CN112977724A - 自升降水声通讯浮标 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通讯浮标技术领域，尤其涉及一种自升降水声通讯浮标，包括：天线；浮标壳体，所述浮标壳体内部设置有控制及通信模块、内油箱、电源模块、浮力驱动系统、外油囊；所述浮标壳体的底部连接水声通讯机，所述水声通讯机通过通信缆与主浮体连接，所述水声通讯机与所述主浮体之间同时进行声学通信和有缆通信；其中任一种正常工作即可完成通信，提高了通信可靠性，采用浮力驱动系统、气囊、浮力补偿模块共同作用，以获得较大的浮力调节量，在降低浮标系统偏降的同时保证天线的出水高度，提高通信的成功率。
Description
技术领域
本发明属于通讯浮标技术领域，尤其涉及一种自升降水声通讯浮标。
背景技术
近年来我国对海洋环境数据的需求逐年增加，特别针对敏感海域，对水下观测网的隐蔽性提出要求。由于目前水下通信只能依靠水声通信或有缆通信其中一种方式，对水下数据传输的可靠性提出了更高要求。
目前水下隐蔽观测网的数据实时传输手段通常以水下绞车、一次性上浮浮标为主。
水下绞车安装于水下主浮体上，末端连接正浮力无动力浮标，通过绞车收放缆，以有缆通信方式将数据传送至岸站；中国专利CN102167136B公开了一种海洋升降潜标系统，浮标通过通信系留缆连接水下绞车，潜标安装于主浮体上，与通信浮标之前采用通信系留缆通信，通信系留缆在收放过程中易发生磨损、缠绕，导致水下绞车长期无人值守，可靠性低。
一次性上浮浮标本身为正浮力，通过锁止机构固定于主浮体上，当需要通信时，锁止机构打开，浮标在自身浮力作用下上浮至水面并将数据发送至岸站，上浮后浮标不可重复使用。中国专利CN104890816B公开了一种定时卫星通讯潜标，主浮体上搭载有若干卫星通信浮标，其本身为正浮力，通过释放机构与主浮体连接。当需要通信时，释放机构打开，卫星通信浮标上浮至水面完成通信后，自动损毁，为一次性通信浮标，每个浮标只能通信一次，通信成本高成为限制其应用的主要因素。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种声学通讯与有缆通讯两种通讯方式并行，通信可靠性高的自升降水声通讯浮标。
本发明提供一种自升降水声通讯浮标，包括：
天线；
浮标壳体，所述浮标壳体内部设置有控制及通信模块、内油箱、电源模块、浮力驱动系统、外油囊；
其中，所述浮标壳体的底部连接水声通讯机，所述水声通讯机通过通信缆与主浮体连接，所述水声通讯机与所述主浮体之间同时进行声学通信和有缆通信。
本技术方案中，由于水声通讯机的设置，使得主浮体的信息可同时通过通信缆以及声学通信的方式进行传输，提高了通讯的可靠性。
在其中一些实施例中，所述水声通讯机与所述浮标壳体可转动的连接，所述水声通讯机可自由转动。
在其中一些实施例中，所述水声通讯机通过自动指向装置与所述浮标壳体连接，水流速度较大时，浮标远离所述主浮体时，所述水声通讯机在所述自动指向装置的作用下，无论水流的冲击作用多大，所述水声通讯机始终自动指向所述主浮体，提高水声通信机的通信成功率。
在其中一些实施例中，所述自动指向装置为细长杆状结构，且所述自动指向装置的上端与浮标壳体的下端铰接，水流冲击下，自动指向装置的开角小于声学通讯机的开角范围，所述水声通讯机沿所述自动指向装置的长度方向固定，由于所述水声通讯机是固定安装在所述自动指向装置上，在水流的冲击下，自动指向装置始终指向所述主浮体，提高了水声通信机的通信成功率。
在其中一些实施例中，所述浮标壳体自上而下依次为上端盖、耐压壳体、水密穿舱件、导流罩，所述耐压壳体内部形成耐压舱，所述上端盖的顶部设置有压力传感器，所述压力传感器读取外部压力数据，测算浮标工作水深及沉浮状态。
在其中一些实施例中，所述耐压壳体外部靠上的位置处设置有气囊，浮标靠近水面时所述气囊内部充气，为浮标提供更大的正浮力，减小系统偏降，可以保证所述天线的出水高度，提高通信成功率。
在其中一些实施例中，所述导流罩为Myring线型，所述浮标壳体整体呈细长圆柱形，实现浮标的低流阻特性，使所述浮标可在海水流速较大时，仍能保证低阻力，减小浮标的偏降。
在其中一些实施例中，所述浮标壳体内部还设置有可在水压下缩小体积的浮力补偿模块，所述浮力补偿模块提高了所述浮标的低流阻特性，可在海水流速较大时保证浮标低阻力，减小浮标发生偏降。
在其中一些实施例中，所述浮力补偿模块为内部填充甲基硅油的弹性元件。
在其中一些实施例中，所述浮力驱动系统基于泵阀元件，设置于所述耐压舱的中部，通过双向齿轮泵调节所述内油箱和所述外油囊中的液压油体积，改变浮标的浮力状态从而调整其工作水深。
在其中一些实施例中，所述控制及通信模块位于所述耐压舱上方，用以控制浮标沉浮策略及作业流程，并将浮标数据通过天线发送至岸站；所述电源模块安装在所述耐压舱内下方，以降低浮标的重心位置，为整个浮标提供控制、驱动能源。
1.基于上述技术方案，本发明的自升降水声通讯浮标两种通讯方式并行，水声通讯机与主浮体之间既可以通过通信缆通信又能进行声学通信，其中任一种正常工作即可完成通信，提高了通信可靠性；
2.自动指向装置的设置使得水声通讯机时刻指向主浮体，提高通信成功率；
3.本发明的自升降水声通讯浮标采用浮力驱动系统、气囊、浮力补偿模块共同作用，以获得较大的浮力调节量，在降低浮标系统偏降的同时保证天线的出水高度，提高通信的成功率；
4.浮标壳体采用低流阻的细圆柱形外形，导流罩为Myring线型，特别适用于海流速度大的观测海域，可有效降低系统偏降，提高通信成功率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明自升降水声通讯浮标的一个实施例的外部结构示意图；
图2为图1的内部结构示意图；
图3为水声通讯机的结构示意图；
图4为图3的爆炸结构示意图；
图5为本发明自升降水声通讯浮标的一个应用实例的结构示意图；
图6为本发明自升降水声通讯浮标的一个应用实例的结构示意图。
图中：
10、天线；11、通信终端；20、浮标壳体；21、控制及通信模块；22、内油箱；23、电源模块；24、浮力驱动系统；25、外油囊；26、上端盖；261、压力传感器；27、耐压壳体；271、气囊；272、耐压舱；28、水密穿舱件；29、导流罩；291、连接部；292、浮力补偿模块；30、水声通讯机；31、第一连接孔；32、第二连接孔；40、主浮体；41、通信缆；50、自动指向装置；51、夹持部；511、通孔；52、连接孔；53、抱箍；60、声学释放器；70、坐底锚。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图1～2所示，在本发明示例性实施例中，自升降水声通讯浮标，包括：天线10、浮标壳体20；天线10的位于浮标壳体20的顶部，呈细长杆状结构，天线10的头部安装有通信终端11，当浮标壳体20在海水中时，能够保证天线10正常通信的出水高度，通信终端11能够正常进行数据的传送。
如图1所示，浮标壳体20自上而下依次为上端盖26、耐压壳体27、水密穿舱件28、导流罩29，耐压壳体27内形成耐压舱272；如图2所示，浮标壳体20的内部设置有控制及通信模块21、内油箱22、电源模块23、浮力驱动系统24、外油囊25。
由于自升降往复式定点剖面浮标刚刚起步，为保证隐蔽性，主浮体40长期处于水下几百米水深，当要发送观测数据时，将数据只能通过通信缆或水声通信机进行声学通信的其中一种方式，将信息传递至自升降水声通信浮标，通信浮标上浮至水面后，通过天线发送至岸站。但此工作模式存在弊端：由于浮标在水下做循环剖面运动，通信缆在往复的运动过程中易受疲劳破坏，导致接触不良及胶皮开裂进水短路，从而通信失败；因此本申请的浮标壳体20的底部连接水声通讯机30，水声通讯机30通过通信缆41与主浮体40连接，水声通讯机30与主浮体40之间既能通过通信缆41进行通信，又能进行声学通信，其中任一种正常工作即可完成通信，提高了通信可靠性。
现有技术中，通过浮标端搭载声学通信机30实现与主浮体40间的信息传递时，声学通信机30通信多有一定的开角范围，当水流速度较大时，通信浮标与主浮体之间倾斜角度较大，容易出现声学通信机30通信失败的情况；因此，本申请的实施例中，水声通讯机30的上端与所述浮标壳体20的下端可转动的连接，所述水声通讯机30可自由转动；水流速度较大时，通信浮标会远离主浮体40，水声通讯机30与浮标壳体20之间通过自动指向装置50连接，自动指向装置50使得水声通讯机30自动指向主浮体40；在本实施例中，如图3-4所示，自动指向装置50为细长杆状结构，自动指向装置50的上端与浮标壳体20的下端铰接，自动指向装置的上端为U型夹持部51，U型夹持部51上对称开有通孔511，浮标壳体20底端的导流罩29上设置有安装部291，安装部291上设置有安装孔(图中未示出)，安装部291置于夹持部51中间，销轴依次穿过通孔511、安装孔、另一通孔511，实现与浮标壳体20的铰接；自动指向装置50的下端开有连接孔52，连接孔52与主浮体40通过通信缆41连接；水声通讯机30通过抱箍53固定在自动指向装置50上，如图4所示，水声通讯机30用两个半圆形的抱箍对接固定，一侧抱箍固定在自动指向装置上，另一侧抱箍通过螺栓与对侧抱箍固定在一起，实现将水声通讯机30固定在自动指向装置上。由于自动指向装置50的上端与浮标壳体20铰接，自动指向装置50的开角小于水声通讯机30的开角范围。在水流冲击下，水声通讯机30沿所述自动指向装置的长度方向固定，且是固定安装在自动指向装置50上，因此水声通讯机30始终在其开角范围内转动，无论水流速度如何变化，水声通讯机30始终指向主浮体40，提高了水声通信机的通信成功率。
通常浮标的浮力调节量较小，在水面为微正浮力状态，水流速度较大时，浮标系统会发生较大的偏降，即浮标远离主浮体，导致通信距离增加，从而降低通信成功率。本申请实施例中的耐压壳体27外部靠上的位置处设置有气囊271，浮标内部安装有气泵(图中未示出)，浮标靠近水面时气囊271内部充气，气泵可将浮标内气体排至气囊，为浮标提供更大的正浮力，减小系统偏降，可以保证天线10的出水高度，提高通信成功率。
同时，本申请实施例的浮标壳体20内部还设置有可在水压下缩小体积的浮力补偿模块292，本实施例中，浮力补偿模块292为内部填充甲基硅油的弹性元件浮力补偿模块292位于浮标靠下的位置，且在水下水压的作用下减小体积，达到减小主动浮力调节量、降低系统功耗的作用，同时浮力补偿模块292提高浮标的低流阻特性，可在海水流速较大时保证浮标低阻力，减小浮标发生偏降。
本申请实施例还使用隔膜式的大容量油箱，可以提高浮标驱动能力，使浮标在水面获得更大的正浮力，以降低系统偏降，提高通信的成功率。
上述实施例中，控制及通信模块21位于耐压舱272的最上方，对浮标的沉浮策略及作业流程，并控制将浮标数据通过天线10发送至岸站；内油箱22为隔膜式结构，具有大容量的特性，提供浮力驱动用液压油，可以提高浮标驱动能力；电源模块23安装在耐压舱272内最下方，以降低重心位置，为整个浮标提供控制、驱动能源；浮力驱动系统24基于泵阀元件，设置于耐压舱272的中部，通过双向齿轮泵调节内油箱22和外油囊25中的液压油体积，改变浮标的浮力状态从而调整其工作水深。
上述实施例中，上端盖26的顶部设置有压力传感器261，压力传感器261读取外部压力数据，测算浮标工作水深及沉浮状态；
为进一步降低浮标的偏将，导流罩29为Myring线型，上端盖26为弧形结构，浮标壳体整体20呈细长圆柱形，实现浮标的低流阻特性，使浮标可在海水流速较大时，仍能保证低阻力，减小浮标的偏降。
如图4-5所示为本申请的自升降通讯浮标的应用，主浮体40上搭载有传感测量仪器，在水下呈正浮力状态，通过锚系锚泊于水下几百米深处，长期观测海洋环境数据。为保证其隐蔽性，主浮体长期处于水下几百米水深，本申请的自升降通信浮标的底部连接水声通讯机30，水声通讯机30通过通信缆41与主浮体40连接，主浮体40与坐底锚70之间设置有声学释放器60，水声通讯机30通过通信缆41与主浮体40连接，使得通信缆通信与水声通讯两种通信方式并行，提高通信可靠性；浮标壳体20采用低流阻外形，降低浮标在水流冲击下的倾斜角度，同时将声通机通过自动指向装置悬挂于浮标壳体20下端，当浮标在水流冲击下远离主浮体40时，声通机可自动指向主浮体，提高通信成功率；使用隔膜式大容量内油箱22，同时增加气囊271，并安装了浮力补偿模块292，以上手段均可提升浮标驱动能力，使浮标在水面获得更大的正浮力，以降低系统偏降，提高通信成功率。
最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种自升降水声通讯浮标，包括：
天线；
浮标壳体，所述浮标壳体内部设置有控制及通信模块、内油箱、电源模块、浮力驱动系统、外油囊；
其特征在于：所述浮标壳体的底部连接水声通讯机，所述水声通讯机通过通信缆与主浮体连接，所述水声通讯机与所述主浮体之间同时进行声学通信和有缆通信。
2.根据权利要求1所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述水声通讯机与所述浮标壳体可转动的连接，以使得所述水声通讯机自由转动。
3.根据权利要求2所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述水声通讯机通过自动指向装置与所述浮标壳体连接，以使得所述水声通讯机在水流的冲击作用下，始终指向所述主浮体。
4.根据权利要求3所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述自动指向装置为细长杆状结构，且所述自动指向装置的上端与浮标壳体的下端铰接，所述水声通讯机沿所述自动指向装置的长度方向固定。
5.根据权利要求1或4所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述浮标壳体自上而下依次为上端盖、耐压壳体、水密穿舱件、导流罩，所述耐压壳体内部形成耐压舱；所述上端盖的顶部设置有压力传感器，所述压力传感器读取外部压力数据，测算浮标工作水深及沉浮状态。
6.根据权利要求5所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述耐压壳体外部靠上的位置处设置有气囊。
7.根据权利要求6所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述导流罩为Myring线型，所述浮标壳体整体呈低流阻特性的细长圆柱形。
8.根据权利要求7所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述浮标壳体内部还设置有可在水压下缩小体积的浮力补偿模块，所述补偿模块为内部填充甲基硅油的弹性元件。
9.根据权利要求1所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述浮力驱动系统基于泵阀元件，设置于所述耐压舱的中部，通过双向齿轮泵调节所述内油箱和所述外油囊中的液压油体积，改变浮标的浮力状态从而调整其工作水深。
10.根据权利要求1所述的自升降水声通讯浮标，其特征在于，所述控制及通信模块位于所述耐压舱上方，用以控制浮标沉浮策略及作业流程，并将浮标数据通过天线发送至岸站；所述电源模块安装在所述耐压舱内下方，以降低浮标的重心位置，为整个浮标提供控制及驱动能源。
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