CN113064175B - 一种预置声呐传感器的海底真空管道及安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种预置声呐传感器的海底真空管道及安装方法，包括至少两组固定安装在管墩顶部的管段，每组管段两端均预制有用于连接的法兰，管段上预置安装有多组声呐传感器，每组声呐传感器均包括用于接收和发射声波，并将接收到的声波转换成电信号，或者把电信号转换成声波发射出去的换能器和安装在管道内壁上且用于处理来自换能器电信号发送至中央处理器，以及接收并调制来自中央处理器电信号并发送至换能器的集成电路；每个换能器均通过嵌入式电路与集成电路连接；每组管段内均安装有用于换能器供电的供电线缆和用于换能器信号传输的信号传输线，供电线缆和信号传输线分别与集成电路连接。该方法具有优化安装工艺，降低成本，提高效益的优点。
Description
技术领域
本发明属于海底真空管道交通以及水下声呐技术领域，具体涉及一种预置声呐传感器的海底真空管道及安装方法。
背景技术
电磁波在水中衰减很快，传播距离仅几十米，以致电磁波无法用于水下通讯。声波在水中衰减很小，于是，作为水下通讯技术的声呐（ Sonar）应运而生。目前，声呐已经广泛应用于潜艇、鱼雷、水下潜航器、水下定位跟踪、海底测量、海洋探测等领域。
海底真空管道是一种即将实施的跨海越洋交通方式。基本形式为，在海床上修建管墩，然后通过水下施工方法，把真空管道管段按要求的精度架设在管墩上，再用水下密封连接方法把所有管道固定连接。海底环境对真空管道具有特殊优越性，海水可以为真空管道降温、提供恒温环境，还可为管道提供均匀浮力，抵消管道自身重力作用，降低结构强度要求，减少工程费用。海底真空管道将遍布全球各大洋海底，依托其建设海底声呐通讯网络，可望具备良好的经济效果和发展前景，也将成为各国海洋资源开发应用与角逐的前沿技术领域。
早期的声呐作用距离短，仅几公里。为了提高作用距离和探测精度，现代声呐的发展方向是：采用大功率、低频、大尺寸基阵、合成孔径和信号处理技术的声呐设备。
某大型潜艇的艇首球形声呐直径大约4.5m，马蹄形基阵长约15m，突破舰艇尺寸限制的拖曳阵声学模块段长达百米，工作频率低至数十Hz。拖曳线阵由一系列水声模块组成，阵中的传感器定位系统可以确定阵列位置、方向，通过波束补偿纠正线列阵在拖曳过程中的任何变形。
某潜艇轻型宽孔径基阵由6个安装在舰壳弦侧的基阵组成，采用光纤和激光技术把声学能量转换为电信号，能灵活地对同一潜艇声特征进行监测，提供实时的水下态势信息。其改进包括，使用空气橡胶声障板取代内部去藕器，减小艇内噪声对基阵的影响；使用轻型光纤电缆代替铜缆，向作战系统传送声呐数据，节省艇内空间；采用商用处理机代替军用计算机，方便升级维护。
大部分潜艇指挥台围壳后部安装低成本共形阵，其为模块化高频声呐，属于被动声呐平面阵，与主动声呐系统集成在一起，提高了潜艇在高密度航运浅海环境中感知和规避碰撞的能力。
某反潜直升机装备了改进的低频吊放声呐，具有更低的频率、更大的阵列合成孔径和更远的探测距离，最大工作深度550m，对10~200m深的海底进行探测时，三维图像分辩率可达3cm。
提高声呐系统性能是该技术领域不断追求的目标，最有效的方法是增大基阵合成孔径，但由于潜艇自身空间限制，增大基阵孔径只能采用共形阵。某型潜艇设计计划采用共形阵声呐，沿艇首表面部署平板阵，与艇两侧的弦侧阵连成一体，形成包裹全艇的大尺寸阵列，实现基阵有效孔径的最大化，减少探测盲区。目前比较成熟的有艇首共形阵、弦侧共形阵、指挥台围壳共形阵等局部共形阵。
某些国家正在研究适应艇壳的声呐阵，装备共形潜艇水声传感器和共形声速传感器，使其能全艇布置，改善侦听性能，进行全方位监控，克服目前侦听角度的限制。
如上所述，声呐设备及声呐传感器的实施特征一是，需要依附于某平台，如潜艇艇壳或海面舰艇底部，或者以浮标、拖曳、悬吊方式布置。现有声呐系统附着平台尺寸有限，限制了合成孔径的发展空间。特征二是，需要通过中继方式才能将声呐探测到的信号经由无线电波发送到远端，如陆上指挥中心。特征三是，海底真空管道短则上百公里，长则上千公里，甚至上万公里，从而为声呐基阵合成孔径提供了广义的无限拓展空间。
现有的声呐传感器与声呐设备体积小、类型多、使用灵活，能够满足海底真空管道建成以后另行安装的需要。然而，另行安装会存在标准不统一、结构匹配度弱、安装困难等问题，且伴随二次施工浪费。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种预置声呐传感器的海底真空管道及安装方法，将声呐传感器预制在管段上，具有优化安装工艺，降低成本，提高效益的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种预置声呐传感器的海底真空管道，包括至少两组固定安装在管墩顶部的管段，所述每组管段两端均预制有用于连接的法兰，所述管段上预置安装有多组声呐传感器，所述每组声呐传感器均包括用于接收和发射声波，并将接收到的声波转换成电信号，或者把电信号转换成声波发射出去的换能器和安装在管段内壁上且用于处理来自换能器电信号发送至中央处理器，以及接收并调制来自中央处理器电信号并发送至换能器的集成电路；
所述每个换能器均通过嵌入式电路与对应的集成电路连接；
所述每组管段内均安装有用于换能器供电的供电线缆和用于换能器信号传输的信号传输线，所述供电线缆和信号传输线分别与对应的集成电路连接。
进一步地，所述每组声呐传感器均包括均匀间隔设置的集成主动声呐传感器和被动声呐传感器。
进一步地，所述每组管段上贯穿固定安装有用于供电线缆和信号传输线穿过的多组真空接线端子，所述多组真空接线端子偏离法兰上紧固螺栓孔径向线的位置设置。
进一步地，所述多个换能器均对应一个法兰周向均匀间隔预置安装，所述每个换能器均通过嵌设在法兰内的嵌入式电路与固定安装在靠近法兰端管段内壁上的集成电路连接。
进一步地，所述多个声呐传感器均匀间隔预置安装在管段的上部，所述每个声呐传感器均呈球形。
进一步地，所述每个声呐传感器均对应安装在预制管段上的一个声呐基座上。
一种预置声呐传感器海底真空管道的安装方法，具体包括以下步骤；
步骤1：在工厂制造管段时，先将每个换能器、嵌入式电路以及部分集成电路均预置封装在每组管段两端的法兰内；或者先将预置的每组圆柱形声呐传感器均安装在管段的上部，通过真空接线端子将接线引入管段内；或者先在每组管段上预制声呐基座，并预埋置真空接线端子，将集成电路固定安装在每组管段的内壁上，再把每组声呐传感器安装在对应的声呐基座上；后将每组声呐传感器所属的集成电路均安装在管段内壁上，然后对每组管段内部外露的部分集成电路及其真空接线端子作临时性防水保护；
步骤2：把每组管段均安装在管墩上，直至全部管段通过法兰紧固螺栓连接安装完毕；
步骤3：检查所有法兰的连接和密封性，后排出所有管段内的海水；
步骤4：揭去集成电路及其真空接线端子的临时防水保护，通过连接导线把集成电路连接到管段内供电线缆和信号传输线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在制造管段时，把声呐传感器及其线路嵌入式预置封装在管段内，结构紧凑，安装质量高，简化施工安装工艺，有利于提高声呐传感器使用性能和使用寿命，可降低综合成本；管段内设置供电线缆、信号传输线，通过真空接线端子跟管段外的声呐传感器连接，给声呐系统提供了稳定、长期电源，通过管段内信号传输线传输声呐信号，不需要海面中继站和浮标，响应速度快；管段全线设置声呐传感器，形成广义无限大孔径的合成孔径声呐，极大延伸探测范围、探测距离。
进一步地，通过真空接线端子设置在偏离紧固螺栓孔径向线的位置，以免影响法兰结构强度。
附图说明
图1是本发明具有预置声呐传感器法兰的海底真空管道示意图；
图2是本发明图1中A局部（法兰）的放大图；
图3是本发明图2中B-B剖视图一；
图4是本发明图2中B-B剖视图二；
图5是管段中间上部设置圆柱形声呐传感器的海底真空管道示意图；
图6是管段中间上部设置球形声呐传感器的海底真空管道示意图；
图中：1-管墩，2-管段，3-法兰，31-法兰紧固螺栓，32-法兰紧固螺栓孔，4-声呐传感器，41-换能器，42-嵌入式电路，43-集成电路，5-供电线缆，6-信号传输线，7-真空接线端子。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1和图2所示，图1中箭头向上的方向为海面，箭头向下的方向为海床，本发明提供一种预置声呐传感器海底真空管道，包括至少两组固定安装在管墩1顶部的管段2，每组管段2两端均预制有用于连接的法兰3，管段2上预置安装有多组声呐传感器4，每组声呐传感器4包括均匀间隔设置的集成主动声呐传感器和被动声呐传感器，每组集成主动声呐传感器和被动声呐传感器均包括用于接收和发射声波，并将接收到的声波转换成电信号，或者把电信号转换成声波发射出去的换能器41和安装在管段2内壁上且用于处理来自换能器41电信号发送至中央处理器，以及接收并调制来自中央处理器电信号并发送至换能器41的集成电路43。
参照图3，图中显示换能器、嵌入式电路、集成电路板布置，以及供电线缆和信号传输线断面，多个换能器41均对应一个法兰3周向均匀间隔预置安装，每个换能器41均通过嵌设在法兰3内的嵌入式电路42与固定安装在靠近法兰3端管段2内壁上的集成电路43连接。
每组管段2内均安装有用于换能器41供电的供电线缆5和用于换能器41信号传输的信号传输线6，供电线缆5和信号传输线6分别与对应的集成电路43连接。
每个换能器41均为电致伸缩换能器或者超磁致伸缩换能器或者矢量水听器或者压电复合材料换能器或者低频大面积水听器或者光纤水听器或者球形换能器或者圆管换能器或者弯曲圆盘换能器或者复合棒换能器或者镶拼圆环换能器或者发射换能器或者接收换能器。
参照图4，每组管段2上贯穿固定安装有用于供电线缆5和信号传输线6穿过的多组真空接线端子7，多组真空接线端子7偏离法兰3上紧固螺栓孔32径向线的位置设置，以免影响法兰3结构的强度。
该预置声呐传感器海底真空管道的安装方法，具体包括以下步骤；
步骤1：在工厂制造管段2时，先将每个换能器41、嵌入式电路42以及部分集成电路43均预置封装在每组管段2两端的法兰3内，对每组管段2内部外露的部分集成电路43及其真空接线端子7作临时性防水保护；
步骤2：把每组管段2均安装在管墩1上，直至全部管段2通过法兰紧固螺栓31连接安装完毕；
步骤3：检查所有法兰3的连接和密封性，后排出所有管段2内的海水；
步骤4：揭去集成电路43及其真空接线端子7的临时防水保护，通过连接导线把集成电路43连接到管段2内供电线缆5和信号传输线6。
实施例2
如图5所示，图中箭头向上的方向为海面，箭头向下的方向为海床，本发明提供一种预置声呐传感器海底真空管道，与实施例1的不同之处在于，多个声呐传感器4均匀间隔预置安装在管段2的上部，且多个声呐传感器4均呈球形。
该预置声呐传感器海底真空管道的安装方法，具体包括以下步骤；
步骤1：在工厂制造管段2时，先将预置的每组圆柱形声呐传感器4均安装在管段2的上部，通过真空接线端子7将接线引入管段2内，后将每组声呐传感器4所属的集成电路43均安装在管段2内壁上；
步骤2：将所有管段2通过法兰紧固螺栓31连接安装完毕后，检查所有法兰3的连接和密封性，排出所有管段2内的海水；
步骤3：揭去集成电路43及其真空接线端子7的临时防水保护，通过连接导线把集成电路43连接到管段2内供电线缆5和信号传输线6。
实施例3
如图6所示，图中箭头向上的方向为海面，箭头向下的方向为海床，本发明提供一种预置声呐传感器海底真空管道，与实施例1或实施例2的不同之处在于，每个声呐传感器4均对应安装在预制管段2上的一个声呐基座内。
该预置声呐传感器海底真空管道的安装方法，具体包括以下步骤；
步骤1：在工厂制造管段2时，先在每组管段2上预制声呐基座，并预埋置真空接线端子7，将集成电路43固定安装在每组管段2的内壁上，对每组管段内部外露的集成电路43及其真空接线端子7作临时性防水保护。
步骤2：将每组安装管段2下水之前，把每组声呐传感器4安装在对应的声呐基座上，通过导线连接到真空接线端子7上并做好防水处理；
步骤3：把每组管段2均安装在管墩1上，直至全部管段2通过法兰紧固螺栓31连接安装完毕。
步骤4：检查所有法兰3的连接和密封性，后排出所有管段2内的海水。
步骤5：揭去集成电路43及其真空接线端子7的临时防水保护，通过连接导线把集成电路43连接到管段2内供电线缆5和信号传输线6。
综上所述，本发明在制造管段2时，把声呐传感器4及其线路嵌入式预置封装在管段2内，结构紧凑，安装质量高，简化施工安装工艺，有利于提高声呐传感器4使用性能和使用寿命，可降低综合成本；管段2内设置供电线缆5、信号传输线6，通过真空接线端子7跟管段2外的声呐传感器4连接，给声呐系统提供了稳定、长期电源，通过管段2内信号传输线6传输声呐信号，不需要海面中继站和浮标，响应速度快；管段2全线设置声呐传感器4，形成广义无限大孔径的合成孔径声呐，极大延伸探测范围、探测距离。
Claims (1)
1.一种预置声呐传感器的海底真空管道的安装方法，其特征在于：
预置声呐传感器的海底真空管道包括至少两组固定安装在管墩（1）顶部的管段（2），所述每组管段（2）两端均预制有用于连接的法兰（3），所述管段（2）上预置安装有多组声呐传感器（4），所述每组声呐传感器（4）均包括用于接收和发射声波，并将接收到的声波转换成电信号，或者把电信号转换成声波发射出去的换能器（41）和安装在管段（2）内壁上且用于处理来自换能器（41）电信号发送至中央处理器，以及接收并调制来自中央处理器电信号并发送至换能器（41）的集成电路（43）；
所述每个换能器（41）均通过嵌入式电路（42）与对应的集成电路（43）连接；
所述每组管段（2）内均安装有用于换能器（41）供电的供电线缆（5）和用于换能器（41）信号传输的信号传输线（6），所述供电线缆（5）和信号传输线（6）分别与对应的集成电路（43）连接；
所述每组声呐传感器（4）均包括均匀间隔设置的集成主动声呐传感器和被动声呐传感器；
所述每组管段（2）上贯穿固定安装有用于供电线缆（5）和信号传输线（6）穿过的多组真空接线端子（7），所述多组真空接线端子（7）偏离法兰（3）上紧固螺栓孔（32）径向线的位置设置；
所述多个换能器（41）均对应一个法兰（3）周向均匀间隔预置安装，所述每个换能器（41）均通过嵌设在法兰（3）内的嵌入式电路（42）与固定安装在靠近法兰（3）端管段（2）内壁上的集成电路（43）连接；
所述多个声呐传感器（4）均匀间隔预置安装在管段（2）的上部，所述每个声呐传感器（4）均呈球形；
所述每个声呐传感器（4）均对应安装在预制管段（2）上的一个声呐基座上；
预置声呐传感器海底真空管道的安装方法：具体包括以下步骤；
步骤1：在工厂制造管段（2）时，先将每个换能器（41）、嵌入式电路（42）以及部分集成电路（43）均预置封装在每组管段（2）两端的法兰（3）内；或者先将预置的每组圆柱形声呐传感器（4）均安装在管段（2）的上部，通过真空接线端子（7）将接线引入管段（2）内；或者先在每组管段（2）上预制声呐基座，并预埋置真空接线端子（7），将集成电路（43）固定安装在每组管段（2）的内壁上，再把每组声呐传感器（4）安装在对应的声呐基座上，后将每组声呐传感器（4）所属的集成电路（43）均安装在管段（2）内壁上，然后对每组管段（2）内部外露的部分集成电路（43）及其真空接线端子（7）作临时性防水保护；
步骤2：把每组管段（2）均安装在管墩（1）上，直至全部管段（2）均通过法兰紧固螺栓（31）连接安装完毕；
步骤3：检查所有法兰（3）的连接和密封性，后排出所有管段（2）内的海水；
步骤4：揭去集成电路（43）及其真空接线端子（7）的临时防水保护，通过连接导线把集成电路（43）连接到管段（2）内供电线缆（5）和信号传输线（6）。
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