[發明專利]一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置及設計方法

在審

• 申請號: 202210252103.1
• 申請日: 2022-03-15
• 公開（公告）號: CN114594424A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 侯書畫;趙宣植;劉增力
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01S5/20
• 分類號: G01S5/20;G01S7/521;G01S15/62
• 代理公司: 云南律翔知識產權代理事務所(普通合伙) 53219
• 代理人: 方藏輝

1.一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置，其特征在于，包括：

（1）水聽器陣列，根據實際需要選擇合適的水聽器個數，并采用三元冗余陣排布方式掛載在RS485總線上，用來采集目標信號；

（2）485模塊，采用SP3485芯片作為485通信的收發器，該模塊與RX485總線連接，在其傳輸線上可連接多個水聽器接收節點；

（3）主控模塊，核心處理器選擇TMS系列DSP處理器 TMS320F28335，設定空間平滑MUSIC程序對接收數據進行處理，計算出空間譜和波達方向；主控模塊通過RS485總線向水聽器發送觸發信號使其開始或停止采集，當水聽器處于上傳數據模式且開始采集后，主控模塊以應答方式依次命令各個水聽器上傳數據；

（4）人機交互顯示終端，采用金鵬實業有限公司的C系列彩屏智能終端液晶顯示器，它具有32位ARM處理器和FPGA雙核控制架構，DSP芯片通過串口連接顯示屏，實現終端人機交互和數據的實時顯示，并通過操作頁面進行參數設置，如設備的開關機、水聽器陣列的投放與收回、采樣的開始與停止、DSP處理器的處理精度、運算次數等，顯示目標信號的入射波達方向；

（5）太陽能供電模塊，利用太陽能發電板進行發電，太陽能充電管理芯片選用CN3791，將電能儲存到蓄電池中，通過降壓穩壓為整個系統供電；

所述的水聽器基陣，根據環境及需求確定需要的陣元數，按三元冗余稀疏線陣進行排布，以總線方式連接，485模塊采用SP3485芯片作為485通信的收發器與RX485總線連接，在其傳輸線上可連接多個水聽器接收節點；

所述的主控模塊，核心處理器選擇TMS系列DSP處理器 TMS320F28335，設定空間平滑MUSIC程序對接收數據進行處理，計算出空間譜和波達方向，主控模塊通過RS485總線向水聽器發送觸發信號使其開始或停止采集，當水聽器處于上傳數據模式且開始采集后，主控模塊以應答方式依次命令各個水聽器上傳數據；

所述的人機交互顯示終端，采用金鵬實業有限公司的C系列彩屏智能終端液晶顯示器，它具有32位ARM處理器和FPGA雙核控制架構，DSP芯片通過串口連接顯示屏，實現終端人機交互和數據的實時顯示，并通過操作頁面進行參數設置，通常是設備的開關機、水聽器陣列的投放與收回、采樣的開始與停止、DSP處理器的處理精度、運算次數，顯示目標信號的入射波達方向；

所述的太陽能供電模塊，利用太陽能發電板進行發電，太陽能充電管理芯片選用CN3791，將電能儲存到蓄電池中，通過降壓穩壓為所有模塊供電；

高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置的連接關系是：本系統裝置的接收水聽器基陣布置在水下，處理裝置布放在水面的探測船只上，水聽器基陣接收來自水下目標主動發出的信號，水聽器基陣將接收來的信號通過485模塊傳給到主控模塊，主控模塊進行數據處理變換，計算出水下目標方位，將結果傳給人機交互顯示終端，太陽能供電模塊為整個系統供電。

2.根據權利要求1所述的一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置的設計方法，其特征在于，所述水聽器基陣排布設計采用三元冗余陣(Ternary redundant array, TRA)，包括以下步驟：

（1）用表示陣元間距的基本單元，通常將其取為半波長，即，表示陣列入射信號的波長；

（2）設定水聽器陣列總陣元數為，且滿足，根據,,，求得三個子陣的陣元數、和；

（3）選取個水聽器以間距按直線形排列構成子陣1，選取個水聽器以間距按直線形排列構成子陣2，選取個水聽器以間距按直線形排列構成子陣3，且子陣1和子陣2間隔為,子陣2和子陣3間隔為，即陣元間距集合為：

以上是陣元間距集合L計算公式；

（4）將三段均勻子線陣排列組成三元冗余陣，水聽器基陣中各物理陣元位置可表示為：

以上是陣元位置S計算公式。

3.根據權利要求2所述的一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置的設計方法，其特征在于：通過計算獲得所述陣列的虛擬差分共陣位置，且該陣列的差分共陣是連續無孔的，自由度為。

4.根據權利要求2所述的一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置的設計方法，其特征在于：對于三元冗余陣的差分共陣，在和位置處的虛擬陣元權重為1，在和位置處的虛擬陣元權重為2，其余在內的虛擬陣元權重均大于2。

5.根據權利要求2所述的一種高魯棒性的水聽器陣列測向系統裝置的設計方法，其特征在于：三元冗余陣在每個陣元故障率不超過0.3時，可保持穩定的差分共陣和高連續自由度。