CN113120162A - 一种智能潜标 - Google Patents

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CN113120162A CN202011449063.7A CN202011449063A CN113120162A CN 113120162 A CN113120162 A CN 113120162A CN 202011449063 A CN202011449063 A CN 202011449063A CN 113120162 A CN113120162 A CN 113120162A
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雷桂斌
凌征
朱凤芹
陈展翼
王建平
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Abstract

本发明公开了一种智能潜标，其包括主动发声仪器、非主动发声仪器、潜标控制器、主浮球、支架、系留缆、信号线缆、仪器链、锚链和重力锚；主动发声仪器包括ADCP和单点海流计；非主动发声仪器包括信标机、水听器、潜标控制器、声学释放器和温盐深仪；潜标控制器其接口电路通过信号线缆连接主动发声仪器和非主动发声仪器的接口电路；水听器的换能器设置在主浮球上的双曲反射面的焦点处；声信号经双曲反射面反射汇聚后传送到换能器处，换能器将声信号转换为电信号，传输给潜标控制器处理，根据水听器和ADCP测量结果启动或停止主动发声仪器。本发明智能潜标能避免因暴露自己遭到有意或无意的破坏，且降低单位观测数据成本。

Description

一种智能潜标
技术领域
本发明涉及一种海洋观测用潜标，具体地说是涉及一种高回收率的智能潜标。
背景技术
潜标可实现潜标布放点处海洋要素的长期连续测量，是少数可以进行海洋要素定点连续观测的重要设备之一。潜标的核心设备：声学多普勒流速剖面仪(Acoustic DopplerCurrent Profilers缩写ADCP)是用换能器发射声脉冲信号，声脉冲信号通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒和浮游生物反射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速。ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测量历时短和测速范围大等特点。目前被广泛用于海洋和河口的流场结构的测量。
3500米潜标(CN202987464U)公开了潜标的基本结构。定时卫星通讯潜标(CN104890816A)既可保证能及时获取海洋观测资料，又可了解潜标的工作状态，对潜标的可靠性和稳定性等有巨大的帮助。实时传输潜标装置(CN1967618A)公开了潜标实时传输技术。可将潜标水下工作状态及观测数据通过卫星通讯浮标传递到岸站，长期浮在水面的卫星通讯浮标，极易被过往船舶破坏并导致潜标水下观测单元受到影响。当今无线电定向定位技术相当成熟，卫星通信的时候极易暴露潜标布放位置。特别是在公海上观测敏感海域的海洋要素，ADCP主动发出声信号很容易被同频率的水声设备检测到，主动发出声信号极易暴露自己，遭到破坏而丢失，由于没有身份识别系统，自己人也可能清除不明身份的潜标。
潜标损坏和丢失是一个长期困扰海洋调查的问题，贵重仪器丢失让科研人员束手无策无计可施垂头丧气。根本原因是现有的海洋观测潜标不能感知环境，确认安全后，才启动主动声学仪器工作，避免暴露自己，造成丢失。因此，研究一种在保证潜标自身安全的前提下稳定工作的潜标十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能潜标，本发明的智能潜标能够感知环境，确认安全后，启动主动声学仪器工作，避免暴露和造成丢失；而且本发明的潜标控制器根据ADCP流速测量结果能够重新设定采样频率，增加ADCP运行时间，降低单位观测数据成本。
本发明所采用的技术解决方案是：一种智能潜标，其包括主动发声仪器、非主动发声仪器、潜标控制器、主浮球、支架、系留缆、信号线缆、仪器链、锚链和重力锚；所述主动发声仪器包括ADCP和单点海流计；所述非主动发声仪器包括信标机、水听器、潜标控制器、声学释放器和温盐深仪；所述潜标控制器安装在耐压外壳中，设置在主浮球预留的空腔之中，所述潜标控制器的接口电路通过所述信号线缆连接所述主动发声仪器的接口电路和所述非主动发声仪器的接口电路；所述主浮球为饼状，在其上面设置有双曲反射面；所述水听器的换能器设置在所述双曲反射面的焦点处；声信号经所述双曲反射面反射汇聚后传送到所述水听器的换能器处，所述换能器将声信号转换为电信号，经所述信号线缆传输给所述潜标控制器，所述潜标控制器处理所述水听器声信号，处理所述ADCP的流速数据，根据所述水听器和所述ADCP测量结果启动或停止主动发声仪器。
所述的智能潜标，其中，所述支架为不锈钢支架，分为下支架和上支架，上支架与下支架通过加长螺母连接为一体，下支架和上支架有四个立柱，轴对称布置，支架的对称轴与主浮球的对称轴重合，上支架和下支架端部设置有外螺纹，加长螺母设置有内螺纹，锁紧螺母一和锁紧螺母二防止加长螺母松动，可以通过调节加长螺母从而调节上支架和下支架对称轴向的相对位置，从而保证水听器位于双曲反射面的焦点上。
所述的智能潜标，进一步地，信标机设置在上支架的顶端，与上支架构成固定连接；下支架穿过主浮球上的光孔，使用螺母与下支架上的外螺纹构成螺纹连接，将主浮球固定在下支架上；下支架下端连接系留缆；所述ADCP设有两个，分别为ADCP一和ADCP二，其中一个朝上，另一个朝下，均固定在主浮球上。
所述的智能潜标，进一步地，所述潜标控制器包括中央处理器、内存、外存、接口电路、电源和水密封耐压机壳，中央处理器使用印制电路板分别连接内存、外存和接口电路，中央处理器、内存、外存和接口电路分别连接为其供电的电源；所述潜标控制器处理器通过USB接口与USB转多串口卡连接，USB转多串口卡分别与ADCP、单点海流计和温盐深仪连接；潜标控制器处理器发送控制指令给ADCP、单点海流计和温盐深仪，接收ADCP、单点海流计、温盐深仪采集的数据和仪器运行状态数据。潜标控制器通过信号线缆电信号连接被控仪器，潜标控制器通过在内存中运行存储在外存中的程序，采集被控仪器的数据，存储在外存之中，调整被控仪器的工作参数，操控主动发声仪器工作或停止工作。
所述的智能潜标，进一步地，潜标控制器处理器使用RS232接口连接水听器，潜标控制器处理器给水听器发送控制指令，潜标控制器的程序处理器接收水听器采集的水声数据和水听器运行状态数据。
所述的智能潜标，进一步地，所述水听器包括换能器、放大电路、滤波电路、AD转换电路、接口电路和电源，换能器将声信号转化为电信号，经过放大电路放大，经过滤波电路滤波，再经过AD转换电路转化为数字信号，送入接口电路，经接口电路送入控制器，电源为换能器、放大电路、滤波电路、AD转换电路和接口电路供电。
所述的智能潜标，其程序模块包括主程序模块、数据采集模块、数据预处理模块、参数设置模块和防暴露模块。
同时，本发明还提供所述的智能潜标的控制方法，该方法包括如下步骤：
S1，潜标控制器完成硬件自检之后，启动操作系统，运行主程序模块；主程序模块调用数据采集模块启动非发声仪器工作，不间断采集潜标布放点数据，收集和存储数据在高速SD卡之中；尤其是水听器不间断采集潜标布放点水声信号，增加布放点水声数据库数据量；
S2，主程序模块调用数据预处理模块处理水听器采集到的水声信号，水声信号经过预处理，转换为频域信号，在低频段0到50Hz，求功率幅度的最大值Pmax；
S3，主程序模块调用数据采集模块启动发声仪器工作，采集潜标布放点数据，收集和存储数据在高速SD卡之中；
S4，主程序模块调用参数设置模块，分析ADCP一和ADCP二的数据重新设置仪器参数，尤其是根据流速变化的大小ΔV重新设置ADCP一和ADCP二采样频率；分析单点海流计数据根据流速变化的大小ΔV重新设置单点海流计采样频率；分析温盐深仪数据重新设置仪器参数，尤其是根据温度变化的大小ΔT重新设置其温度采样频率，根据盐度变化的大小ΔS重新设置其盐度采样频率，根据深度变化的大小ΔD重新设置其深度采样频率；
S5，主程序模块调用防暴露模块读取ADCP一的流速，如果潜标布防点的海面流速大于流速阀值，控制器判定为高海况，潜标所有仪器继续工作，程序返回S2步；
S6，如果流速小于流速阀值且功率幅度的最大值Pmax小于等于功率幅度阀值，防暴露模块判定为：低频水声信号与环境噪声相差不大，程序返回S2步；
S7，如果流速小于流速阀值，且功率幅度的最大值Pmax大于功率幅度阀值，防暴露模块判定为：潜标附近有舰船，主程序模块调用数据采集模块发出控制指令，停止发声仪器工作，延时等待直到Pmax小于阀值，程序返回S2步。
本发明的有益技术效果是：本发明智能潜标的潜标控制器分析水听器的测量数据，确认安全后，启动或停止主动发声仪器，避免潜标因为主动发出声信号，暴露自己遭到有意或无意的破坏；潜标控制器处理ADCP流速测量结果，根据测量结果重新设定采样频率，增加ADCP运行时间，降低单位观测数据成本；双曲反射面将声信号聚焦便于水听器的换能器接收到声信号。
附图说明
图1为本发明智能潜标结构示意图；
图2为本发明智能潜标的支架调节示意图；
图3为本发明智能潜标的电路结构示意图；
图4为本发明智能潜标中水听器采集的水声信号功率谱示意图；
图中：
101-信标机、102-水听器、103-ADCP一、104-潜标控制器、105-主浮球、106-ADCP二、107-系留缆、108-信号线缆、109-仪器链、110-声学释放器、111-重力锚、112-海床、113-沉积物、114-海水、115-锚链、116-小浮球一、117-温盐深仪、118-小浮球二、119-单点海流计、120-下支架、121-螺母、122-双曲反射面、123-加长螺母、124-上支架、125-发声范围、126-检测范围；
201-锁紧螺母一、202-锁紧螺母二。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
请参见图1，本发明智能潜标包括主动发声仪器、非主动发声仪器、潜标控制器104、主浮球105、下支架120、上支架124、系留缆107、信号线缆108、仪器链109、锚链115和重力锚111，主动发声仪器包括ADCP一103、ADCP二106和单点海流计119，非主动发声仪器包括信标机101、水听器102、潜标控制器104、声学释放器110和温盐深仪117，声学释放器110在收到唤醒指令前，处于休眠状态，不主动发声。信标机101设置在上支架124的顶端，与上支架124构成固定连接；使用加长螺母123将上支架124与下支架120连接为一体，便于潜标组装。
下支架120穿过主浮球105上的光孔，使用螺母121与下支架120上的外螺纹构成螺纹连接，将主浮球105固定在下支架120上，下支架120下端连接系留缆107，系留缆107下端连接仪器链109，仪器链109下端连接声学释放器110，声学释放器110连接锚链115，锚链115下端连接重力锚111；重力锚111排开沉积物113坐在海床112上，潜标其余部分位于海水114之中；潜标控制器104安装在耐压外壳中，设置在主浮球105预留的空腔之中，ADCP一103和ADCP二106设置在主浮球上，一个朝上，一个朝下，使用连接螺栓固定在主浮球105上；主浮球105在加工双曲反射面122之前是一个中间厚，四周薄的圆饼状浮体，在主浮球105上面加工设置有双曲反射面122，主浮球105是一个轴对称的旋转体，双曲反射面122指的是双曲线绕其对称轴旋转而生成的反射曲面，其作用是将声信号聚焦便于水听器102的换能器接收到声信号。双曲反射面122的焦点位于对称轴上；水听器102设置在主浮球105的双曲反射面122的焦点处；检测范围126大于发声范围125。检测范围126指的是双曲反射面反射汇聚环境噪声声信号的范围。发声范围125指的是ADCP一103声信号直接达到的范围，ADCP一103发出的声脉冲信号经过海面反射，由于海浪的起伏不定，反射的声信号方向大小不断变化并逐渐减弱，淹没在环境噪声之中，图中带箭头的虚线示意声信号。潜标控制器104使用信号线缆108电信号连接水听器102、ADCP一103、ADCP二106、单点海流计119和温盐深仪117；采集水听器102、ADCP一103、ADCP二106、单点海流计119和温盐深仪117观测的数据。潜标控制器104根据水听器102的测量信号、ADCP103和ADCP106测量的流速的大小启动停止主动发声仪器(ADCP和单点海流计)。
仪器链109至少包括小浮球一116、温盐深仪117、小浮球二118和单点海流计119，根据观测需要潜标可以增加若干仪器，如深水硝酸盐测量仪、溶解氧记录仪和温度记录仪。
下支架120和上支架124有四个立柱，轴对称布置，支架的对称轴与主浮球105的对称轴重合。如图2所示，上支架124和下支架120端部设置有外螺纹，加长螺母123设置有内螺纹，锁紧螺母一201和锁紧螺母二202防止加长螺母123松动，可以通过调节加长螺母123从而调节上支架124和下支架120的对称轴向的相对位置，从而保证水听器位于双曲反射面的焦点上。
如图3所示，潜标控制器104处理器通过USB接口与USB转多串口卡连接，USB转多串口卡分别与ADCP一103、ADCP二106、单点海流计119和温盐深仪117连接；潜标控制器104处理器发送控制指令给ADCP一103、ADCP二106、单点海流计119和温盐深仪117，接收ADCP一103、ADCP二106、单点海流计119、温盐深仪117采集的数据和仪器运行状态数据。
潜标控制器104处理器使用RS232接口连接水听器102，控制器处理器给水听器102发送控制指令，潜标控制器104的程序处理器接收水听器102采集的水声数据和水听器102运行状态数据。
水听器包括换能器、放大电路、滤波电路、AD转换电路、接口电路和电源，换能器将声信号转化为电信号，经过放大电路放大，经过滤波电路滤波，再经过AD转换电路转化为数字信号，送入接口电路，经接口电路送入控制器，电源为换能器、放大电路、滤波电路、AD转换电路和接口电路供电。
潜标控制器104包括中央处理器、内存、外存、接口电路、电源和水密封耐压机壳，中央处理器使用印制电路板分别连接内存、外存和接口电路，中央处理器、内存、外存和接口电路分别连接为其供电的电源；潜标控制器104通过信号线缆108电信号连接ADCP一103、ADCP二106、单点海流计119、信标机101、水听器102、声学释放器110和温盐深仪117，潜标控制器104通过在内存中运行存储在外存中的程序，采集上述仪器的数据，存储在外存之中，调整上述仪器的工作参数，操控主动发声仪器工作或停止工作；外存指的是外存储器，优选高速SD卡为外存。
潜标控制器105的程序包括主程序模块、数据采集模块、数据预处理模块、参数设置模块和防暴露模块，本发明智能潜标的控制方法，包括如下步骤：
S1，控制器完成硬件自检之后，启动操作系统，运行主程序模块；主程序模块调用数据采集模块启动非发声仪器工作，不间断采集潜标布放点数据，收集和存储数据在高速SD卡之中；尤其是水听器102不间断采集潜标布放点水声信号，增加布放点水声数据库数据量；
S2，主程序模块调用数据预处理模块，水听器102采集到的水声信号，经过预处理，转换为频域信号，如图4水听器采集的水声信号功率谱示意图所示，在低频段0到50Hz，求功率幅度的最大值Pmax；
S3，主程序模块调用数据采集模块启动发声仪器工作，采集潜标布放点数据，收集和存储数据在高速SD卡之中；
S4，主程序模块调用参数设置模块，分析ADCP一103和ADCP二106数据重新设置仪器参数，尤其是根据流速变化的大小ΔV重新设置ADCP一103和ADCP二106采样频率；分析单点海流计119数据根据流速变化的大小ΔV重新设置单点海流计119采样频率；分析温盐深仪117数据重新设置仪器参数，尤其是根据温度变化的大小ΔT重新设置其温度采样频率，根据盐度变化的大小ΔS重新设置其盐度采样频率，根据深度变化的大小ΔD重新设置其深度采样频率；
S5，主程序模块调用防暴露模块读取ADCP一103的流速，如果潜标布防点的海面流速大于流速阀值，控制器判定为高海况，潜标所有仪器继续工作，程序返回S2步。因为出现必须观测的海洋过程，潜标布放点水面舰船作业困难，潜标被水面舰船破坏的可能性较小，同时潜标布放点噪声比较大，难以有效提取水声信号识别舰船；
S6，如果流速小于流速阀值且功率幅度的最大值Pmax小于等于功率幅度阀值，防暴露模块判定为：低频水声信号与环境噪声相差不大，程序返回S2步。
S7，如果流速小于流速阀值，且功率幅度的最大值Pmax大于功率幅度阀值，防暴露模块判定为：潜标附近有舰船，主程序模块调用数据采集模块发出控制指令，停止发声仪器工作，延时等待直到P最大值小于阀值，程序返回S2步。
由此可见本申请所述潜标不适宜布放在航道及其附近，因为来往船只多，水下噪音变化频繁，可能导致潜标长时间停止观测，数据缺失较多。
上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能潜标，其包括主动发声仪器、非主动发声仪器、潜标控制器(104)、主浮球(105)、支架(120，124)、系留缆(107)、信号线缆(108)、仪器链(109)、锚链(115)和重力锚(111)；所述主动发声仪器包括ADCP(103，106)和单点海流计(119)；所述非主动发声仪器包括信标机(101)、水听器(102)、潜标控制器(104)、声学释放器(110)和温盐深仪(117)；其特征在于：
所述潜标控制器(104)安装在耐压外壳中，设置在主浮球(105)预留的空腔之中，所述潜标控制器(104)的接口电路通过所述信号线缆(108)连接所述主动发声仪器的接口电路和所述非主动发声仪器的接口电路；所述主浮球(105)为饼状，在其上面设置有双曲反射面(122)；所述水听器(102)的换能器设置在所述双曲反射面(122)的焦点处；声信号经所述双曲反射面(122)反射汇聚后传送到所述水听器(102)的换能器处，所述换能器将声信号转换为电信号，经所述信号线缆(108)传输给所述潜标控制器(104)，所述潜标控制器(104)处理所述水听器(102)声信号和所述ADCP的流速数据，根据所述水听器(102)和所述ADCP(103，106)测量结果启动或停止主动发声仪器。
2.如权利要求1所述的智能潜标，其特征在于：所述支架为不锈钢支架，分为下支架(120)和上支架(124)，上支架(124)与下支架(120)通过加长螺母(123)连接为一体，下支架(120)和上支架(124)有四个立柱，轴对称布置，支架的对称轴与主浮球(105)的对称轴重合，上支架(124)和下支架(120)端部设置有外螺纹，加长螺母(123)设置有内螺纹，锁紧螺母一(201)和锁紧螺母二(202)防止加长螺母(123)松动，可以通过调节加长螺母(123)从而调节上支架(124)和下支架(120)的对称轴向的相对位置，从而保证水听器(102)位于双曲反射面的焦点上。
3.如权利要求2所述的智能潜标，其特征在于：信标机(101)设置在上支架(124)的顶端，与上支架(124)构成固定连接；下支架(120)穿过主浮球(105)上的光孔，使用螺母(121)与下支架(120)上的外螺纹构成螺纹连接，将主浮球(105)固定在下支架(120)上；下支架(120)下端连接系留缆(107)。
4.如权利要求2所述的智能潜标，其特征在于：所述ADCP设有两个，分别为ADCP一(103)和ADCP二(106)，其中一个朝上，另一个朝下，均固定在主浮球(105))上。
5.如权利要求1至4任一项所述的智能潜标，其特征在于：所述潜标控制器(104)处理器通过USB接口与USB转多串口卡连接，USB转多串口卡分别与ADCP、单点海流计(119)和温盐深仪(117)连接；潜标控制器(104)处理器发送控制指令给ADCP、单点海流计(119)和温盐深仪(117)，接收ADCP、单点海流计(119)和温盐深仪(117)采集的数据和仪器运行状态数据。
6.如权利要求1至4任一项所述的智能潜标，其特征在于：潜标控制器(104)处理器使用RS232接口连接水听器(102)，潜标控制器(104)处理器给水听器(102)发送控制指令，潜标控制器(104)的程序处理器接收水听器(102)采集的水声数据和水听器(102)运行状态数据。
7.如权利要求1至4任一项所述的智能潜标，其特征在于：所述水听器(102)包括换能器、放大电路、滤波电路、AD转换电路、接口电路和电源，换能器将声信号转化为电信号，经过放大电路放大，经过滤波电路滤波，再经过AD转换电路转化为数字信号，送入接口电路，经接口电路送入控制器，电源为换能器、放大电路、滤波电路、AD转换电路和接口电路供电。
8.如权利要求1至4任一项所述的智能潜标，其特征在于：所述潜标控制器(104)包括中央处理器、内存、外存、接口电路、电源和水密封耐压机壳，中央处理器使用印制电路板分别连接内存、外存和接口电路，中央处理器、内存、外存和接口电路分别连接为其供电的电源；潜标控制器(104)通过信号线缆(108)电信号连接被控仪器，潜标控制器(104)通过在内存中运行存储在外存中的程序，采集被控仪器的数据，存储在外存之中，调整被控仪器的工作参数，操控被控仪器工作或停止工作。
9.如权利要求1至4任一项所述的智能潜标，其特征在于：所述潜标控制器(104)其程序模块包括主程序模块、数据采集模块、数据预处理模块、参数设置模块和防暴露模块。
10.如权利要求1至9任一项所述的智能潜标的控制方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1，潜标控制器(104)完成硬件自检之后，启动操作系统，运行主程序模块；主程序模块调用数据采集模块启动非发声仪器工作，不间断采集潜标布放点数据，收集和存储数据在高速SD卡之中；尤其是水听器(102)不间断采集潜标布放点水声信号，增加布放点水声数据库数据量；
S2，主程序模块调用数据预处理模块处理水听器(102)采集到的水声信号，水声信号经过预处理转换为频域信号，在低频段0到50Hz，求功率幅度的最大值Pmax；
S3，主程序模块调用数据采集模块启动发声仪器工作，采集潜标布放点数据，收集和存储数据在高速SD卡之中；
S4，主程序模块调用参数设置模块，分析ADCP一(103)和ADCP二(106)数据重新设置仪器参数，尤其是根据流速变化的大小ΔV重新设置ADCP一(103)和ADCP二(106)采样频率；分析单点海流计(119)数据根据流速变化的大小ΔV重新设置单点海流计(119)采样频率；分析温盐深仪(117)数据重新设置仪器参数，尤其是根据温度变化的大小ΔT重新设置其温度采样频率，根据盐度变化的大小ΔS重新设置其盐度采样频率，根据深度变化的大小ΔD重新设置其深度采样频率；
S5，主程序模块调用防暴露模块读取ADCP一(103)的流速，如果潜标布防点的海面流速大于流速阀值，控制器判定为高海况，潜标所有仪器继续工作，程序返回S2步；
S6，如果流速小于流速阀值且功率幅度的最大值Pmax小于等于功率幅度阀值，防暴露模块判定为：低频水声信号与环境噪声相差不大，程序返回S2步；
S7，如果流速小于流速阀值，且功率幅度的最大值Pmax大于功率幅度阀值，防暴露模块判定为：潜标附近有舰船，主程序模块调用数据采集模块发出控制指令，停止发声仪器工作，延时等待直到Pmax小于阀值，程序返回S2步。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114348180A (zh) * 2022-01-27 2022-04-15 中国人民解放军91550部队 一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统

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