CN111717359A - 一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器 - Google Patents

一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，通过搭载在波浪滑翔器上的蒸发波导电磁信道监测系统，建立近海面信道监测链路，根据应用需求，规划波浪滑翔器运动路径，得到指定海区、指定频率的信道监测数据及海洋气象数据，并通过北斗通信技术，将实时监测的数据信息传输至岸基服务平台，利用蒸发波导反演、插值等算法，得到大面积区域蒸发波导分布特性，具有监测面积广、续航时间长、实时准确等优点，最终可实现海量基础数据积累、海洋环境实时监控、海洋监测数据共享，为海洋及电磁环境探测、频谱管理、电子系统辅助决策等提供数据支持与技术支撑。

Description

一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器
技术领域
本发明属于近海面蒸发波导、海洋工程、海上电磁波传播、海上监测等技术领域，涉及一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，用于近海面区域蒸发波导电磁信道监测。
背景技术
蒸发波导是一种固有的物理现象，蒸发波导对近海面电磁波传播具有重要影响，能够使电磁波在近海面进行超视距传输，对雷达、通信、电子对抗等无线电系统的性能影响重大，准确掌握近海面蒸发波导分布特性尤为关键。
现有的电磁信道监测手段难以实现大面积、长时间、实时的蒸发波导信道监测，利用大型船只进行监测，往往存在监测成本高、监测时效性差、船体本身电磁环境复杂、天线易受遮挡等缺点。波浪滑翔器是一种新型海洋无人航行器，完全依靠波浪能和太阳能作为动力推进、电力来源，克服了大范围、长航时的难题，具有续航能力强、自主控制、绿色环保、经济实惠等优点，因此可以利用波浪滑翔器作为蒸发波导信道监测的载体，提前规划监测路径，自主完成蒸发波导信道监测。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，多台波浪滑翔器组成蒸发波导信道监测。
技术方案
一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，包括水上船体部分和水下牵引机；所述的水上船体部分包括太阳能电池板、配重、上浮体、水密接头、机箱盖、电池组、传感器舱、吊点、稳定舵；所述的水下牵引机包括柔性吊缆、牵引机主梁、摆动机翼、螺旋桨模块、电机、转向尾舵、电子罗盘；水上船体部分和水下牵引机通过柔性吊缆连接，由水下牵引机通过柔性吊缆牵引水上船体部分航行前进；其特征在于还包括蒸发波导信道监测模块：控制器模块2-9、微波信道监测机箱模块2-8、天线模块、气象数据采集模块、北斗定位通信模块2-7和云台摄像机模块2-6；控制器模块2-9和微波信道监测机箱模块2-8置于船舱太阳能电池板下方，天线模块、气象数据采集模块的自动气象站2-5、北斗定位通信模块2-7和云台摄像机模块2-6置于船舱太阳能电池板上方，气象数据采集模块的海水温度传感器2-10位于上浮体1-3的舱底；所述微波信道监测机箱模块2-8内包括信号源、频谱仪、隔离器、功率放大器、环形器和低噪声放大器；所述蒸发波导信道监测模块内电路信号流关系为：控制器模块2-9接收北斗定位通信模块2-7的指令，将指令通过微波信道监测机箱模块2-8内的发送信号源、发送隔离器和功率放大器，再经过环形器传至天线模块的天线并发送，天线接收的信号经过环形器，再通过接收隔离器、接收信号源和频谱仪传至控制器模块2-9；同时，控制器模块2-9接收自动气象站2-5、海水温度传感器2-10和云台摄像机模块的数据，并将这些数据上传至北斗定位通信模块2-7。
所述控制器模块2-9选用工业级小型工控机。
所述天线模块包括天线罩2-1、全向天线2-2、稳定平台2-3和可伸缩天线杆2-4；稳定平台2-3位于可伸缩天线杆2-4顶端，稳定平台2-3上设有全向天线2-2，全向天线2-2外部设有天线罩2-1。
所述天线罩2-1采用聚氯乙烯PVC材料。
所述全向天线2-2的工作频率选择在2～20GHz，极化方式为水平极化。
所述自动气象站2-5采用AIRMAR自动气象站。
所述海水温度传感器2-10采用接触式海水温度传感器。
所述云台摄像机模块2-6为三轴机械云台摄像机。
有益效果
本发明提出的一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，通过搭载在波浪滑翔器上的蒸发波导电磁信道监测系统，建立近海面信道监测链路，根据应用需求，规划波浪滑翔器运动路径，得到指定海区、指定频率的信道监测数据及海洋气象数据，并通过北斗通信技术，将实时监测的数据信息传输至岸基服务平台，利用蒸发波导反演、插值等算法，得到大面积区域蒸发波导分布特性，具有监测面积广、续航时间长、实时准确等优点，最终可实现海量基础数据积累、海洋环境实时监控、海洋监测数据共享，为海洋及电磁环境探测、频谱管理、电子系统辅助决策等提供数据支持与技术支撑。
有益效果体现为以下几个方面：
(1)电磁信道监测系统与波浪滑翔器结合，能够提前规划监测链路，得到指定海域的蒸发波导信道分布，并且克服了大型船体上天线高度过高、监测时效性差、天线易受遮挡、船体本身电磁环境及能量分布复杂的影响，能够实现全天候蒸发波导电磁信道监测。
(2)电磁信道监测系统通过搭载多台波浪滑翔器，建立区域监测链路，通过北斗将收发信号电平等信道信息发送到岸基指挥中心，然后反演区域蒸发波导分布，可实现无人自主、全天候蒸发波导电磁信道监测，监测结果可覆盖多海域、多季节、多频点、多天线高度，信道监测结果具有准确实时、监测时间长、覆盖面积大等优点。
(3)本发明的具有电磁信道监测系统的波浪滑翔器的，完全依靠波浪能和太阳能提供动力和电力，具有集成度高、自主控制、作业任务专一、操作简单方便、易维护、监测成本低、航行时间长等优点，适合大面积、长时间的蒸发波导信道监测任务。
附图说明
图1为基于波浪滑翔器的电磁信道监测系统结构图。
图2为蒸发波导信道监测模块组成框图。
图3为基于波浪滑翔器的电磁信道监测系统工作示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，系统包括海洋波浪滑翔器和蒸发波导信道监测模块，蒸发波导信道监测模块组成框图如图2所示，基于波浪滑翔器的电磁信道监测系统工作示意图如图3所示。
所述的海洋波浪滑翔器包括水上船体部分和水下牵引机。所述的水上船体部分包括太阳能电池板(1-1，1-5)、配重1-2、上浮体1-3、水密接头1-4、机箱盖1-6、电池组1-7、传感器舱1-8、吊点1-9、稳定舵1-10；所述的水下牵引机包括柔性吊缆1-11、牵引机主梁1-12、摆动机翼1-13、螺旋桨模块1-14、电机1-15、转向尾舵1-16、电子罗盘1-17；水上船体部分和水下牵引机通过柔性吊缆1-11连接，由水下牵引机通过柔性吊缆1-11牵引水上船体部分航行前进；所述的太阳能电池板包括固定太阳能电池板1-5和可折叠太阳能电池板1-1，其中固定太阳能板1-5安装在船体表面，可折叠太阳能电池板1-1固定在船体中部两侧。
所述的蒸发波导信道监测模块包括控制器模块2-9、微波信道监测机箱模块2-8、天线模块，天线模块包括天线罩2-1、全向天线2-2、稳定平台2-3、可伸缩天线杆2-4；、气象数据采集模块，包括AIRMAR自动气象站2-5及接触式海水温度传感器2-10、北斗定位通信模块2-7、云台摄像机模块2-6。
所述的控制器模块2-9选用工业级小型工控机，加载控制程序实现对整个监测系统的控制功能；所述的微波信道监测机箱2-8模块包括信号源、频谱仪、隔离器、功率放大器、环形器、低噪声放大器，与天线模块相连，用于发射和接收测试信号，得到反映蒸发波导信道特性的电平数据，以上硬件频率范围均可选择在2～20GHz。
所述天线罩2-1材料为聚氯乙烯(PVC)，全向天线2-2工作频率可选择在2～20GHz，极化方式为水平极化，稳定平台2-3用于解决天线摇摆问题，可伸缩天线杆2-4用于改变天线高度，测量不同天线高度的电平值；所述的气象数据采集模块包括AIRMAR自动气象站2-5及接触式海水温度传感器2-10，用于测量蒸发波导监测需要的气象参数；所述的北斗定位通信模块2-7为北斗用户机，用于接收岸基中心的监测指令，发送监测系统采集的信道数据、气象数据以及波浪滑翔器航向、航速等定位数据；云台摄像机模块2-6为三轴机械云台摄像机，自动记录滑翔器周边影像资料，并存储在自带的硬盘中，记录的影像资料可以为后期分析监测系统数据提供参考，例如监测区域的海浪大小、是否存在障碍物等信息。
所述的控制器模块2-9与北斗定位通信模块2-7相连，接收岸基指挥中心发送的监测指令，控制器模块2-9通过北斗定位通信模块2-7将信道监测数据、气象数据、路径信息、设备自身信息实时上传至岸基指挥中心。
所述的控制器模块2-9与微波信道监测机箱模块2-8相连，控制器模块2-9将监测指令发送到信号源，设置信号频率；控制器模块2-9设置可伸缩天线杆高度2-4；频谱仪将采集的信号电平传输给控制器模块2-9。
所述的气象数据采集模块与控制器模块2-9相连，测量要素包括真实风速、大气压、空气温度、相对湿度和海水表面温度等气象参数，气象数据采集模块将测量数据传输给控制器模块2-9。
所述的控制器模块2-9与可折叠太阳能电池板1-1相连，根据测量的海况信息及光照信息，控制可折叠太阳能电池板1-1的展开与折叠。
所述的控制器模块2-9与水下牵引机相连，控制器模块2-9根据监测指令中的路径数据，控制水下牵引机中的螺旋桨模块1-14、电机1-15以及转向尾舵1-16，实现波浪滑翔器的运动控制。
各部件之间的连接接口均采用水密插接件。
所述的基于波浪滑翔器的电磁信道监测系统，其节点数可选为2-20个，3个以上节点可用于区域蒸发波导电磁信道监测。
所述的基于波浪滑翔器的电磁信道监测系统，其节点间的监测距离范围为10-150公里，可根据气象条件及监测质量调节节点间距。

Claims (8)

1.一种具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，包括水上船体部分和水下牵引机；所述的水上船体部分包括太阳能电池板、配重、上浮体、水密接头、机箱盖、电池组、传感器舱、吊点、稳定舵；所述的水下牵引机包括柔性吊缆、牵引机主梁、摆动机翼、螺旋桨模块、电机、转向尾舵、电子罗盘；水上船体部分和水下牵引机通过柔性吊缆连接，由水下牵引机通过柔性吊缆牵引水上船体部分航行前进；其特征在于还包括蒸发波导信道监测模块：控制器模块(2-9)、微波信道监测机箱模块(2-8)、天线模块、气象数据采集模块、北斗定位通信模块(2-7)和云台摄像机模块(2-6)；控制器模块(2-9)和微波信道监测机箱模块(2-8)置于船舱太阳能电池板下方，天线模块、气象数据采集模块的自动气象站(2-5)、北斗定位通信模块(2-7)和云台摄像机模块(2-6)置于船舱太阳能电池板上方，气象数据采集模块的海水温度传感器(2-10)位于上浮体(1-3)的舱底；所述微波信道监测机箱模块(2-8)内包括信号源、频谱仪、隔离器、功率放大器、环形器和低噪声放大器；所述蒸发波导信道监测模块内电路信号流关系为：控制器模块(2-9)接收北斗定位通信模块(2-7)的指令，将指令通过微波信道监测机箱模块(2-8)内的发送信号源、发送隔离器和功率放大器，再经过环形器传至天线模块的天线并发送，天线接收的信号经过环形器，再通过接收隔离器、接收信号源和频谱仪传至控制器模块(2-9)；同时，控制器模块(2-9)接收自动气象站(2-5)、海水温度传感器(2-10)和云台摄像机模块的数据，并将这些数据上传至北斗定位通信模块(2-7)。
2.根据权利要求1所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述控制器模块(2-9)选用工业级小型工控机。
3.根据权利要求1所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述天线模块包括天线罩(2-1)、全向天线(2-2)、稳定平台(2-3)和可伸缩天线杆(2-4)；稳定平台(2-3)位于可伸缩天线杆(2-4)顶端，稳定平台(2-3)上设有全向天线(2-2)，全向天线(2-2)外部设有天线罩(2-1)。
4.根据权利要求3所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述天线罩(2-1)采用聚氯乙烯PVC材料。
5.根据权利要求3所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述全向天线(2-2)的工作频率选择在2～20GHz，极化方式为水平极化。
6.根据权利要求1所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述自动气象站(2-5)采用AIRMAR自动气象站。
7.根据权利要求1所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述海水温度传感器(2-10)采用接触式海水温度传感器。
8.根据权利要求1所述的具有蒸发波导监测系统的波浪滑翔器，其特征在于：所述云台摄像机模块(2-6)为三轴机械云台摄像机。
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