CN109669186B - 一种水下航行体声磁联合测量系统及方法 - Google Patents

一种水下航行体声磁联合测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下航行体声磁联合测量系统及方法，能够测量水下航行体在不同工况下、不同距离、不同载荷下和不同深度下的声辐射噪声及磁感应强度的特性，同时能进行实时测量数据分析，整个测量过程简单而快捷，节省测量时间，提高测试工作效率，减少试验过程中的无效航次，减少试验支出。

Description

一种水下航行体声磁联合测量系统及方法
技术领域
本发明涉及水下航行体技术领域，具体涉及一种水下航行体声磁联合测量系统及方法。
背景技术
水下航行体的声防护、磁防护性能作为其隐身性能的基本要求，在某些特定行业是衡量其能否开展使命任务的重要指标，其中，声防护特性为水下航行体在水下的声辐射噪声，磁防护特性为一定距离下的磁感应强度，它们均与测量距离有关。
目前现有的声、磁测量设备，只能单独测量水下航行体的声辐射噪声或磁感应强度，而在水下航行体与测量设备之间的距离测量方面，主要通过在岸上建立测量站，需要人工利用激光测距仪测量水下航行体与测量设备之间的距离，利用经纬仪观察水下航行体的航行方位。现有的这种测量方法只能用于测量航行体在水面航行时的性能，而当被测航行体在水下航行时，现有的测距手段无法准确测量距离，导致测量的声、磁性能参数误差较大，同时，现有的测量设备不具备同时测量声、磁性能的功能，因此不能满足声、磁性能同时测量的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水下航行体声磁联合测量系统及方法，能够同时测量航行体在水面或水下航行时不同位置的声辐射噪声和磁感应强度，同时能进行实时测量数据分析，解决了测量成本高和测量误差大的问题。
本发明提供的一种水下航行体声磁联合测量系统，包括水下测量平台、水面信号处理分系统及声信标；
所述水下测量平台具有耐水压壳体，壳体的制作材料为无磁材料；布放于测量水域，通过水密光电复合缆与水面信号处理分系统连接；包括噪声测量模块、测磁模块、深度测量模块、水下光端机、测距电路及测距接收换能器；
所述水面信号处理分系统，包括控制单元、数据处理单元、显示单元、水面光端机及同步母钟；
所述声信标布放于待测航行体上，与所述测距电路、测距接收换能器及同步母钟共同组成距离测量模块；
所述噪声测量模块，包括水听器及测声电路，安装于水下测量平台外部的水听器通过水密电缆将噪声强度电信号传递给位于水下测量平台耐水压壳体内的测声电路，测声电路将接收到的信号转换成噪声强度数字信号通过水下光端机传递给水面信号处理分系统；
所述测磁模块，包括磁测量传感器及测磁电路，均位于水下测量平台的密封仪器舱内，磁测量传感器将磁感数据电信号传递给测磁电路，测磁电路将接收到的信号转换成三分量磁场强度数字信号并通过水下光端机传递给水面信号处理分系统；
所述深度测量模块水压传感器，安装于水下测量平台外部，水压传感器通过水密电缆将检测到的数据经过水下光端机发送到水面信号处理分系统计算水下测量平台的布放深度；
所述测距电路，通过测距接收换能器与安装于待测航行体上的声信标相互配合，测量出待测航行体与水下测量平台的距离，再将生成的距离数字信号通过水下光端机传递给水面信号处理分系统；
所述控制单元，用于实现对水下测量平台各测量模块的参数设置；
数据处理单元，通过水面光端机接收来自于水下测量平台的测量数据，即噪声强度、三分量磁场强度及距离，并根据接收的测量数据得到被测航行体噪声的声源辐射噪声及磁感应强度，被测航行体噪声强度与距离的对应变化关系，及磁感应强度与距离的变化关系；
显示单元，用于实时显示由数据处理单元得到的结果；
同步母钟，用于实现测距电路与声信标的时间同步。
进一步地，所述水下测量平台的外形为圆锥形，选用铜基材料设计加工。
进一步地，所述水听器(3)安装于所述水下测量平台外部顶端位置。
进一步地，所述测声电路(7)安装于所述水下测量平台底部。
本发明提供的水下航行体声磁联合测量方法，具体步骤如下：
步骤1、测量水域选择；
步骤2、测量当前水域的声速，把测得的声速输入到所述水下测量平台中；所述声信标、测距电路分别完成与所述同步母钟的对时；并将声信标安装于待测航行体上；
步骤3、将所述水下航行体声磁联合测量系统装入测量船，测量船行至步骤1中所确定的水域确定所述水下测量平台的布放区域，将所述水下测量平台放置于布放点；记录布放点的GPS坐标、计算所述水下测量平台的布放深度，并将该GPS坐标及布放深度发送给待测航行体，用于确定待测航行体的航线和航行深度；测量船驶离布放点同时释放光电复合电缆，在距离水下测量平台一定距离后抛锚泊船；
步骤4、所述水下航行体声磁联合测量系统上电检查工作状态，各部件工作正常且满足声场磁场测量要求后，进入测量状态；
步骤5、待测航行体根据设定的试验工况开始水下航行；
步骤6、所述水下测量平台开始周期性的测量待测航行体航行过程中的噪声强度、三分量磁场强度及距离，并将测量结果发送到所述水面信号处理分系统；
步骤7、所述水面信号处理分系统接收并存储来自于水下测量平台的测量数据，并根据接收到的测量数据，实时解算出待测航行体的磁感应强度，并根据距离数据选择待测航行体位于所述水下测量平台正上方的磁感应强度作为待测航行体磁感应强度的测量结果；根据接收到的噪声强度计算出待测航行体的声源辐射噪声；获得待测航行体的噪声强度及磁感应强度随距离的变化函数。
进一步地，所述步骤1中，选择泥沙底而且水底相对平坦的水域作为测量水域。
有益效果：
本发明采用磁场与声场同时测量的方法，能够测量水下航行体在不同工况下、不同距离、不同载荷下和不同深度下的声辐射噪声及磁感应强度的特性，整个测量过程简单而快捷，节省测量时间，提高测试工作效率，减少试验过程中的无效航次，减少试验支出。
附图说明
图1为本发明提供的水下航行体声磁联合测量系统组成图。
图2为本发明提供的水下航行体声磁联合测量系统外形示意图。
其中，1-布放吊环，2-测距接收换能器，3-水听器，4-磁测量传感器，5-测磁电路，6测距电路，7-测声电路，8-水下光端机，9-水下供电模块，10-电缆承力头，11-水压传感器，12-水密光电复合缆。
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。
本发明提供了一种水下航行体声磁联合测量系统及方法，其基本思想是：通过同时测量航行体在水面或水下航行时不同距离下的辐射噪声和磁感应强度，同时能进行实时测量数据分析，解决了测量成本高和测量误差大的问题。
本发明提供了一种水下航行体声磁联合测量系统，包括水下测量平台、水面信号处理分系统和声信标，如图1所示。其中，水下测量平台包括噪声测量模块、测磁模块、深度测量模块、水下供电模块、水下光端机、测距电路及测距接收换能器；水面信号处理分系统包括控制单元、数据处理单元、显示单元、水面供电模块、水面光端机及同步母钟；声信标安装于水下待测航行体上，与测距电路、测距接收换能器及同步母钟共同完成航行体与水下测量平台之间的距离测量。
水下测量平台具有耐水压壳体，其外形还需要满足较好的稳定性和抗流特性，且制作材料为无磁材料；耐水压壳体内部为密封仪器舱，用于安装各测量电路、水下光端机及电源模块；耐水压壳体底部配有配重底座，配重底座使得水下测量平台重量大于浮力，保证平台在水下沉底布放时的稳定性；耐水压壳体顶部安装布放吊环，用于水下测试平台的水下布放。本实施方式里提供的水下测量平台的耐水压壳体，如图2所示，外形为圆锥形，这种外形具有较高的稳定性和较强的抗流特性；选用铜基材料设计加工，以保证仪器舱无磁性，且增加了平台自身重量，有利于在水下沉底布放使用。
水下测量平台具体包括如下模块：
噪声测量模块，包括水听器3及测声电路7，用于测量水下航行体在一定距离上的声辐射噪声；
水听器3用于接收待测航行体辐射噪声的噪声信号，并将噪声信号转化为电信号，通过水密电缆将噪声强度电信号传递给测声电路7；水听器3安装于水下测量平台外部，最优为放置于水下测量平台外部顶端位置；
测声电路7用于接收来自于水听器3的声场强度电信号，完成对该信号的放大、数据采集等处理，并将最终生成的声场强度数字信号通过水下光端机8传递给水面信号处理分系统；测声电路7安装于水下测量平台的密封仪器舱内，最优为放置于水下测量平台底部。
测磁模块，包括磁测量传感器4及测磁电路5，用于测量水下航行体在一定深度、一定速度和一定距离上的磁感应强度；
磁测量传感器4用于感应待测航行体的磁场数据，并将磁场数据转化为电信号，通过电缆将磁场数据电信号传递给测磁电路5；磁测量传感器4安装于水下测量平台密封仪器舱内的万向架上；
测磁电路5用于接收来自于磁测量传感器4的磁场数据电信号，完成对该信号的放大、数据采集等处理，并将最终生成的三分量磁场强度数字信号通过水下光端机8传递给水面信号处理分系统；测磁电路5安装于水下测量平台水密的密封仪器舱内；
深度测量模块，为水压传感器11，用于监测水下测量平台的布放深度和实时深度，并将检测到的深度信息通过水密电缆传递给水下光端机，再通过光电复合电缆传递给水面信号处理分系统；深度测量模块安装在水下测量平台的水密壳体外部，通过水密电缆与水下光端机连接；
水下供电模块，通过光电复合缆与水面供电模块连接，水面供电模块为水下供电模块提供电源，水下供电模块将电流转换为直流电为各测量模块提供电源，采用直流电源供电能够减少电磁干扰；水下供电模块安装于水下测量平台密封仪器舱内下方；
水下光端机，用于将水下测量平台的测量数据转换为光信号，并通过光电复合缆传递给水面信号处理分系统；
测距电路6，通过测距接收换能器2与安装于待测航行体上的声信标相互配合，测量出待测航行体与水下测量平台的距离，并对距离信号进行放大、数据采集等处理，再将最终生成的距离数字信号通过水下光端机8传递给水面信号处理分系统；测距电路安装于水下测量平台密封仪器舱内，与测距接收换能器通过水密电缆连接；
测量过程中，声信标发射声信号，测距接收换能器2接收声信标发射的声信号，测距电路6根据接收到的来自于测距接收换能器2的信号及当前水域的声速计算出水下航行体与水下测量平台间的距离；
测距接收换能器，用于发送和接收来自于声信标声信号，以及接收来自于同步母钟的同步信号；鉴于测距接收换能器的尺寸和性能考虑，将测距接收换能器安装于水下测量平台的水密壳体外侧顶端，以保证其在较大角度内不被阻挡。
水面信号处理分系统具体包括如下单元：
控制单元，用于实现对水下测量平台各测量模块的参数设置；数据处理单元，通过水面光端机接收来自于水下测量平台的测量数据，即噪声强度、三分量磁场强度及距离，得到被测航行体噪声的声源级大小及磁感应强度，被测航行体噪声强度与距离的对应变化关系，及磁感应强度与距离的变化关系；显示单元，用于实时显示由数据处理单元解算出来的测量数据。
控制单元、数据处理单元、显示单元相互连接，并与水面光端机连接；
水面供电模块，用于为水面信号处理分系统及水下测量平台提供电源；
水面光端机，通过与水下光端机配合，实现水下测量平台与水面信号处理分系统的数据通信；
同步母钟，用于实现测距电路与声信标的时间同步。
本发明提供的水下航行体声磁联合测量方法，包括如下步骤：
步骤1、测量水域选择，一般选择泥沙底而且水底相对平坦的水域作为测量水域；
步骤2、用声速剖面仪测量当前水域的声速，把测得的声速输入到水面信号处理系统中，以备水下测距电路实现测距时需要使用；所述声信标、测距电路分别完成与所述同步母钟的对时，测距电路通过光电复合缆与同步母钟对时，声信标通过电缆与同步母钟对时；并将声信标安装于待测航行体上，声信标最好安装于待测航行体正下方，保证发射面不被遮挡；
步骤3、将水下航行体声磁联合测量系统装上测量船，布放于步骤1中所确定的水域，用GPS记录测量平台布放点的GPS坐标，包括位置坐标和布放深度，并将该GPS坐标信息发送给待测航行体，用于确定待测航行体的航线；布放完毕后，测量船慢慢驶离水下测量平台并同时释放光电复合电缆，根据GPS坐标，在距离水下测量平台一定距离后抛锚泊船；
步骤4、水下航行体声磁联合测量系统上电检查工作状态，各部件工作正常且满足声场磁场测量要求后，进入测量状态；
步骤5、待测航行体根据设定的试验工况开始水下航行；
步骤6、水下测量平台开始测量待测航行体航行过程中的噪声强度、三分量磁场强度及距离，并将测量结果发送到所述水面信号处理分系统；测距电路6根据接收到的来自于声信标的信号及当前水域的声速计算出待测航行体与水下测量平台间的距离；
步骤7、所述水面信号处理分系统接收并存储来自于水下测量平台的测量数据，并根据接收到的测量数据，实时解算出待测航行体的磁感应强度，并根据距离数据选择待测航行体位于所述水下测量平台正上方的磁感应强度作为待测航行体磁感应强度的测量结果；根据接收到的噪声强度计算出待测航行体的声源辐射噪声；获得待测航行体的噪声强度及磁感应强度随距离的变化函数；根据记录的测量信息和航行体航行的轨迹，进行后续的测量决策；
步骤8、测试完成后信号处理模块可根据要求对测量结果进行详细分析。
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 (6)

1.一种水下航行体声磁联合测量系统，其特征在于，包括水下测量平台、水面信号处理分系统及声信标；
所述水下测量平台具有耐水压壳体，壳体的制作材料为无磁材料；布放于测量水域，通过水密光电复合缆与水面信号处理分系统连接；包括噪声测量模块、测磁模块、深度测量模块、水下光端机、测距电路及测距接收换能器；
所述水面信号处理分系统，包括控制单元、数据处理单元、显示单元、水面光端机及同步母钟；
所述声信标布放于待测航行体上，与所述测距电路、测距接收换能器及同步母钟共同组成距离测量模块；
所述噪声测量模块，包括水听器（3）及测声电路（7），安装于水下测量平台外部的水听器（3）通过水密电缆将噪声强度电信号传递给位于水下测量平台耐水压壳体内的测声电路（7），测声电路（7）将接收到的信号转换成噪声强度数字信号通过水下光端机（8）传递给水面信号处理分系统；
所述测磁模块，包括磁测量传感器（4）及测磁电路（5），均位于水下测量平台的密封仪器舱内，磁测量传感器（4）将磁感数据电信号传递给测磁电路（5），测磁电路（5）将接收到的信号转换成三分量磁场强度数字信号并通过水下光端机（8）传递给水面信号处理分系统；
所述深度测量模块为水压传感器（11），安装于水下测量平台外部，水压传感器（11）通过水密电缆将检测到的数据经过水下光端机（8）发送到水面信号处理分系统计算水下测量平台的布放深度；
所述测距电路（6），通过测距接收换能器（2）与安装于待测航行体上的声信标相互配合，测量出待测航行体与水下测量平台的距离，再将生成的距离数字信号通过水下光端机（8）传递给水面信号处理分系统；
所述控制单元，用于实现对水下测量平台各测量模块的参数设置；
数据处理单元，通过水面光端机接收来自于水下测量平台的测量数据，即噪声强度、三分量磁场强度及距离，并根据接收的测量数据得到被测航行体噪声的声源辐射噪声及磁感应强度，被测航行体噪声强度与距离的对应变化关系，及磁感应强度与距离的变化关系；
显示单元，用于实时显示由数据处理单元得到的结果；
同步母钟，用于实现测距电路与声信标的时间同步。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下测量平台的外形为圆锥形，选用铜基材料设计加工。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水听器（3）安装于所述水下测量平台外部顶端位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测声电路（7）安装于所述水下测量平台底部。
5.采用权利要求1~4任意一项所述的水下航行体声磁联合测量系统的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、测量水域选择；
步骤2、测量当前水域的声速，把测得的声速输入到所述水下测量平台中；所述声信标、测距电路分别完成与所述同步母钟的对时；并将声信标安装于待测航行体上；
步骤3、将所述水下航行体声磁联合测量系统装入测量船，测量船行至步骤1中所确定的水域确定所述水下测量平台的布放区域，将所述水下测量平台放置于布放点；记录布放点的GPS坐标、计算所述水下测量平台的布放深度，并将该GPS坐标及布放深度发送给待测航行体，用于确定待测航行体的航线和航行深度；测量船驶离布放点同时释放光电复合电缆，在距离水下测量平台一定距离后抛锚泊船；
步骤4、所述水下航行体声磁联合测量系统上电检查工作状态，各部件工作正常且满足声场磁场测量要求后，进入测量状态；
步骤5、待测航行体根据设定的试验工况开始水下航行；
步骤6、所述水下测量平台开始周期性的测量待测航行体航行过程中的噪声强度、三分量磁场强度及距离，并将测量结果发送到所述水面信号处理分系统；
步骤7、所述水面信号处理分系统接收并存储来自于水下测量平台的测量数据，并根据接收到的测量数据，实时解算出待测航行体的磁感应强度，并根据距离数据选择待测航行体位于所述水下测量平台正上方的磁感应强度作为待测航行体磁感应强度的测量结果；根据接收到的噪声强度计算出待测航行体的声源辐射噪声；获得待测航行体的噪声强度及磁感应强度随距离的变化函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，选择泥沙底而且水底相对平坦的水域作为测量水域。
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