CN103473917B - 一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，该发射装置包括主浮体、浮力调节装置、CTD传感器、综合控制器、编码器、功率放大器、发射换能器、避碰声纳和电源管理器；其中上述其它部件均安装在主浮体内部的水密舱室中；CTD传感器用于同步测量深度和声速，并将测量结果发送给综合控制器；综合控制器用于接收CTD传感器测量的深度和声速，根据声速随深度的变化关系判断是否存在温跃层，根据判断的结果选择遥控信号的发射深度，并将选择结果发送给浮力调节装置；还用于控制编码器产生遥控编码信号；本发明布放后定深悬浮、完全自主工作，并自动选择适当的遥控信号发射深度，在存在温跃层的较恶劣水文条件下可以避开温跃层，减小声传播损失。

Description

一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置

技术领域

本发明涉及一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，属于水声遥控技术领域。

背景技术

水声遥控是目前工程上对水下UUV、水下滑翔器、潜标、海床基等进行远距离信息发送和控制的最主要、最有效的手段之一。现有的水声遥控发射装置，发射遥控信号时基本上采用把发射换能器吊放在水中，再通过电缆与船上或岸上的功放等设备相连接的方式工作，使用时一般需要外部供电电源、行吊等辅助设备，对船只条件、人员配置、海况天气都有一定的要求，限制了使用范围。此外，水文条件对声传播有显著影响，当存在声速梯度尤其是存在温跃层时，遥控距离一般与发射深度有关。为保证遥控效率，需要避开温跃层，选择适当深度，很多情况下甚至需要在较深的深度发射，否则遥控距离会大幅度降低。而现有的水声遥控发射装置主要采用吊放换能器的方式，容易受电缆长度、吊放配重、海流、风力风向等因素限制，不仅吊放深度有限，难以有效控制发射深度，而且其遥控距离易受水文条件影响，且难以克服。例如，通过增加发射功率的常用方式来弥补恶劣水文条件所造成的遥控距离损失，不仅成本高、设计实现困难，而且大幅增加了遥控发射装置的体积重量，导致使用更加不便。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，该装置重量轻、体积小，采用直接投放入水的方式布放，并通过内部电池供电工作，不需要外部电源和其它辅助设备布放；布放后定深悬浮、完全自主工作，并自动选择适当的遥控信号发射深度，在存在温跃层的较恶劣水文条件下可以避开温跃层，减小声传播损失，满足人们在布放平台条件有限、水文条件较为恶劣的条件下对水下UUV、水下滑翔器、潜标、海床基等进行远距离遥控的需求。

一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，该发射装置包括主浮体、浮力调节装置、CTD传感器、综合控制器、编码器、功率放大器、发射换能器、避碰声纳和电源管理器；其中CTD传感器、发射换能器和避碰声纳安装在主浮体上与水介质接触，浮力调节装置、综合控制器、编码器、功率放大器和电源管理器安装在主浮体内部的水密舱室中；

所述CTD传感器用于同步测量深度和声速，并将测量结果发送给综合控制器；

所述综合控制器用于接收CTD传感器测量的深度和声速，根据声速随深度的变化关系判断是否存在温跃层，根据判断的结果选择遥控信号的发射深度，并将选择结果生成控制信号发送给浮力调节装置；所述综合控制器还用于控制编码器产生遥控编码信号；

所述浮力调节装置采用油泵调节机构，接收综合控制器发出的控制信号向油囊内充油或排油，通过改变油囊体积大小的方式来实现主浮体的浮力平衡和自动定深；

所述编码器用于接收综合控制器的控制信号，并产生遥控编码信号；

所述功率放大器用于放大编码器输出的遥控编码信号，并实现与发射换能器之间的阻抗匹配；

所述发射换能器将电信号转换为声信号后发射；

所述电源管理器用于为装置提供稳定工作电源。

所述的发射装置还包括避碰声纳，避碰声纳用于防止主浮体在浅水区触底，在发生触底时发生报警信号输出给综合控制器。

一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置的发射方法，该发射方法具体步骤如下：

步骤一：装置布放后主浮体下沉，在下沉过程中CTD传感器实时测量主浮体到达的深度及相应的声速，并发送给综合控制器；

步骤二：综合控制器根据接收到的深度判断是否到达了设定的最大工作深度h，若是，则控制浮力调节装置调节主浮体自动定深到设定的最大工作深度h悬浮；若否，则进一步判断避碰声纳是否发出报警信号，若避碰声纳没有发出报警信号，则继续下沉至最大工作深度h悬浮；若避碰声纳发出报警信号，则控制浮力调节装置调节主浮体定深到避碰声纳报警距离之外的安全深度悬浮；

步骤三：在步骤二的定深过程中CTD传感器测量的声速随深度的变化关系，判断是否存在声速随深度突变的温跃层，具体过程如下：

第1歩：从深度1米开始，CTD传感器测量的深度每增加或减小1米则由综合控制器记录1次同步测量的声速，若同一深度有多个声速测量值则取其平均值，直到装置达到稳定定深的最大深度为止；

第2步：计算所有相邻1米深度上的连续声速变化，得到{ΔC₂,ΔC₃,…,ΔC_h}，其中下标表示深度，h是测量声速过程中记录的最大深度。

第3步：根据公式（1）计算声速门限值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1=\mathrm{\α}+4\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ΔC}}_2-\mathrm{\α})}^2+{({\mathrm{\ΔC}}_3-\mathrm{\α})}^2+...+{({\mathrm{\ΔC}}_h-\mathrm{\α})}^2}{h-1}}\\ {\mathrm{\β}}_2=\mathrm{\α}-4\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ΔC}}_2-\mathrm{\α})}^2+{({\mathrm{\ΔC}}_3-\mathrm{\α})}^2+...+{({\mathrm{\ΔC}}_h-\mathrm{\α})}^2}{h-1}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中： $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ΔC}}_2+{\mathrm{\ΔC}}_3+...+{\mathrm{\ΔC}}_h}{h-1};$

第4步：依次比较{ΔC₂,ΔC₃,…,ΔC_h}中的每一个声速变化值与第3步得到声速门限β₁、β₂之间的关系，若满足条件“出现连续不小于4个深度上的声速变化值满足ΔC＞β₁或连续不小于4个深度上的声速变化值满足ΔC＜β₂”，则判断为“存在声速随深度突变的温跃层”，否则判断为“不存在温跃层”；

第5步：第4步中若判断为存在温跃层，则记录温跃层的深度，记为d_H和d_L，分别表示温跃层的上下边界，即满足上述判断条件ΔC＞β₁或ΔC＜β₂的最小深度值和最大深度值；

步骤四：根据步骤三的判断结果，选择遥控信号的发射深度，具体如下：

若判断为“不存在温跃层”，则结合测量声速过程中记录的最大深度h选择N-1个深度，其中N＝4或8，深度分别等于：其中k＝1,2,…,N-1；

若判断为“存在声速随深度突变的温跃层”，则避开温跃层，分别在[0d_H]和[d_Lh]的深度范围内各选择N-1个深度，其中N＝4，深度分别等于：和其中k＝1,2,…,N-1；

步骤五：根据步骤四确定的发射深度，综合控制器控制浮力调节装置调节主浮体由深至浅依次定深悬浮在每一个发射深度，并启动编码器产生遥控指令信号，经功率放大器放大后通过发射换能器发射；

步骤六：判断所有发射深度是否均发射完成，如果是，则结束；如果不是，则返回步骤五。

有益效果：

（1）本发明布放后不需要人为操控，能够定深悬浮、完全自主工作，并自动选择遥控信号的发射深度，在存在温跃层的较恶劣水文条件下避开温跃层发射，降低其对声传播的影响，减小声传播损失，从而在发射声功率一定时遥控距离更远、效率更高，适用范围广和环境适应能力强，且能够满足人们在布放平台条件有限、水文条件较为恶劣的情况下对水下UUV、水下滑翔器、潜标、海床基等进行远距离遥控的需求。

（2）本发明重量轻、体积小，采用直接投放入水的方式布放，并通过内部电池供电工作，因此可不需要外部供电电源、行吊等其它辅助设备，对布放平台及其设施配置的要求低，使用条件易满足、限制少，操作简单方便、使用成本低；

附图说明

图1为本发明自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置的原理图。

图2为本发明遥控信号发射深度的选择方法流程图。

图3为“不存在温跃层”时本发明的布放、定深工作过程以及自动选择遥控信号发射深度结果的示例图。

图4为“存在温跃层”时本发明的布放、定深工作过程以及自动选择遥控信号发射深度结果的示例图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，该装置包括主浮体、浮力调节装置、CTD（温盐深）传感器、综合控制器、编码器、功率放大器、发射换能器、避碰声纳和电源管理器；

所述主浮体是浮力调节装置、CTD（温盐深）传感器、综合控制器、编码器、功率放大器、发射换能器、避碰声纳和电源管理器的载体；其中，CTD传感器、发射换能器和避碰声纳安装在主浮体上与水介质接触，浮力调节装置、综合控制器、编码器、功率放大器和电源管理器安装在主浮体内部的水密舱室中；

所述CTD传感器用于同步测量深度和声速，并将测量结果发送给综合控制器处理、记录；

所述避碰声纳用于防止该装置在浅水区触底，当发生触底时，发生报警信号输出给综合控制器；

所述浮力调节装置采用油泵调节机构，接收综合控制器发出的控制信号向油囊内充油或排油，通过改变油囊体积大小的方式来实现主浮体的浮力平衡和自动定深，达到零浮力调节，使主浮体保持在一定深度上稳定悬浮；

所述编码器用于接收综合控制器的控制信号，并产生遥控编码信号；

所述功率放大器用于放大编码器输出的遥控编码信号，并实现与发射换能器之间的阻抗匹配；

所述发射换能器将电信号转换为声信号后发射；

所述电源管理器用于为装置提供稳定工作电源；

所述综合控制器用于控制该装置的总体工作时序，包括浮力调节装置、编码器、功率放大器的上电断电控制，以及根据CTD测量的深度和声速，自动选择遥控信号的发射深度，并将选择结果发送给浮力调节装置实现。

如附图2所示，遥控信号发射深度的选择方法具体如下：

步骤一：装置布放后主浮体下沉，在下沉过程中CTD传感器实时测量主浮体到达的深度及相应的声速，并发送给综合控制器处理、记录；

上述布放可采用人工抛弃方式直接整体投放入水，也可借用行吊等设备采用吊布方式投放，因此布放时即可采用设备较齐全的船只，也可采用不具备外部电源和其它辅助设备条件的渔船或小型快艇等，在海况较差的情况下仍然可以方便操作。

步骤二：综合控制器根据接收到的深度判断是否到达了设定的最大工作深度h，若判断为“是”，则综合控制器控制浮力调节装置通过向油囊内充油或排油改变油囊体积大小的方式改变装置自身浮力，实现零浮力调节，自动定深到设定的最大工作深度h悬浮；若判断为“否”，则进一步判断避碰声纳是否发出报警信号，若避碰声纳没有发出报警信号，则继续下沉至最大工作深度h悬浮；若避碰声纳发出报警信号，则综合控制器控制浮力调节装置调节主浮体定深到避碰声纳报警距离之外的安全深度悬浮。

步骤三：在步骤二的定深过程中CTD传感器测量的声速随深度的变化关系，判断是否存在声速随深度突变的温跃层，具体过程如下：

第1歩：从深度1米开始，CTD传感器测量的深度每增加或减小1米则由综合控制器记录1次同步测量的声速，若同一深度有多个声速测量值则取其平均值，直到装置达到稳定定深的最大深度为止；

第2步：计算所有相邻1米深度上的连续声速变化，得到{ΔC₂,ΔC₃,…,ΔC_h}，其中下标表示深度，h是测量声速过程中记录的最大深度。

第3步：根据公式（1）计算声速门限值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1=\mathrm{\α}+4\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ΔC}}_2-\mathrm{\α})}^2+{({\mathrm{\ΔC}}_3-\mathrm{\α})}^2+...+{({\mathrm{\ΔC}}_h-\mathrm{\α})}^2}{h-1}}\\ {\mathrm{\β}}_2=\mathrm{\α}-4\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ΔC}}_2-\mathrm{\α})}^2+{({\mathrm{\ΔC}}_3-\mathrm{\α})}^2+...+{({\mathrm{\ΔC}}_h-\mathrm{\α})}^2}{h-1}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中： $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ΔC}}_2+{\mathrm{\ΔC}}_3+...+{\mathrm{\ΔC}}_h}{h-1}.$

第4步：依次比较{ΔC₂,ΔC₃,…,ΔC_h}中的每一个声速变化值与第3步得到声速门限β₁、β₂之间的关系，若满足条件“出现连续不小于4个深度上的声速变化值满足ΔC＞β₁（或连续不小于4个深度上的声速变化值满足ΔC＜β₂）”则判断为“存在声速随深度突变的温跃层”，否则判断为“不存在温跃层”。

第5步：第4步中若判断为存在温跃层，则记录温跃层的深度，记为d_H和d_L，分别表示温跃层的上下边界，即满足上述判断条件ΔC＞β₁（或ΔC＜β₂）的最小深度值和最大深度值。

步骤四：根据步骤三的判断结果，选择遥控信号的发射深度，具体如下：

如附图3所示，若判断为“不存在温跃层”，则结合测量声速过程中记录的最大深度h选择N-1个深度，其中N＝4或8，深度分别等于：其中k＝1,2,…,N-；1

如附图4所示，若判断为“存在声速随深度突变的温跃层”，则避开温跃层，分别在[0d_H]和[d_Lh]的深度范围内各选择N-1个深度，其中N＝4，深度分别等于：和其中k＝1,2,…,N-1。

步骤五：根据步骤四确定的发射深度，综合控制器控制浮力调节装置调节主浮体由深至浅依次定深悬浮在每一个发射深度，并启动编码器产生遥控指令信号，经功率放大器放大后通过发射换能器发射；

上述发射的遥控指令信号经海洋信道传输后可以被水下UUV、水下滑翔器、潜标、海床基等遥控目标接收、解码、执行，在存在温跃层的较恶劣水文条件下，该装置由于自动避开了温跃层发射，减小了声传播损失，因此在发射声功率一定时遥控距离更远、效率更高。

步骤六：判断所有发射深度是否均发射完成，如果是，则结束；如果不是，则返回步骤五。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，其特征在于，该发射装置包括主浮体、浮力调节装置、CTD传感器、综合控制器、编码器、功率放大器、发射换能器、避碰声纳和电源管理器；其中CTD传感器、发射换能器和避碰声纳安装在主浮体上与水介质接触，浮力调节装置、综合控制器、编码器、功率放大器和电源管理器安装在主浮体内部的水密舱室中；

所述CTD传感器用于同步测量深度和声速，并将测量结果发送给综合控制器；

所述综合控制器用于接收CTD传感器测量的深度和声速，根据声速随深度的变化关系判断是否存在温跃层，根据判断的结果选择遥控信号的发射深度，并将选择结果生成控制信号发送给浮力调节装置；所述综合控制器还用于控制编码器产生遥控编码信号；

所述浮力调节装置采用油泵调节机构，接收综合控制器发出的控制信号向油囊内充油或排油，通过改变油囊体积大小的方式来实现主浮体的浮力平衡和自动定深；

所述编码器用于接收综合控制器的控制信号，并产生遥控编码信号；

所述功率放大器用于放大编码器输出的遥控编码信号，并实现与发射换能器之间的阻抗匹配；

所述发射换能器将电信号转换为声信号后发射；

所述电源管理器用于为装置提供稳定工作电源。

2.如权利要求1所述的自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置，其特征在于，避碰声纳用于防止主浮体在浅水区触底，在发生触底时发生报警信号输出给综合控制器。

3.一种基于权利要求2所述的自主定深悬浮式远距离水声遥控发射装置的发射方法，其特征在于，该发射方法具体步骤如下：

步骤一：装置布放后主浮体下沉，在下沉过程中CTD传感器实时测量主浮体到达的深度及相应的声速，并发送给综合控制器；

步骤二：综合控制器根据接收到的深度判断是否到达了设定的最大工作深度h，若是，则控制浮力调节装置调节主浮体自动定深到设定的最大工作深度h悬浮；若否，则进一步判断避碰声纳是否发出报警信号，若避碰声纳没有发出报警信号，则继续下沉至最大工作深度h悬浮；若避碰声纳发出报警信号，则控制浮力调节装置调节主浮体定深到避碰声纳报警距离之外的安全深度悬浮；

步骤三：在步骤二的定深过程中CTD传感器测量的声速随深度的变化关系，判断是否存在声速随深度突变的温跃层，具体过程如下：

第1歩：从深度1米开始，CTD传感器测量的深度每增加或减小1米则由综合控制器记录1次同步测量的声速，若同一深度有多个声速测量值则取其平均值，直到装置达到稳定定深的最大深度为止；

第2步：计算所有相邻1米深度上的连续声速变化，得到{ΔC₂,ΔC₃,…,ΔC_h}，其中下标表示深度，h是测量声速过程中记录的最大深度；

第3步：根据公式(1)计算声速门限值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1=\mathrm{\α}+4\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ΔC}}_2-\mathrm{\α})}^2+{({\mathrm{\ΔC}}_3-\mathrm{\α})}^2+\mathrm{...}+{({\mathrm{\ΔC}}_h-\mathrm{\α})}^2}{h-1}}\\ {\mathrm{\β}}_2=\mathrm{\α}-4\sqrt{\frac{{({\mathrm{\ΔC}}_2-\mathrm{\α})}^2+{({\mathrm{\ΔC}}_3-\mathrm{\α})}^2+\mathrm{...}+{({\mathrm{\ΔC}}_h-\mathrm{\α})}^2}{h-1}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中： $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ΔC}}_2+{\mathrm{\ΔC}}_3+\mathrm{...}+{\mathrm{\ΔC}}_h}{h-1};$

第4步：依次比较{ΔC₂,ΔC₃,…,ΔC_h}中的每一个声速变化值与第3步得到声速门限β₁、β₂之间的关系，若满足条件“出现连续不小于4个深度上的声速变化值满足ΔC＞β₁或连续不小于4个深度上的声速变化值满足ΔC＜β₂”，则判断为“存在声速随深度突变的温跃层”，否则判断为“不存在温跃层”；

第5步：第4步中若判断为存在温跃层，则记录温跃层的深度，记为d_H和d_L，分别表示温跃层的上下边界，即满足上述判断条件ΔC＞β₁或ΔC＜β₂的最小深度值和最大深度值；

步骤四：根据步骤三的判断结果，选择遥控信号的发射深度，具体如下：

若判断为“不存在温跃层”，则结合测量声速过程中记录的最大深度h选择N-1个深度，其中N＝4或8，深度分别等于：其中k＝1,2,…,N-1；

若判断为“存在声速随深度突变的温跃层”，则避开温跃层，分别在[0d_H]和[d_Lh]的深度范围内各选择N-1个深度，其中N＝4，深度分别等于：和其中k＝1,2,…,N-1；

步骤五：根据步骤四确定的发射深度，综合控制器控制浮力调节装置调节主浮体由深至浅依次定深悬浮在每一个发射深度，并启动编码器产生遥控指令信号，经功率放大器放大后通过发射换能器发射；

步骤六：判断所有发射深度是否均发射完成，如果是，则结束；如果不是，则返回步骤五。