CN111024048A - 一种深海声学发射潜标 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋探测设备技术领域，具体涉及一种深海声学发射潜标，其包括依次顺序连接的主浮体(1)、压力测量仪(2)、水密电子舱(3)、深海发射换能器(4)、多个浮球(5)、深海并联声学释放器(6)、锚系重块(7)；其中，多个浮球(5)串联连接；锚系重块(7)固定在海底；主浮体(1)、压力测量仪(2)、水密电子舱(3)、深海发射换能器(4)、多个浮球(5)、深海并联声学释放器(6)、锚系重块(7)之间通过凯夫拉绳(8)连接。

Description

一种深海声学发射潜标
技术领域
本发明属于海洋探测设备、海洋开发与海洋安全技术领域，具体涉及一种深海声学发射潜标。
背景技术
潜标已经作为一种重要的海洋调查设备被普遍使用，潜标隐蔽性好、不易被破坏、结构简单、容易布放、回收成功率高、能够长时间的在水下工作。其中，声学潜标广泛应用于海洋调查、海洋环境监测、水声物理研究、水声通信、水下定位导航和国家海洋安全等诸多领域。
水下声学发射潜标是一种放置于海中，能够依照设定程序主动发射声波信号的水声装置，配合其他种类的接收及处理设备可实现如水声测量、水声通信、水下定位导航等多种功能。深海是现今海洋开发和水下安全的热点领域，由于声波是唯一能够在水中远距离传播的物理媒介，又因为深海长距离水声传播机理与水声通信等相关应用的研究需求非常迫切，水下声学发射潜标作为一种重要的技术手段承担着不可或缺的作用。
传统的水下声学发射潜标主要形式是将电子设备装入水密耐压舱体，设计和配置一定的浮体、浮球等锚系结构，并将其固定布放于海中，实现声学信号发射功能。
但是，传统的水下声学发射潜标主要存在以下两方面问题：第一，现阶段的发射潜标普遍存在信号处理能力不足的问题，发射信号种类较少，不便于调整，且不具备信源编码和任意信号生成的能力，在实际应用中难以适应多种需求，不具备拓展应用的可行性。与此同时，发射潜标用于信号处理和功率放大的电路功耗较高，严重影响水下工作时间；常用的办法是提高能源电池组规模，但这会增加潜标尺寸及重量，影响耐压结构设计难度，也增加了潜标布放回收难度，为此潜标需要在具备一定运算能力的前提下尽可能降低系统功耗。第二，传统的水下声学发射潜标往往受到能源条件和工作方式的制约，作用距离较小覆盖范围不够，首先想到的解决方案是采用多个潜标联合工作，但该方式对多个潜标之间协同能力提出了较高的要求，最直接的解决方案是增加双向的水声通信设备，但是这将增大硬件开销提高系统复杂度并带来如可靠性、声学兼容问题等一系列技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的声学发射潜标存在上述缺陷，本发明提出了一种深海声学发射潜标，
为了实现上述目的，本发明提供了一种深海声学发射潜标，其包括依次顺序连接的主浮体、压力测量仪、水密电子舱、深海发射换能器、多个浮球、深海并联声学释放器、锚系重块；其中，多个浮球串联连接；锚系重块固定在海底；主浮体、压力测量仪、水密电子舱、深海发射换能器、多个浮球、深海并联声学释放器、锚系重块之间通过凯夫拉绳连接。
作为上述技术方案的改进之一，所述水密电子舱采用高强度钛合金材料制成，其呈球形水密耐压结构。
作为上述技术方案的改进之一，所述水密电子舱(3)内设置干端电子设备；所述干端电子设备包括：A级低功耗值班模块，B级高性能处理模块、功放发射模块、强电电源和弱电电源；
所述B级高性能处理模块分别与A级低功耗值班模块和功放发射模块、弱电电源连接，所述弱电电源与B级高性能处理模块和A级低功耗值班模块连接，强电电源与功放发射模块连接；
所述A级低功耗值班模块，用于实现声学发射潜标的低功耗值班，同时监控各模块的工作状态；还用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于控制和切换声学发射潜标的低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式，并在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述B级高性能处理模块，用于生成数字待发射信号；还用于在大功率发射工作模式下，向功放发射模块发送生成的数字待发射信号；
所述功放发射模块，用于接收B级高性能处理模块发送的数字待发射信号，并将其进行数模转换、功率放大，生成大功率电信号，当接收到A级低功耗值班模块发送的脉冲触发信号后，立即将其输出至深海发射换能器；
所述强电电源，用于提供功放发射模块正常工作的电源；
所述弱电电源，用于提供A级低功耗值班模块和B级高性能处理模块正常工作的电源。
作为上述技术方案的改进之一，所述A级低功耗值班模块包括：低功耗值班主控单元、时钟单元、接口电路；所述低功耗值班主控单元、时钟单元、接口电路之间通过串口连接；
所述低功耗值班主控单元，用于实现声学发射潜标的低功耗值班，同时监控各模块的工作状态，还用于控制和切换声学发射潜标的低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式；
所述时钟单元，用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于实现高精度授时和守时，并在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述接口电路，用于提供串口连接水密电子舱外的压力测量仪，接收压力测量仪测量的压力信息；还用于连接检测设备，对水密电子舱内的干端电子设备进行调试与检测，同时通过检测设备向时钟单元发送发射时间表信息。
作为上述技术方案的改进之一，所述时钟单元进一步包括：时钟主控子模块、 GPS子模块(含GPS天线)和高精度原子钟芯片；
所述时钟主控子模块，用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于接收GPS子模块输出的授时用秒脉冲信号及其对应的时间编码信息，进行内部时钟的授时校准；还用于接收高精度原子钟芯片输出的10MHz时钟脉冲，进行内部时钟的高精度守时；还用于在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述高精度原子钟芯片，用于产生频率为10MHz的时钟脉冲信号，并将其发送至时钟主控子模块；
所述GPS子模块，用于在声学发射潜标入水前，即在岸上时，向时钟主控子模块发送秒脉冲信号及其对应的时间编码信息，为时钟主控子模块提供高精度授时的精确时间；在为时钟主控子模块授时结束后，为了降低A级低功耗值班模块的功耗，可将GPS子模块从声学发射潜标中拆下。
作为上述技术方案的改进之一，所述B级高性能处理模块进一步包括：DSP处理器、FPGA芯片、第一NOR FLASH存储器、第二NOR FLASH存储器、SDRAM 存储器、SRAM存储器和NAND FLASH存储器；
所述DSP处理器，用于根据发射时间表中规定的发射信号类型、发射工作频段、发射时长，在声学发射的准时时刻到来前，生成数字待发射信号，并通过FPGA芯片发送至功放发射模块；
所述FPGA芯片，用于接收DSP处理器生成的数字待发射信号，并将其发送至功放发射模块；也用于提供与A级低功耗值班模块连接的SPI接口；
所述SDRAM存储器，用于缓存DSP处理器生成的数字待发射信号；
所述SRAM存储器，用于实现多级存储，所述SRAM存储器用作DSP处理器与SDRAM内存之间的高速缓冲存储器；
所述第一NOR FLASH存储器，用于存储DSP处理器的代码数据；
所述第二NOR FLASH存储器，用于存储DSP处理器执行运算时的数据；
所述NAND FLASH存储器，用于存储B级高性能处理模块的工作日志；还用于存储深海声学发射潜标所有的数字待发射信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述深海发射换能器采用低频溢流耐压结构，平衡内外压。
作为上述技术方案的改进之一，所述浮球和主浮体均用于提供浮力；凯夫拉绳提供系留拉力。
作为上述技术方案的改进之一，所述锚系重块，用于提供配重并固定深海声学发射潜标。
作为上述技术方案的改进之一，所述并联声学释放器，用于通过遥控释放手段回收声学发射潜标，采用并联方式进行备份，实现可靠回收。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1.本发明的声学发射潜标，适用于深海环境，基于水密电子舱内的干端电子设备实现低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式的选择和切换，在具备低功耗、水下长期值班的同时，具有强大的运算处理能力，可用于复杂信号处理，生成复杂的数字待发射信号；
2.本发明通过潜标内部的时钟单元，完成高精度的授时和守时，能够保证待发射信号的高精度准时发射，从而实现多潜标协同发射，在深海环境中扩展作用范围，进而更好的实现水声多发多收通信、分级通信、区域定位导航等诸多复杂功能。
附图说明
图1是本发明的一种深海声学发射潜标的结构示意图；
图2是本发明的一种深海声学发射潜标的水密电子舱内的干端电子设备的结构示意图；
图3是本发明的一种深海声学发射潜标的水密电子舱内的干端电子设备的B级高性能处理模块的结构示意图；
图4是本发明的一种深海声学发射潜标的水密电子舱内的干端电子设备的A级低功耗值班模块的时钟单元的结构示意图。
1、主浮体 2、压力测量仪
3、水密电子舱 4、深海发射换能器
5、浮球 6、深海并联声学释放器
7、锚系重块 8、凯夫拉绳
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种深海声学发射潜标，其包括依次顺序连接的主浮体1、压力测量仪2、水密电子舱3、深海发射换能器4、多个浮球5、深海并联声学释放器6、锚系重块7；其中，多个浮球5串联连接；锚系重块7固定在海底。其中，主浮体1、压力测量仪2、水密电子舱3、深海发射换能器4、多个浮球5、深海并联声学释放器6、锚系重块7之间通过凯夫拉绳8连接。
所述水密电子舱采用高强度钛合金材料制成，其呈耐压性能高的球形水密结构。
如图2所示，所述水密电子舱2内设置干端电子设备，所述干端电子设备包括： A级低功耗值班模块，B级高性能处理模块、功放发射模块、强电电源和弱电电源；
所述B级高性能处理模块分别与A级低功耗值班模块和功放发射模块、弱电电源连接，所述弱电电源与B级高性能处理模块和A级低功耗值班模块连接，强电电源与功放发射模块连接；
所述A级低功耗值班模块，用于实现声学发射潜标的低功耗值班，同时监控各模块的工作状态；还用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于控制和切换声学发射潜标的低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式，并在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述B级高性能处理模块，用于生成数字待发射信号；还用于在大功率发射工作模式下，向功放发射模块发送生成的数字待发射信号；
所述功放发射模块，用于接收B级高性能处理模块发送的数字待发射信号，并将其进行数模转换、功率放大，生成大功率电信号，当接收到A级低功耗值班模块发送的脉冲触发信号后，立即将其传输至深海发射换能器4；
所述强电电源，用于提供功放发射模块正常工作的电源；
所述弱电电源，用于提供A级低功耗值班模块和B级高性能处理模块正常工作的电源。
所述A级低功耗值班模块包括：低功耗值班主控单元、时钟单元、接口电路；所述低功耗值班主控单元、时钟单元、接口电路之间通过串口连接；
所述低功耗值班主控单元，用于实现声学发射潜标的低功耗值班，同时监控其他模块的工作状态，还用于控制和切换声学发射潜标的低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式；其中，所述低功耗值班主控单元为MSP430低功耗单片机；
如图4所示，所述时钟单元，用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于实现高精度授时和守时，并在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块，实现高精度准时发射；
所述时钟单元进一步包括：时钟主控子模块、GPS子模块(含GPS天线)和高精度原子钟芯片；
所述时钟主控子模块采用低功耗FPGA芯片，用于接收秒脉冲信号及其对应的时间编码信息，更新时钟主控子模块内部的时间信息，并利用计数器重新开始计时，设定开始工作的时间，完成授时；还用于接收高精度原子钟芯片输出的10MHz时钟脉冲，根据10MHz脉冲信号实现整秒的计时并累加，完成守时；
在守时过程中，时钟主控子模块通过比测来自GPS子模块的秒脉冲信号和时钟主控子模块内部累加的溢出时刻的时间间隔，即可计算得到时钟主控子模块输入的 10MHz时钟信号误差值，时钟主控子模块根据此误差值，辅以相应的时间补偿算法，即能实现高精度守时功能。
所述高精度原子钟芯片，用于产生频率为10MHz的时钟脉冲信号，并将其发送至时钟主控子模块；
所述GPS子模块，用于在声学发射潜标入水前，即在岸上时，向时钟主控子模块发送秒脉冲信号和其对应的时间编码信息，为时钟主控子模块提供高精度授时的精确时间；在为时钟主控子模块授时结束后，为了降低A级低功耗值班模块的功耗，可将GPS子模块从声学发射潜标中拆下。
所述的B级高性能处理模块具备较高运算能力实现运算编码、信息处理、信号合成功能，向功放发射模块输出数字待发射信号；
如图3所示，所述B级高性能处理模块进一步包括：DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)处理器、FPGA(Field Programmable Gate Array，可编程逻辑器件) 芯片、第一NOR FLASH(非易失闪存)存储器、第二NOR FLASH(非易失闪存) 存储器、SDRAM(Synchronous Dynamic random access memory，同步动态随机存取记忆体)存储器、SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存储器)存储器、 NAND FLASH(快闪记忆体闪存)存储器；
所述DSP处理器，用于根据发射时间表中规定的发射信号类型、发射工作频段、发射时长，在声学发射的准时时刻到来前，生成数字待发射信号，并通过FPGA芯片发送至功放发射模块；
所述FPGA芯片，用于接收DSP处理器生成的数字待发射信号，并将其发送至功放发射模块；也用于提供与A级低功耗值班模块连接的SPI接口；
所述SDRAM存储器，用于缓存DSP处理器生成的数字待发射信号；
所述SRAM存储器，用于实现多级存储，所述SRAM存储器用作DSP处理器与SDRAM内存之间的高速缓冲存储器；
所述第一NOR FLASH存储器，用于存储DSP处理器的代码数据；
所述第二NOR FLASH存储器，用于存储DSP处理器执行运算时的数据；
所述NAND FLASH存储器，用于存储B级高性能处理模块的工作日志；还用于存储深海声学发射潜标所有的数字待发射信号。
A级低功耗值班模块实现潜标低功耗值班，B级高性能处理模块具备高性能处理能力；潜标通过A、B两级电路模块，选择低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式；通过这样的切换方式，使声学发射潜标在具备低功耗、水下长期值班的同时，具有强大的运算处理能力，可用于复杂信号处理，生成复杂的待发射数字信号；此外，时钟单元具备高精度授时和守时功能，通过向功放发射模块输出脉冲触发信号可实现潜标的高精度准时发射，从而实现多潜标协同发射，在深海环境中扩展作用范围。
所述深海发射换能器4采用低频溢流耐压结构，平衡内外压，提升发射换能器耐压性能，使其具备深水工作能力。
所述浮球5及主浮体1用来提供浮力，主浮体1还兼具减少流阻力的作用，凯夫拉绳8提供系留拉力。
所述锚系重块7，用于提供配重固定潜标；
所述并联声学释放器6通过遥控释放手段回收声学发射潜标，采用并联方式进行备份，实现可靠回收。
所述主浮体1、多个浮球5、若干条凯夫拉绳8、深海并联声学释放器6和锚系重块7组成了锚系辅助设备；所述锚系辅助设备使得声学发射潜标在风、浪、潮、流的海洋环境中降低流阻，提高垂直度，减小随流漂移，保持位置的相对稳定，从而保证定位的准确性。
本发明的深海声学发射潜标的工作过程如下：
在声学发射潜标布放前，水密电子舱内的GPS子模块通过外接GPS天线，完成GPS定位，可将精确的秒脉冲信号和其对应的时间编码信息发送至时钟主控子模块，使时钟主控子模块实现高精度授时和守时；
拆下GPS天线，将声学发射潜标布放入海中。所述压力测量仪2测量海洋环境的压力信息，通过接口电路传输至低功耗值班主控单元；低功耗值班主控单元经过判读压力信息，确认声学发射潜标位于海中后，进行发射时间表的判断，同时监控其他模块的工作状态。在快要达到发射时刻时，A级低功耗值班模块提前将弱电电源为B级高性能处理模块供电的开关闭合；B级高性能处理模块通过发射时间表中规定的发射信号类型、发射工作频段、发射时长，生成数字待发射信号，发送至功放发射模块；待发射时刻到来时，A级低功耗值班模块中的时钟主控子模块向功放发射模块输出脉冲触发信号，功放发射模块随即将待发射信号经过数模转换、功率放大后，输出至深海发射换能器，完成声学信号的高精度准时发射。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种深海声学发射潜标，其特征在于，其包括依次顺序连接的主浮体(1)、压力测量仪(2)、水密电子舱(3)、深海发射换能器(4)、多个浮球(5)、深海并联声学释放器(6)、锚系重块(7)；其中，多个浮球(5)串联连接；锚系重块(7)固定在海底；主浮体(1)、压力测量仪(2)、水密电子舱(3)、深海发射换能器(4)、多个浮球(5)、深海并联声学释放器(6)、锚系重块(7)之间通过凯夫拉绳(8)连接。
2.根据权利要求1所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述水密电子舱(3)采用高强度钛合金材料制成，其呈球形水密耐压结构。
3.根据权利要求1所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述水密电子舱(3)内设置干端电子设备；所述干端电子设备包括：A级低功耗值班模块，B级高性能处理模块、功放发射模块、强电电源和弱电电源；
所述B级高性能处理模块分别与A级低功耗值班模块和功放发射模块、弱电电源连接，所述弱电电源与B级高性能处理模块和A级低功耗值班模块连接，强电电源与功放发射模块连接；
所述A级低功耗值班模块，用于实现声学发射潜标的低功耗值班，同时监控各模块的工作状态；还用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于控制和切换声学发射潜标的低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式，并在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述B级高性能处理模块，用于生成数字待发射信号；还用于在大功率发射工作模式下，向功放发射模块发送生成的数字待发射信号；
所述功放发射模块，用于接收B级高性能处理模块发送的数字待发射信号，并将其进行数模转换、功率放大，生成大功率电信号，当接收到A级低功耗值班模块发送的脉冲触发信号后，立即将其输出至深海发射换能器(4)；
所述强电电源，用于提供功放发射模块正常工作的电源；
所述弱电电源，用于提供A级低功耗值班模块和B级高性能处理模块正常工作的电源。
4.根据权利要求3所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述A级低功耗值班模块包括：低功耗值班主控单元、时钟单元、接口电路；所述低功耗值班主控单元、时钟单元、接口电路之间通过串口连接；
所述低功耗值班主控单元，用于实现声学发射潜标的低功耗值班，同时监控各模块的工作状态，还用于控制和切换声学发射潜标的低功耗值班工作模式或大功率发射工作模式；
所述时钟单元，用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于实现高精度授时和守时，并在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述接口电路，用于提供串口连接水密电子舱外的压力测量仪(2)，接收压力测量仪(2)测量的压力信息；还用于连接检测设备，对水密电子舱(3)内的干端电子设备进行调试与检测，同时通过检测设备向时钟单元发送发射时间表信息。
5.根据权利要求4所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述时钟单元进一步包括：时钟主控子模块、GPS子模块和高精度原子钟芯片；
所述时钟主控子模块，用于存储来自检测设备的发射时间表信息；还用于接收GPS子模块输出的授时用秒脉冲信号及其对应的时间编码信息，进行内部时钟的授时校准；还用于接收高精度原子钟芯片输出的10MHz时钟脉冲，进行内部时钟的高精度守时；还用于在声学发射的准时时刻到来时，发送脉冲触发信号至功放发射模块；
所述高精度原子钟芯片，用于产生频率为10MHz的时钟脉冲信号，并将其发送至时钟主控子模块；
所述GPS子模块，用于在声学发射潜标入水前，即在岸上时，向时钟主控子模块发送秒脉冲信号及其对应的时间编码信息，为时钟主控子模块提供高精度授时的精确时间。
6.根据权利要求2所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述B级高性能处理模块进一步包括：DSP处理器、FPGA芯片、第一NOR FLASH存储器、第二NOR FLASH存储器、SDRAM存储器、SRAM存储器和NAND FLASH存储器；
所述DSP处理器，用于根据发射时间表中规定的发射信号类型、发射工作频段、发射时长，在声学发射的准时时刻到来前，生成数字待发射信号，并通过FPGA芯片发送至功放发射模块；
所述FPGA芯片，用于接收DSP处理器生成的数字待发射信号，并将其发送至功放发射模块；也用于提供与A级低功耗值班模块连接的SPI接口；
所述SDRAM存储器，用于缓存DSP处理器生成的数字待发射信号；
所述SRAM存储器，用于实现多级存储，所述SRAM存储器用作DSP处理器与SDRAM内存之间的高速缓冲存储器；
所述第一NOR FLASH存储器，用于存储DSP处理器的代码数据；
所述第二NOR FLASH存储器，用于存储DSP处理器执行运算时的数据；
所述NAND FLASH存储器，用于存储B级高性能处理模块的工作日志；还用于存储深海声学发射潜标所有的数字待发射信号。
7.根据权利要求1所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述深海发射换能器(4)采用低频溢流耐压结构，平衡内外压。
8.根据权利要求1所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述浮球(5)和主浮体(1)均用于提供浮力；凯夫拉绳(8)提供系留拉力。
9.根据权利要求1所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述锚系重块(7)，用于提供配重并固定深海声学发射潜标。
10.根据权利要求1所述的深海声学发射潜标，其特征在于，所述并联声学释放器(6)，用于通过遥控释放手段回收声学发射潜标，采用并联方式进行备份，实现可靠回收。
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