CN108759935A - 基于海流发电的分布式声学观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海流发电的分布式声学观测系统，系统的主浮体下端连接多芯电缆和承重钢缆，承重钢缆中间位置加浮球组，下端连接声学释放器，低端栓系重力锚，承重钢缆上通过紧固件分别卡接数据采集处理单元和海流能发电机。数据采集处理单元为多组，每组包括八台自容式单通道声学采集仪、一台自容式温深测量仪和一台自容式温盐深测量仪，用于海水温度、电导率、深度和海洋噪声等海洋要素测量。自容式单通道声学采集仪和海流能发电机分别由水密接插件同多芯电缆连接。本系统利用海流能发电给设备补给电能，采用水下微型采集器使每台测量仪器独立采集、处理及存储信息，从而实现可在水下长时间进行观测工作。

Description

基于海流发电的分布式声学观测系统

技术领域

本发明涉及海洋观测仪器，特别是涉及水下长期声信号采集的海洋仪器装置。

背景技术

众所周知，声波在水中传播衰减最小、传播性能最好，能够远距离有效传播，是目前水下目标观测及海洋环境噪声最主要的信息载体。随着人类对海洋研究和开发的增强，在浅海海域海洋声学观测向定点、长期、连续、多要素、多测层等要求推进。这使得海洋声学观测设备必须具备多测层、连续、长时间可靠的声学信号采集能力。以往的浅海区海洋声学观测设备一般采用潜标的方式，潜标采用集中式数据采集存储结构，系统中采集模块对各传感器采集信息进行统一处理，其数据互联复杂，可靠性差，对系统计算和通信资源要求也高。这些情况都导致潜标功耗较高，系统配备的锂电池电量消耗快，工作期间又无法对电池进行充电或更换。如需增加工作时间只能为系统配备大容量电池，这就加大了系统的体积和重量，导致系统适应性、通用性降低，不便于布放回收等。

随着海洋声学观测设备朝着多数据融合、长续航时间方向的发展，集中式系统结构及锂电池供电已不能彻底解决多数据融合和长续航时间的瓶颈，因此如何设计系统结构，就地取材在海洋中给设备供能是现在研究的重点。

发明内容

针对现有小型声学观测设备集中式数据采集、数据互联复杂，系统又无法长时间在水下工作的情况，本发明推出基于海流发电的分布式声学观测系统，利用海流能发电给设备补给电能，采用水下微型采集器使每台测量仪器独立采集、处理及存储信息，从而实现可长时间在水下工作的分布式声学观测系统。

本发明涉及的基于海流发电的分布式声学观测系统包括主浮体、信标机、多芯电缆、承重钢缆、数据采集处理单元、浮球组、海流能发电机、声学释放器和重力锚。主浮体连接在系统顶部，主浮体上固定有信标机，主浮体下端连接多芯电缆和承重钢缆，数据采集处理单元和海流能发电机分别通过紧固件卡接在承重钢缆上。承重钢缆上加浮球组，承重钢缆底端连接声学释放器，声学释放器下端栓系重力锚。

所述主浮体是系统的主要浮力部分，为系统提供集中浮力。主浮体采用流线型碳钢结构，与承重钢缆低端栓系的重力锚配合，以保证系统在水下和水面姿态，在回收过程中可带着设备上浮，以完成回收。

所述浮球组分不同层次串接在承重钢缆上，用于弥补主浮体的浮力不足，改善系统的水下姿态和工作性能，为系统提供足够的贮备浮力，保证测量仪器的正常工作，保证系统的布放回收。

所述信标机固定在主浮体上，信标机上设置压力开关。信标机随系统沉入水中，在水中时压力开关控制其关机，浮上水面后开机工作，用于回收过程中跟踪系统位置。

所述声学释放器通过转环连接在承重钢缆下端，声学释放器下部通过聚丙烯缓冲绳连接重力锚。聚丙烯缓冲绳用以缓冲重力锚在入水下沉和回收过程中产生的张力。声学释放器用于系统回收，接收水上甲板控制单元的释放信号后，控制电机释放部分执行脱钩工作，脱钩以后主浮体和浮球组带着设备上浮，完成回收。

所述数据采集处理单元为多组，每组数据采集处理单元包括八台自容式单通道声学采集仪、一台自容式温深测量仪和一台自容式温盐深测量仪，用于海水温度、电导率、深度和海洋噪声等海洋要素测量。根据项目要求确定数据采集处理单元组的数量和在钢缆上的位置，便于系统回收后数据采集处理单元的数据相互融合以获得算法处理的最佳效果。

所述自容式单通道声学采集仪用于海洋剖面噪声测量，由测量仪器舱和声学传感器组成。测量仪器舱包括A/D转换器、微控制器、采集存储模块、信号处理模块和电源模块。A/D转换器连接声学传感器和信号处理模块，信号处理模块后联接采集存储模块。微控制器通过数据总线与信号处理模块、采集存储模块联接。电源模块包含小容量可充电电池，通过电路板上电源线连接数据采集存储模块、信号处理模块和声学传感器，同时对电池电路进行监测，当电量不足时通过多芯电缆从海流能发电机处补充电能。自容式单通道声学采集仪的充电电池输入通过水密接插件连接到多芯电缆上，海流能发电机的储能电池输出通过水密接插件连接到多芯电缆上，通过多芯电缆可随时为每台采集仪补充电能，从而达到系统在水下长时间工作的目的。

所述自容式温深测量仪和自容式温盐深测量仪用于海洋环境中温盐剖面测量。自容式单通道声学采集仪、自容式温深测量仪和自容式温盐深测量仪采取卡接方式固定在承重钢缆上，可根据需要灵活调整位置。自容式温深测量仪和自容式温盐深测量仪内部均配有锂电池，供仪器自身使用，无需海流发电机充电。

所述海流能发电机由机械和电气两部分组成。机械部分包括轮毂、叶轮、主轴。电气部分包括密封器、发电机、转换机和储能电池。电气部分封装在机舱内，发电机前端同主轴连接，发电机后端连接转换机，转换机后端连接储能电池。将发电机、转换机和储能电池按顺利连接完成后，装入机舱内部，用密封器将机舱密封。机舱组装完成后将机舱提到支架上，调整好机舱的相对位置，安装联接螺栓。然后将叶轮送进轮毂，在叶轮上装好定位销，拧紧定位用的螺栓。叶轮和机舱对接完成后，将导流帽安装到轮毂上面。海流能发电机组装完成后，将底端的电能输出插座与系统多芯电缆低端的水密插头连接。

所述海流能发电机的机械部分采用水平轴式结构，其中，叶轮的旋转平面与海流方向垂直，叶轮围绕着水平轴旋转，这种设计叶轮旋转更易启动，而且旋转率更高，更加适应低流速的海流发电。工作时，叶轮在海流的冲击作用下带动主轴旋转产生机械能，然后机械能又被传送给发电机，经发电机发电获取电能，发电机输出连接转换机，转换机负责将发电机获取的不连续电能转换为稳定连续的电能存储在储能电池中。海流能发电机的储能电池输出通过机舱底端的水密接插件与多芯电缆连接，进而给自容式单通道声学采集仪提供电能。

本发明推出基于海流发电的分布式声学观测系统，利用海流能发电给设备补给电能，采用水下微型采集器使每台测量仪器独立采集、处理及存储信息，从而实现可长时间在水下工作的分布式声学观测系统。

附图说明

图1为基于海流发电的分布式声学观测系统结构示意图；

图2为图1中海流能发电机结构示意图。

图中标记说明：

1.信标机 2.主浮体

3.多芯电缆 4.承重钢缆

5.数据采集处理单元 6.海流能发电机

7.释放器 8.重力锚

9.导流帽 10.叶轮

11.轮毂 12.主轴

13.密封器 14.机舱

15.发电机 16.转换机

17.储能电池

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。图1显示基于海流发电的分布式声学观测系统的基本结构，图2显示图1中提及的海流能发电机的基本结构。

如图所示，基于海流发电的分布式声学观测系统由信标机1、主浮体2、多芯电缆3、承重钢缆4、数据采集处理单元5、海流能发电机6、声学释放器7和重力锚8构成。主浮体2连接在多芯电缆3和承重电缆4的顶部，上面安装信标机1。根据设计计算的浮力要求，浮球组每组浮球数量不等，分不同层次串接在承重钢缆4上，一般位置在数据处理单元5、海流能发电机6的上方。承重钢缆4底端通过转环连接释放器7，释放器7与重力锚8之间配置聚丙烯缓冲绳，减小锚下沉时对系统的瞬间冲击拉力。数据采集处理单元5根据设计需要采用不同间距竖直卡接在承重钢缆4上。

数据采集处理单元5为多组，每组数据采集处理单元包括八台自容式单通道声学采集仪、一台自容式温深测量仪和一台自容式温盐深测量仪，其中，自容式单通道声学采集仪供电水密插座与多芯电缆3连接。

自容式单通道声学采集仪由测量仪器舱和声学传感器组成，电子部分置于圆柱状结构的耐压水密测量仪器舱内，电子部分装入舱体，然后将声学传感器通过水密插座直接与舱体连接。接下来将测量仪器舱体安装到支架上，再通过支架上的固定螺母锁紧。舱体上的电源输入水密接头与多芯电缆3上的插座连接。

自容式温深测量仪在系统布放前用十字小螺丝刀将后端盖拧开，将调试数据线连接计算机的出口，打开数据处理及通讯软件，完成工作周期的设定、时间的校正和开始工作的时间等，然后仪器将按设置的开始工作时间和周期进行工作，软件的数据接收区会显示每一个周期发送过来的数据。设置完毕将数据线断开，接插头放进壳体内，拧紧后端盖。用锁定环将仪器卡紧，固定在承重钢缆4上，等待布放。

自容式温盐深测量仪在系统布放前将顶端盖的两个螺丝拧开，将端盖打开，取出电池筒，装入电池，再将电池筒装入仪器舱中，固定电池仓，连接仪器中的连接件，再连接计算机和仪器之间的电缆，运行配置软件，初始化仪器，设置采样间隔、盐度输出、启动时间等参数，然后执行指令进入休眠模式。设置完成将电缆线断开，接插头放进壳体内，安装密封端盖，用锁定环将仪器卡紧，固定在承重钢缆4上，等待布放。

海流能发电机由机械和电气两部分组成。机械部分包括导流帽9、轮毂11、叶轮10、主轴12。电气部分包括密封器13、发电机15、转换机16和储能电池17。电气部分封装在机舱14内，发电机15前端同主轴12连接，发电机15后端连接转换机16，转换机16后端连接储能电池17。将发电机、转换机和储能电池按顺利连接完成后，装入机舱14内部，用密封器13将机舱密封。然后将组装完成的机舱提到支架上，调整好机舱的相对位置，安装联接螺栓。然后将叶轮送进轮毂，在叶轮上装好定位销，拧紧定位用的螺栓。叶轮和机舱对接完成后，将导流帽安装到轮毂上面。海流能发电机组装完成后，将机舱底端的电能输出插座与系统多芯电缆的水密插头连接。

多芯电缆3旁用承重钢缆4加强，同时作为重力锚系缆，多芯电缆3设计时要略长于承重钢缆4，以保证在使用过程中，多芯电缆3不时刻处于绷紧状态，不易被扯断。

信标机1固定在主浮体2上面的预留支架内，拧紧螺钉固定。主浮体2下面用转环连接承重钢缆4和多芯电缆3。数据处理单元5均用紧固件卡接在承重钢缆上，仪器上水密插头与多芯电缆3连接。海流能发电机6组装完成后，在支架上固定好，将底部水密插座与多芯电缆3对应插头插牢拧紧。承重钢缆4底端通过转环连接释放器7，释放器7下端通过聚丙烯缓冲绳连接重力锚8。

系统布放时先将系统顶部的主浮体2投放入海，然后依次将多芯电缆3、承重钢缆4和仪器串接投放，已布放的系统漂浮在海面，直至最后连接海流能发电机和重力锚8投放入海，系统在重力锚8的拖动下下沉就位，同时记录GPS定位信息，以便回收时寻找和定位。

Claims (6)

1.一种基于海流发电的分布式声学观测系统，其特征在于：包括主浮体、信标机、多芯电缆、承重钢缆、数据采集处理单元、浮球组、海流能发电机、声学释放器和重力锚；主浮体连接在系统顶部，主浮体上固定有信标机，主浮体下端连接多芯电缆和承重钢缆，数据采集处理单元和海流能发电机分别通过紧固件卡接在承重钢缆上；承重钢缆底端连接声学释放器，声学释放器下端栓系重力锚；

所述数据采集处理单元为多组，每组数据采集处理单元包括八台自容式单通道声学采集仪、一台自容式温深测量仪和一台自容式温盐深测量仪，用于海水温度、电导率、深度和海洋噪声等海洋要素测量。

2.根据权利要求1所述的基于海流发电的分布式声学观测系统，其特征在于，所述自容式单通道声学采集仪用于海洋剖面噪声测量，由测量仪器舱和声学传感器组成；测量仪器舱包括A/D转换器、微控制器、采集存储模块、信号处理模块和电源模块，A/D转换器连接声学传感器和信号处理模块，信号处理模块后联接采集存储模块；微控制器通过数据总线与信号处理模块、采集存储模块联接；电源模块包含小容量可充电电池，通过电路板上电源线连接数据采集存储模块、信号处理模块和声学传感器，同时对电池电路进行监测，当电量不足时通过多芯电缆从海流能发电机处补充电能。

3.根据权利要求2所述的基于海流发电的分布式声学观测系统，其特征在于：所述的自容式单通道声学采集仪的充电电池输入通过水密接插件连接到多芯电缆上，海流能发电机的储能电池输出通过水密接插件连接到多芯电缆上，通过多芯电缆可随时为每台采集仪补充电能。

4.根据权利要求1所述的基于海流发电的分布式声学观测系统，其特征在于：所述的海流能发电机由机械和电气部分组成。机械部分包括轮毂、叶轮、主轴。电气部分包括密封器、发电机、转换机和储能电池。电气部分封装在机舱内，发电机前端同主轴连接，发电机后端连接转换机，转换机后端连接储能电池。机舱组装完成后将机舱提到支架上，调整好机舱的相对位置，安装联接螺栓。然后将叶轮送进轮毂，在叶轮上装好定位销，拧紧定位用的螺栓。叶轮和机舱对接完成后，将导流帽安装到轮毂上面。海流能发电机组装完成后，将底端的电能输出插座与系统多芯电缆低端的水密插头连接。

5.根据权利要求1所述的基于海流发电的分布式声学观测系统，其特征在于：所述的承重钢缆底端通过转环连接声学释放器，声学释放器下端通过聚丙烯缓冲绳连接重力锚。聚丙烯缓冲绳用以缓冲重力锚在入水下沉和回收过程中产生的张力。

6.根据权利要求1所述的基于海流发电的分布式声学观测系统，其特征在于，所述信标机固定在主浮体上，信标机上设置压力开关，信标机随系统沉入水中，在水中时压力开关控制其关机，浮上水面后开机工作，用于回收过程中跟踪系统位置。