CN109733574A - 一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，属于海洋环境检测设备领域。本发明解决了现有海洋环境检测系统设备规模大，或者系统工作深度和位置固定，无法大范围获取不同海洋深度的海洋环境噪声在垂直维以及水平维信息的问题。本发明的四个深水声压水听器分别设置在于水下滑翔机的两个机翼的翼尖、首部导流罩前端和尾翼的翼尖上；设置在水下滑翔机的两个机翼尖上的两个深水声压水听器用于获取水下滑翔机水平维度的声学信息；设置在水下滑翔机的首部导流罩前端和尾翼翼尖上的两个深水声压水听器用于获取水下滑翔机垂直维度的声学信息；声压水听器将采集的声学信息均发送至自容式数字采集存储单元。本发明适用于深水声学信息采集使用。
Description
技术领域
本发明属于海洋环境检测设备领域。
背景技术
基于水听器的海洋环境检测系统具有工作性能稳定，信号采集便利，成本低廉等优点，在海洋环境噪声观测和水下目标探测识别等方面有很大的发展空间。但传统的基于水听器的海洋环境检测系统例如声学潜标系统以及岸基声学观测系统等，或者设备规模大，或者系统工作深度和位置固定，无法大范围获取不同海洋深度的海洋环境噪声在垂直维以及水平维信息。并且随着技术的发展，水下设备的隐身性能越来越好，特征信号越来越弱，导致工作深度和位置固定的海洋环境检测系统对于水下目标的探测越来越难。
发明内容
本发明是为了解决现有设备规模大，或者系统工作深度和位置固定，无法大范围获取不同海洋深度的海洋环境噪声在垂直维以及水平维信息的问题，提出了一种基于水下滑翔机的4元立体阵自容式声学系统。
本发明所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，该声学信息检测系统包括四个深水声压水听器2和自容式数字采集存储单元；
所述四个深水声压水听器2分别设置在于水下滑翔机的两个机翼6的翼尖、首部导流罩5前端和尾翼10的翼尖上；
设置在水下滑翔机的两个机翼尖上的两个深水声压水听器2用于获取水下滑翔机水平维度的声学信息；
设置在水下滑翔机的首部导流罩前端和尾翼翼尖上的两个深水声压水听器2用于获取水下滑翔机垂直维度的声学信息；
四个深水声压水听器2将采集的声学信息均发送至自容式数字采集存储单元；
自容式数字采集存储单元用于对四个深水声压水听器2采集的水下声学信息进行定时或连续接收，同时对接收的水下声学信息进行时间同步，并对时间同步后的数据进行数据存储。
进一步地，自容式数字采集存储单元还用于接收水下滑翔机的主控单元7的授时信号与重新上电控制信号，进行重新初始化。
进一步地，还包括滤波放大单元11；
滤波放大单元11用于接收四个深水声压水听器2采集的声学信息，对声学信息进行滤波放大后发送至自容式数字采集存储单元。
进一步地，自容式数字采集存储单元包括数字采集存储单元3和供电单元12；
供电单元12用于为数字采集存储单元3供电；
数字采集存储单元3包括数据采集模块301、时钟源模块302高精度时钟源302、中央处理器模块304、数据存储模块305和供电单元306；
数据采集模块301用于接收滤波放大单元11发送的声学信息，对声学信息进行模数转换，并将转换后的数字声学信息发送至中央处理器模块304；
时钟源模块302用于为中央处理器模块304提供钟源信号；
中央处理器模块304用于根据时钟源模块302发送的时钟源信号，定时或连续接收数据采集模块301发送的数字声学信息，对接收的数字声学信息进行时间标记；将进行时间标记后的数字声学信息发送至数据存储模块305进行存储。
进一步地，数字采集存储单元3还包括通信接口303，所述通信接口303用于提供读取数据存储模块305内水下声学信息的端口。
进一步地，自容式数字采集存储单元设置在水下滑翔机壳体内。
进一步地，供电单元12还用于为四个深水声压水听器2和滤波放大单元11供电。
本发明本以水下滑翔机为工作平台，集成4个深水声压接收水听器，组成4元立体声压水听器阵，实现一定海域和海深的剖面运动，既可以获取深度剖面的海洋环境噪声信息，又可以获取水平剖面的海洋环境噪声信息。所集成4个深水声压接收水听器，两个水听器分别固定在两个机翼的翼尖位置，达到最大二元声学基阵水平孔径，用以获取水平维声学信息；首部导流罩前端及尾翼翼尖各固定一个水听器，达到最大二元声学基阵垂直孔径，用以获取垂直维声学信息。该声学系统具有定时采集和连续采集功能，采集时间与格林威治时间同步，并将采集到的数据自容式存储。利用水下滑翔机上的北斗终端与GPS进行通信为系统提供1PPS秒脉冲，水下滑翔机每完成一次剖面运动浮出水面后，北斗终端所提供的1PPS秒脉冲都会对系统进行高精度授时，定时采集并实现数据采集的同步，并可扩展为分布式水下滑翔机探测系统应用。当水下滑翔机在水下进行剖面运动时，系统内部集成的高精度时钟可以完成水下信息采集的高精度守时。
附图说明
图1是水下滑翔机的自容式声学系统安装结构示意图；
图2是水下滑翔机做剖面运动示意图；
图3是基于水下滑翔机的自容式声学系统的控制原理框图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，该声学系统包括四个深水声压水听器2和自容式数字采集存储单元；
所述四个深水声压水听器2分别设置在于水下滑翔机的两个机翼6的翼尖、首部导流罩5前端和尾翼10的翼尖上；
设置在水下滑翔机的两个机翼尖上的两个深水声压水听器2用于获取水下滑翔机水平维度的声学信息；
设置在水下滑翔机的首部导流罩前端和尾翼翼尖上的两个深水声压水听器2用于获取水下滑翔机垂直维度的声学信息；
四个深水声压水听器2将采集的声学信息均发送至自容式数字采集存储单元；
自容式数字采集存储单元用于对四个深水声压水听器2采集的水下声学信息进行定时或连续接收，同时对接收的水下声学信息进行时间同步，并对时间同步后的数据进行数据存储。
具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统作进一步说明，自容式数字采集存储单元还用于接收主控单元7的授时信号与重新上电控制信号，进行重新初始化。
具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统作进一步说明，还包括滤波放大单元11；
滤波放大单元11用于接收四个深水声压水听器2采集的声学信息模拟信号，对声学信息模拟信号进行滤波放大后发送至自容式数字采集存储单元；
具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统作进一步说明，自容式数字采集存储单元包括数字采集存储单元3和供电单元12；
供电单元12用于为数字采集存储单元3供电；
数字采集存储单元3包括数据采集模块301、时钟源模块302高精度时钟源302、中央处理器304、数据存储模块305和供电单元306；
数据采集模块301用于接收滤波放大单元11发送的模拟声学信息，对模拟声学信息进行模数转换，并将转换后的数字声学信息发送至中央处理器模块304；
时钟源模块302用于为中央处理器模块304提供钟源信号；
中央处理器模块304用于根据时钟源模块302发送的时钟源信号，定时或连续接收数据采集模块301发送的数字声学信息，对接收的数字声学信息进行时间标记；将进行时间标记后的数字声学信息发送至数据存储模块305进行存储。
具体实施方式五：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统作进一步说明，数字采集存储单元3还包括通信接口303，所述通信接口303用于提供读取数据存储模块305内水下声学信息的端口。
具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统作进一步说明，自容式数字采集存储单元设置在水下滑翔机壳体内。
具体实施方式七：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统作进一步说明，供电单元12还用于为四个深水声压水听器2和滤波放大单元11供电。
本发明基于水下滑翔机机体、主控单元7和甲板控制单元4实现。
所述水下滑翔机机体平台主要包括：首部导流罩5、机翼6、主控单元7、通信天线8、GPS或北斗终端和尾翼10。
所述4元立体声压水听器阵为4个水听器(2)组成，分别为：A深水声压接收水听器、B深水声压接收水听器、C深水声压接收水听器、D深水声压接收水听器。
所述A深水声压接收水听器和D深水声压接收水听器分别固定在首部导流罩5前端和尾翼10的翼尖，达到最大二元声学基阵垂直孔径，用以获取垂直维声学信息；
B深水声压接收水听器和C深水声压接收水听器分别固定在左右机翼6翼尖位置，达到最大二元声学基阵水平孔径，用以获取水平维声学信息。
所述主控单元7、GPS或北斗终端以及自容式数据采集存储器均固定在水下滑翔机机体1的内部，通信天线8固定在尾翼10中心位置。
所述甲板控制单元4可以通过无线与主控单元4进行通信，进而通过主控单元7控制水下滑翔机供电单元12的供电、控制GPS或北斗终端的通信，控制水下滑翔机的航行姿态等工作状态。
所述GPS或北斗终端为自容式声学系统提供1PPS秒脉冲信号，水下滑翔机每完成一次剖面运动浮出水面后，甲板控制单4元通过通信天线8与主控单元7进行无线通信，GPS或北斗终端所提供的1PPS秒脉冲对系统进行高精度授时，定时采集并实现数据采集的同步，采集时间与格林威治时间同步。同时可根据需求重新调整水下滑翔机的水下航行姿态的各项参数，并可扩展为分布式水下滑翔机探测系统应用。控制完成后，水下滑翔机开始进行水下自主航行，当水下滑翔机在水下进行剖面运动时，系统内部集成的高精度时钟可以完成水下信息采集的高精度守时。
主控单元4为自容式数据采集存储器实时提供罗经信息、GPS或北斗信息、温度及深度等信息，滤波放大单元11将4元立体声压水听器阵获取的四路声压信号进行滤波放大，数字采集存储单元对滤波放大单元11的输出信号进行同步采集并自容式存储。
图2给出了水下滑翔机做剖面运动的示意图。当水下滑翔机机体1顺利布放后，或每一个剖面运动结束后，水下滑翔机漂浮于海面并露出尾部通信天线8，甲板控制单元4通过无线控制主控单元7，进而控制供电单元为系统上电，控制GPS或北斗终端接收卫星信号并提供1PPS秒脉冲信号，所提供的1PPS秒脉冲对自容式数据采集存储器3进行高精度授时，定时采集并实现数据采集的同步，采集时间与格林威治时间同步。同时可控制调整水下滑翔机在水下做剖面运动的深度、航速、俯仰角等各项姿态参数。控制完成后，水下滑翔机开始进行水下自主航行，当水下滑翔机在水下进行剖面运动时，系统内部集成的高精度时钟可以完成水下信息采集的高精度守时。当滑翔机下潜至预设深度时，通过控制调整滑翔机的姿态，使滑翔机开始按照预设的航速及俯仰角开始上浮航行；当滑翔机航行至浮出水面并露出尾部通信天线8时完成一个剖面运动，当完成数据采集水下滑翔机再次浮于水面时，进行水下滑翔机的回收，并回收到科考船的甲板上。
水下滑翔机在水下做剖面运动的过程中，分别固定在两个机翼6翼尖位置的B深水声压接收水听器12和C深水声压接收水听器13，获取剖面运动水平大范围L的水平维声学信息；分别固定在首部导流罩5前端和尾翼10翼尖位置的A深水声压接收水听器11和D深水声压接收水听器14，获取剖面运动垂直深度H范围的垂直维声学信息。当实验结束水下滑翔机顺利回收后，根据该声学系统所获取的海洋声场信息，可以在频谱上实现海洋声场在水平维的相关性以及垂直维的相关性。
图3给出了声学数据记录仪整体工作框图。4元立体声压水听器阵2将采集到的声学信号输出给信号接收单元，对采集到的信号进行滤波和放大处理，接下来信号接收单元将处理过的信号输出给数字采集存储单元，经由模数转换芯片进行模数转换为数字信号，经过中央处理芯片进行数据处理后进入到数据存储模块，并将数据自容式存储于存储介质中。同时，由主控单元7，所提供的罗经信息、GPS或北斗信息、温度及深度等信息可以经由通信接口通过隔离串口存储于存储介质中。
本发明的使用方法：
A、科考船载着装备抵达布放海域，并组装4元立体声压水听器阵于水下滑翔机机体上，并在甲板上进行布放前测试。
B、各项指标测试正常后，对水下滑翔机做好保护，并在布放海域进行布放，水下滑翔机漂浮于海面，尾部通信天线暴露于空气中，布放完成，甲板控制单元开始与水下滑翔机进行无线通信。
C、甲板控制单元控制GPS或北斗终端接收卫星信号，控制主控单元设置各项参数，控制自容式数据采集存储器进行上电，数据采集存储器接收到GPS或北斗终端提供的1PPS秒脉冲信号后开始采集数据，采集时间与格林威治时间同步，并将采集到的数据自容式存储在存储介质中。
D、甲板控制单元收到信号采集正常的反馈，控制水下滑翔机开始进行水下剖面运动，获取不同深度和位置的海洋环境噪声在垂直维、水平维信息。
E、每一个剖面运动结束后，水下滑翔机浮出水面露出通信天线，甲板控制单元可以控制自容式数据采集存储器重新上电，接收GPS或北斗终端提供的1PPS秒脉冲后进行数据采集的再同步。连续运行多个剖面运动采集到足够多的数据量后，当水下滑翔机再次浮于水面时，进行水下滑翔机的回收，并回收到科考船的甲板上。
F、将采集到的数据导出到PC机上进行存储。
G、对所采集到的数据进行数据处理，实验结束。
本发明的优点：
该声学系统用于获取海洋声场信息，以水下滑翔机为工作平台，实现一定海域和海深的剖面运动。
该声学系统在水下做剖面运动时，固定在水下滑翔机两个机翼翼尖的两个深水声压水听器可以获取大范围水平维的声学信息，固定在首部导流罩前端及尾翼翼尖上的两个深水声压水听器可以获取垂直维的声学信息。
该声学系统具有高精度授时和守时功能，采用4元立体声压水听器阵获取声学信息，能够同步采集声学信息，采集时间与格林威治时间同步，采集到的数据自容式存储于存储介质中。
该声学系统具有出水再同步的自修正功能，每完成一个剖面运动浮出水面时，可更改命令，根据需求调整各项参数。
根据该声学系统所获取的海洋声场信息，可以在频谱上实现海洋声场在水平维的相关性以及垂直维的相关性。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，该声学信息检测系统包括四个深水声压水听器(2)和自容式数字采集存储单元；
所述四个深水声压水听器(2)分别设置在于水下滑翔机的两个机翼(6)的翼尖、首部导流罩(5)前端和尾翼(10)的翼尖上；
设置在水下滑翔机的两个机翼尖上的两个深水声压水听器(2)用于获取水下滑翔机水平维度的声学信息；
设置在水下滑翔机的首部导流罩前端和尾翼翼尖上的两个深水声压水听器(2)用于获取水下滑翔机垂直维度的声学信息；
四个深水声压水听器(2)将采集的声学信息均发送至自容式数字采集存储单元；
自容式数字采集存储单元用于对四个深水声压水听器(2)采集的水下声学信息进行定时或连续接收，同时对接收的水下声学信息进行时间同步，并对时间同步后的数据进行数据存储。
2.根据权利要求1所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，自容式数字采集存储单元还用于接收水下滑翔机的主控单元(7)的授时信号与重新上电控制信号，进行重新初始化。
3.根据权利要求1所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，自容式数字采集存储单元包括数字采集存储单元(3)和供电单元(12)；
供电单元(12)用于为数字采集存储单元(3)供电；
数字采集存储单元(3)包括数据采集模块(301)、时钟源模块(302)、中央处理器模块(304)和数据存储模块(305)；
数据采集模块(301)用于接收四个深水声压水听器(2)发送的声学信息，对声学信息进行模数转换，并将转换后的数字声学信息发送至中央处理器模块(304)；
时钟源模块(302)用于为中央处理器模块(304)提供时钟源信号；
中央处理器模块(304)用于根据时钟源模块(302)发送的时钟源信号，定时或连续接收数据采集模块(301)发送的数字声学信息，对接收的数字声学信息进行时间标记；将进行时间标记后的数字声学信息发送至数据存储模块(305)进行存储；
数据存储模块(305)用于接收中央处理器模块(304)发送的标记时间后的数字声学信息，并对接收到的标记时间后的数字声学信息进行存储。
4.根据权利要求3所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，自容式数字采集存储单元还包括滤波放大单元(11)；
滤波放大单元(11)用于接收四个深水声压水听器(2)采集的声学信息，对声学信息进行滤波放大后发送至数字采集存储单元(3)。
5.根据权利要求1所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，数字采集存储单元(3)还包括通信接口(303)，所述通信接口(303)用于提供读取数据存储模块(305)内水下声学信息的端口。
6.根据权利要求1所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，自容式数字采集存储单元设置在水下滑翔机壳体内。
7.根据权利要求1所述一种基于水下滑翔机的自容式声学信息检测系统，其特征在于，供电单元(12)还用于为四个深水声压水听器(2)和滤波放大单元(11)供电。
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