一種具有姿態(tài)自矯正功能的光纖矢量水聽器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領域，具體涉及一種具有姿態(tài)自矯正功能的光纖矢量水聽器。該矢量水聽器專用于拖曳聲納陣列，通過能在外支撐框架內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)的偏重心內(nèi)懸掛框架自動矯正水聽器的姿態(tài)，使陣列中各水聽器基元的傳感軸方向保持一致。
【背景技術(shù)】
[0002]矢量水聽器是水聲探測領域的重要傳感器，單基元就能獲取介質(zhì)質(zhì)點運動的矢量信息，因而能準確測量聲壓信號的傳播方向。特別是在拖曳水聽器聲納陣列應用方向，它相較于標量水聽器具有辨別左右舷模糊的能力，且在有限的聲納孔徑內(nèi)，矢量水聽器陣列能獲得更好的空間增益，大大提高水聲目標探測水平。
[0003]在拖曳矢量水聽器聲納陣列中，對矢量水聽器的姿態(tài)進行控制是矢量水聲信號探測的基礎。矢量水聽器獲取的是水聲信號相對于其自身的方位信息，考慮到綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的需要，通常需要把該相對方位信息轉(zhuǎn)換成水聲信號相對于大地坐標的方位信息，然后利用陣列中不同矢量水聽器的探測結(jié)果進行波束形成等水聲信號處理，才能準確獲得水聲目標的方位。將相對坐標轉(zhuǎn)化為大地坐標需要電子羅盤對水聽器的姿態(tài)進行監(jiān)測，若一個電子羅盤對應一個矢量水聽器，對于大規(guī)模陣列應用來說，既受限于可串聯(lián)的電子羅盤數(shù)目，也會大大增加成本和系統(tǒng)復雜性。因而，保證陣列中各矢量水聽器姿態(tài)的一致性對拖曳矢量水聽器聲納陣列至關(guān)重要。
[0004]在潛標和浮標等空間不受限制的聲納系統(tǒng)中，矢量水聽器可以依靠相互正交的三對彈性體對稱懸掛在一個較大的懸掛框架中，同時利用一個大重物塊和三維自由旋轉(zhuǎn)裝置使矢量水聽器基元在同一方向，但缺點是矢量水聽器結(jié)構(gòu)非常大。在拖曳矢量水聽器陣列中，為減小聲納體積，必須控制陣列的外徑；同時為了保證矢量水聽器在液體介質(zhì)中處于懸浮狀態(tài)并提高靈敏度，矢量水聽器的外徑則越大越好，因而在有限的空間內(nèi)，由三維懸掛框架、大重物塊和三維自由旋轉(zhuǎn)裝置組成的姿態(tài)自矯正裝置難以滿足拖曳陣列應用需求。為解決該問題，本發(fā)明設計了一種具有姿態(tài)自矯正功能的光纖矢量水聽器。該矢量水聽器為圓柱狀結(jié)構(gòu)，通過八根彈簧在水聽器軸向兩端對稱懸掛的方式與內(nèi)懸掛框架連接，該內(nèi)懸掛框架可繞外支撐框架自由旋轉(zhuǎn)，內(nèi)懸掛框架采用偏重心結(jié)構(gòu)設計，能使矢量水聽器自動穩(wěn)定至系統(tǒng)重心最低的狀態(tài)，有效解決了拖曳陣有限尺寸內(nèi)的矢量水聽器懸掛和姿態(tài)矯正的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明的目的在于，設計一種針對拖曳聲納陣列的具有姿態(tài)自矯正功能的光纖矢量水聽器，能實現(xiàn)矢量水聽器橫滾方向的姿態(tài)自矯正，達到使陣列中各矢量水聽器基元姿態(tài)自動保持一致的目的。
[0007](二)發(fā)明原理
[0008]拖曳矢量聲納陣列由一定數(shù)量的光纖矢量水聽器基元組成，基元以一定間隔均勻分布在一條材質(zhì)的軟管中，如圖1所不。每個光纖矢量水聽器都有三個正交軸，針對光纖矢量水聽器自身的直角坐標系，定義沿PU管軸向的方向為Z軸，其他兩個軸分別為X軸和Y軸。在矢量陣列裝配過程中，若不能有效控制各個矢量水聽器的姿態(tài)，各基元的X軸和Y軸之間就不能保證方向相同，這會增加矢量陣列信號處理的復雜度。
[0009]本發(fā)明設計了一種機械結(jié)構(gòu)，能使矢量水聽器的X軸和Y軸自動調(diào)節(jié)方向。該機械結(jié)構(gòu)由內(nèi)懸掛框架、外支撐框架、旋轉(zhuǎn)軸承和彈性體組成，重點是保證內(nèi)懸掛框架能繞Z軸自由旋轉(zhuǎn)。光纖矢量水聽器通過彈性體與內(nèi)懸掛框架固連，因此能和內(nèi)懸掛框架同步轉(zhuǎn)動。內(nèi)懸掛框架的自動旋轉(zhuǎn)靠繞Z軸均勻圓周分布的四根支撐桿實現(xiàn)，四根支撐桿中有三根支撐桿采用密度相同的金屬制成，一根支撐桿采用密度比其它三根支撐桿大的金屬制成，支撐桿起到支撐作用和調(diào)節(jié)系統(tǒng)重心的作用。拖曳陣列在工作時光纖矢量水聽器的Z軸與水平面平行，即四根支撐桿與水平面平行。根據(jù)動力學原理，內(nèi)懸掛框架重心最低時將處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時密度最大的支撐桿將旋轉(zhuǎn)至最低位置，并在陣列姿態(tài)改變時自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持該狀態(tài)。當每個矢量水聽器基元均以該方式調(diào)節(jié)自身姿態(tài)時，各基元的X軸和Y軸方向便能自動保持一致，這就是本發(fā)明所述姿態(tài)自矯正水聽器姿態(tài)自矯正的原理和目的。
[0010](三)技術(shù)方案
[0011]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種具有姿態(tài)自矯正功能的光纖矢量水聽器，包括:內(nèi)懸掛框架、外支撐框架、自由旋轉(zhuǎn)軸承、光纖矢量水聽器、懸掛支架和彈性體。
[0012]所述內(nèi)懸掛框架由兩個圓環(huán)內(nèi)套和四根內(nèi)支撐桿組成，兩個圓環(huán)內(nèi)套分別位于四根內(nèi)支撐桿的兩端，所述圓環(huán)內(nèi)套由兩個內(nèi)徑相同外徑不同的圓環(huán)組成，其中外徑較小圓環(huán)位于軸向外側(cè)，外徑較大圓環(huán)的圓周徑向外側(cè)間隔90度設置四個帶有缺口的耳狀突起，用于固定內(nèi)支撐桿，外徑較大圓環(huán)的圓周軸向內(nèi)側(cè)間隔90度設置四個圓臺，圓臺上開有小孔，用于固定彈性體。所述四根內(nèi)支撐桿中的三根采用密度相同的金屬制成，另外一根采用密度比其它三根支撐桿大的金屬制成，四根內(nèi)支撐桿的幾何尺寸均相同；
[0013]所述外支撐框架由兩個圓環(huán)外套和四根外支撐桿組成，兩個圓環(huán)外套分別位于四根外支撐桿的兩端，所述圓環(huán)外套的圓周徑向外側(cè)間隔90度設置四個缺口，用于固定外支撐桿，所述圓環(huán)外套的內(nèi)孔在軸向的外側(cè)邊緣處設置定位凸臺，防止旋轉(zhuǎn)軸承因為軸向受力從圓環(huán)外套中脫落；所述外支撐框架的外徑與光纖水聽器拖曳陣PU管內(nèi)徑相匹配，具有一定的抗側(cè)壓能力，起到支撐和保護矢量水聽器的目的。所述四根外支撐桿的材料及幾何尺寸均相同；
[0014]所述自由旋轉(zhuǎn)軸承為兩個內(nèi)徑等于圓環(huán)內(nèi)套中外徑較小圓環(huán)的外徑，外徑等于圓環(huán)外套內(nèi)徑的滾珠軸承，分別鑲嵌在圓環(huán)內(nèi)套和圓環(huán)外套之間，起到使內(nèi)懸掛框架自由旋轉(zhuǎn)的作用；
[0015]所述光纖矢量水聽器是用于水聲信號探測的三維同振型振速傳感器(其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見 Experimental research of an all-polarizat1n-maintaining optical fibervector hydrophone, Wang J F，Luo H，Meng Z,et al., Journal of Lightwave Technology, 2012，30(8):1178-1184.)，外形為圓柱狀，中間突起部分間隔90度開有四個槽，方便內(nèi)懸掛框架的四根支撐桿從中穿過，起到限位和減小內(nèi)懸掛框架徑向尺寸的作用；
[0016]所述懸掛支架固定在光纖矢量水聽器的兩端，所述懸掛支架上沿圓周對稱分布有四個小孔，用于固定彈性體；
[0017]所述彈性體是用于連接光纖矢量水聽器和內(nèi)懸掛框架的彈簧，能保證光纖矢量水聽器有限制地自由運動但不過度偏離振動中心，且不與內(nèi)懸掛框架和外支撐框架有接觸，所述彈性體的靜態(tài)長度要能保證其初始處于拉伸狀態(tài)。
[0018](四)發(fā)明優(yōu)點
[0019]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0020]1)采用偏心結(jié)構(gòu)設計，使矢量水聽器通過重力作用達到系統(tǒng)重心最低的狀態(tài)，有效保證了陣列中各個矢量基元姿態(tài)的一致性。
[0021]2)外支撐框架采用高強度的金屬材料，兩端的軸承支撐部分能減少軸承承受外界的側(cè)向壓力，保證軸承能在一定的側(cè)向壓力下仍能自由旋轉(zhuǎn)；外支撐桿能保證陣列彎曲時，矢量水聽器姿態(tài)自矯正裝置不發(fā)生形變，從而保證內(nèi)懸掛框架不發(fā)生變形，并與自由旋轉(zhuǎn)軸承一起能在外支撐框架內(nèi)自由旋