CN111464784A - 一种水下自清洁声光监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下自清洁声光监控装置，包括耐压球壳和球壳支撑座，耐压球壳上嵌接观察窗，沿观察窗轴向安装与耐压球壳固接的声光监测设备；耐压球壳与球壳支撑座转动连接，球壳安装座还连接有带有控制电路板的机身外壳。本发明通过球型连接结构实现水体环境中良好的隐蔽性；具有自动定期清洁功能，在清洁过程中不会打断监控任务，硬质清洁橡胶混入少量有毒物质，防止表面附着水生生物；实际工作中可以弥补水下光学观察监视距离小的缺点，同时也提高声学警戒探测目标辨识准确率；采用弹性体清洁能够保护水下结构不受划伤，具有良好适应性；用于港口或者敏感水域水下广泛布放形成监控网，可长时间不间断工作，减少维护成本。

Description

一种水下自清洁声光监控装置

技术领域

本发明涉及水下声光监测技术领域，尤其是一种水下自清洁声光监控装置。

背景技术

在针对水下生物研究的坐底观测，以及近海与敏感海域的海底安全监测等水下监测任务中，监测设备需要长期处于水面以下，因此难以从水面上有效的得知这些水下设备所处的环境及其实时工作状态，影响对监测情况的掌控。对于水下被动监测任务，监测设备往往不需要具备移动能力，但需要长期处于水下定点连续工作状态，无法定期出水进行维护保养。

在水下作业中，常用的声光监测设备如果长时间无人进行维护保养，其表面在海洋环境中会粘附海蛎子等生物附着物，影响工作效果，严重时会使仪器功能失效。部分现有设备在表面涂覆高剂量的有毒物质，对水域生态造成较大的不良影响，同时涂覆层也影响监测效果。

此外在现有的水下探测手段中，声光监测方法占据主导地位。光学成像包含信息丰富，在目标辨识上有着独特的优势，声学探测携带信息量少但是探测距离远。现有的水下探测设备都是光学与声学监测部件独立设计，因此在组成一个功能单元时需要将不同设备连接在一起，暴露在水体中的结构趋于复杂，同时线缆数量与接头也会增加，长时间工作的可靠性会降低，外形结构的复杂多变也会增加维护清理难度。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种水下自清洁声光监控装置，从而使声光监测自由切换，且能实现自清洁工作，不影响实时监测。

本发明所采用的技术方案如下：

一种水下自清洁声光监控装置，包括耐压球壳和球壳支撑座，耐压球壳为鼓形壳体，耐压球壳圆弧面的一处嵌接观察窗，观察窗与耐压球壳同轴设置，沿观察窗轴向安装与耐压球壳固接的声光监测设备；球壳支撑座为柱状结构，球壳支撑座的一端设有与耐压球壳形状相适配的U形安装口，球壳支撑座的另一端为安装平面，耐压球壳嵌入球壳支撑座的U形安装口中，且耐压球壳的两侧平面分别与相邻的U型安装口侧壁转动连接，声呐换能器一旁的耐压球壳内，还安装用于驱动耐压球壳旋转的第一驱动组件；还包括机身外壳，机身外壳也为柱状结构，机身外壳的一端面与球壳支撑座的安装平面贴接，机身外壳的另一端通过水密连接件与外部电源连通，机身外壳的内部安装有用于驱动球壳支撑座旋转的第二驱动组件，第二驱动组件一旁的机身外壳内还安装有控制电路板。

其进一步技术方案在于：

声光监测设备包括声呐换能器和微光相机；位于观察窗一端的耐压球壳内部安装微光相机，微光相机的镜头朝向观察窗；与观察窗相对的耐压球壳圆弧面向中心凹陷形成阶梯形安装槽，阶梯形安装槽内嵌接声呐换能器，声呐换能器的头部与微光相机的镜头反向设置，声呐换能器的头部也为半径与耐压球壳圆弧面相同的弧形结构；

第一驱动组件包括第一蜗轮、第一蜗杆和第一电机，阶梯形安装槽位于耐压球壳内部的一侧安装第一电机，第一电机输出轴与声呐换能器的侧壁平行；

耐压球壳位于第一驱动组件一侧的平面中部穿设第一连接轴，第一连接轴的一侧与球壳支撑座的U形安装口侧壁垂直固接，另一端伸入耐压球壳内部并安装有第一蜗轮，第一蜗轮与第一蜗杆相互配合，第一连接轴伸入耐压球壳的一端端部还旋转安装第一编码器，第一编码器与耐压球壳的内壁固接；耐压球壳另一侧的平面中部开设接线孔，接线孔位于耐压球壳内部的一侧垂直安装有第一光电滑环，第一光电滑环的外侧连接有配套线路，配套线路穿过接线孔并伸入机身外壳内部，与控制电路板连接；

机身外壳与球壳支撑座连接的一端面中部开设垂直开设安装通孔，安装通孔内嵌接第二光电滑环，第二光电滑环一旁的机身外壳内安装有第二电机，第二电机的输出轴与第二光电滑环的侧壁垂直，第二电机输出轴的端部安装第二蜗杆；还包括与第二光电滑环同轴设置的第二连接轴，第二连接轴的一端穿过第二光电滑环并与球壳支撑座固接，第二连接轴的另一端伸入机身外壳内并安装有第二蜗轮，第二蜗轮和第二蜗杆相互配合，第二连接轴伸入机身外壳的一端端部还旋转安装第二编码器，第二编码器与机身外壳的内壁固接；

球壳支撑座的U型安装口还沿圆弧部向另一端凹陷形成碗状凹坑，碗状凹坑中嵌接硬质清洁橡胶，硬质清洁橡胶靠近耐压球壳的一端为与耐压球壳外形相适配的圆弧结构；

观察窗为与耐压球壳圆弧面半径相同的弧形片状结构。

本发明的有益效果如下：

本发明结构合理，操作方便，通过球型连接结构实现水体环境中良好的隐蔽性；具有自动定期清洁功能，在清洁过程中不会打断监控任务，硬质清洁橡胶耐用耐腐蚀，且混入少量有毒物质，在不破坏环境的前提下，防止表面附着水生生物；实际工作中可以弥补水下光学观察监视距离小的缺点，同时也提高声学警戒探测目标辨识准确率；采用弹性体清洁能够保护水下结构不受划伤，具有良好适应性；用于港口或者敏感水域水下广泛布放形成监控网，可长时间不间断工作，减少维护成本。

本发明相较现有技术还具有如下优势：

微光相机和声呐换能器：将声光监测手段集成在同一个耐压球壳内，可以通过耐压球壳的旋转快速切换，能进行互补，弥补光学观测盲区，同时提高声学探测过程中的目标识别率；

硬质清洁橡胶：通过设定，可以在空闲时段，使硬质清洁橡胶和观察窗一级声呐换能器接触，擦拭表面污渍和附着，同时混有少量有毒物质，在不破坏生态环境的前提下，减少水生生物在设备表面的生长，不用在观测面增加涂层，提高观测效果；

两套蜗轮蜗杆装置：提供两个自由度的旋转观测能力，提高声光监测的范围，实现实时多角度监测；

两个光电滑环：在设备组件的发生相对旋转运动时，保护内部线材不收损伤，不发生缠绕现象。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的耐压球壳局部放大图。

其中：1、观察窗；2、耐压球壳；3、球壳支撑座；4、第一蜗轮；5、第一编码器；6、第一连接轴；7、轴承；8、第一蜗杆；9、第一电机；10、硬质清洁橡胶；11、机身外壳；12、第二光电滑环；13、第二蜗轮；14、控制电路板；15、水密连接件；16、第二编码器；17、第二电机；18、第二蜗杆；19、第一螺钉；20、声呐换能器；21、配套线路；22、第一光电滑环；23、微光相机；24、第二螺钉；25、接线孔；26、第二连接轴。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明包括耐压球壳2和球壳支撑座3，耐压球壳2为鼓形壳体，耐压球壳2圆弧面的一处嵌接观察窗1，观察窗1与耐压球壳2同轴设置，沿观察窗1轴向安装与耐压球壳2固接的声光监测设备。

如图2所示，球壳支撑座3为柱状结构，球壳支撑座3的一端设有与耐压球壳2形状相适配的U形安装口，球壳支撑座3的另一端为安装平面，耐压球壳2嵌入球壳支撑座3的U形安装口中，且耐压球壳2的两侧平面分别与相邻的U型安装口侧壁转动连接，声呐换能器20一旁的耐压球壳2内，还安装用于驱动耐压球壳2旋转的第一驱动组件；还包括机身外壳11，机身外壳11也为柱状结构，机身外壳11的一端面与球壳支撑座3的安装平面贴接，机身外壳11的另一端通过水密连接件15与外部电源连通，机身外壳11的内部安装有用于驱动球壳支撑座3旋转的第二驱动组件，第二驱动组件一旁的机身外壳11内还安装有控制电路板14。

声光监测设备包括声呐换能器20和微光相机23；位于观察窗1一端的耐压球壳2内部安装微光相机23，微光相机23的镜头朝向观察窗1；与观察窗1相对的耐压球壳2圆弧面向中心凹陷形成阶梯形安装槽，阶梯形安装槽内嵌接声呐换能器20，声呐换能器20的头部与微光相机23的镜头反向设置，声呐换能器20的头部也为半径与耐压球壳2圆弧面相同的弧形结构。

第一驱动组件包括第一蜗轮4、第一蜗杆8和第一电机9，阶梯形安装槽位于耐压球壳2内部的一侧安装第一电机9，第一电机9输出轴与声呐换能器20的侧壁平行。

耐压球壳2位于第一驱动组件一侧的平面中部穿设第一连接轴6，第一连接轴6的一侧与球壳支撑座3的U形安装口侧壁垂直固接，另一端伸入耐压球壳2内部并安装有第一蜗轮4，第一蜗轮4与第一蜗杆8相互配合，第一连接轴6伸入耐压球壳2的一端端部还旋转安装第一编码器5，第一编码器5与耐压球壳2的内壁固接；耐压球壳2另一侧的平面中部开设接线孔25，接线孔25位于耐压球壳2内部的一侧垂直安装有第一光电滑环22，第一光电滑环22的外侧连接有配套线路21，配套线路21穿过接线孔25并伸入机身外壳11内部，与控制电路板14连接。

机身外壳11与球壳支撑座3连接的一端面中部开设垂直开设安装通孔，安装通孔内嵌接第二光电滑环12，第二光电滑环12一旁的机身外壳11内安装有第二电机17，第二电机17的输出轴与第二光电滑环12的侧壁垂直，第二电机17输出轴的端部安装第二蜗杆18；还包括与第二光电滑环12同轴设置的第二连接轴26，第二连接轴26的一端穿过第二光电滑环12并与球壳支撑座3固接，第二连接轴26的另一端伸入机身外壳11内并安装有第二蜗轮13，第二蜗轮13和第二蜗杆18相互配合，第二连接轴26伸入机身外壳11的一端端部还旋转安装第二编码器16，第二编码器16与机身外壳11的内壁固接。

球壳支撑座3的U型安装口还沿圆弧部向另一端凹陷形成碗状凹坑，碗状凹坑中嵌接硬质清洁橡胶10，硬质清洁橡胶10靠近耐压球壳2的一端为与耐压球壳2外形相适配的圆弧结构。

观察窗1为与耐压球壳2圆弧面半径相同的弧形片状结构。

本发明的具体工作原理如下：

观察窗1用于为微光相机23提供观察口，观察窗1由硬度与透光性好的的蓝宝石制成，与耐压球壳2进行密封连接，采用共形设计，具有与耐压球壳2相同的球面半径，通过第一螺钉19进行固定，整体性强，减少碰撞受损的可能性。

球壳支撑座3具有弧面，弧面半径略大于耐压球壳2半径，确保旋转不受干涉；在弧面上嵌接有碗状的硬质清洁橡胶10并用第二螺钉24固定，硬质清洁橡胶10，硬质清洁橡胶10略微突出，与耐压球壳2紧密贴合具有一定的压力和摩擦力。硬质清洁橡胶10的直径大小确保可以完全覆盖观察窗1和声呐换能器20，用于耐压球壳2旋转时铲除表面的附着物和保护观察窗1和声呐换能器20。

第一蜗轮4和第一蜗杆8用于提供耐压球壳2转动的动力传导，同时起到第一电机9步距角的细分作用，轴承7能辅助耐压球壳2的旋转。

第一编码器5用于记录耐压球壳2与球壳支撑座3发生转动时的相对位置，将位置信号转换为电信号。

第一电机9为耐压球壳2与球壳支撑座3的旋转提供驱动动力。

第一光电滑环22连接机身外壳11与球壳支撑座3，具有水密特性，确保连接部位在转动时能够保持密封状态，保证球壳支撑座3在转动状态下电信号导通又不至于发生线缆缠绕。

第二蜗轮13和第二蜗杆18用于提供球壳支撑座3转动的动力传导，同时起到第二电机17步距角的细分作用。

控制电路板14固定安装在机身外壳11内部，搭载多任务处理器，为各种运算过程提供硬件环境，主要完成图像处理、运动解算与电机驱动与控制、光电信号转换和自身状态的监控等。

水密连接件15连接水密电缆，为机身外壳11内部的线缆进出舱提供通道。

第二编码器16用于记录机身外壳11与球壳支撑座3发生转动时的相对位置，将位置信号转换为电信号。

第二电机17为球壳支撑座3的旋转提供驱动动力。

声呐换能器20与耐压球壳2有相同半径的大小，采用共形设计，声呐换能器20与耐压球壳2通过水密接插件进行连接。

第二光电滑环12连接耐压球壳2与球壳支撑座3，具有水密特性，确保连接部位在转动时能够保持密封状态，保证耐压球壳2在转动状态下电信号导通又不至于发生线缆缠绕。

微光相机23固定安装在耐压球壳2内部，与观察窗1保持同一轴线安装，用于在无照明条件下提供在水下的目标物图像信息。

本发明的具体工作过程如下：

当处于待机工作状态时：

本发明在指定位置进行安装和布放以后，若处于空闲状态，装置的第一电机9与第二电机17在控制电路板14的控制下间歇性的运转，使耐压球壳2与球壳支撑座3做周期性的转动，防止海生生物的长期附着造成转动部位出现卡死现象。同时耐压球壳2的转动使硬质清洁橡胶10与其产生相对运动，使附着在观察窗1与声呐换能器20表面的附着物进行铲除。在耐压球壳2处于静止状态时，观察窗1保持正对硬质清洁橡胶10确保能够被完全覆盖，起到保护观察窗1的功能。硬质清洁橡胶10上只混合入少量有毒物质，仅避免海洋生物附着，同时不会污染水域生态。

当处于声学工作状态时：

本发明的第一电机9与第二电机17在控制电路板14的控制下，将声呐换能器20指向待探测或者监控区域，并作一定范围内的周期性往复扫描，执行警戒动作。在利用声呐换能器20进行警戒的过程中，耐压球壳2周期性旋转，保证耐压球壳2表面干净，不被附着物影响。

在有目标进入声呐换能器20的探测范围后，控制电路板14对信号进行解算得知目标的位置与运动情况，通过第一电机9与第二电机17的驱动，对目标进行跟踪，并根据数据库进行对比判断目标类型，同时将预警信号通过与水密连接件15接合的水密电缆传导到岸基控制台。

当处于光学工作状态时：

当自清洁声光监控装置声呐换能器20检测到的目标过近，到达声学探测的盲区或者需要近距离进行光学观察时，切换到微光相机23工作模式。装置的第一电机9与第二电机17在控制电路板14的控制下，将观察窗1对准原先声呐换能器20指向待探测或者监控区域进行目标搜索与确认，并将数据实时传回岸基控制台。

光学观察结束后，或者目标处于视觉盲区时结束光学工作状态，第一电机9启动，耐压球壳2旋转，观察窗1再次与硬质清洁橡胶10贴接，切换到声学工作状态。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：包括耐压球壳(2)和球壳支撑座(3)，所述耐压球壳(2)为鼓形壳体，耐压球壳(2)圆弧面的一处嵌接观察窗(1)，所述观察窗(1)与耐压球壳(2)同轴设置，沿观察窗(1)轴向安装与耐压球壳(2)固接的声光监测设备；

所述球壳支撑座(3)为柱状结构，球壳支撑座(3)的一端设有与耐压球壳(2)形状相适配的U形安装口，球壳支撑座(3)的另一端为安装平面，耐压球壳(2)嵌入球壳支撑座(3)的U形安装口中，且耐压球壳(2)的两侧平面分别与相邻的U型安装口侧壁转动连接，声呐换能器(20)一旁的耐压球壳(2)内，还安装用于驱动耐压球壳(2)旋转的第一驱动组件；

还包括机身外壳(11)，所述机身外壳(11)也为柱状结构，机身外壳(11)的一端面与球壳支撑座(3)的安装平面贴接，机身外壳(11)的另一端通过水密连接件(15)与外部电源连通，机身外壳(11)的内部安装有用于驱动球壳支撑座(3)旋转的第二驱动组件，第二驱动组件一旁的机身外壳(11)内还安装有控制电路板(14)。

2.如权利要求1所述的一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：所述声光监测设备包括声呐换能器(20)和微光相机(23)；

位于观察窗(1)一端的耐压球壳(2)内部安装微光相机(23)，微光相机(23)的镜头朝向观察窗(1)；

与观察窗(1)相对的耐压球壳(2)圆弧面向中心凹陷形成阶梯形安装槽，所述阶梯形安装槽内嵌接声呐换能器(20)，所述声呐换能器(20)的头部与微光相机(23)的镜头反向设置，声呐换能器(20)的头部也为半径与耐压球壳(2)圆弧面相同的弧形结构。

3.如权利要求1所述的一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：所述第一驱动组件包括第一蜗轮(4)、第一蜗杆(8)和第一电机(9)，阶梯形安装槽位于耐压球壳(2)内部的一侧安装第一电机(9)，第一电机(9)输出轴与声呐换能器(20)的侧壁平行。

4.如权利要求1所述的一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：所述耐压球壳(2)位于第一驱动组件一侧的平面中部穿设第一连接轴(6)，所述第一连接轴(6)的一侧与球壳支撑座(3)的U形安装口侧壁垂直固接，另一端伸入耐压球壳(2)内部并安装有第一蜗轮(4)，所述第一蜗轮(4)与第一蜗杆(8)相互配合，第一连接轴(6)伸入耐压球壳(2)的一端端部还旋转安装第一编码器(5)，所述第一编码器(5)与耐压球壳(2)的内壁固接；

所述耐压球壳(2)另一侧的平面中部开设接线孔(25)，所述接线孔(25)位于耐压球壳(2)内部的一侧垂直安装有第一光电滑环(22)，第一光电滑环(22)的外侧连接有配套线路(21)，所述配套线路(21)穿过接线孔(25)并伸入机身外壳(11)内部，与控制电路板(14)连接。

5.权利要求1所述的一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：所述机身外壳(11)与球壳支撑座(3)连接的一端面中部开设垂直开设安装通孔，所述安装通孔内嵌接第二光电滑环(12)，所述第二光电滑环(12)一旁的机身外壳(11)内安装有第二电机(17)，第二电机(17)的输出轴与第二光电滑环(12)的侧壁垂直，第二电机(17)输出轴的端部安装第二蜗杆(18)；

还包括与第二光电滑环(12)同轴设置的第二连接轴(26)，所述第二连接轴(26)的一端穿过第二光电滑环(12)并与球壳支撑座(3)固接，第二连接轴(26)的另一端伸入机身外壳(11)内并安装有第二蜗轮(13)，所述第二蜗轮(13)和第二蜗杆(18)相互配合，第二连接轴(26)伸入机身外壳(11)的一端端部还旋转安装第二编码器(16)，所述第二编码器(16)与机身外壳(11)的内壁固接。

6.如权利要求1所述的一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：所述球壳支撑座(3)的U型安装口还沿圆弧部向另一端凹陷形成碗状凹坑，所述碗状凹坑中嵌接硬质清洁橡胶(10)，硬质清洁橡胶(10)靠近耐压球壳(2)的一端为与耐压球壳(2)外形相适配的圆弧结构。

7.如权利要求1所述的一种水下自清洁声光监控装置，其特征在于：所述观察窗(1)为与耐压球壳(2)圆弧面半径相同的弧形片状结构。

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