CN110081963A - 一种机动式同振型矢量探测水声浮标 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种机动式同振型矢量探测水声浮标。包括浮标传感器部件和浮标电子仓部件，所述浮标传感器部件由同振式矢量水听器、匹配放大滤波模块、姿态传感器和频分复用模块连接构成，所述浮标电子仓部件由机械模块、感应控制模块、供电模块、无线发射模块和无线发射天线连接构成，所述机械模块包括传输电缆、牵引索和弹性导流囊体，浮标传感器部件与浮标电子仓部件之间通过牵引索连接并通过传输电缆通信，弹性导流囊体固定在牵引索上。本发明有效的提高了浮标独立工作能力以及续航能力，有效的保证了浮标在水下工作时的稳定性，有效的提高浮标在探测能力降低了单位面积所需浮标的密集度。

Description

一种机动式同振型矢量探测水声浮标

技术领域

本发明涉及的是一种水下探测装置，具体地说是一种水声浮标。

背景技术

二十一世纪是信息时代，高速发展的信息技术已在各个领域引导着世界的进程，尤其是海洋领域。声呐浮标自上世纪七十年代，可以说其在水下目标探测中扮演相当重要的角色。其具有很高的灵敏度，且坚固耐用，又价格低廉，极大的推动声呐浮标技术的发展。

人类社会发展到今天，海洋越来越引起人们的普遍关注。随着水下探测的要求越来越高，现代探测技术不断发展，许多国家已经设计出非常优秀的无线电声呐浮标，而且种类繁多，有的已经大批量生产使用了。我国也设计出许多能够探测目标方位的仪器，但是投放仪器太费力，回收成本太高。一般的声呐浮标设备都是花费巨资研发出来的，使用过程均为一次性消耗，若回收工程量较大。有时候刚研制出来的新型浮标由于浮标体积过大，易被渔民打捞走，这些都将是财产的巨大损失。声呐浮标最大的优点是成本低、体积小、投放方便，且摆脱了舰船自噪声的影响，能够获得优质的、较高信噪比的外场数据，有的低成本浮标可以考虑不回收，内置自爆功能。为了花费更低的成本获取更加精确的数据，且具有更好的探测性能，是当前声呐浮标设计中急需解决的课题。

矢量水听器作为一种新型矢量传感器，它一经问世就备受水声界科研工作者的高度重视。矢量水听器的最初应用可以追溯到二十世纪七八十年代，美国、俄罗斯等国家投入大量精力对矢量水听器工程制作和应用技术惊醒研究。国内矢量水听器方面研究工作开始于1997年，哈尔滨工程大学在国内首次系统地开展了矢量水听器专题研究，并于1998年矢量水听器在哈尔滨工程大学研制成功，改变了我国长期以来依靠标量声压水听器获取声信号的状况，为提升声呐技术指标开辟了新的途径。随着水声科技的不断进步，微小化的高可靠性和高灵敏度的矢量水听器已在水声各领域中得到广泛应用。矢量水听器可以空间共点同步拾取声场中一点处的声压和质点振速的三个正交分量，利用获取的多路信息可在空间对声源进行无模糊定向，等同于四元声压阵声呐系统的性能。与传统的声压水听器相比，能够获得更多更精准的声场信息，在空投浮标内部放置这样一款微小化的矢量水听器即可准确定位。同时它也可以应用于水声信号检测、海洋环境参数变化监测、海洋资源探测、海洋GPS定位系统、海上风暴预警等多种领域，可以说声呐浮标在国防建设方面具有很大的潜力，同时也是能够使国民经济提高的好技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高浮标独立工作能力以及续航能力，在水下工作时的稳定性好的机动式同振型矢量探测水声浮标。

本发明的目的是这样实现的：

包括浮标传感器部件和浮标电子仓部件，所述浮标传感器部件由同振式矢量水听器、匹配放大滤波模块、姿态传感器和频分复用模块连接构成，所述浮标电子仓部件由机械模块、感应控制模块、供电模块、无线发射模块和无线发射天线连接构成，所述机械模块包括传输电缆、牵引索和弹性导流囊体，浮标传感器部件与浮标电子仓部件之间通过牵引索连接并通过传输电缆通信，弹性导流囊体固定在牵引索上。

本发明还可以包括：

1.浮标传感器部件包括浮标传感器仓和连接于浮标传感器仓下部的机械仓，感应控制模块、供电模块和无线发射模块封装于浮标传感器仓中，无线发射天线安装在浮标传感器仓上部；所述浮标电子仓部件包括浮标电子仓，匹配放大滤波模块、姿态传感器和频分复用模块封装于浮标电子仓中，同振式矢量水听器固定于浮标电子仓底部；水声浮标入水前机械模块收纳于机械仓中，浮标电子仓的上部安装于机械仓底部。

2.所述同振式矢量水听器水平两个正交分量之一正方向与姿态传感器参考北同向，姿态传感器方位角与同振式矢量水听器两个正交分量所在平面平行，首先同振式矢量水听器与匹配放大滤波模块对三路信号进行预处理，最终将姿态传感器一路方位角信号与预处理的同振式矢量水听器三路信号连接至频分复用模块，通过不同信道将四路信号传至无线发射模块发送到终端接收机。

3.所述弹性导流囊体为鱼型弹性囊体，其囊体内部填充有膨胀物，当水进入囊内后囊体自然膨胀形成鱼型。

4.多个弹性导流囊体分布于牵引索上。

5.所述姿态传感器选用模拟输出的姿态传感器。

6.所述供电模块采用海水电池。

本发明提供了一种机动式同振型矢量探测水声浮标，主要包括浮标传感器部件和浮标电子仓部件，浮标传感器部件包括同振式矢量水听器、姿态传感器、频分复用模块以及匹配放大滤波模块触发，浮标电子仓部件包括机械模块、感应控制模块、无线发射模块以及供电模块。

作为本发明的一种改进，所述同振型矢量水听器除了可拾取传统声压信号之外还可同步拾取质点振速的两个正交分量，对于各向同性噪声有较强的抑制能力，提高了探测距离，独立浮标系统最少增加50％的效率。同时矢量水听器具有与频率无关的“8”字形指向性，可独立获得目标方位信息，应用中即可任取两只浮标对目标进行定位，减少了一定海域中投放浮标的密集度。基于上述特点，为科研人员在进一步水声信号处理提供更好的基础平台，使后期算法更加多元化。不同于传统的设计观念，将传感器与其相连的电路模块独立设计，导致传感器所拾取的信号经过电路模块不能真实的到达采集系统。本发明所述差分式匹配放大滤波模块结合同轴式矢量水听器实际中的阻抗对其进行设计，无损还原矢量传感器拾取到的声信号从电子系统到后置采集系统这个过程。

所述姿态传感器选用模拟输出的姿态传感器，其成本远低于数字输出方式的姿态传感器，也为后期电子仓内数字模块降低工作负担。

作为本发明的一种改进，所述感应控制模块为一种电荷式微控制器，该模块用于控制系统中机械模块以及系统上电。结合同振型矢量水听器中声压通道同步使用，声压通道在收到信号后产生的一定量的电荷，根据电荷量的大小从而设计一种电荷触发控制电源模块开关。其自身在待机状态下唤醒电流小于4uA，当目标出现时浮标上电探测。解决了传统浮标在使用过程中，无线通信等设备长时间处于工作状态，对系统所携带电池容量无意义的消耗，因而提高了浮标在定量电池容量下工作的续航能力最少一倍。

作为本发明的一种改进，所述机械模块包括弹性导流囊体和释放连接装置。所述弹性导流囊体采用一个鱼型弹性囊体，其囊体内部含有膨胀物，当水进入囊内后囊体自然膨胀形成鱼型，将多个鱼型弹性囊体分布水下连接电缆不同位置，根据鱼类水下流线型原理对水下传感器水平方向实现导流，同时其自身外表的弹性材料对浮标实现垂直方向的减振。所述释放连接装置采用具有较好柔性的同轴点电缆，对浮标在水下释放后电子仓部分与传感器部分达到一定牵引能力，同时可把传感器部分所拾取到的信号传递至电子仓中。有效的保证了浮标在水下工作时的稳定性。

所述无线发射模块包含无线通信和GPS定位，将数据传输至终端设备同时携带浮标位置信息。

所述供电模块采用海水电池，可以在入水后上电工作，减少设备在长期储备时的消耗。

本发明有效的提高了浮标独立工作能力以及续航能力，有效的保证了浮标在水下工作时的稳定性，有效的提高浮标在探测能力降低了单位面积所需浮标的密集度。本发明与传统浮标相比具有以下优势和有益的效果：

1.本发明与传统方法相比，所测量声信息更丰富，不仅可以拾取传统浮标可获得的声压信号，还可以一共点拾取水平面两个正交质点振速信息，增加了对噪声的抑制能力，提高了浮标的独立工作能力，进一步降低了使用时单位海域的投放密度，增加了工作效率。

2.本发明与传统方法相比，设计一种感应控制模块，通过检测实际水中信号来决定电源模块是否上电，避免了无线发射模块在没有目标时，对系统电池电量的消耗，提高了浮标同等电量下的续航能力。

3.本发明与传统方法相比，设计一种新颖的导流减振模块-鱼型弹性囊体，在浮标舱内占用体积小，释放后可在垂直方向减振，同时结合其特有鱼类流线型设计可在水中导流，提高了浮标在复杂水下环境的稳定性。

附图说明

图1是本发明的机动式同振型矢量探测水声浮标结构框图。

图2是本发明的机动式同振型矢量探测水声浮标外观图(入水前)。

图3是本发明的机动式同振型矢量探测水声浮标结构示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1-图3，本发明的机动式同振型矢量探测水声浮标1包括浮标传感器部件2和浮标电子仓部件3，所述浮标传感器部件由同振式矢量水听器4、匹配放大滤波模块5、姿态传感器6和频分复用模块7连接构成，所述浮标电子仓部件由机械模块、感应控制模块11、供电模块10、无线发射模块8和无线发射天线9连接构成，所述机械模块包括传输电缆13、牵引索14和弹性导流囊体15，浮标传感器部件与浮标电子仓部件之间通过牵引索连接并通过传输电缆通信，弹性导流囊体固定在牵引索上。

浮标传感器部件包括浮标传感器仓和连接于浮标传感器仓下部的机械仓12，感应控制模块、供电模块和无线发射模块封装于浮标传感器仓中，无线发射天线安装在浮标传感器仓上部；所述浮标电子仓部件包括浮标电子仓，匹配放大滤波模块、姿态传感器和频分复用模块封装于浮标电子仓中，同振式矢量水听器固定于浮标电子仓底部；水声浮标入水前机械模块收纳于机械仓中，浮标电子仓的上部安装于机械仓底部。

首先同振型矢量传感器与匹配放大滤波对其三路信号进行预处理，结构中同振型矢量传感器水平两个正交分量(X、Y)之一X正方向与姿态传感器参考北同向，并且姿态传感器方位角与同振型矢量传感器两个正交分量(X，Y)所述平面平行。提高信号传输过程中抗干扰能力，最终将姿态传感器一路方位角信号与预处理同振型矢量传感器三路信号连接至频分复用模块，通过不同信道将四路信号传至无线发射模块发送到终端接收机。

为提高浮标续航能力，本发明的感应控制模块式一种电荷式微控制器，连接无线发射模块、机械模块及供电模块，通过检测传感器传输至无线发射端的信号，控制机械模块牵引索对传感器部件释放深度，控制供电模块是否为其他模块上电，未出现明显目标时感应控制模块处于低功耗休眠状态,休眠状态仅需要4uA电流。

为提高浮标稳定性，本发明的机械模块用于连接传输传感器部件与电子仓部件，同时对浮标的减振导流，设计一种内部填充一定膨胀物鱼型囊体，通过牵引索进行上下部件的连接，当浮标入水分离出传感器部件后在水中展开，遇水膨胀形成鱼型球体，对浮标达到减振导流的效果。

为保护浮标同时不干扰传感器，浮标外壳采用铝合金材质，一方面达到保护功能。

为降低成本所述姿态传感器首选输出模拟方式产品，也可采用数字类型产品。所述供电模块可采用海水电池、锂电池及生物电池等。

以上说明书文字与附图仅为对本发明的解释和说明，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求数为准，一切不超出本发明中的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。

Claims (7)

1.一种机动式同振型矢量探测水声浮标，包括浮标传感器部件和浮标电子仓部件，其特征是：所述浮标传感器部件由同振式矢量水听器、匹配放大滤波模块、姿态传感器和频分复用模块连接构成，所述浮标电子仓部件由机械模块、感应控制模块、供电模块、无线发射模块和无线发射天线连接构成，所述机械模块包括传输电缆、牵引索和弹性导流囊体，浮标传感器部件与浮标电子仓部件之间通过牵引索连接并通过传输电缆通信，弹性导流囊体固定在牵引索上。

2.根据权利要求1所述的机动式同振型矢量探测水声浮标，其特征是：所述浮标传感器部件包括浮标传感器仓和连接于浮标传感器仓下部的机械仓，感应控制模块、供电模块和无线发射模块封装于浮标传感器仓中，无线发射天线安装在浮标传感器仓上部；所述浮标电子仓部件包括浮标电子仓，匹配放大滤波模块、姿态传感器和频分复用模块封装于浮标电子仓中，同振式矢量水听器固定于浮标电子仓底部；水声浮标入水前机械模块收纳于机械仓中，浮标电子仓的上部安装于机械仓底部。

3.根据权利要求1或2所述的机动式同振型矢量探测水声浮标，其特征是：所述同振式矢量水听器水平两个正交分量之一正方向与姿态传感器参考北同向，姿态传感器方位角与同振式矢量水听器两个正交分量所在平面平行，首先同振式矢量水听器与匹配放大滤波模块对三路信号进行预处理，最终将姿态传感器一路方位角信号与预处理的同振式矢量水听器三路信号连接至频分复用模块，通过不同信道将四路信号传至无线发射模块发送到终端接收机。

4.根据权利要求1或2所述的机动式同振型矢量探测水声浮标，其特征是：所述弹性导流囊体为鱼型弹性囊体，其囊体内部填充有膨胀物，当水进入囊内后囊体自然膨胀形成鱼型。

5.根据权利要求3所述的机动式同振型矢量探测水声浮标，其特征是：所述弹性导流囊体为鱼型弹性囊体，其囊体内部填充有膨胀物，当水进入囊内后囊体自然膨胀形成鱼型。

6.根据权利要求4所述的机动式同振型矢量探测水声浮标，其特征是：多个弹性导流囊体分布于牵引索上。

7.根据权利要求5所述的机动式同振型矢量探测水声浮标，其特征是：多个弹性导流囊体分布于牵引索上。