【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及水下主動(dòng)探測，具體而言，為一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法。
技術(shù)介紹
1、在水下航行器航行時(shí)需要面對(duì)危險(xiǎn)復(fù)雜的海洋環(huán)境，除水中浪流的影響外，航行器航行安全還受到海底礁石、水中漂浮物等障礙物目標(biāo)的影響，嚴(yán)重威脅水下航行安全。目前已發(fā)生多起公開報(bào)道的航行安全事故，為確保對(duì)平臺(tái)航行前方障礙物探測，人們提出了一種主動(dòng)聲納系統(tǒng)方案，命名為前視聲納。前視聲納通常采用向前方水平及垂直維度發(fā)射一定角度的波束，波束的角度由聲納機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，主動(dòng)發(fā)射波束角度受到海洋環(huán)境對(duì)平臺(tái)的影響，使發(fā)射波束在垂直方向和水平方向上的有效聲源級(jí)下降。
2、如公告號(hào)為cn110471334a的專利公開了一種相控陣波束控制裝置、固件升級(jí)方法和雷達(dá)，包括第一fpga模塊，用于實(shí)時(shí)處理波束的相位數(shù)據(jù)；第二fpga模塊，用于根據(jù)所述第一fpga模塊處理后的數(shù)據(jù)，對(duì)多個(gè)射頻收發(fā)組件輸出相應(yīng)的指令；時(shí)鐘與同步信號(hào)模塊，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并同步到所述第一fpga模塊和所述第二fpga模塊；第一ddr模塊，用于存儲(chǔ)所述第一fpga模塊產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)；flash模塊，用于存儲(chǔ)加載所需的配置信息；電源模塊，用于所述第一fpga模塊和所述第二fpga模塊的供電，由上述第一fpga模塊和第二fpga模塊組成的單個(gè)相控陣波束控制裝置。然而，現(xiàn)有的波束發(fā)射寬度受聲基陣約束，確定后難以適航調(diào)整；多采用機(jī)械掃描式分段發(fā)射波束，難以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制；束控方法針對(duì)特定陣元間距通過調(diào)整不同位置信號(hào)振幅來調(diào)控波束，主要局限于波束寬度和旁瓣抑制，無法實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射角度。
<...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于，包括以下實(shí)施步驟：S1、聲基陣設(shè)計(jì)與子陣劃分：根據(jù)前視聲納設(shè)定的工作頻率，按照聲基陣預(yù)設(shè)確定的陣元間隔，在長寬既定平面內(nèi)布放陣元，劃分出若干發(fā)射基陣，構(gòu)建聲基陣基本架構(gòu)為后續(xù)波束控制奠定基礎(chǔ)；S2、發(fā)射子陣波束控制：針對(duì)發(fā)射子陣的發(fā)射波束進(jìn)行幅度加權(quán)處理，依據(jù)導(dǎo)向角度計(jì)算出前視聲納的聲基陣各通道發(fā)射脈沖相位延遲，控制前視聲吶波束角度進(jìn)行切換；S3、根據(jù)航行狀態(tài)調(diào)整波束：追蹤水下航行器航行狀況，當(dāng)水下航行器出現(xiàn)航向改變、上浮或者下潛動(dòng)作，即刻實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射子陣波束的指向方位；S4、波束拼接與接收處理：集中整合發(fā)射子陣的眾多波束進(jìn)行拼接波束處理，在接收信息環(huán)節(jié)，讓所有陣元一同參與以收集捕捉有效信息，輔助獲取目標(biāo)信息以實(shí)現(xiàn)探測定位。
2.如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S2中，對(duì)發(fā)射子陣的發(fā)射波束進(jìn)行幅度加權(quán)處理的具體實(shí)施步驟如下：S201：確定探測目標(biāo)與聚焦效果，依據(jù)前視聲納工作頻率，選定幅度加權(quán)系數(shù)范圍；S202：針對(duì)每個(gè)發(fā)射子陣，按預(yù)設(shè)系數(shù)對(duì)發(fā)射波束加權(quán)；S203:建立
3.如權(quán)利要求2所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S202中，發(fā)射波束加權(quán)處理的計(jì)算公式如下：令發(fā)射子陣數(shù)量為，第個(gè)發(fā)射子陣的初始波束幅度為，選定的加權(quán)系數(shù)為，導(dǎo)向角度為，加權(quán)后的波束幅度計(jì)算公式為：，其中為與導(dǎo)向角度相關(guān)的初始相位偏移量，根據(jù)導(dǎo)向角度通過以下轉(zhuǎn)換得到：。
4.如權(quán)利要求3所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S203中，波束傳播模型的計(jì)算公式如下：令波束的初始能量為，傳播距離為，介質(zhì)衰減系數(shù)為，波束頻率為，時(shí)間為，波速為，波束傳播模型的能量分布公式為：，其中，部分表示介質(zhì)對(duì)波束能量的衰減效果，隨著傳播距離的增加，能量呈指數(shù)衰減；部分表示波束在傳播過程中的波動(dòng)特性，反映了波束隨時(shí)間和距離的相位變化。
5.如權(quán)利要求4所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述波束傳播模型模擬波束傳播路徑和能量分布后，在計(jì)算各通道發(fā)射脈沖相位延遲時(shí)，表示通道序號(hào)，利用三角函數(shù)結(jié)合波束傳播速度和陣元間隔，公式如下：，其中為第個(gè)通道相對(duì)基準(zhǔn)方向的夾角，考慮導(dǎo)向角度修正后的額外相位角，。
6.如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S1中，聲基陣上水平和垂直均等間距布放陣元，水平方向每個(gè)陣元單獨(dú)引出，在垂直方向上相鄰2陣元并聯(lián)作為單個(gè)虛擬陣元引出。
7.如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S1中，聲基陣的單個(gè)子陣波束指向通過發(fā)射相位控制在垂直±30°和水平±45°觀察范圍內(nèi)，發(fā)射功率進(jìn)行獨(dú)立控制。
8.如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S3中，當(dāng)水下航行器上浮時(shí)，為避免碰撞障礙物，此時(shí)水下航行器的興趣點(diǎn)為航行器上方區(qū)域，下方區(qū)域由于偏離而采用波束駕駛控制將發(fā)射子陣角度全部向航行器上方區(qū)域進(jìn)行照射。
9.如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S4中，發(fā)射子陣波束的拼接處理步驟具體如下：S401、確定拼接目標(biāo)角度范圍：明確水平方向需覆蓋90°、垂直方向需覆蓋60°的目標(biāo)范圍，以此為基準(zhǔn)制定后續(xù)操作；S402、獲取各子陣波束參數(shù)：提取每個(gè)發(fā)射子陣包括波束幅度、相位、和頻率信息在內(nèi)的參數(shù)，作為后續(xù)處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；S403、計(jì)算波束拼接偏移量：依據(jù)目標(biāo)角度范圍與各子陣波束參數(shù)，利用三角函數(shù)方法，計(jì)算出各子陣波束拼接時(shí)所需的角度偏移量；S404、調(diào)整發(fā)射子陣角度：根據(jù)計(jì)算所得的偏移量，通過控制聲吶聲基陣各通道，調(diào)整每個(gè)發(fā)射子陣的發(fā)射角度；S405、進(jìn)行波束拼接操作：按照調(diào)整后的角度，將各發(fā)射子陣的波束進(jìn)行拼接，通過波束重疊確保在水平和垂直方向達(dá)到目標(biāo)覆蓋范圍；S406、驗(yàn)證與微調(diào)：對(duì)拼接后的波束進(jìn)行檢測，驗(yàn)證是否達(dá)到預(yù)期的覆蓋范圍，若未達(dá)到則進(jìn)行微調(diào)直至滿足要求。
10.如權(quán)利要求9所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述S403中，波束拼接偏移量的計(jì)算方式如下：令水平方向目標(biāo)覆蓋角度為，垂直方向目標(biāo)覆蓋角度為，第個(gè)發(fā)射子陣的水平方向波束寬度為，垂直方向波束寬度為，子陣...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于，包括以下實(shí)施步驟：s1、聲基陣設(shè)計(jì)與子陣劃分：根據(jù)前視聲納設(shè)定的工作頻率，按照聲基陣預(yù)設(shè)確定的陣元間隔，在長寬既定平面內(nèi)布放陣元，劃分出若干發(fā)射基陣，構(gòu)建聲基陣基本架構(gòu)為后續(xù)波束控制奠定基礎(chǔ)；s2、發(fā)射子陣波束控制：針對(duì)發(fā)射子陣的發(fā)射波束進(jìn)行幅度加權(quán)處理，依據(jù)導(dǎo)向角度計(jì)算出前視聲納的聲基陣各通道發(fā)射脈沖相位延遲，控制前視聲吶波束角度進(jìn)行切換；s3、根據(jù)航行狀態(tài)調(diào)整波束：追蹤水下航行器航行狀況，當(dāng)水下航行器出現(xiàn)航向改變、上浮或者下潛動(dòng)作，即刻實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射子陣波束的指向方位；s4、波束拼接與接收處理：集中整合發(fā)射子陣的眾多波束進(jìn)行拼接波束處理，在接收信息環(huán)節(jié)，讓所有陣元一同參與以收集捕捉有效信息，輔助獲取目標(biāo)信息以實(shí)現(xiàn)探測定位。
2.如權(quán)利要求1所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述s2中，對(duì)發(fā)射子陣的發(fā)射波束進(jìn)行幅度加權(quán)處理的具體實(shí)施步驟如下：s201：確定探測目標(biāo)與聚焦效果，依據(jù)前視聲納工作頻率，選定幅度加權(quán)系數(shù)范圍；s202：針對(duì)每個(gè)發(fā)射子陣，按預(yù)設(shè)系數(shù)對(duì)發(fā)射波束加權(quán)；s203:建立波束傳播模型，代入加權(quán)后波束參數(shù)，模擬傳播路徑與能量分布；s204：依據(jù)波束傳播模型的模擬結(jié)果和導(dǎo)向角度，用三角函數(shù)算法計(jì)算出前視聲吶聲的基陣各通道發(fā)射脈沖相位延遲；s205：對(duì)前視聲吶聲基陣各通道進(jìn)行波束駕駛，控制發(fā)射子陣俯仰或偏轉(zhuǎn)波束以實(shí)現(xiàn)聚焦功能。
3.如權(quán)利要求2所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述s202中，發(fā)射波束加權(quán)處理的計(jì)算公式如下：令發(fā)射子陣數(shù)量為，第個(gè)發(fā)射子陣的初始波束幅度為，選定的加權(quán)系數(shù)為，導(dǎo)向角度為，加權(quán)后的波束幅度計(jì)算公式為：，其中為與導(dǎo)向角度相關(guān)的初始相位偏移量，根據(jù)導(dǎo)向角度通過以下轉(zhuǎn)換得到：。
4.如權(quán)利要求3所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法，其特征在于：所述s203中，波束傳播模型的計(jì)算公式如下：令波束的初始能量為，傳播距離為，介質(zhì)衰減系數(shù)為，波束頻率為，時(shí)間為，波速為，波束傳播模型的能量分布公式為：，其中，部分表示介質(zhì)對(duì)波束能量的衰減效果，隨著傳播距離的增加，能量呈指數(shù)衰減；部分表示波束在傳播過程中的波動(dòng)特性，反映了波束隨時(shí)間和距離的相位變化。
5.如權(quán)利要求4所述的一種水下航行器前視聲吶的動(dòng)態(tài)波束管控方法...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王永豐，王天澤，劉瑩，馬鶴鳴，林晉美，王海生，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中航航空電子有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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