用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。本发明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。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述背景技术中提到的技术问题，本发明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。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：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。

更进一步地，圆盘阵列半径w1为10-50mm，周期p为20-55mm，每个圆盘的板厚t1为7-30mm，每个水间隙的厚度g为6-25mm，背板的半径为w2为18-80mm，背板的厚度t2等同圆盘阵列的每个圆盘板厚t1。

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15-20kHz，水声通信工作频段21-24kHz，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。

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7-10kHz，水声通信工作频段11-13kHz，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。

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25-30kHz，水声通信工作频段32-36kHz，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。

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5-8kHz，水声通信工作频段12-17kHz，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。

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16-17kHz，水声通信工作频段22-25kHz，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。

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35-39kHz，水声通信工作频段42-45kHz，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。

更进一步地，所述圆盘阵列和背板为金属材质。

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。

与现有技术相比，本发明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）本发明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。

（2）本发明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。

（3）本发明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

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。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为处于声子晶体超材料禁带内的声纳发射波束（工作频率为24kHz）的声场示意图；

图8为超材料声纳在不同工作频率时，波束变换的仿真结果图，（a）16kHz；（b）17kHz；（c）22kHz；（d）23kHz；（e）24kHz；（f）25kHz；

图9为水下试验测试的超材料声纳不同发射信号频率下的波束方向图结果，（a）17kHz；（b）18kHz；（c）19kHz；（d）20kHz；（e）22kHz；（f）23kHz；（g）24kHz；（h）25kHz。

附图中标记说明：1-背板，2-圆盘阵列，3-水间隙，4-发射与接收换能器，5-超材料声纳，6-通信模式，7-导航模式，8-流体（水），9-固体（金属）。

具体实施方式

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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。

一、具体实施方式一，参见图1-图9说明本实施方式，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在视觉上形成一个有等间隙的圆盘柱），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。

优选地，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6-25mm。

优选地，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。

实施例1：

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，水下探测工作频段15-20kHz，水声通信工作频段21-24kHz，圆盘阵列2的半径ｗ

实施例2：

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，水下探测工作频段7-10kHz，水声通信工作频段11-13kHz，圆盘阵列2的半径ｗ

实施例3：

换能器4采用收发分置换能器，高指向性声纳的圆盘阵列2的圆盘数为16，水下探测工作频段25-30kHz，水声通信工作频段32-36kHz，圆盘阵列2的半径ｗ

实施例4：

换能器4采用收发合置换能器，紧凑型声纳的圆盘阵列2的圆盘数为10，水下探测工作频段5-8kHz，水声通信工作频段12-17kHz，圆盘阵列2的半径ｗ

实施例5：

换能器4采用收发合置换能器，紧凑型声纳的圆盘阵列2的圆盘数为10，水下探测工作频段16-17kHz，水声通信工作频段22-25kHz，圆盘阵列2的半径ｗ

实施例6：

换能器4采用收发分置换能器，紧凑型声纳的圆盘阵列2的圆盘数为10，水下探测工作频段35-39kHz，水声通信工作频段42-45kHz，圆盘阵列2的半径ｗ

所述圆盘阵列2和背板1为金属材质。

如图1所示，本发明提出的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳水下工作原理示意图。可将多个所述的超材料声纳用于水下航潜器，多个水下工作节点之间可通过超材料声纳完成信息交互与通信，也可以自行完成探测与导航，进而实现水下导航通信功能的一体式，减小平台体积占比和重量，提高资源利用率。如图1所示，所述声纳在变换发射信号频率时，该声纳的发射信号波束指向性发生明显改变。当该声纳波束指向性集中于UUV下方时（垂直定向波束），可用于水下深度和地形探测（导航模式）；当该声纳指向性变换为UUV侧向辐射（水平准全向发射）而其下方几乎不存在发射信号时，可用于水下多节点间信息交互与通信。因此该超材料声纳可实现导航与通信功能的一体式，有助于减小平台体积占比，重量以及节约能耗。

水下探测通信一体式已成为近年来海洋领域研究热点之一。本发明所提出的一种用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳体积小，结构简单，可排布成阵，实现了发射信号波束的有效调控，有望应用于水下航潜器的导航通信一体式，为水下探测通信一体式提供一种新的研究思路与技术，具备良好的工程应用前景。

如图2所示，本发明提出的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳，是一组等直径的圆盘阵列2及一块圆盘背板1和穿插在背板与圆盘阵列2之间以及圆盘阵列2的相邻圆盘的水间隙3组成的超构材料复合结构，其周期为p，每个圆盘的板厚t1，每个水间隙3的厚度为g，圆盘阵列2半径为w

所述超材料声纳中，将换能器4放置于圆盘阵列2的其中一个水间隙3的轴中心处，可采用收发合置或收发分置的换能器进行信号发射与接收。换能器4采用收发分置换能器时，水听器置于背板1向圆盘阵列2方向数第六个水间隙3处；换能器4采用收发合置换能器时，水听器置于背板1向圆盘阵列2方向数第五个水间隙3处。

所述的超材料声纳沿z轴方向呈周期排列，在x轴和y轴方向上为均质材料，因此可认为该超材料声纳为一种一维声子晶体结构。

一维声子晶体结构示意图如图3所示，该声子晶体由低密度流体8和高密度固体9介质交替分布形成；本发明利用一维声子晶体中存在的声学带隙效应实现导航通信一体式超材料声纳设计。

如图4所示，本发明所提出的用于水下航潜器的导航通信一体式超材料声纳的中心工作频率为22kHz，16-17kHz为所述超材料声纳的声学传输通带，发射波束为集中向下辐射，可以用于水下深度和地形探测（导航模式）（图4中（a））；工作频段在22-25kHz为所述超材料声纳的传输禁带（沿着

如图5所示，为所述超材料声纳不包含背板时的声子晶体声学带隙色散曲线图。从所述超材料声纳的声学带隙色散曲线，可以清晰得知上方区域为所述超材料声纳的声波传输导通带，在该通带内的声波（例如声波工作频率为17kHz）可以沿着圆盘阵列2的

如图6和图7所示，利用有限元仿真对所述的超材料声纳建模，在17kHz和24kHz时的声场示意图与图5中的超材料声子晶体的通带和禁带两种工作模式相对应。如图6所示，声波工作频率为17kHz时，其处于超材料声纳的导通带中，辐射声波指向性沿超材料声纳轴向向下辐射，可用于水下导航与探测；如图7所示，当发射声波频率为24kHz时，其处于超材料声纳传播禁带中，辐射声波被禁止沿着

详细的数值仿真结果如图8所示，发射信号频率为16-17kHz时为所述超材料声纳的传输通带，发射波束指向性主要集中向下，即换能器发射声波能量主要集中向下，可用于水下探测和导航。发射信号频率为22-25kHz时，处于所述超材料声纳的传输禁带中，即换能器发射声波无法通过结构向下沿着

如图9所示，在消声水池中对所述的超材料声纳可以在不同频率下灵活切换工作状态以及实现探测和通信等功能进行了试验证明。如图9中（a）-图9中（d）所示，在17-20kHz时均实现了沿着

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。