CN110646802B - 一种水听器镜像对称弧型阵及其布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水听器镜像对称弧型阵及其布置方法。步骤一，初始化最大长度和宽度，建立坐标系；步骤二，计算阵元间距；步骤三，令阵列横向孔径等于最大宽度；步骤四,预估阵元数；步骤五：计算单条弧阵的半径和阵列两端之间圆心夹角；步骤六，计算阵列的轴向孔径，如果周向孔径大于最大长度，则阵元数减一，并转到步骤五；步骤七，计算阵元坐标。本发明基于水下机器人可供安装的最大宽度和最大长度，得到一种镜像对称弧阵，适合无人水下机器人搭载。

Description

一种水听器镜像对称弧型阵及其布置方法

技术领域

本发明涉及的是一种水听器阵列，本发明也涉及一种水听器阵列的布置方法。

背景技术

阵列信号处理在声纳探测领域具有广泛的应用，声呐阵列信号处理的性能在很大程度上取决于阵列水听器的布放阵型，一般来说，阵列的阵元数越多、孔径越大，探测性能相对越好。然而，阵列的设计总是受所在平台空间尺寸、载荷重量、信号处理能力、应用方式等限制，阵元数、孔径不能无限增加，因此对阵型、阵元数和孔径等的设计必须进行综合考虑和优化。在水下探测中，常用的阵型包括线阵、圆阵、面阵、球阵和圆柱阵等，具有规则几何形状，具有结构简单易于实现等优点。根据不同的搭载平台和应用场景，往往采用不同的阵型设计。近年来，无人水下机器人技术得到了迅猛的发展，在水下机器人上搭载探测声呐阵列，利用机器人的机动性和自主控制能力，可实现对目标的探测、跟踪。但由于载重、流体力学、空间尺寸和结构等的限制，传统常规阵型很难布放和获得较好的探测性能，因此必须根据水下机器人的空间结构设计一种新的阵型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合水下机器人搭载的水听器镜像对称弧型阵。本发明的目的还在于提供一种水听器镜像对称弧型阵的布置方法。

本发明的水听器镜像对称弧型阵由两条弧形阵构成，每条阵包含M个阵元，阵元间距为d，两条弧形阵两端点之间的圆心角为θ，单条圆弧阵列的半径为R，

第m个阵元A_m的坐标为：

第m个阵元B_m的坐标为：

其中，m＝0,1…M-1。

本发明的水听器镜像对称弧型阵中，两条弧形阵搭载在水下机器人上，x轴方向对应水下机器人的横向，y轴方向对应水下机器人的轴向。

本发明的水听器镜像对称弧型阵的布置方法包括如下步骤：

步骤一：水下机器人可供阵列安装的最大宽度和最大长度分别为W和L，建立右手坐标系，逆时针方向为正方向，以坐标轴的原点为阵列中心，x轴方向对应水下机器人的横向，y轴方向对应水下机器人的轴向；

步骤二：整个阵列由两条弧形阵构成，每条弧形阵包含M个阵元，阵元间距为d，d由***工作频率决定，即：

c为水声声速，f为工作频率；

步骤三：令阵列的横向孔径D₂等于水下机器人可供阵列安装的最大宽度，即D₂＝W；

步骤四：利用水下机器人的可供安装的最大长度L，按照公式

预估每条弧阵可能安装的阵元数，其中

表示向下取整；

步骤五：利用阵列两端点之间的圆心角θ、单条圆弧阵列的半径为R，联立公式

和

得到弧弧形阵的半径；

步骤六：利用弧形阵半径R，得到此时阵列的轴向孔径D₁，

如果D₁>L,令M＝M-1，转到步骤五；

步骤七：利用步骤五所得的弧形阵半径R，计算y轴右侧弧阵的阵元坐标，则第m个阵元A_m的坐标为：

其中A(x_m,y_m)代表阵元A_m坐标，y轴左侧弧形阵与y轴右侧弧形阵关于y轴镜像对称，因此对应阵元坐标、即第m个阵元B_m的坐标为：

其中，m＝0,1…M-1，按照2M个阵元坐标布放阵元，得到适合水下机器人搭载的水听器阵列。

本发明提供了一个适合水下机器人搭载的阵型。因此具有如下优点：一是能够适配水下机器人空间结构，满足流体力学要求，结合导流罩设计，降低水下机器人航行时的阻力。二是对传统阵型进行改进，解决以往只在水下机器人上使用均匀线阵的情况，在有限尺寸约束下获得了最大的空间孔径和阵元数，消除左右舷模糊，提高了信号处理的性能。

附图说明

图1是本发明阵元排布步骤的流程图。

图2是镜像对称弧阵模型。

图3是在D＝0.5m时，镜像对称弧阵阵元分布。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的一种适合无人水下机器人搭载的水听器探测阵列的布置方法，通过如下步骤实现：

步骤一：令水下机器人可供阵列安装的最大宽度和最大长度分别用W和L表示。建立右手坐标系，逆时针方向为正方向。以坐标轴的原点为阵列中心，x轴方向对应水下机器人的横向，y轴方向对应水下机器人的轴向，如图2所示。

步骤二：整个阵列由两条弧形阵构成，每条阵包含M个阵元，阵元间距为d，d由***工作频率决定，即：

步骤三：令阵列的横向孔径D₂等于水下机器人可供阵列安装的最大宽度，即D2＝W。

步骤四：根据水下机器人的可供安装的最大长度L，按照下列公式预估每条弧阵可能安装的阵元数，即：

其中

表示向下取整。

步骤五：如图2所示，令阵列两端点之间的圆心角为θ(单位为弧度)，单条圆弧阵列的半径为R，则：

联立上述两公式，可求解弧阵的半径和圆心角θ。

步骤六：根据步骤五所得的弧阵半径R，计算此时阵列的轴向孔径D₁，即：

如果D₁>L,令M＝M-1，转到第五步。

步骤七：根据步骤五所得的弧阵半径R，计算y轴右侧弧阵的阵元坐标，则第m个阵元A_m的坐标为：

其中A(x_m,y_m)代表阵元A_m坐标，y轴左侧弧阵与y轴右侧弧阵关于y轴镜像对称，因此对应阵元坐标可直接写出，即第m个阵元B_m的坐标为：

其中，m＝0,1…M-1。按照2M个阵元坐标布放阵元，实现适合水下机器人搭载的水听器阵列。

例：水下机器人可供安装的最大宽度0.5m，最大长度2.3m，工作频率f＝4kHz，水声声速c＝1500m/s。

步骤一：令W＝0.5m，L＝4m。建立右手坐标系，逆时针方向为正方向。以坐标轴的原点为阵列中心，x轴方向对应水下机器人的横向，y轴方向对应水下机器人的轴向。

步骤二：整个阵列由两条弧形阵构成，每条阵包含M个阵元，阵元间距为d，d由***工作频率决定，即：

步骤三：令阵列的横向孔径D₂等于水下机器人可供阵列安装的最大宽度，即D2＝0.5m；

步骤四：根据水下机器人的可供安装的最大长度L，按照下列公式预估每条弧阵可能安装的阵元数，即：

步骤五：联立公式

和

解得R＝7.20917m,θ＝0.32458。

步骤六：根据公式

所以D1>L，则M＝M-1＝13，转到步骤五。联立公式

和

解得R＝6.87284m,θ＝0.31428，此时

所以D1<L。

步骤七：根据公式

和

计算阵元坐标，如图3所示。

Claims (3)

1.一种水听器镜像对称弧型阵，其特征是：由两条弧形阵构成，每条阵包含M个阵元，阵元间距为d，两条弧形阵两端点之间的圆心角为θ，单条圆弧阵列的半径为R，第m个阵元A_m的坐标为：

第m个阵元B_m的坐标为：

其中，m＝0,1…M-1；D₂为阵列的横向孔径。

2.根据权利要求1所述的水听器镜像对称弧型阵，其特征是：两条弧形阵搭载在水下机器人上，x轴方向对应水下机器人的横向，y轴方向对应水下机器人的轴向。

3.一种如权利要求2所述的水听器镜像对称弧型阵的布置方法，其特征是：

步骤一：水下机器人可供阵列安装的最大宽度和最大长度分别为W和L，建立右手坐标系，逆时针方向为正方向，以坐标轴的原点为阵列中心，x轴方向对应水下机器人的横向，y轴方向对应水下机器人的轴向；

步骤二：整个阵列由两条弧形阵构成，每条弧形阵包含M个阵元，阵元间距为d，d由***工作频率决定，即：

c为水声声速，f为工作频率；

步骤三：令阵列的横向孔径D₂等于水下机器人可供阵列安装的最大宽度，即D₂＝W；

步骤四：利用水下机器人的可供安装的最大长度L，按照公式

预估每条弧阵可能安装的阵元数，其中

表示向下取整；

步骤五：利用阵列两端点之间的圆心角θ、单条圆弧阵列的半径为R，联立公式

和

得到弧弧形阵的半径；

步骤六：利用弧形阵半径R，得到此时阵列的轴向孔径D₁，

如果D₁>L,令M＝M-1，转到步骤五；

步骤七：利用步骤五所得的弧形阵半径R，计算y轴右侧弧阵的阵元坐标，则第m个阵元A_m的坐标为：

其中A(x_m,y_m)代表阵元A_m坐标，y轴左侧弧形阵与y轴右侧弧形阵关于y轴镜像对称，因此对应阵元坐标、即第m个阵元B_m的坐标为：

其中，m＝0,1…M-1，按照2M个阵元坐标布放阵元，得到适合水下机器人搭载的水听器阵列。

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