CN104149939B - 一种声学定位式自浮沉剖面浮标装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声学定位式自浮沉剖面浮标装置，浮标体两侧设置侧翼，浮标内设置陀螺仪和声学换能器，声学换能器接受来自海底设定声源的声信号，通过陀螺仪获取运动姿态，并不断调整侧翼翼片角度，保持上浮和下沉的浮标与海底设定声源的水平距离固定，使自浮沉剖面浮标在一个较小的范围内反复上下运动，自浮沉剖面浮标上搭载的观测仪器即可借助这种上浮和下沉运动进行海洋环境要素剖面测量。本发明所涉及的声学定位式自浮沉剖面浮标装置只需投放一次，可长期准原位工作，所获取剖面数据能通过天线及时传回船只或地面接收端。

Description

一种声学定位式自浮沉剖面浮标装置

技术领域

本发明涉及海洋剖面浮标测量装置，特别是涉及一种由声信号改变运动轨迹的自浮沉海洋剖面浮标测量装置。

背景技术

海洋环境参数的剖面测量对于海洋学研究、海上科学调查、渔情评估和海上军事活动具有重要意义。进行海洋环境参数剖面测量一般有快速投弃式、船载下放式和固定传感器链式三种方式。投弃式和船载下放式所获取的数据垂向分布密集，可用于小尺度海洋分析，但使用时必须使用船只在待测海域反复作业，所需人员多、时间长，经费成本较高，而且无法获取长期连续的剖面资料。传感器链式方式由船只在待测海域布放传感器链，使用一个长链连接一系列的海洋传感器进行定点剖面连续观测。传感器链式方式只能布放有限个传感器，测量点垂向分布稀疏，剖面数据量小。

近年来，科学家开始研究使用浮标进行剖面观测，一种自持式剖面观测浮标已逐渐受到重视。这种浮标使用高压柱塞泵吸、排液体，引起自身排水量变化，产生上浮和下沉的动力。下降和上升运动的浮标携带的传感器进行剖面观测。

图1显示现有自持式剖面观测浮标的基本结构，圆柱体浮标主体结构的耐压壳体6下端装有液/气囊1，上端携带海洋环境测量传感器8和与卫星通讯的通讯天线9。耐压壳体6内部装有柱塞泵4，通过电路板5供电控制柱塞泵4运动，向液/气囊1推入或吸出液体。浮标在投放入海后通过结构体积变化实现浮力改变，形成下沉或上升运动。耐压壳体6内的下部设置电池组2，用于向柱塞泵4、电路板5和测量传感器8供电。柱塞泵4侧端装有压力传感器3，用于测量浮标在水下运动的实时压力，进而得到运动深度数据。测量传感器8和压力传感器3测得数据信号通过通讯天线9发送出去。自持式剖面观测浮标耐压壳体6的内部还装有气泵7，在浮标浮上水面停留时，向液/气囊1充入空气，形成更大的浮力，便于浮标保持姿态。

这种自持式剖面观测浮标开始工作后，不再受操作人员控制，自行随海浪和海流漂移，容易出现与船只碰撞受损或漂浮到岸边停止工作的情况，进而影响海洋环境剖面测量。

发明内容

针对现有自持式剖面观测浮自行随海浪和海流漂移、容易出现与船只碰撞受损或漂浮到岸边停止工作的情况，本发明推出了一种声学定位式自浮沉剖面浮标装置，浮标体两侧设置侧翼，浮标内设置陀螺仪和声学换能器，声学换能器接受来自海底设定声源的声信号，通过陀螺仪获取运动姿态，并不断调整翼片角度，保持上浮和下沉的浮标与海底设定声源的水平距离固定，使自浮沉剖面浮标在一个很小的范围内反复上下运动，避免自行随海浪和海流漂移

本发明涉及的声学定位式自浮沉剖面浮标装置的主体结构为圆柱体，圆柱壳体外部前端设置油囊、后端设置海洋传感器和通讯天线，圆柱壳体侧面设置声学换能器，圆柱壳体侧面轴对称设置一对侧翼。

声学换能器为被动式换能器，接受来自海底固定设置的海底声源声学信号，具有输入的用于辨识的声源声信号的特征参数和声源深度信号。

圆柱壳体内为密封舱，设置高压柱塞泵、步进电机、陀螺仪、压力传感器、控制电路板和电池组。电池组为高压柱塞泵、步进电机、陀螺仪和压力传感器供电。

高压柱塞泵、步进电机、陀螺仪、压力传感器、声学换能器分别与控制电路板连接。

圆柱壳体内设置两组步进电机，两组步进电机分别与圆柱壳体侧面设置的侧翼连接，控制侧翼旋转。

陀螺仪为三维陀螺仪，用于实时获取自浮沉剖面浮标姿态。

高压柱塞泵与圆柱壳体外部的油囊连接，可进行吸、排液体动作，改变自浮沉剖面浮标的排水量，使浮标上浮和下沉。

圆柱壳体外部设置测量传感器和通讯天线与圆柱壳体内的控制电路板连接。

本发明涉及的声学定位式自浮沉剖面浮标装置应用时，自浮沉剖面浮标投放入水后，开始接收海底声源发出的信号，待声通讯握手正常，信号稳定后，控制高压柱塞泵吸入油囊中的液体，剖面浮标体积变小、浮力降低，执行下沉动作；在下沉的过程中，通过压力传感器持续测量入水深度和与海底声源的距离，通过陀螺仪获取运动姿态，经简单换算出海底声源与剖面浮标连线相对水平面的夹角，调整自浮沉剖面浮标两侧的侧翼，使自浮沉剖面浮标向海底声源的方向运动。运动中不断调整翼片角度，保持运动的方向。待自浮沉剖面浮标触底后，控制高压柱塞泵向油囊注入液体，浮标浮力变大，开始上升。上升过程中，持续测量深度和海底声源的距离，采用下沉时的方法获得与海底声源的相对位置，随时调整侧翼翼片角度，控制运动姿态，使自浮沉剖面浮标在上升过程中与底声源在同一深度下保持距离最短。采用这样的方式，使自浮沉剖面浮标在一个很小的范围内反复上下运动。自浮沉剖面浮标上搭载的海洋环境要素观测仪器即可借助这种上浮和下沉运动进行剖面观测。自浮沉剖面浮标每次上浮到水面后，停留一段时间，使用通讯天线将本次下沉和上浮过程中浮标传感器获得的剖面数据传回接收端。

本发明所涉及的声学定位式自浮沉剖面浮标装置只需投放一次，可长期准原位工作，所获取剖面数据能通过天线及时传回船只或地面接收端，可根据需要灵活配置无线传输方式。

附图说明

图1是现有技术的自持式剖面观测浮标结构示意图；

图2是本发明的声学定位式自浮沉剖面浮标工作示意图；

图3是本发明的声学定位式自浮沉剖面浮标结构示意图。

图中标记说明：

1、液/气囊2、电池组

3、压力传感器4、柱塞泵

5、电路板6、耐压壳体

7、气泵8、传感器

9、通讯天线10、海底声源

11、油囊12、声学换能器

13、侧翼14、圆柱壳体

15、测量传感器16、通讯天线

17、电池组18、压力传感器

19、步进电机20、高压柱塞泵

21、陀螺仪22、控制电路板

具体实施方式

图2显示本发明的声学定位式自浮沉剖面浮标海下工作状况，图3显示本发明的声学定位式自浮沉剖面浮标的基本结构。

如图3所示，本发明涉及的声学定位式自浮沉剖面浮标装置的主体结构为圆柱体，圆柱壳体14外部前端设置油囊11、后端设置海洋测量传感器15和通讯天线16，圆柱壳体14侧面设置声学换能器12，圆柱壳体14侧面轴对称设置一对侧翼13。

圆柱壳体14内为密封舱，设置高压柱塞泵20、步进电机19、陀螺仪21、压力传感器18、控制电路板22和电池组17。电池组17是大容量电池组，为高压柱塞泵20、步进电机19、陀螺仪21和压力传感器18供电。

高压柱塞泵20、步进电机19、陀螺仪21、压力传感器18、声学换能器12分别与控制电路板22连接。

声学换能器12为被动式换能器，接受来自海底固定设置的海底声源10的声学信号。声学换能器12具有输入的用于辨识海底声源10的声信号特征参数和声源深度信号。

圆柱壳体14内设置两组步进电机19，两组步进电机19分别与圆柱壳体侧面设置的侧翼13连接，控制侧翼13旋转。

陀螺仪21为三维陀螺仪，用于实时获取自浮沉剖面浮标姿态。

高压柱塞泵20与圆柱壳体14外部的油囊11连接，可进行吸、排液体动作，改变自浮沉剖面浮标的排水量，使浮标上浮和下沉。

圆柱壳体14外部设置测量传感器15和通讯天线16与圆柱壳体14内的控制电路板22连接。

如图2所示，本发明所涉及的声学定位式自浮沉剖面浮标装置，投放海中入水后，油囊11缩小体积，浮标开始下降。声学换能器12在下降的过程中监测声信号，待收到海底设定声源10发出的信号后，计算与声源的距离R。所在海域的深度减去入水深度可以得到声学定位式自浮沉剖面浮标与海底的距离H，则R与水平面的夹角可通过简单换算得到，由此可以得到声学定位式自浮沉剖面浮标的运动角度。声学定位式自浮沉剖面浮标随即调整壳体14两侧的侧翼13，改变下降轨迹向声源10的方向移动。在下降的过程中，传感器15实时测量海洋环境参数。声学定位式自浮沉剖面浮标到达海底后，油囊11膨胀自身体积，声学定位式自浮沉剖面浮标浮力增大开始上升。在上升的过程中，传感器15实时测量海洋环境参数。到达海面后，通讯天线16将测量得到的数据传回数据接收端。

Claims (4)

1.一种声学定位式自浮沉剖面浮标装置，其特征在于：主体结构为圆柱体，圆柱壳体外部前端设置油囊、后端设置海洋传感器和通讯天线，通过调整所述油囊的体积来调整所述浮标装置在水中的升降；圆柱壳体侧面设置声学换能器，圆柱壳体侧面轴对称设置一对侧翼；声学换能器为被动式换能器，接受来自海底固定设置的海底声源声学信号，具有输入的用于辨识的声源声信号特征参数和声源深度信号；圆柱壳体内为密封舱，设置高压柱塞泵、步进电机、陀螺仪、压力传感器、控制电路板，高压柱塞泵、步进电机、陀螺仪、压力传感器、声学换能器分别与控制电路板连接；圆柱壳体内设置两组步进电机，两组步进电机分别与圆柱壳体侧面设置的侧翼连接；所述声学换能器接收所述海底声源发出的信号并计算所述浮标装置与所述海底声源的距离R，所述压力传感器测量所述浮标装置的入水深度，所述浮标装置所在海域的深度减去所述入水深度得到所述浮标装置与海底的距离H，进而得到所述浮标装置的运动角度，通过调整所述浮标装置两侧的侧翼，使所述浮标装置向所述海底声源的方向运动；所述海底声源布置于海底。

2.根据权利要求1所述的声学定位式自浮沉剖面浮标装置，其特征在于：所述陀螺仪为三维陀螺仪，用于实时获取自浮沉剖面浮标姿态。

3.根据权利要求1所述的声学定位式自浮沉剖面浮标装置，其特征在于：所述高压柱塞泵与圆柱壳体外部的油囊连接，可进行吸、排液体动作，改变自浮沉剖面浮标的排水量，使浮标上浮和下沉。

4.根据权利要求1所述的声学定位式自浮沉剖面浮标装置，其特征在于：所述圆柱壳体外部设置的测量传感器和通讯天线与圆柱壳体内的控制电路板连接。