的信号,x0(t)为参考基元的信号,τi为第i路基元相对参考基元信号的时延;

步骤2、测量原频波束指向性和差频波束指向性,看差频声源级下降幅度是否满足非线性主动声纳的应用要求,不满足进行步骤3;

步骤3、在原频工作频带范围内减小原频频率f0,继续步骤1和2,直至差频声源级下降幅度满足非线性主动声纳的应用要求。

2.根据权利要求1所述的扫描方法,其特征在于所述步骤1中,信号的时延量τi根据不同的基阵阵形,它和基元间距、波束束控角、声速有关。

3.根据权利要求1所述的扫描方法,其特征在于所述步骤3中当降低f0时,不仅下移比减小,相应的原频声源级SL0也变大,进一步抑制了差频声源级SLd的降低。

4.根据权利要求3所述的扫描方法,其特征在于所述差频声源级SLd和原频声源级SL0、原频频率f0、差频频率fd及介质参数的关系为通过改变下移比来改变SLd的大小,其中,R0为原波束的瑞利距离,r′为参量阵源的坐标,T(r′)为原波束振幅渐变函数,χ表示瑞利距离与平面波冲击形成距离之比。

【说明书】


一种非线性主动声纳多波束扫描方法

【0001】技术领域

【0002】本发明涉及水下探测技术领域,具体涉及一种主动非线性声纳的多波束扫描方法。

【0003】背景技术

【0004】早在上世纪六十年代,有关资料发现频率接近的2个高能量声波在水中传播时,由于水介质的非线性效应,会产生这两个频率的差频分量,该差频分量继续在原来高频声波很窄的波束内向前传播,也就是说差频信号的波束宽度和原频信号的波束宽度相当。如果采用常规技术,要想得到差频信号和原频信号相同的波束宽度,声纳基阵将很大,在工程上很难满足适装性要求。例如,由同轴的2个声基阵分别产生100kHz和110kHz的声能量很强的2个高频信号,对很窄波束内的海水同时激励,利用海水的非线性效应能得到一个10kHz的差频信号,该差频信号的波束宽度和原频相当,如果采用常规技术,差频基阵在面积上要比原频基阵大100倍,而且差频信号在水中的吸收衰减比原频信号要小很多,因此差频信号比原频信号传播距离远。非线性主动声纳的特点是在小尺寸基阵条件下,获得低频窄波束的主动探测信号,即使在中度混浊水条件下,也可以较好地对UUV、蛙人、水雷等小尺寸目标实现较远距离的探测。

【0005】一般来说主动声纳的发射波束是没有指向性或具有非常宽的指向性(例如120°),不需要波束扫描,但是非线性主动声纳的原频发射信号需要很大的声源级,单靠提高发射功率是不可能做到的,因此需要利用发射基阵的阵增益来提高发射声源级。为了得到较高的指向性增益,非线性主动声纳的发射波束宽度一般比较窄,这样非线性主动声纳的单个波束的观察范围就比较小,为了保证声纳较大的观察范围,必须进行发射波束扫描。

【0006】根据乘积定理,声纳的波束指向性是由单个发射基元的指向性和发射阵的阵形决定的,当单个基元具有指向性时,由于单基元的指向性一般是正横方向最大,两边较小,因此波束扫描到大角度方向时,发射声源级会下降。原频信号的声源级大小对差频信号的声源级影响较大,原频信号声源级的下降会导致差频信号声源级的急剧下降,因此当波束扫描到大角度时,原频声源级由于单基元的指向性会下降,这时差频声源级会发生较大的下降,直接导致非线性主动声纳的观测范围变小。

【0007】在以前的研究中,非线性声纳一般是单波束发射,即使是多波束,波束扫描的范围也很小,这严重限制了非线性声纳的应用。

【0008】发明内容:

【0009】本发明要解决的技术问题是非线性主动声纳波束无法扫描或波束扫描范围很小。为了解决上述技术问题,本发明提供一种主动非线性声纳的多波束扫描方法。

【0010】依据非线性声纳的理论公式可以得到,差频声源级SLd和原频声源级SL0、原频频率f0、差频频率fd及介质参数的关系为其中R0为原波束的瑞利距离,r′为参量阵源的坐标,积分对参量虚源阵各点坐标进行,T(r′)为原波束振幅渐变函数,即原波束随r′的振幅衰减函数α0为原波的平均吸收衰减系数,χ表示瑞利距离R0与平面波冲击形成距离之比。从非线性声纳的理论公式可以看出差频声源级SLd是SL0及α0R0、χ三个无量纲参数的函数,为原频与差频之比,称为下移比。当非线性声纳波束扫描时,α0R0、χ是近似不变的,由于基阵阵元的指向性,当波束扫描到大角度时,SL0会变小,这就使得SLd快速变小。从上述公式可以看出,当其它参数不变时,差频声源级SLd和下移比的关系为,下移比越小SLd越大,因此可以通过改变下移比来解决差频声源级SLd变小的问题。当波束扫描时,要求差频频率不变,因此可以通过减小原频频率f0来减小下移比,从而提高差频声源级,即在波束0度方向及其附近可以使用较高的f0频率,当波束扫描到大角度时,可以降低f0,这样在非线性声纳观察范围内,SLd的起伏可以满足声纳使用要求。

【0011】本发明包括以下步骤:

【0012】步骤1、对非线性主动声纳的各个基元发射信号进行束控,以在观察范围内的指定角度上形成波束:

【0013】xi(t)=x0(t-τi)

【0014】其中xi(t)为第i路基元的信号,x0(t)为参考基元的信号,τi为第i路基元相对参考基元信号的时延。

【0015】步骤2、测量原频波束指向性和差频波束指向性,看差频声源级下降幅度是否满足非线性主动声纳的应用要求,不满足进行步骤3。

【0016】步骤3、在原频工作频带范围内减小原频频率f0,继续步骤1和2,直至差频声源级下降幅度满足非线性主动声纳的应用要求。

【0017】上述步骤1中,信号的时延量τi根据不同的基阵阵形,它和基元间距、波束束控角、声速等有关;

【0018】上述步骤3中当降低f0时,不仅下移比减小,相应的SL0也变大,进一步抑制了SLd的降低;

【0019】上述步骤3中,在实际应用中,也可以改变差频频率fd来改变下移比,提高大角度下的差频声源级SLd,从而满足非线性主动声纳的观察范围要求。

【0020】本发明相比现有技术的优点在于:

【0021】(1)利用下移比,即通过减小大角度下原频频率,提高了大角度下的差频声源级SLd,使得非线性主动声纳从单波束到多波束,从小范围扫描到大范围扫描。解决了非线性声纳观察范围小的问题,提高了非线性主动声纳的使用效率,拓宽了非线性主动声纳的应用范围,使得非线性主动声纳的发展更有应用前景。

【0022】(2)在实际应用中,根据应用情况,可改变差频频率,通过不同波束内的不同频率区分非线性主动声纳的波束角度,弥补宽波束接收带来的波束角度宽的问题,提高非线性主动声纳的角度分辨力。

【0023】附图说明:

【0024】图1是未用本发明的差频波束扫描图

【0025】图2是本发明具体实施例中差频波束扫描图

【0026】具体实施方式:

【0027】本具体实施例是利用本发明的非线性主动声纳多波束扫描方法,针对一个46元板阵的非线性声纳的实际波束扫描。

【0028】本具体实施例中阵元间隔0.75个波长,原频中心频率80kHz,差频频率20kHz,声速1500m/s。在非线性声纳整个观察范围±30°内,每隔5°发射一个波束。

【0029】采用一般波束扫描方法的非线性波束扫描结果如图1所示,从图1中可以看出,当波束扫描到±30°时,声源级比0°方向上的声源级小10dB,或者说比0°方向声源级下降3dB的波束角度范围为±20°,这不能满足非线性主动声纳±30°的观察范围要求。

【0030】图2是本具体实施例的结果。从图2中可以看出在±30°观察范围内差频声源级的下降幅度在2.5dB左右。

【说明书附图】


【0001】


图1

【0002】


图2