一种涡旋波束多基地水下目标检测装置与方法

1.本发明属于声呐探测技术领域，具体涉及一种交替使用非涡旋声呐波束和涡旋波束多基地水下目标检测装置与方法。


背景技术：

2.声呐，是利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理进行导航和测距的技术，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。按系统组成分类，可以分为单基地声呐，双基地声呐和多基地声呐。对于多基地声呐，其收发装置是分开一定距离的，单个或多个声源发射声波，多个接收机在不同位置接收目标散射回波。多基地声呐配置灵活多样，可根据实际可用的声呐平台，在满足一定的平台匹配的条件下灵活组合，配置成多种多基地声呐形式，如潜艇-岸基声呐网、岸基声呐-声呐浮标等多基地模式。这种声呐系统具有隐蔽性能好、抗干扰能力强、配置灵活等优点，适合机载声呐的应用，也适合舰机联合探潜的应用。由于散射波来自目标散射空间的360
°
全方位，可以利用各个方向散射波的能量探测目标，多基地声呐是对付安静潜艇的有效手段之一。
3.目前的声呐声学基阵多为均匀线阵、十字阵列、星形阵列，这些阵列均为对称分布，对称的发射机发射相同强度的信号激励换能器阵列发射声波照射目标，接收来自不同方向目标的散射波以实现对目标的检测。虽然这种声呐技术已经比较成熟，但当分置角较大时，直达波的干扰将严重影响多基地声呐的探测性能。另外由于轴向的能量强度高，其他方向的能量自然会降低不少，形成弱区或者盲区，这样多少限制了多基地声呐的应用范围。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有多基地声呐前向散射直达波干扰严重，而其他方向信号较弱的不足，利用非涡旋声波波束和涡旋声波波束重复交替照射探测目标，互相弥补，在目标周围360
°
范围内获取更多方位角的目标散射信号，并且得到信号的幅度比单一工作模式更强，进而提高检测目标概率。
5.为达上述目的，本发明提供了一种涡旋波束多基地水下目标检测装置，包括由多个换能器组成的环形涡旋波声学基阵、多个分布在探测目标周围的水听器。
6.进一步的，所述环形涡旋波声学基阵由n个换能器排列为圆环组成。
7.进一步的，所述的基于涡旋波束多基地水下目标检测装置的目标检测方法，包括如下步骤：
8.步骤301、将n个发射换能器均匀排布成半径为r的环形涡旋波声学基阵，使用递增式相位调制激励方法，使环形涡旋波声学基阵产生涡旋声场，并且，各个换能器幅度保持相同，各个换能器相位一次增加固定数值其中，l为涡旋声场拓扑荷数；
9.步骤302、通过下式计算各个换能器在空间任意一点q(r,θ,φ)所产生的声压：
[0010][0011]
其中，r
s,q
为换能器ts到q点的距离，θ
s,q
为换能器ts和q点的连线与轴所呈的夹角，a为活塞换能器的半径，k为声波的波数，ω为声波的角频率，ρ是传播介质的密度,ua是活塞换能器的振幅，a0＝iωρuaa2/2是常数；
[0012]
步骤303、通过下式计算涡旋声场声学基阵n个换能器形成的总声场
[0013][0014]
步骤304、绘制不同拓扑荷下环形涡旋波声学基阵形成的背景声场，在球坐标系中，表示为
[0015][0016]
其中，
[0017]
步骤305、环形涡旋波声学基阵形成的背景声场照射目标，在空间任意一点q(r,θ,φ)形成散射声场的表达式为
[0018][0019]
其中，hn(x)为一阶球汉克尔函数，为连带勒让德函数，第s个换能器所在位置的球坐标为(rs,θs,φs)；
[0020]
步骤306、根据步骤305形成的散射声场，计算出不同拓扑荷下散射远场的辐射指向图，绘出不同拓扑荷的散射声场空间分布图；
[0021]
步骤307、根据步骤306绘出辐射指向性图，在辐射指向性图的信号较大的方向布设接收水听器，用于接收目标的散射波，对目标的散射信号进行数据处理、分析，确定目标的位置；
[0022]
步骤308、取消步骤301的递增式相位调制激励方法，用同幅值同相位的方式去激励换能器阵列产生非涡旋声波，照射目标，对目标的散射信号进行数据处理、分析，确定目标的位置；
[0023]
步骤309、步骤301和308的两种激励模式交替使用，对两种模式的接收信号进行综合分析，提高目标检测概率。
[0024]
本发明的优点是：
[0025]
本发明可以形成非涡旋声呐声波波束和中心方向强度为0的涡旋声波波束交替照射探测目标，利用非涡旋声波波束和涡旋声波波束重复交替照射探测目标，互相弥补，在目标周围360
°
范围内获取更多方位角的目标散射信号，并且得到信号的幅度比单一工作模式更强，进而提高检测目标概率。本发明提供这种涡旋波束多基地水下目标检测装置，采用涡旋波环形发射换能器阵列的多基地声呐系统配置，位于目标散射任意方向的多个信号接收机都可以接收到较大强度的声信号，从而实现对水下目标进行探测的目的。本发明通过使用环形声学基阵，形成中心方向强度为0的涡旋声场照射探测目标，由于涡旋声束特殊的空间分布特性，可以实现在任意方向探测目标的功能，充分发挥多基地声呐的探测优势，解决现有技术的在大分置角无法对目标进行探测的实际问题。该涡旋波束多基地水下目标检测装置，可以避免非涡旋多基地前向散射波束形成方法对接收阵列位置要求的苛刻，对接收阵列的方向角表现出很好的宽容性；环形调相声学基阵可以通过调节涡旋声场的拓扑荷，无须变换阵列形状，也可以形成不同形状的声波波束，实现对不同大小目标的探测；本发明可以弥补非涡旋多基地声呐探测的不足，也没有舍弃非涡旋多基地声呐的优点，有效解决目前多基地声呐探测中存在的直达波抑制困难的问题，对声呐探测技术的发展与应用具有积极意义。
[0026]
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
[0027]
图1是本发明的圆环型涡旋发射换能器阵列和水听器接收位置的示意图。
[0028]
图2是仿真软件comsol建立的几何网格示意图。
[0029]
图3a是半径r＝0.5m，拓扑荷为0时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0030]
图3b是半径r＝0.5m，拓扑荷为1时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0031]
图3c是半径r＝0.5m，拓扑荷为2时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0032]
图3d是半径r＝0.5m，拓扑荷为3时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0033]
图4a是半径r＝0.5m，拓扑荷为0时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0034]
图4b是半径r＝0.5m，拓扑荷为1时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0035]
图4c是半径r＝0.5m，拓扑荷为2时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0036]
图4d是半径r＝0.5m，拓扑荷为3时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0037]
图5a是半径r＝0.5m，拓扑荷选取为2时，以被探测刚性球为中心，远场散射的辐射方向图。
[0038]
图5b是半径r＝0.5m，拓扑荷为0时，以被探测刚性球为中心，远场散射的辐射方向图,。
[0039]
图6是半径r＝0.5m，拓扑荷选取为2时，以被探测刚性球为中心的三维辐射方向图。
[0040]
图7a是半径r＝0.25m，拓扑荷为0时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0041]
图7b是半径r＝0.25m，拓扑荷为1时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0042]
图7c是半径r＝0.25m，拓扑荷为2时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布
图。
[0043]
图7d是半径r＝0.25m，拓扑荷为3时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值分布图。
[0044]
图8a是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为0时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0045]
图8b是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为1时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0046]
图8c是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为2时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0047]
图8d是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为3时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0048]
图9a是半径r＝0.25m，拓扑荷选取为1时，以被探测刚性球为中心，远场散射的辐射方向图。
[0049]
图9b是半径r＝0.25m，拓扑荷为0时，以被探测刚性球为中心，远场散射的辐射方向图。
[0050]
图10是半径r＝0.25m，拓扑荷选取为1时，以被探测刚性球为中心的三维辐射方向图。
具体实施方式
[0051]
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“对齐”、“重叠”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0054]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0055]
实施例1
[0056]
本实施例提供了一种涡旋波束多基地水下目标检测装置，包括由多个换能器组成的环形涡旋波声学基阵、多个分布在探测目标周围的水听器；所述环形涡旋波声学基阵设置于基座上，该基座为圆形的钢板或两个中心重合的圆形钢架。
[0057]
进一步的，所述环形涡旋波声学基阵由n个换能器排列为圆环组成，阵列中的换能
器数量越多越好，但不应少于所使用最大拓扑荷的两倍。本实施例所示为12个换能器排列为圆环组成环形涡旋波声学基阵。
[0058]
进一步的，所述的基于涡旋波束多基地水下目标检测装置的目标检测方法，包括如下步骤：
[0059]
步骤301、将n个发射换能器均匀排布成半径为r的环形涡旋波声学基阵，使用递增式相位调制激励方法，使环形涡旋波声学基阵产生涡旋声场，并且，各个换能器幅度保持相同，各个换能器相位一次增加固定数值其中，l为涡旋声场拓扑荷数；
[0060]
步骤302、通过下式计算各个换能器在空间任意一点q(r,θ,φ)所产生的声压：
[0061][0062]
其中，r
s,q
为换能器ts到q点的距离，a为活塞换能器的半径，k为声波的波数，ω为声波的角频率，ρ是传播介质的密度,ua是活塞换能器的振幅，a0＝iωρuaa2/2是常数；
[0063]
步骤303、通过下式计算涡旋声场声学基阵n个换能器形成的总声场步骤303、通过下式计算涡旋声场声学基阵n个换能器形成的总声场
[0064]
步骤304、绘制不同拓扑荷下环形涡旋波声学基阵形成的背景声场，在球坐标系中，表示为
[0065][0066]
其中，
[0067]
步骤305、环形涡旋波声学基阵形成的背景声场照射目标，在空间任意一点q(r,θ,φ)形成散射声场的表达式为
[0068][0069]
其中，hn(x)为一阶球汉克尔函数，为连带勒让德函数，第s个换能器所在位置的球坐标为(rs,θs,φs)；
[0070]
步骤306、根据步骤305形成的散射声场，计算出不同拓扑荷下散射远场的辐射指向图，绘出不同拓扑荷的散射声场空间分布图；
[0071]
步骤307、步骤307、根据步骤306绘出辐射指向性图，在辐射指向性图的信号较大的方向布设接收水听器，用于接收目标的散射波，对目标的散射信号进行数据处理、分析，
确定目标的位置；例如当前向散射为0时可以判断目标在阵列的轴线上。如果0
°
方向的水听器信号不处于低数量级，说明偏离轴线有一定距离，根据四周对称的水听器信号大小，判断出靠近方向。
[0072]
步骤308、取消步骤301的递增式相位调制激励方法，用同幅值同相位的方式去激励换能器阵列产生非涡旋声波，照射目标，对目标的散射信号进行数据处理、分析，确定目标的位置；
[0073]
步骤309、步骤301和308的两种激励模式交替使用，对两种模式的接收信号进行综合分析，提高目标检测概率。
[0074]
实施例2
[0075]
为验证本发明方案的有效性，如图1所示结构，在一块半径大于0.5m的金属圆板或金属支架上，以半径为0.5m的圆为轨迹，均匀铺设12个换能器，组成涡旋波声学基阵。将1个半径为0.15m的待测刚性球放置在涡旋波声学基阵的轴线方向上，距离阵列的垂直距离0.8m。根据这种阵列结构建立的comsol模型如图2所示，产生的背景声场(图3所示)，其中图3a是半径r＝0.5m，拓扑荷为0时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值；图3b是半径r＝0.5m，拓扑荷为1时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值；图3c是半径r＝0.5m，拓扑荷为2时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值；图3d是半径r＝0.5m，拓扑荷为3时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值；拓扑荷选为2比较合适。
[0076]
为了产生涡旋声场，根据步骤301的递增式相位调制激励方法，各个换能器幅度保持相同，以1号换能器的相位作为参考，其他单元相位依次增加固定数值即2号换能器比1号多π/3相位，即3号换能器比2号多π/3相位
…
以此类推，完成阵列相位调制。
[0077]
根据步骤302、步骤303、步骤304，我们可以得出声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值
[0078][0079]
根据此公式可以得出入射涡旋声场的空间分布，也可以画出拓扑荷分别等于0、1、2、3的情况，和仿真结果图3一致，观察4种情况可知，拓扑荷为0时是常见的声呐情况，发射波直接照射在刚性球上，前向散射信号较大，而拓扑荷为3时，待测半径为0.15m的刚性球已经不在直达波信号的较强区域内，因而拓扑荷为1或2时，能够较有利的实现涡旋波束多基地目标检测。
[0080]
当涡旋声场照射在该刚性球上，空间的任意位置的散射声场可以表示为
[0081][0082]
公式结果，和仿真结果图4一致，其中图4a是半径r＝0.5m，拓扑荷为0时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图；图4b是半径r＝0.5m，拓扑荷为1时，被探测刚性球形成
的散射声场的幅值分布图；图4c是半径r＝0.5m，拓扑荷为2时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图；图4d是半径r＝0.5m，拓扑荷为3时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0083]
根据步骤305的散射声场，选取r＝10m代入，可以直接作图表示以被探测刚性球为中心，十米距离散射远场的辐射方向图，如图5a所示。为了显示涡旋波的特性，我们可以用拓扑荷为0时的辐射方向图进行对比，如图5b所示。可以看出两种不同的激励方式对目标产生的散射信号在不同的方向差异明显，两者相互补充。三维空间涡旋波的辐射方向图如图6所示。根据辐射方向图所示，在回波强度大的方向布设水听器，，可以较好的接收信号，有效实现多基地探测。
[0084]
根据步骤306的辐射指向图，在辐射指向图的不同方向布设接收水听器，用于接收目标的散射波，对目标的散射信号进行数据处理。
[0085]
根据步骤308、取消步骤301的递增式相位调制激励方法，用同幅值同相位的传统激励方式去激励换能器阵列，照射目标，对目标的散射信号(如图5b所示)进行数据处理、分析，确定目标的位置。
[0086]
根据步骤309、步骤301和308的两种激励模式交替使用，对两种模式的接收信号进行综合分析，提高目标检测概率。
[0087]
实施例3
[0088]
换一种阵列结构，如图1所示结构，在一块半径大于0.25m的金属圆板或金属支架上，以半径为0.25m的圆为轨迹，均匀铺设12个换能器，组成涡旋波声学基阵。将1个半径为0.15m的待测刚性球放置在涡旋波声学基阵的轴线方向上，距离阵列的垂直距离0.8m。根据这种阵列结构产生的背景声场(图7所示)，其中图7a是半径r＝0.25m，拓扑荷为0时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值示意图；图7b是半径r＝0.25m，拓扑荷为1时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值示意图；图7c是半径r＝0.25m，拓扑荷为2时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值示意图；图7d是半径r＝0.25m，拓扑荷为3时，声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值示意图；拓扑荷选为1比较合适。
[0089]
为了产生涡旋声场，根据步骤301的递增式相位调制激励方法，各个换能器幅度保持相同，以1号换能器的相位作为参考，其他单元相位依次增加固定数值即2号换能器比1号多π/6相位，即3号换能器比2号多π/6相位
…
以此类推，完成阵列相位调制。
[0090]
根据步骤302、步骤3、步骤4，我们可以得出声学基阵发出的入射涡旋声波的幅值
[0091][0092]
根据此公式可以得出入射涡旋声场的空间分布，也可以画出拓扑荷分别等于0、1、2、3的情况，和仿真结果图7一致，观察4种情况可知，拓扑荷为0时是常见的声呐情况，直达波直接照射在刚性球上，前向散射信号较大，而拓扑荷为2或3时，散射体已经不在直达波信号的较强区域内，因而拓扑荷为1时，能够较有利的实现涡旋波束多基地目标检测。
[0093]
当涡旋声场照射在该刚性球上，空间的任意位置的散射声场可以表示为
[0094][0095]
公式结果，和仿真结果图8一致，其中，图8a是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为0时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图；图8b是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为1时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图；图8c是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为2时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图；图8d是仿真软件模拟的，半径r＝0.25m，拓扑荷为3时，被探测刚性球形成的散射声场的幅值分布图。
[0096]
根据步骤305的散射声场，选取r＝10m代入，可以直接作图表示以被探测刚性球为中心，距离球中心十米远处散射声场的辐射指向性图，如图9a所示。为了比较，图9b给出了拓扑荷为0时的非涡旋波束辐射方向图。可以看出两种不同的激励方式对目标产生的散射信号在不同的方向差异明显，两者的空间分布特性可以相互补充。三维空间涡旋波的辐射方向图如图10所示。仿真结果和公式一致。根据辐射方向图所示，在回波强度大的方向布设水听器，可以较好的接收信号。
[0097]
根据步骤306的辐射指向图，在辐射指向图的不同方向布设接收水听器，用于接收目标的散射波，对目标的散射信号进行数据处理。
[0098]
根据步骤308、取消步骤301的递增式相位调制激励方法，用同幅值同相位的非涡旋激励方式去激励换能器阵列，照射目标，对目标的散射信号(如图9b所示)进行数据处理、分析，确定目标的位置。
[0099]
根据步骤309、步骤301和308的两种激励模式交替使用，对两种模式的接收信号进行综合分析，提高目标检测概率。
[0100]
由上两个应用例子的二维和三维的辐射方向图可以发现，与非涡旋阵列相比，经过调相的涡旋声场在散射物体背向的散射波信号强度很低，但是在其他角度，散射波信号强度很大，因此对接收机的位置要求降低，多基地声呐系统的接收机在非背向的任意方向都能接收到足够大强度的信号，便于分析和识别待测物体。由于实际应用中声学基阵和接收机在同一待测物体两侧的难度很大，接收机常常和声学基阵与待测物体形成各种角度，接收信号很低，甚至低于背景噪声，因而非涡旋背向声呐系统在这方面不如这种涡旋声束多基地声呐系统。涡旋声束多基地声呐系统完美解决了这些问题，只需要将接收机分布在不同方向即可，有很积极的应用价值。
[0101]
综上所述，本发明提供这种涡旋波束多基地水下目标检测装置，采用涡旋波环形发射换能器阵列的多基地声呐系统配置，位于目标散射任意方向的多个信号接收机都可以接收到较大强度的声信号，从而实现对水下目标进行探测的目的。本发明通过使用环形声学基阵，行成中心方向强度为0的涡旋声场照射探测目标，由于涡旋声束特殊的空间分布特性，可以实现在任意方向探测目标的功能，充分发挥多基地声呐的探测优势，解决现有技术的在大分置角无法对目标进行探测的实际问题。该涡旋波束多基地水下目标检测装置，可以避免非涡旋多基地前向散射波束形成方法对接收阵列位置要求的苛刻，对接收阵列的方向角表现出很好的宽容性；环形调相声学基阵可以通过调节涡旋声场的拓扑荷，无须变换
阵列形状，也可以形成不同形状的声波波束，实现对不同大小目标的探测；调相也包括非涡旋阵列不调相的辐射模式，这样既拥有非涡旋声学基阵的优势，也有涡旋阵列的优势，可以选择重复交替工作模式，让两种模式互相弥补，在目标周围360
°
范围内获取更多方位角的目标散射信号，并且得到信号的幅度比单一工作模式更强，进而提高检测目标概率。本发明可以弥补非涡旋多基地声呐探测的不足，也没有舍弃非涡旋多基地声呐的优点，有效解决目前多基地声呐探测中存在的直达波抑制困难的问题，对声呐探测技术的发展与应用具有积极意义。
[0102]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。