用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳制造技术

本发明专利技术提出了一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，属于海洋探测与通信领域。解决了现有航潜器水下信息系统平台中，探测装备与水声通信系统单独设计与配置，导致设备体积大、增加航潜器重量、增加功率消耗、降低隐蔽性以及面临电磁干扰等问题。该超材料声纳是由一组等直径的圆盘阵列及一块圆盘背板和水间隙所组成的超构材料复合结构，通过调整圆盘阵列的周期p，每个圆盘板厚t1，水间隙的厚度g，圆盘阵列的半径w1、背板的半径w2和厚度t2，实现通过变换工作频率来灵活切换水下导航及水声通信工作状态，实现导航通信一体式声纳。该超材料声纳可灵活切换水下探测和水声通信工作模式，实现探测通信一体化声纳系统。实现探测通信一体化声纳系统。实现探测通信一体化声纳系统。

【技术实现步骤摘要】
用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳


[0001]本专利技术属于海洋探测与通信领域，特别是涉及一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳。

技术介绍

[0002]水下航潜器在海洋信息获取、开发海洋资源、保护海洋环境、预防海洋灾害等方面具有重要应用潜力。导航与通信系统是航潜器的重要装备，它们是航潜器海洋信息获取、信号处理、信息传输与通信的重要技术手段。然而，现有航潜器（UUV）水下信息系统平台中，导航声纳与水声通信系统通常需要单独设计与配置，导致设备体积大、重量沉、增加功率消耗、降低隐蔽性以及面临电磁干扰等一系列问题。受载荷能力、续航能力以及费用成本等因素制约，UUV搭载的导航与通信系统迫切需要实现紧凑化、轻量化、低能耗和低成本，目前的技术还难以兼顾这些需求。针对目前技术挑战和迫切需求，未来研发重点是实现能够将导航声纳与水声通信设备合二为一的一体式系统，该技术可显著减小平台体积占比、降低重量和功耗、有效改善UUV声纳装备的一体式程度，显著提升UUV水下导航、通信以及机动能力。
[0003]值得一提的是，目前针对UUV导航通信一体式声纳的研究主要集中于探测与通信波形设计、自干扰抑制技术以及探测与通信共享信号处理技术等方面。然而，利用声学超材料实现导航通信一体式声纳技术尚属空白，其中很多科学和技术问题都有待探索解决，因此亟需开展相关方面的基础和应用研究。本专利技术提出的一种基于声学超材料的水下航潜器导航通信一体式声纳系统将为UUV新型声纳以及装备一体式技术提供新的思路。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，为了解决上述
技术介绍
中提到的技术问题，本专利技术旨在提出一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，包括圆盘阵列和背板，所述圆盘阵列包括一组等直径且等间距均匀设置的轴线重合的圆盘，圆盘阵列位于背板的一侧，所述背板与圆盘阵列间以及圆盘阵列的相邻的两个圆盘间均设置有水间隙，若干水间隙的厚度g相同，换能器放置于圆盘阵列的其中一个水间隙的轴中心处，换能器采用收发合置或分置两种方式进行水声信号发射与接收，通过调整圆盘阵列的周期p，每个圆盘板厚t1，水间隙的厚度g，圆盘阵列的半径w1、背板的半径w2和厚度t2，实现通过变换工作频率来灵活切换水下导航及水声通信工作状态，实现导航通信一体式声纳。
[0006]更进一步地，圆盘阵列半径w1为10
‑
50mm，周期p为20
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55mm，每个圆盘的板厚t1为7
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30mm，每个水间隙的厚度g为6
‑
25mm，背板的半径为w2为18
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80mm，背板的厚度t2等同圆盘阵列的每个圆盘板厚t1。
[0007]更进一步地，采用收发合置换能器，高指向性声纳的圆盘阵列的圆盘数为20，水下
导航工作频段15
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20kHz，水声通信工作频段21
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24kHz，圆盘阵列的半径w1为22.5mm，周期p为30mm，每个圆盘的板厚t1为16mm，每个水间隙的厚度g为14mm，背板的半径w2为45mm。
[0008]更进一步地，采用收发合置换能器，高指向性声纳的圆盘阵列的圆盘数为18，水下导航工作频段7
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10kHz，水声通信工作频段11
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13kHz，圆盘阵列的半径w1为45mm，周期p为55mm，每个圆盘的板厚t1为30mm，每个水间隙的厚度g为25mm，背板的半径w2为80mm。
[0009]更进一步地，采用收发分置换能器，高指向性声纳的圆盘阵列的圆盘数为16，水下导航工作频段25
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30kHz，水声通信工作频段32
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36kHz，圆盘阵列的半径w1为15mm，周期p为20mm，每个圆盘的板厚t1为11mm，每个水间隙的厚度g为9mm，背板的半径w2为35mm。
[0010]更进一步地，采用收发合置换能器，紧凑型声纳的圆盘阵列的圆盘数为10，水下导航工作频段5
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8kHz，水声通信工作频段12
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17kHz，圆盘阵列的半径w1为40mm，周期p为53mm，每个圆盘的板厚t1为28mm，水间隙的厚度g为25mm，背板的半径w2为75mm。
[0011]更进一步地，采用收发合置换能器，紧凑型声纳的圆盘阵列的圆盘数为10，水下导航工作频段16
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17kHz，水声通信工作频段22
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25kHz，圆盘阵列的半径w1为22.5mm，周期p为30mm，每个圆盘的板厚t1为16mm，水间隙的厚度g为14mm，背板的半径w2为45mm。
[0012]更进一步地，采用收发分置换能器，紧凑型声纳的圆盘阵列的圆盘数为10，水下导航工作频段35
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39kHz，水声通信工作频段42
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45kHz，圆盘阵列的半径w1为10mm，周期p为13mm，每个圆盘的板厚t1为7mm，水间隙的厚度g为6mm，背板的半径w2为18mm。
[0013]更进一步地，所述圆盘阵列和背板为金属材质。
[0014]更进一步地，换能器采用收发分置时，水听器置于背板向圆盘阵列方向数第六个水间隙处，换能器采用收发合置时，水听器置于背板向圆盘阵列方向数第五个水间隙处。
[0015]与现有技术相比，本专利技术所述的一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳的有益效果是：（1）本专利技术所述的超材料声纳利用一维声子晶体带隙特性实现了不同频段下探测与通信波束的变换，由此可以灵活切换水下探测及水声通信工作状态，利用超材料结构设计和对应的声学特性实现探测通信一体式。
[0016]（2）本专利技术提出的超材料声纳结构紧凑，体积小，可成阵使用；通过改变结构参数，阵列结构，填充率及材料参数对声学带隙的频率及宽度均可以实现调控，对于实际需求具备一定的设计灵活性。
[0017]（3）本专利技术提出的超材料声纳利用一套硬件设备即可实现探测声纳和水声通信的功能，降低系统体积占比和重量，减少电磁干扰，增强隐蔽性，提升系统一体式性能，有潜力应用于载荷能力和续航能力受限的中小型水下航潜器。
附图说明
[0018]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为所述的超材料声纳用于水下航潜器进行导航和通信的原理示意图；图2为超材料声纳结构示意图；图3为一维声子晶体超材料结构示意图；图4为超材料声纳工作原理示意图；图4中（a）为超材料声纳工作状态为水下探测
（导航模式）时发射垂直定向波束示意图；图4中（b）为超材料声纳工作状态为水声通信（通信模式）时发射水平准全向波束示意图；图5为超材料声纳的声学带隙色散曲线图；图6为处于声子晶体超材料导通带内的声纳发射波束（工作频率为17kHz）的声场分布示意图；图7为处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，其特征在于：包括圆盘阵列（2）和背板（1），所述圆盘阵列（2）包括一组等直径且等间距均匀设置的轴线重合的圆盘，圆盘阵列（2）位于背板（1）的一侧，所述背板（1）与圆盘阵列（2）间以及圆盘阵列（2）的相邻的两个圆盘间均设置有水间隙（3），若干水间隙（3）的厚度g相同，换能器（4）放置于圆盘阵列（2）的其中一个水间隙（3）的轴中心处，换能器（4）采用收发合置或分置两种方式进行水声信号发射与接收，通过调整圆盘阵列（2）的周期p，每个圆盘板厚t1，每个水间隙（3）的厚度g，圆盘阵列（2）的半径w1、背板（1）的半径w2和厚度t2，实现通过变换工作频率来灵活切换水下导航及水声通信工作状态，实现导航通信一体式声纳。2.根据权利要求1所述的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，其特征在于：圆盘阵列（2）半径w1为10
‑
50mm，周期p为20
‑
55mm，每个圆盘的板厚t1为7
‑
30mm，每个水间隙（3）的厚度g为6
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25mm，背板（1）的半径为w2为18
‑
80mm，背板（1）的厚度t2等同圆盘阵列（2）的每个圆盘板厚t1。3.根据权利要求2所述的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，其特征在于：换能器（4）采用收发合置换能器，高指向性声纳的圆盘阵列（2）的圆盘数为20，水下导航工作频段15
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20kHz，水声通信工作频段21
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24kHz，圆盘阵列（2）的半径w1为22.5mm，周期p为30mm，每个圆盘的板厚t1为16mm，每个水间隙（3）的厚度g为14mm，背板（1）的半径w2为45mm。4.根据权利要求2所述的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，其特征在于：换能器（4）采用收发合置换能器，高指向性声纳的圆盘阵列（2）的圆盘数为18，水下导航工作频段7
‑
10kHz，水声通信工作频段11
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13kHz，圆盘阵列（2）的半径w1为45mm，周期p为55mm，每个圆盘的板厚t1为30mm，每个水间隙（3）的厚度g为25mm，背板（1）的半径w2为80mm。5.根据权利要求2所述的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，其特征在于：换...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永耀，王鑫，李俊杰，张亮，马泽栋，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：