CN110525616A - 基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋探测技术领域，特别涉及一种水下监测装置。基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，它包括：安装在航行器主壳体内的地震检波模块以及浮力与推进模块。浮力与推进模块中的水平推进器的设置克服了现有海底节点航行器置自身无动力能力、布放回收效率低的局限性；浮力与推进模块中的油囊浮力调节机能够实现浮力调节控制航行器的上浮与下潜，并可令航行器保持负浮力长期坐底监测。本发明具备布放回收效率高、地形适应性强、机动性高、可加密布放等特点，适用于海底长期地震数据采集工作。同时，本发明还公开了一种基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器的工作方法。

Description

基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器及工作方法
技术领域
本发明属于海洋探测技术领域，特别涉及一种水下监测装置。
背景技术
海底节点地震数据采集技术是一种新兴的海底油气勘探技术。地震检波传感器布放于海底，可独立采集、记录地震信号，具有定位准确、部署灵活、采集信号质量高、可探测更深地层等优点，近年来获得了快速的发展。然而，现有的海底节点地震数据采集产品自身无运动能力，主要通过沉耦架脱钩上浮或使用遥控式水下机器人逐个布放回收，因而布放回收效率低，难以满足实际地震勘探应用的大规模组网布放需要。
发明内容
本发明的目的是：针对上述问题，提供一种基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，该航行器可在水面支援船的协助下自主布放、开展地震检波作业与自主回收。
本发明的一个技术方案是：基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，它包括：安装在航行器主壳体内的地震检波模块以及浮力与推进模块；
地震检波模块用于监测并记录从海底岩层反射的地震波；
浮力与推进模块包括：油囊浮力调节机与2个水平推进器；油囊浮力调节机布置在航行器主壳体内部中心，通过油囊与储油罐之间的充油与放油实现油囊浮力调节机的重量不变而体积发生变化，进而实现浮力调节；水平推进器对称的布置在航行器主壳体内部两侧，可提供正反双向的推力；2个水平推进器差速转动，能够控制航行器纵荡与摇首两个方向的自由度。
在上述方案的基础上，进一步的，航行器还包括：综合通讯模块、控制与导航模块以及能源模块；
能源模块与控制与导航模块连接，能源模块通过控制与导航模块向其它各模块提供能源供给；控制与导航模块与地震检波模块、综合通讯模块、浮力与推进模块建立信号连接，控制与导航模块与地震检波模块、综合通讯模块、浮力与推进模块间互通信息，借助综合通讯模块接收水面支援船的信息并反馈，同时控制与导航模块能够将控制信号传输给地震检波模块与浮力与推进模块，分别控制地震检波作业与航行器的运动。
上述方案中具体的，控制与导航模块包括：计算机、姿态传感器、惯性导航装置、深度计、高度计以及磁罗经；
其中，姿态传感器用于提供航行器3轴的偏转角度；惯性导航装置用于提供航行器在水下或水面航行时的加速度信息；深度计与高度计分别用于提供航行器所处位置的深度信息与其距海底的高度信息；磁罗经用于提供航行器的航向角信息；
姿态传感器、惯性导航装置、深度计、高度计以及磁罗经均与计算机建立信号连接，用于将所采集信息发送至计算机；
计算机与油囊浮力调节机、水平推进器建立信号连接，用于向油囊浮力调节机、水平推进器发送控制指令。
上述方案中具体的，地震检波模块包括：三分量检波传感器、水听器、地震信号采集板以及原子钟；三分量检波传感器、水听器均与地震信号采集板建立信号连接；
其中，三分量检波传感器用于监测海底水平面上两个相互垂直方向的地震波加速度，以及垂直于水平面方向的海底的地震波加速度，三分量检波传感器通过内置的压电陶瓷将实时监测的三分量加速度信息转化为电信号并传输给地震信号采集板；水听器用于接收航行器在海底时的声波信号，同时将声波信号转化为电信号传输至地震信号采集板；原子钟14用以精确地记录时间，为航行器提供时间信息；
地震信号采集板以及原子钟均与计算机建立信号连接，用于将三分量加速度信息、声波信号、精确时间发送至计算机。
上述方案中具体的，综合通讯模块包括：水声换能器、铱星通讯、GPS定位系统以及无线电模组；
其中，水声换能器用于与水面支援船进行信息传递；铱星通讯用于在航行器浮出水面后与水面支援船进行长距离通讯；无线电模组用于在航行器浮出水面后与水面支援船进行短距离通讯；GPS定位系统用于在在航行器浮出水面后确定自身位置信息；
水声换能器、铱星通讯、GPS定位系统以及无线电模组均与计算机建立信号连接，计算机通过GPS定位系统实现自身定位，并通过水声换能器、铱星通讯、无线电模组实现与水面支援船的通讯。
上述方案中具体的，能源模块包括：电池；电池设有电池充放电插头；电池通过电池上电开关与计算机连接，电池为航行器提供安全航行和作业所需的能源。
在上述方案的基础上，进一步的，航行器还包括：布置在航行器主壳体内的深水耐压仓以及固体浮力材料；深水耐压仓布置在航行器主壳体底部，固体浮力材料布置在航行器主壳体顶部，这种布置方式使航行器浮心在上，重心在下，进而能够产生恢复力矩辅助航行器稳定航行。
本发明的另一个技术方案是：基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器的工作方法，包括以下步骤：
A.航行器投放入水；
B.通过调节航行器所搭载的油囊浮力调节机与2个水平推进器，令航行器按规划的下潜路径航行；
C.航行器到达指定位置后，关闭水平推进器，航行器进入低功耗静音保持模式；水面支援船通过气枪激发人工震源，航行器内的地震检波模块监测并记录从海底岩层反射的地震波；
D.监测完成后，由水面支援船向航行器发出唤醒信号；航行器控制2个水平推进器产生转向扭矩，并控制油囊浮力调节机产生最大浮力，令航行器脱离海底，按原规划路线上浮至海面；
E.航行器与水面支援船通讯，等待回收。
进一步的，在步骤B航行器下潜的过程中，航行器根据实时采集的航向角、加速度、深度以及距海底的高度信息调节油囊浮力调节机与2个水平推进器；同时，航行器接收水面定位浮标搭载的水声信标基线阵提供的位置反馈信息，修正自身位置信息。
进一步的，在步骤C航行器监测并记录从海底岩层反射的地震波的同时，航行器还记录时间及自身姿态信息。
有益效果：本发明设有浮力与推进模块，其中的水平推进器的设置克服了现有海底节点航行器置自身无动力能力、布放回收效率低的局限性，油囊浮力调节机能够实现浮力调节控制航行器的上浮与下潜，并可令航行器保持负浮力长期坐底监测。本发明具备布放回收效率高、地形适应性强、机动性高、可加密布放等特点，适用于海底长期地震数据采集工作。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构组成框图；
图2为本发明实施例2的结构组成框图；
图3为本发明实施例3中的内部结构示意图；
图4为本发明实施例3中的正视图；
图5为本发明实施例3中的仰视图；
图中：1-地震检波模块、11-三分量检波传感器、12-水听器、13-地震信号采集板、14-原子钟、2-浮力与推进模块、21-油囊浮力调节机、22-水平推进器、3-综合通讯模块、31-水声换能器、32-铱星通讯、33-GPS定位系统、34-无线电模组、4-控制与导航模块、41-计算机、42-姿态传感器、43-惯性导航装置、44-深度计、45-高度计、46-磁罗经、5-能源模块、51-电池、52-电池上电开关、53-电池充放电插头、6-航行器主壳体、7-深水耐压仓、8-固体浮力材料。
具体实施方式
实施例1，参见附图1，基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，它包括：安装在航行器主壳体6内的地震检波模块1以及浮力与推进模块2。
地震检波模块1用于监测并记录从海底岩层反射的地震波。
浮力与推进模块2包括：油囊浮力调节机21与2个水平推进器22；油囊浮力调节机21布置在航行器主壳体6内部中心，通过油囊与储油罐之间的充油与放油实现油囊浮力调节机21的重量不变而体积发生变化，进而实现浮力调节控制航行器的上浮与下潜；水平推进器22对称的布置在航行器主壳体6内部两侧，可提供正反双向的推力；2个水平推进器22差速转动，能够控制航行器纵荡与摇首两个方向的自由度；油囊浮力调节机21与2个水平推进器22相互配合，能够令航行器移动至设定位置。
为减小流体阻力，本例中的航行器主壳体6采用流线型设计。
实施例2，参见附图2，在实施例1的基础上，进一步的，航行器还包括：综合通讯模块3、控制与导航模块4以及能源模块5。
能源模块5与控制与导航模块4连接，能源模块5通过控制与导航模块4向其它各模块提供能源供给；控制与导航模块4与地震检波模块1、综合通讯模块3、浮力与推进模块2建立信号连接，控制与导航模块4与地震检波模块1、综合通讯模块3、浮力与推进模块2间互通信息，借助综合通讯模块3接收水面支援船的信息并反馈，同时控制与导航模块4能够将控制信号传输给地震检波模块1与浮力与推进模块2，分别控制地震检波作业与航行器的运动。
具体的，控制与导航模块4包括：计算机41、姿态传感器42、惯性导航装置43、深度计44、高度计45以及磁罗经46；其中，姿态传感器42用于提供航行器3轴的偏转角度；惯性导航装置43用于提供航行器在水下或水面航行时的加速度信息；深度计44与高度计45分别用于提供航行器所处位置的深度信息与其距海底的高度信息；磁罗经46用于提供航行器的航向角信息；姿态传感器42、惯性导航装置43、深度计44、高度计45以及磁罗经46均与计算机41建立信号连接，用于将所采集信息发送至计算机41；计算机41与油囊浮力调节机21、水平推进器22建立信号连接，用于向油囊浮力调节机21、水平推进器22发送控制指令。
地震检波模块1包括：三分量检波传感器11、水听器12、地震信号采集板13以及原子钟14；三分量检波传感器11、水听器12均与地震信号采集板13建立信号连接；其中，三分量检波传感器11用于监测海底水平面上两个相互垂直方向的地震波加速度，以及垂直于水平面方向的海底的地震波加速度，三分量检波传感器11通过内置的压电陶瓷将实时监测的三分量加速度信息转化为电信号并传输给地震信号采集板13；水听器12用于接收航行器在海底时的声波信号，同时将声波信号转化为电信号传输至地震信号采集板13；原子钟14用以精确地记录时间，为航行器提供时间信息；地震信号采集板13以及原子钟14均与计算机41建立信号连接，用于将三分量加速度信息、声波信号、精确时间发送至计算机41。
综合通讯模块3包括：水声换能器31、铱星通讯32、GPS定位系统33以及无线电模组34；其中，水声换能器31用于与水面支援船进行信息传递；铱星通讯32用于在航行器浮出水面后与水面支援船进行长距离通讯；无线电模组34用于在航行器浮出水面后与水面支援船进行短距离通讯；GPS定位系统33用于在在航行器浮出水面后确定自身位置信息；水声换能器31、铱星通讯32、GPS定位系统33以及无线电模组34均与计算机41建立信号连接，计算机41通过GPS定位系统33实现自身定位，并通过水声换能器31、铱星通讯32、无线电模组34实现与水面支援船的通讯。
能源模块5包括：电池51；电池51设有电池充放电插头53；电池51通过电池上电开关52与计算机41连接，电池51为航行器提供安全航行和作业所需的能源。
实施例3，参见附图3-5，在实施例2的基础上，进一步的，航行器还包括：布置在航行器主壳体6内的深水耐压仓7以及固体浮力材料8；深水耐压仓7布置在航行器主壳体6底部，固体浮力材料8布置在航行器主壳体6顶部，这种布置方式使航行器浮心在上，重心在下，进而能够产生恢复力矩辅助航行器稳定航行。
本例中，深水耐压仓7的数量为3个，控制与导航模块4除高度计45布置在航行器主壳体6底部其余组件均布置在深水耐压仓7内；能源模块5同样布置在深水耐压仓7内；综合通讯模块3布置在航行器主壳体6顶部；地震检波模块1除水听器12布置在深水耐压仓7侧壁其余组件均布置在油囊浮力调节机21下方。
实施例4，基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器的工作方法，包括以下步骤：
A.在开始海底地震勘探数据采集之前，确保航行器各个模块可正常运行，能源模块5的电能足够覆盖此次数据采集工作；水面支援船将所有参与此次海地地震勘探数据采集的航行器运送至勘探海域上方后，所有航行器经位置校正、目标设定等初始化流程后，由吊放绞架投放入水；
B.航行器根据初始投放位置和目标布放位置自主规划下潜路径；通过由磁罗经46、惯性导航装置43和深度计44所采集的航行器的航向角、加速度与深度信息，调节航行器所搭载的油囊浮力调节机21与2个水平推进器22，令航行器按规划的下潜路径航行；同时，通过高度计45实时采集航行器距离海底的高度信息，避免航行器在航行过程中与海底及其附着物发生碰撞；进一步的，航行器接收水面定位浮标搭载的水声信标基线阵提供的位置反馈信息，修正自身位置信息；
本例中，航行器修正自身位置信息的具体方法为：
在水声信标基线阵中，每个水声信标广播自身GPS位置以及水声信号发射时间，航行器搭载的水声通讯机可检测水声信号到达时间并解码获得水声信标当前位置，根据水声时延和声速获得节点与声信标之间的地理斜距，当三个以上不同信标水声时延信息获取之后，采取长基线定位原理解算节点水下绝对位置；
C.航行器到达指定位置后，关闭水平推进器22，航行器进入低功耗静音保持模式，利用原子钟14用于精确记录时间，使得所有航行器时间与水面支援船时间保持同步；利用姿态传感器42记录航行器的姿态信息用于后期地震数据处理中的一致化校准环节；水面支援船通过气枪激发人工震源，航行器内的地震检波模块1监测并记录从海底岩层反射的地震波；
D.监测完成后，由水面支援船向航行器发出唤醒信号；航行器控制2个水平推进器22产生转向扭矩，并控制油囊浮力调节机21产生最大浮力，克服海底吸附力松动附着的泥沙等海底沉积物令航行器脱离海底，按原规划路线上浮至海面；
E.航行器上传GPS位置，并通过铱星通讯32与水面支援船通讯，等待集中回收。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，它包括：安装在航行器主壳体(6)内的地震检波模块(1)，其特征在于：所述航行器还包括：浮力与推进模块(2)；
所述浮力与推进模块(2)包括：油囊浮力调节机(21)与2个水平推进器(22)；所述油囊浮力调节机(21)布置在所述航行器主壳体(6)内部中心；所述水平推进器(22)对称的布置在所述航行器主壳体(6)内部两侧。
2.如权利要求1所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，其特征在于：所述航行器还包括：综合通讯模块(3)、控制与导航模块(4)以及能源模块(5)；
其中，所述能源模块(5)与所述控制与导航模块(4)连接，所述控制与导航模块(4)与所述地震检波模块(1)、所述综合通讯模块(3)、所述浮力与推进模块(2)建立信号连接。
3.如权利要求2所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，其特征在于：所述控制与导航模块(4)包括：计算机(41)、姿态传感器(42)、惯性导航装置(43)、深度计(44)、高度计(45)以及磁罗经(46)；
所述姿态传感器(42)、所述惯性导航装置(43)、所述深度计(44)、所述高度计(45)以及所述磁罗经(46)均与所述计算机(41)建立信号连接；
所述计算机(41)与所述油囊浮力调节机(21)、所述水平推进器(22)建立信号连接。
4.如权利要求3所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，其特征在于：所述地震检波模块(1)包括：三分量检波传感器(11)、水听器(12)、地震信号采集板(13)以及原子钟(14)；其中：所述三分量检波传感器(11)、所述水听器(12)均与所述地震信号采集板(13)建立信号连接；
所述地震信号采集板(13)以及所述原子钟(14)均与所述计算机(41)建立信号连接。
5.如权利要求4所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，其特征在于：所述综合通讯模块(3)包括：水声换能器(31)、铱星通讯(32)、GPS定位系统(33)以及无线电模组(34)；
所述水声换能器(31)、所述铱星通讯(32)、所述GPS定位系统(33)以及所述无线电模组(34)均与所述计算机(41)建立信号连接。
6.如权利要求5所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，其特征在于：所述能源模块(5)包括：电池(51)；所述电池(51)设有电池充放电插头(53)；所述电池(51)通过电池上电开关(52)与所述计算机(41)连接。
7.如权利要求2-6任一项所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器，其特征在于：所述航行器还包括：布置在所述航行器主壳体(6)内的深水耐压仓(7)以及固体浮力材料(8)；所述深水耐压仓(7)布置在所述航行器主壳体(6)底部，所述固体浮力材料(8)布置在所述航行器主壳体(6)顶部。
8.基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.航行器投放入水；
B.通过调节所述航行器所搭载的油囊浮力调节机(21)与2个水平推进器(22)，令所述航行器按规划的下潜路径航行；
C.所述航行器到达指定位置后，关闭所述水平推进器(22)，所述航行器进入低功耗静音保持模式；水面支援船通过气枪激发人工震源，所述航行器内的地震检波模块(1)监测并记录从海底岩层反射的地震波；
D.监测完成后，由所述水面支援船向所述航行器发出唤醒信号；所述航行器控制所述2个水平推进器(22)产生转向扭矩，并控制所述油囊浮力调节机(21)产生最大浮力，令所述航行器脱离海底，按原规划路线上浮至海面；
E.所述航行器与所述水面支援船通讯，等待回收。
9.如权利要求8所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器的工作方法，其特征在于：在所述步骤B航行器下潜的过程中，所述航行器根据实时采集的航向角、加速度、深度以及距海底的高度信息调节所述油囊浮力调节机(21)与所述2个水平推进器(22)；同时，所述航行器接收水面定位浮标搭载的水声信标基线阵提供的位置反馈信息，修正自身位置信息。
10.如权利要求8或9所述的基于浮力调节的海底地震检波飞行节点航行器的工作方法，其特征在于：在所述步骤C所述航行器监测并记录从海底岩层反射的地震波的同时，所述航行器还记录时间及自身姿态信息。
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