CN107102297B - 一种无线海洋声场监听定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线海洋声场监听定位装置，包括太阳能电池板，旋转摄像头或单波束激光，北斗及通讯天线，控制器及蓄电池，海洋水听器，横向推进器，纵向推进器，上壳体，螺栓螺母套件，密封圈，下壳体，舵机。本装置能够长期静默免维护，通过船舶或其它设备投入海洋中某些区域，数量可布置较多，可24小在海域内静默监听并记录海水中声场数据。通过太阳能和海流能叶片发电，不需要后期维护。声场数据传到船基或者岸基服务器处理，低成本、大范围定位水中发声物体并判定物体类型。

Description

一种无线海洋声场监听定位装置
技术领域
本发明涉及海洋声学领域，特别是一种无线海洋声场监听定位装置。
背景技术
马航MH370飞机失事，在长达1个多月时间，多国船只介入寻找却一无所获，即使美国“金枪鱼”水下机器人也无济于事。主要失败原因在于：船只监听点位数量少。由于海洋面积广，船舶运动快，并且运动船只自身就有杂音，干扰了监听的声音，导致失败。目前现有的监听定位装置也比较多，主要缺点是：1、价格较昂贵，2、一般需要不定期维护，3、布置点数少，4、监听过程中有自身噪音干扰，5、监听范围较有限等。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种无线海洋声场监听定位装置。本装置能够长期静默免维护，通过船舶或其它设备投入海洋中某些区域，数量可布置较多，可24小在海域内静默监听并记录海水中声场数据。通过太阳能和海流能叶片发电，不需要后期维护。声场数据传到船基或者岸基服务器处理，低成本、大范围定位水中发声物体并判定物体类型。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种无线海洋声场监听定位装置，包括太阳能电池板，旋转摄像头或单波束激光，北斗及通讯天线，控制器及蓄电池，海洋水听器，横向推进器，纵向推进器，上壳体，螺栓螺母套件，密封圈，下壳体，舵机；所述上壳体和下壳体通过螺栓螺母套件法兰连接，中间通过密封圈密封；在上壳体顶部内安装有旋转摄像头或单波束激光，上壳体侧边外侧安装有北斗及通讯天线，通过塑料防水接头接到壳体内控制器及蓄电池的通讯模块上；在上下壳体法兰处安装有一块太阳能电池板；在下壳体中央安装有控制器及蓄电池，底部侧边安装有海洋水听器，海洋水听器连接到控制器及蓄电池上，下壳体中的舵机连接到壳体外下方的横向推进器，控制横向推进器的转动角度，横向推进器下方安装有控制整个装置沉浮的纵向推进器。
本发明解决了如下的技术问题：
1、能源问题，本装置采用太阳能电池板及利用海流推动旋转叶片发电，配备长寿命的蓄电池，供电给控制器工作通讯，确保设备具有无限的生命周期。
2、控制通讯定位问题，使用现存控制器及通讯组件实现监听定位装置与岸基及母船的信号双向传送。通讯信号包括设备GPS位置，监听到的水中声音采样数据，本装置定位信号等。
3、防碰及捕捞问题，本装置根据设备声音判定周围的异常情况，如有异常情况，会启动推进器下沉规避一定时间。
4、防腐蚀问题，本装置由于工作于海面，条件较恶劣，上壳体材料为透明的防老化塑料，下壳体采用玻璃钢或碳纤维等，壳体整体密封防水。
与现有技术相比，本发明所采用的技术方案优点是：
本发明是一种长期漂浮于海面的免维护的静默听音定位装置，此装置需要成组布置，至少4点，此装置依靠自然界太阳能与海流能发电，24小时不受干扰监听并记录水下的各种声场数据，程序定时发送到船基及岸基服务器处理。确定水中发声体的位置与深度类型等信息，本装置配备有北斗及通讯天线，能进行双向通讯及定位。
附图说明
图1是本发明无线海洋声场监听定位装置的结构示意图。
图2是本发明无线海洋声场监听定位装置主视图。
图3是本发明无线海洋声场监听定位装置在海洋中工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1和图2所示，一种无线海洋声场监听定位装置，包括太阳能电池板1，旋转摄像头或单波束激光2，北斗及通讯天线3，控制器及蓄电池4，海洋水听器5，横向推进器6，纵向推进器7，上壳体8，螺栓螺母套件9，密封圈10，下壳体11，舵机12；所述上壳体8和下壳体11通过螺栓螺母套件9法兰连接，中间通过密封圈10密封；在上壳体8顶部内安装有旋转摄像头或单波束激光2，上壳体8侧边外侧安装有北斗及通讯天线3，通过塑料防水接头接到壳体内控制器及蓄电池4的通讯模块上；在上下壳体法兰处安装有一块太阳能电池板1；在下壳体11中央安装有控制器及蓄电池4，底部侧边安装有海洋水听器5，海洋水听器5连接到控制器及蓄电池4上，下壳体11中的舵机12连接到壳体外下方的横向推进器6，控制横向推进器6的转动角度，横向推进器6下方安装有控制整个装置沉浮的纵向推进器7。
所述控制器及蓄电池4的控制器部分由单片机，数据处理DSP（如TI公司的16bit定点处理器TMS320VC5509A），采样器（可采用低功耗和高精度的AD7980），海洋水听器5接到采样器上。横向推进器6及竖直推进器7的螺旋叶片可在该装置被海流带动时，叶片转动反向发电。
如图3所示，本监听定位装置成组布置（大于等于4个），按一定距离漂浮在海面上，接收太阳能或海流能，控制器接收海洋水听器5的信号并记录声场数据，并经初步分析后，定时与岸基或船基接收站双向通讯数据。岸基或船基的服务器通过软件分析计算定位水中物体位置。
假设海面上4个监听定位装置定位海中发声物体，定位原理如下：
在海平面任意布置4个监听定位装置，通过北斗卫星定位，4个监听定位装置的坐标位置为：点1（x1,y1,z1），点2（x2,y2,z2），点3（x3,y3,z3），点4（x4,y4,z4）。设某时刻t0海中未知点（xa,ya,za）发出声音，则4个监听定位装置收到此声音的时刻t1,t2,t3,t4为已知。设定海洋中声音传播速度为常数C，则可得方程为：
(x1-xa)²+ (y1-ya)²+ (z1-za)²=[C*(t1-t0)]² （1）
(x2-xa)²+ (y2-ya)²+ (z2-za)²=[C*(t2-t0)]² （2）
(x3-xa)²+ (y3-ya)²+ (z3-za)²=[C*(t3-t0)]² （3）
(x4-xa)²+ (y4-ya)²+ (z4-za)²=[C*(t4-t0)]² （4）
上式中把海平面看成水平面，这样z1,z2,z3,z4在海平面上的值为0，如果发声体在海面下，则za的数值小于0，解该方程得：
2(x2-x1)xa+2(y2-y1)ya+x2²+y2²-x1²-y1²=C²(t2²-t1²)-2C²(t2-t1)t0 （5）
2(x3-x1)xa+2(y3-y1)ya+x3²+y3²-x1²-y1²=C²(t3²-t1²)-2C²(t3-t1)t0 （6）
2(x4-x1)xa+2(y4-y1)ya+x4²+y4²-x1²-y1²=C²(t3²-t1²)-2C²(t3-t1)t0 （7）
此方程组中未知数为（xa,ya,t0），可得唯一解。再将解得的（xa,ya,t0）及za<0代入方程（1）得到Za的值，到此发声体的坐标（xa,ya,za）得解。
本装置的工作过程如下，本监听定位装置系统有两种工作模式，即正常工作模式及异常工作模式：
正常工作模式任务：
监听定位装置与岸基母船可通过北斗卫星或者4G网络双向通讯，监听定位装置报告自己的位置信息及监听的声场信息，由监听内部程序控制。如果某监听定位装置离母船较近，母船可发指令观看监听定位装置顶部摄像头实时传输的自身周边的视频信息；监听定位装置不间断采集自身周围范围内的声场信息，并对信息进行存储，处理，初步判定是否为有价值的信号，再传递到岸基及母船中央处理器；如果完成监听任务，母船可发出返航指令，监听定位装置通过横向叶片主动向母船靠拢回收。或者不回收，转为长期监听模式。监听定位装置如果发现自身位置与原位置离开较多，可主动通过横向推进器6归位。
异常工作模式任务：
监听定位装置遇到不明情况时，控制器会做出判断，是移动避开，还是主动下沉隐藏。监听定位装置如果不幸被坏人打捞，监听自毁装置启动。监听定位装置如电力不够，会进入休眠等待太阳能或者海流充电。

Claims (1)

1.一种无线海洋声场监听定位装置，其特征在于，包括太阳能电池板(1)，旋转摄像头或单波束激光(2)，北斗及通讯天线(3)，控制器及蓄电池(4)，海洋水听器(5)，横向推进器(6)，纵向推进器(7)，上壳体(8)，螺栓螺母套件(9)，密封圈(10)，下壳体(11)，舵机(12)；所述上壳体(8)和下壳体(11)通过螺栓螺母套件(9)法兰连接，中间通过密封圈(10)密封；在上壳体(8)顶部内安装有旋转摄像头或单波束激光(2)，上壳体(8)侧边外侧安装有北斗及通讯天线(3)，通过塑料防水接头接到壳体内控制器及蓄电池(4)的通讯模块上；在上下壳体法兰处安装有一块太阳能电池板(1)；在下壳体(11)中央安装有控制器及蓄电池(4)，底部侧边安装有海洋水听器(5)，海洋水听器(5)连接到控制器及蓄电池(4)上，下壳体(11)中的舵机(12)连接到壳体外下方的横向推进器(6)，控制横向推进器(6)的转动角度，横向推进器(6)下方安装有控制整个装置沉浮的纵向推进器(7)；
在海平面任意布置4个监听定位装置，通过北斗卫星定位，4个监听定位装置的坐标位置为：点1(x1,y1,z1)，点2(x2,y2,z2)，点3(x3,y3,z3)，点4(x4,y4,z4)；设某时刻t0海中未知点(xa,ya,za)发出声音，则4个监听定位装置收到此声音的时刻t1,t2,t3,t4为已知；设定海洋中声音传播速度为常数C，则可得方程为：
(x1-xa)2+(y1-ya)2+(z1-za)2＝[C*(t1-t0)]2 (1)
(x2-xa)2+(y2-ya)2+(z2-za)2＝[C*(t2-t0)]2 (2)
(x3-xa)2+(y3-ya)2+(z3-za)2＝[C*(t3-t0)]2 (3)
(x4-xa)2+(y4-ya)2+(z4-za)2＝[C*(t4-t0)]2 (4)
上式中把海平面看成水平面，这样z1,z2,z3,z4在海平面上的值为0，如果发声体在海面下，则za的数值小于0，解该方程得：
2(x2-x1)xa+2(y2-y1)ya+x2 2+y2 2-x1 2-y1 2＝C2(t2 2-t1 2)-2C2(t2-t1)t0 (5)
2(x3-x1)xa+2(y3-y1)ya+x3 2+y3 2-x1 2-y1 2＝C2(t3 2-t1 2)-2C2(t3-t1)t0 (6)
2(x4-x1)xa+2(y4-y1)ya+x4 2+y4 2-x1 2-y1 2＝C2(t3 2-t1 2)-2C2(t3-t1)t0 (7)
此方程组中未知数为(xa,ya,t0)，可得唯一解；再将解得的(xa,ya,t0)及za<0代入方程(1)得到Za的值，到此发声体的坐标(xa,ya,za)得解；
所述无线海洋声场监听定位装置有两种工作模式，即正常工作模式及异常工作模式：
正常工作模式任务：
无线海洋声场监听定位装置与岸基母船可通过北斗卫星或者4G网络双向通讯，监听定位装置报告自己的位置信息及监听的声场信息，由监听内部程序控制；如果某监听定位装置离母船较近，母船可发指令观看监听定位装置顶部摄像头实时传输的自身周边的视频信息；监听定位装置不间断采集自身周围范围内的声场信息，并对信息进行存储，处理，初步判定是否为有价值的信号，再传递到岸基及母船中央处理器；如果完成监听任务，母船可发出返航指令，监听定位装置通过横向叶片主动向母船靠拢回收；或者不回收，转为长期监听模式；监听定位装置如果发现自身位置与原位置离开较多，可主动通过横向推进器6归位；
异常工作模式任务：
监听定位装置遇到不明情况时，控制器会做出判断，是移动避开，还是主动下沉隐藏；监听定位装置如果不幸被坏人打捞，监听自毁装置启动；监听定位装置如电力不够，会进入休眠等待太阳能或者海流充电。
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