CN108267717A - 一种水声信标搜寻定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种水声信标搜寻定位方法及系统，属于水下目标搜寻与定位技术领域。该方法通过由母船按一定速度拖行一个拖曳系统来实现，其特征在于搜寻作业船利用抗拉拖缆在船尾拖曳一个水下拖体，以一定速度持续航行作业，拖体内部安装固态直线阵对水声信标信号进行测向定位，测向定位数据通过所述抗拉拖缆传输到搜寻作业船上的计算机，计算机的软件显示界面观察是否存在声信标信号，当搜寻到声信标信号后，将直线阵测向方位和船上卫星定位设备输出坐标进行解算，进行待搜寻声信标的定位。本发明的效果和益处是利用该方法能够实现对水声信标进行快速大范围的搜寻作业，搜寻效率高，能够迅速搜寻和定位海底水声信标，为及时打捞赢得宝贵时间，该方法通过调整拖体在水中的布放深度进行探测，不仅适用于浅海，还可应用于深海。

Description

一种水声信标搜寻定位方法及系统
技术领域
本发明属于水下目标搜寻与定位技术领域，涉及到一种针对水声信标信号的搜寻定位方法及系统，特别涉及一种采用舰船拖曳式系统进行水声信标搜寻定位的方法。
背景技术
随着我国维护海洋权益和开发利用海洋资源的行动相应发展，船舶、飞机、人员以及海底作业设备在海上活动的数量、密度不断加大，发生事故、险情以及应急打捞的概率随之增加。我国的大部分飞机黑匣子、飞行员、重要海上测试设备等现均已配备和计划配备了水声信标。
目前，针对水声信标信号的配套搜寻定位均利用船载固定式搜寻定位系统、潜水员手持便携式搜寻定位设备或者AUV载引导定位系统来实现，如大连海事大学公开的发明专利《一种落水危险品集装箱测距方法与测距系统》(专利号201610078539.8)，大连测控技术研究所公开的实用新型专利《一种多频率水声信标远距离快速探测系统》(专利号201520482948.5)。这些方法均属于船载固定式系统探测，只能定点探测、逐步靠近，共同缺点是不能够进行大范围的高效率搜寻，只适用于在小作业区域内进行精确定位。而大范围的快速搜寻恰恰是事故发生后最首要的一个环节，以马航MH370失联事件为例，失事海域水深平均在4500米左右，区域范围跨度3000海里，现有方法的搜寻效率均不能满足快速大范围搜寻作业需求。所以急需一种能够实现水声信标信号的快速大范围搜寻的方法，为后续精确定位缩小作业区域，为及时打捞赢得宝贵时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用舰船拖曳式系统进行水声信标搜寻定位的方法。该方法通过由母船按一定速度拖行一个拖曳系统来实现，利用该方法能够实现水声信标信号的快速大范围搜寻定位。
本发明的技术方案是搜寻作业船利用抗拉拖缆在船尾拖曳一个水下拖体，以一定速度持续航行作业，拖体内部安装直线阵对水声信标信号进行测向定位，测向定位数据通过所述抗拉拖缆传输到搜寻作业船上的计算机。具体步骤如下：
(1)依据待搜寻水声信标的频率，制作两条以半波长为阵元间距的固态直线阵，分别为左舷直线阵和右舷直线阵，每条阵的阵元个数大于2个；
(2)制作能够在水下拖行的流线型拖体，所述拖体内部至少应安装拖体状态传感器、所述两个固态直线阵和电子舱，所述拖体状态传感器包括姿态传感器、深度计、高度计、温盐仪，所述两个固态直线阵分别安装在拖体左右舷侧，所述拖体内部所有部件能承受水深压力；
(3)所述电子舱内放置能够采集处理所述拖体状态传感器和固态直线阵的电路模块，具备电源调理、模拟通道采集、数字化、波束形成处理和通信功能；
(4)所述电子舱通过水密连接缆与所述拖体状态传感器、所述固态直线阵和抗拉拖缆相连；
(5)所述抗拉拖缆，可以是电缆或者配备光电转换接口的光缆，抗拉强度设计应大于搜寻作业船最大拖行拉力，所述抗拉拖缆的一端通过承力件和水密滑环与拖体之间连接，所述抗拉拖缆的另一端通过甲板滑环与搜寻作业船的甲板供电通信缆连接；
(6)所述搜寻作业船上，至少配置有绞车、计算机和船上卫星定位设备、所述甲板滑环和所述甲板供电通信缆，所述甲板滑环安装在所述绞车上，所述计算机内配置与所述电路模块通信功能适配的通信模块和能够显示待搜寻声信标位置的显控软件，所述甲板供电通信缆连接所述计算机通信接口和搜寻作业船上的电源接口；
(7)所述搜寻作业船航行至待搜寻水声信标疑似海域，测量该海域海洋环境背景噪声，依据所述固体直线阵波束形成增益和电路模块信号检测阈值，利用被动声纳方程，计算出直线阵对水声信标的探测距离；
(8)开启所述搜寻作业船上所述电源接口的电源，依据作业海域深度和声速剖面，释放所述抗拉拖缆和所述拖体，直到拖体深度大于作业海域海水温度跃变层后，停止释放，开始搜寻，依据直线阵对水声信标的探测距离制定搜寻航线；
(9)通过所述计算机的软件显示界面观察是否存在声信标信号，当搜寻到声信标信号后，通过所述固态直线阵测向方位和所述船上卫星定位设备输出的坐标，解算探测到的声信标信号方向，改变所述搜寻作业船航向，再次解算探测到的声信标信号方向，得到交叉方向的声信标位置。
按照以上的步骤操作，即可完成水声信标的搜寻定位。
本发明的效果和益处是利用该方法能够实现对水声信标进行快速大范围的搜寻作业，搜寻效率高，能够迅速搜寻和定位海底水声信标，为及时打捞赢得宝贵时间，该方法通过调整拖体在水中的布放深度进行探测，不仅适用于浅海，还可应用于深海。
附图说明
附图1是拖体内部连接示意图。
附图2是拖体A-A剖面简单示意图。
附图3是水声信标搜寻定位方法原理图。
附图4是“弓”字形路线搜寻示意图
图1中：1固态直线阵；2拖体；3水听器；4电子舱；5姿态传感器；6高深计；7温盐仪；8水密连接缆。
图2中：1a左舷直线阵；1b右舷直线阵。
图3中：9抗拉拖缆；10承力件；11水密滑环；12甲板滑环；13甲板通信电缆；14搜寻作业船；15绞车；16计算机；17船上卫星定位设备。
图4中：18“弓”字形航行方向；19相邻航线之间距离。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图1、2、3、4详细叙述本发明的具体实施例。
在本实施例中，声速取1500m/s，选择频率为37.5kHz、声源级160dB的水声信标作为搜寻目标，海深1000m，目标疑似海域面积为1000平方公里，温度跃变层深度为200m，拖体最大布放深度设计为300m，搜寻作业船最大拖曳速度为10节，作业海域37.5kHz背景噪声为45dB，根据以上条件，具体实施如下：
(1)依据声速和待搜寻水声信标的频率，得到目标信号波长为4cm，制作两个阵元间距为2cm的固态直线阵1a和1b，阵元个数设计为8个；
(2)依据拖体布放深度设计拖体耐压应大于3MPa，制作能够在水下被拖行的流线型拖体2，所述拖体2内部安装拖体状态传感器、所述固态直线阵1、水听器3和电子舱4，所述固态直线阵1包括左舷直线阵1a、右舷直线阵1b，所述拖体状态传感器包括姿态传感器5、高深计6、温盐仪7，所述拖体2内部所有部件设计能承受3MPa静水压力；
(3)所述电子舱4内放置能够采集处理所述拖体状态传感器和固态直线阵1的电路模块，具备电源调理、模拟通道采集、数字化、波束形成处理和通信功能，信号检测阈值设定为12dB；
(4)所述电子舱4通过水密连接缆8与所述拖体状态传感器、所述固态直线阵1和抗拉拖缆9相连；
(5)所述抗拉拖缆9，采用以太网电缆，抗拉强度设计大于搜寻作业船10节速度航行时的最大拖行拉力，所述抗拉拖缆9的一端通过承力件10和水密滑环11与拖体2之间连接，所述抗拉拖缆9的另一端通过甲板滑环12与搜寻作业船的甲板供电通信缆13连接；
(6)所述搜寻作业船14上，配置绞车15、计算机16和船上卫星定位设备17、所述甲板滑环12和所述甲板供电通信缆13，所述甲板滑环12安装在所述绞车15上，所述计算机16内配置与所述电路模块通信功能适配的通信模块和能够显示待搜寻声信标位置的显控软件，所述甲板供电通信缆13连接所述计算机16的通信接口和搜寻作业船14上的电源接口；
(7)依据水声信标声源级160dB、作业海域海洋环境背景噪声45dB、8元直线阵波束形成增益9dB和信号检测阈值12dB，利用经典被动声纳方程与海洋传播衰减公式，计算出声信标最大探测距离为4km；
(8)所述搜寻作业船14航行至待搜寻水声信标疑似海域，开启船上所述电源接口电源，释放所述抗拉拖缆9和所述拖体2，搜寻作业船14以10节速度航行，直到拖体2深度到达300m时，停止释放，开始以“弓”字形航行方向18搜寻，相邻航线之间距离19应小于最大探测距离的两倍，本例中选择5km，则搜寻效率不低于80平方公里/小时；
(9)通过所述计算机16的软件显示界面观察是否存在声信标信号，当搜寻到声信标信号后，通过所述固态直线阵1给出的测向方位和所述北斗测向定位设备17输出的坐标，解算探测到的声信标信号方向，改变所述搜寻作业船航向，再次解算探测到的声信标信号方向，得到交叉方向的声信标位置。
按照以上的步骤操作，即可完成本例中水声信标的搜寻定位。

Claims (1)

1.一种水声信标搜寻定位方法及系统，搜寻作业船14利用抗拉拖缆9在船尾拖曳一个水下拖体2，以一定速度持续航行作业，拖体内部安装固态直线阵1对水声信标信号进行测向定位，测向定位数据通过所述抗拉拖缆9传输到搜寻作业船14上的计算机16，其特征在于，水下拖体2内部至少应安装固态直线阵1、电子舱4、姿态仪传感器5、高深计6和温盐仪7；所述搜寻作业船14上，至少配置有绞车15、计算机16和船上卫星定位设备17，所述计算机16内配置能够显示待搜寻声信标位置的显控软件，所述计算机16与水下拖体2之间由所述抗拉拖缆9连接；搜寻定位方法步骤为，S1：所述搜寻作业船14航行至待搜寻水声信标疑似海域，测量该海域海洋环境背景噪声，依据待搜寻声信标声源级和所述固态直线阵1的波束形成增益，利用被动声纳方程，计算所述固态直线阵对水声信标的探测距离；S2：开启水下拖体2内部部件的电源，释放所述抗拉拖缆9和所述水下拖体2，开始搜寻，依据所述固态直线阵1对水声信标的探测距离制定搜寻航线；S3：通过所述计算机16的软件显示界面观察是否存在声信标信号，当搜寻到声信标信号后，将所述固态直线阵1测向方位和所述船上卫星定位设备17输出的坐标进行坐标变换，解算待搜寻声信标方向；S4：改变所述搜寻作业船14的航向，再次解算得到待搜寻声信标方向，两个方向交叉形成待搜寻声信标的定位区域。
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