CN111504253A - 一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法 - Google Patents

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刘鑫
兰华林
师俊杰
滕婷婷
梅继丹
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Abstract

一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，本发明涉及水下三维声学立体阵确定方法。本发明的目的是为了解决现有的海洋声学信息获取系统存在体积大、人力/物力消耗大和观测地点固定等问题。过程为：水下三维声学立体阵由水听器立体阵、水下拖体、翼板和姿态传感器组成；所述水听器立体阵由六个水听器构成，六只水听器两个一组，分别安装于水下拖体X、Y、Z三个方向上；所述水下拖体上安装六块翼板，在每个翼板的端部加装水听器；所述姿态传感器安装在水下拖体中，获取水下三维声学立体阵的磁航向；估计出海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的真实方位角和俯仰角。本发明用于海洋环境检测设备领域。

Description

一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法
技术领域
本发明涉及海洋环境检测设备领域，具体涉及水下三维声学立体阵确定方法。
背景技术
海洋声学信息是海洋环境的一种重要参数，包含海洋环境背景噪声、海洋生物声信号和航船声信号等，通过海洋声学信息可以得到多种海洋环境参数，同时也是影响声纳性能的一个重要参数。
波浪滑翔机的水下三维立体阵具有体积小、成本低廉、能够独立同步获取海洋声场中X、Y、Z三维声场信息的特点，使用波浪滑翔机等小型机动平台拖曳运动获取海洋声学信息。水下三维声学立体阵加装于波浪滑翔机上组成大范围定深海洋声学信息获取系统在海洋环境噪声观测、生物噪声观测和航船噪声观测等方面具有广阔的应用前景。现有的海洋声学信息获取系统，例如船载声学观测系统、潜标声学观测系统和岸基阵声学观测系统，存在体积大、人力/物力消耗大和观测地点固定等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的海洋声学信息获取系统存在体积大、人力/物力消耗大和观测地点固定等问题，而提出一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法。
一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法具体过程为：
水下三维声学立体阵由水听器立体阵、水下拖体、翼板和姿态传感器组成；
所述水听器立体阵由六个水听器构成，六只水听器两个一组，分别安装于水下拖体X、Y、Z三个方向上，X方向的两个水听器获取X维度声场信息，Y方向的两个水听器获取Y维度声场信息，Z方向的两个水听器获取Z维度声场信息，X、Y、Z三个方向正交，三组水听器同步获取海洋声场的X、Y、Z三维空间信息；
所述水下拖体上安装六块翼板，在每个翼板的端部加装水听器；
所述姿态传感器安装在水下拖体中，水下拖体中加装的姿态传感器获取水下三维声学立体阵的磁航向；
基于海洋声场中的三维信息和水下三维声学立体阵的磁航向，估计出海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的真实方位角和俯仰角。
本发明的效益：
本发明的目的是提供一种适用于波浪滑翔机拖曳航行的水下三维声学立体阵设计方法，该立体阵能够由波浪滑翔机拖曳航行，大范围的获取航线上的海洋声学信息。该声学立体阵具有体积小、成本低廉的特点，能够同步的获取海洋声场中的X、Y、Z三维声场信息，并能够确定海洋生物噪声、航船噪声或其它声信号的空间方位特性；解决了现有的海洋声学信息获取系统存在体积大、人力/物力消耗大和观测地点固定等问题。
海洋中甚低频声信号的空间方位测量时常用直线阵或矢量水听器，线阵长度几十米到上千米，矢量水听器易受到工作平台振动的干扰导致测量失真。水下三维声学立体阵体积小，抗干扰性强，可以实现低频声信号的空间方位测量，图4是海上试验中水下三维声学立体阵对73Hz声信号测量结果，在21小时到30小时内的测量结果与根据声信号GPS位置测量的结果相一致。利用水下三维声学立体阵测量舰船的方位信息与舰船GPS位置推算的方位信息相一致，表明水下三维声学立体阵能够对舰船的方位进行测量。
该水下三维声学立体阵适用于波浪滑翔机等小型平台，由波浪滑翔器拖曳航行获取航线上的海洋声场信息。六个声压水听器分别在翼板的端部，获得最大基线长度。每两个水听器组合获取一维的声场信息，三组水听器同步获取海洋声场的X、Y、Z三维空间信息。获取的海洋声场三维信息结合水下拖体的姿态可以确定海洋中声信号的实际方位角和俯仰角。
本发明中的水下三维声学立体阵能够同时获取海洋声场中的三维信息，具有体积小和成本低的特点，并能够实现声信号的方位估计。在波浪滑翔机的拖曳下自动获取航线上的海洋环境声学信息，无需工作人员持续介入，可以在恶劣海况下获取海洋声学信息，提高了海洋声学信息获取的效率，降低了人力成本。
附图说明：
图1是水下三维声学立体阵与波浪滑翔机的连接方式图；1为波浪滑翔机；2为水下定深拖曳缆；3为伸缩减振结构；4为水下三维声学立体阵；
图2是水下三维声学立体阵示意图，5为水听器立体阵；6为翼板；7为水下拖体；8为姿态传感器；9为导流罩；
图3是水听器立体阵位置关系图，10为Y维度水听器；11为Z维度水听器；12为X维度水听器；
图4是海上试验中水下三维声学立体阵和GPS位置测量对73Hz声信号测量结果图，13为立体阵方位测量结果；14为GPS方位测量结果。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法具体过程为：
水下三维声学立体阵由水听器立体阵、水下拖体、翼板和姿态传感器组成；
所述水听器立体阵由六个水听器构成，六只水听器两个一组，分别安装于水下拖体X、Y、Z三个方向上，X方向的两个水听器获取X维度声场信息，Y方向的两个水听器获取Y维度声场信息，Z方向的两个水听器获取Z维度声场信息，X、Y、Z三个方向正交，三组水听器同步获取海洋声场的X、Y、Z三维空间信息，即每个方向上的两个水听器获取声压信息；
所述水下拖体上安装六块翼板，在每个翼板的端部加装水听器，扩展了两个水听器的空间距离，并且远离水下拖体，避免了水下拖体对水听器的声遮挡，水听器的灵敏度、指向性等参数不发生畸变；
所述姿态传感器安装在水下拖体中，水下拖体中加装的姿态传感器获取水下三维声学立体阵的磁航向；
基于海洋声场中的三维信息和水下三维声学立体阵的磁航向，估计出海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的真实方位角和俯仰角；
该水下三维声学立体阵适用于波浪滑翔机等小型平台，由波浪滑翔器拖曳水下三维声学立体阵航行获取航线上的海洋声场信息，六个声压水听器分别在翼板的端部，获得最大基线长度。每两个水听器组合获取一维的声场信息，三组水听器同步获取海洋声场的X、Y、Z三维空间信息。获取的海洋声场三维信息结合水下拖体的姿态可以确定海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的真实方位角和俯仰角。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述X维度上的两个水听器连线、Y维度上的两个水听器连线分别与水下拖体的中轴线呈45°角。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述X维度的两个水听器安装在水下拖体中轴线上，Y维度的两个水听器安装在水下拖体中轴线的垂线上，在X维度的两个水听器空间距离和Y维度的两个水听器空间距离相等的条件下，水下三维声学立体阵的宽度和长度减小到
Figure BDA0002450921230000031
倍。
相比较X维度的两个水听器安装在水下拖体的中轴线上，不用在水下拖体上安装水听器及预留水听器的无遮挡空间，减小了水下拖体的体积，同时也减小了水下拖体对水听器灵敏度、指向性等参数的影响。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述水下三维声学立体阵通过伸缩减振机构和水下定深拖曳缆连接在波浪滑翔机下面，由波浪滑翔器平台拖曳航行，获取航线上的海洋声学信息，海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的真实方位角和俯仰角。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述水下三维声学立体阵采用圆片型水听器，使用水听器的厚度方向作为迎流面，水听器嵌入翼板中，与翼板共型；在水听器的迎流面加装透声导流罩，减小波浪滑翔器拖曳运动时的流阻力，同时也降低了流噪声。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述X维度上的两个水听器连线的中心、Y维度上的两个水听器连线的中心、Z维度上的两个水听器连线的中心位于同一点，获取的是海洋声场中同一中心点三维信息，在进行声信号空间方位测量时不会因中心点不一致产生偏差。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
水下三维声学立体阵由水听器立体阵、水下拖体、翼板和姿态传感器组成；
所述水听器立体阵由六个水听器构成，六只水听器两个一组，分别安装于水下拖体X、Y、Z三个方向上，X方向的两个水听器获取X维度声场信息，Y方向的两个水听器获取Y维度声场信息，Z方向的两个水听器获取Z维度声场信息，X、Y、Z三个方向正交，三组水听器同步获取海洋声场的X、Y、Z三维空间信息；
所述水下拖体上安装六块翼板，在每个翼板的端部加装水听器；
所述姿态传感器安装在水下拖体中，水下拖体中加装的姿态传感器获取水下三维声学立体阵的磁航向；
基于海洋声场中的三维信息和水下三维声学立体阵的磁航向，估计出海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的方位角和俯仰角。
2.根据权利要求1所述一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，其特征在于：所述X维度上的两个水听器连线、Y维度上的两个水听器连线分别与水下拖体的中轴线呈45°角。
3.根据权利要求1所述一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，其特征在于：所述X维度的两个水听器安装在水下拖体中轴线上，Y维度的两个水听器安装在水下拖体中轴线的垂线上，在X维度的两个水听器空间距离和Y维度的两个水听器空间距离相等的条件下，水下三维声学立体阵的宽度和长度减小到
Figure FDA0002450921220000011
倍。
4.根据权利要求3所述一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，其特征在于：所述水下三维声学立体阵通过伸缩减振机构和水下定深拖曳缆连接在波浪滑翔机下面，由波浪滑翔器平台拖曳航行，获取航线上的海洋声学信息，确定海洋中不同声信号相对于水下三维声学立体阵的真实方位角和俯仰角。
5.根据权利要求4所述一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，其特征在于：所述水下三维声学立体阵采用圆片型水听器，使用水听器的厚度方向作为迎流面，水听器嵌入翼板中；在水听器的迎流面加装透声导流罩。
6.根据权利要求5所述一种波浪滑翔机的水下三维声学立体阵确定方法，其特征在于：所述X维度上的两个水听器连线的中心、Y维度上的两个水听器连线的中心、Z维度上的两个水听器连线的中心位于同一点，获取的是海洋声场中同一中心点三维信息。
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