CN113376621B - 一种冰基水下声源探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冰基水下声源探测装置及其探测方法，是一种利用声学方法探测冰层下水中声源的技术，探测器由固定翼飞机或直升机运载投放，探测器头部钻进冰层后开启电子设备，利用水下声能量与冰层中波动能量的转换在冰层中所产生的位移，探测水下目标，并传输处理结果。头部为高强度金属头，用以钻入冰层；后部是与透声中空高强度材料的金属杆，用以接收冰层内部位移信息；尾部为防水电子舱，电子舱配有平衡尾翼和投物伞，尽量保证探测器最终垂直嵌入冰层，配有风力发电模块，保证能源持续供给，射频天线用于定位和通信。与现有水声被动探测方法相比，本发明可大幅缩减冰区环境下布放探测设备的风险，具有灵活、快速、可大范围联合部署的特点。

Description

一种冰基水下声源探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种冰基水下声源探测装置及其探测方法，属于水声探测领域，更确切地说属于水下声源被动探测范畴。

背景技术

冰架、浮冰以及冰下河内的声源探测对冰下目标探测、抢险救灾、信息获取以及战略部署具有重要的参考作用。水下声源按照合作方式可以分为主动声源和被动声源：主动声源合作式地发送声波以配合实现自身的定位、导航和信息传输；被动声源由其自身机械振动和流噪声非合作地向水中辐射声波，然而，这正是被动探测所感兴趣的信号。

现有的冰区水下声源探测方法主要有声呐浮标、水下潜器搭载声呐和沉底声呐观测系统。声呐浮标在目标水域无冰期部署，在成冰期冻结在冰层中，通过浮标下水听器获取声学信号并由天线将获取信息发送；或在成冰期部署在浮冰间隙、航道等开阔水域，或经人为外力在连续冰面凿出冰洞进行部署。水下潜器按照是否载人分为载人潜器，如载人潜水器，和无人潜器，如AUV、UUV等，它们利用所搭载的声呐探测系统收集冰下声信号。潜标声学观测系统由重物锚定在水底，利用浮球将声呐悬浮在水下波导中，对冰下水文环境和声信号进行长期采集。然而，冰区环境通常复杂险恶，冰层厚度有时厚达数米，在冰层较厚的区域，现有方法对水下声源探测均有各自的缺点与不足。声呐浮标部署不灵活，冻结和开阔水域布放方式难以停留在冰区核心预期位置，而人为凿冰冻的方式耗费大量人力物力且存在极大安全隐患。无人水下潜器续航有限，且遇到复杂水下环境或冰貌时极易丢失；载人潜器部署区域有限，无法实现冰下大范围区域覆盖。此外，水下潜器通常都需要浮出水面或回到母船进行信息传输，不具有实时特点。潜标声呐观测系统同样面临探测结果无法及时回传的问题。冰基位移水下声源探测方法可以克服了以上方法的缺点，提供了该环境下的水下声源的探测手段。

报道中有学者利用三分量地震检波器进行水下声源探测，然而，其所使用设备具有很多局限性，难以满足实际冰区部署要求。首先，在具有融池或冰脊的海冰区域，经空投部署的现有地震检波器，由于探头较短，难以保证在积水或非平坦冰层上实现与冰层的耦合。其次，有发明采用热融的方法融化探测器周围海水，经冻结后保证紧密耦合，然而由于风吹和冰层运动等原因，很难保证探测器垂直冻于冰层。第三，当冰层较厚时，由于冰中声能损耗，拾取冰层表面位移的检波器探测距离极为有限。第四，现有设备通常以蓄电池作为能源供给，然而在冰区低温环境下，蓄电池耐用性极大减小，对于长期观测，这要求更大的电池容量，从而大大增加了设备体积，使得运输和部署成本增加。

发明内容

本发明的目的是为了要解决常规冰下声源探测方法因冰层的存在部署不灵活、部署时间有限、探测信息难以及时回传，以及现有冰层检波器因设备结构，部署可靠性低、长期观测设备庞大、探测范围有限的技术问题，而提供一种能快速部署的高可靠性、高灵敏度的冰基水下声源探测器及探测方法。该技术可以用于极地与江河冰下航行器的长期监测与定位，在水下航行器缺乏有效通信和导航手段时，向指挥中心汇报其目前作业区域。也可可通过飞行器快速部署敏感区域，进行长期水下声源监测，从而掌握非合作目标在该区域的活动情况，为指挥决策提供参考信息。

本发明的目的是这样实现的：包括由下至上布置的探头、电子舱、平衡尾翼、投物伞，探头前端是高强度金属制成并具有尖锐的顶的钻冰金属头，钻冰金属头后端为冰中的位移拾取传感器；电子舱内部依次设置配重舱、缓冲层和电池舱，在电池舱上方的电子舱内设置有信号处理模块、外部传感器模块、电源管理模块和通信模块；平衡尾翼设置在电子舱尾部侧边，投物伞设置通过电子释放器设置在电子舱末端，位移拾取传感器经电缆通过探头中空部分与电子舱内的信号处理模块相连接，通信模块与射频天线连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.电子舱尾部设置有镂空的孔，镂空的孔的中间通过转轴连接单边风扇和小型发电机，小型发电机与电源管理模块连接。

2.外部传感器模块与设置在电子舱尾镂空部分上的温度传感器、气压传感器连接。

3.信号处理模块进行信号处理同时程序控制整个系统的工作，通信模块配合射频天线实现探测器的定位、通信与协同组网功能，外部传感器模块采集探测器探测到的大气数据并控制电子释放器，电源管理模块根据探测器当前工作状态分配或存储电能，小型风力发电机为探测器提供持续外部能源供给。

4.一种依据冰基水下声源探测装置的探测方法，步骤如下：

(1)设备由飞行器运载，在预定冰区上空，启动电源管理模块、外部传感器模块，根据飞行高度设置外部传感器释放参数，此时不开启信号处理模块；

(2)由飞行器抛出，在配重仓和平衡尾翼的作用下，探测器自由落体一段时间，随后开启投物伞；

(3)外部传感器模块进行程序判定，若到达预定高度，控制电子释放器开启，抛弃投物伞伞衣，探测器自由下落；

(4)经高空释放后，钻冰金属头引导探测器垂直固定在冰面上，位移拾取传感器嵌入冰层，电子舱停留在冰面；

(5)外部传感器模块发出指令，打开电子释放器，保证伞衣脱落；

(6)开启信号处理模块，接收位移拾取传感器拾取的冰层中所携带的冰下声源信息；

(7)通信模块与信号处理模块同时开启，通过射频天线向飞行器、母船或卫星传输当前位置信息、环境参数以及探测数据；

(8)电源管理模块控制小型风力发电机进行供电和储能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该技术采用冰基方式拾取水下声源在冰层中产生的位移，相比于声呐浮标，具有冰区部署灵活、耗时短，应对突发事件且安全系数高的优点。

2.该技术相比于冰区水下潜器探测水下声源的方法，具有监测时间长、可大区域组网覆盖、信息回传及时的优点。

3.该技术相比于冰区锚定声呐观测系统，具有部署灵活、信息实时回传的优点。

4.相对于传统地震检波器检波器，该探测器位移拾取传感器能够布放在冰层中下方位，避免了由于冰中声衰减导致冰层检波能量有限的问题，提高了探测范围。

5.该探测器配有钻冰弹头和平衡尾翼以及投物伞，经飞行器投放，具有高效可靠的特点，能够在敏感区域快速部署。

6.该探测器尾部配有小型风力发电装置，从而减小了蓄电池的体积，克服了低温条件下蓄电池耐用性差的不足，不断为设备进行供电，保证了严寒条件下的长期监测。

具体来说：本发明所提出的冰基水下声源探测技术由飞行器投放探测器，可以部署在人们无法到达的冰区核心区域，同时具有灵活方便、大范围组网覆盖以及数据实时回传的优点。本专利所提出的探测器结构在平衡尾翼和投物伞的配合下钻入冰层，传感器在冰层中部进行耦合，能够避免冰层检波存在的接收信号能量有限的缺点，增加探测范围。除此之外，该探测器尾部还设计有小型风力发电装置，缩减了蓄电池体积，降低了运输和部署成本，可以对特定区域进行长期监测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明工作流程图。

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详细描述。

实施例一：

结合图1至图2，本发明是由钻冰金属头1、位移拾取传感器2、电子舱3、配重舱4、缓冲层5、电池舱6、信号处理模块7、通信模块8、外部传感器模块9、电源管理模块10、小型风力发电机11、平衡尾翼12、电子释放器13、射频天线14、投物伞15构成。位移拾取传感器2与钻冰金属头1紧密连接，电子舱3的底部外形具有一段平坦阻拦区，防止抛投时穿透冰层，电子舱3内部由最底层的配重舱4，用以保持重心，上层为用以防止下落对内部造成冲击的缓冲层5，再上层为电池舱6，将电池舱6安置在电子舱3的底部，同样为了保持整体中心，信号处理模块7进行信号处理同时程序控制整个系统的工作，通信模块8配合射频天线14，实现探测器的定位、通信与协同组网功能，外部传感器模块9用以采集探测器探测到的大气数据，如风速、气温、压强，并控制电子释放器13，电源管理模块10根据探测器当前工作状态，合理分配或存储电能，小型风力发电机11为探测器提供持续外部能源供给，平衡尾翼12在电子舱3的尾端，用以保持探测器垂直下落，电子释放器13可收缩进探测器壳体，用以保持和释放投物伞15，投物伞15在整个设备的尾端，用以调整下落速度，以免毁坏电子舱，同时保证具有足够的下落冲击力。

实施例二：本发明的探测方法包括以下步骤：

(1)设备由飞行器运载，在预定冰区上空，启动电源管理模块10、外部传感器模块9，根据飞行高度设置外部传感器释放参数，此时不开启信号处理模块7。

(2)由飞行器抛出，在配重舱4和平衡尾翼12的作用下，探测器自由落体一段时间，随后开启投物伞9。

(3)外部传感器模块9进行程序判定，若到达预定高度，控制电子释放器13开启，抛弃投物伞伞衣，探测器自由下落。

(4)经高空释放后，钻冰金属头1引导探测器垂直固定在冰面上，位移传感器2嵌入冰层，电子舱3停留在冰面。

(5)外部传感器模块9发出指令，打开电子释放器13，保证伞衣脱落。

(6)开启信号处理模块7，接收位移传感器2拾取的冰层中所携带的冰下声源信息。

(7)通信模块8与信号处理模块7同时开机，通过射频天线6向飞行器、母船或卫星传输当前位置信息、环境参数以及探测数据。

(8)电源管理模块10管控小型风力发电机11进行供电和储能。

也即，本发明包括探头、电子舱和平衡尾翼以及投物伞，探头、电子舱和平衡尾翼构成机身，探头前端由高强度金属制成并具有尖锐的顶；探头的钻冰金属头后端为冰中位移拾取传感器；传感器经电缆通过探头中空部分与电子舱内的信号处理模块相连接；探头电子舱内部前端为配重单元，其后安装有信号处理模块、导航与通信组件和电源模块；电子舱尾镂空部分安装有温度传感器、气压传感器、发电风扇和射频天线；电子舱尾部侧边固定有流线型平衡尾翼，末端连接有电子释放器控制的投物伞。探头具有较强的硬度和较长的长度，能够穿透或基本穿透所使用区域的冰层，从而是位移传感器大部分耦合与冰层中下层区域。电子舱尾部为镂空，中间通过转轴连接单边风扇和小型发电机。尾部投物伞配有电子释放器，通过电子舱压力传感器控制固定高度自动释放，或落地后打开释放器，可以抛弃投物伞，避免伞衣覆盖电子舱，影响发电。

综上，本发明提供的是一种利用声学方法探测冰层下水中声源的技术，探测器由固定翼飞机或直升机运载投放，探测器头部钻进冰层后开启电子设备，利用水下声能量与冰层中波动能量的转换在冰层中所产生的位移，探测水下目标，并传输处理结果。冰层探测器头部为高强度金属头，用以钻入冰层；后部是与透声中空高强度材料的金属杆，用以接收冰层内部位移信息；尾部为防水电子舱，电子舱配有平衡尾翼和投物伞，以尽量保证探测器最终垂直嵌入冰层，同时配有风力发电模块，保证能源持续供给，以及射频天线，用于定位和通信。与现有水声被动探测方法相比，该种方法可以大幅缩减冰区环境下布放探测设备的风险，且具有灵活、快速、可大范围联合部署的特点。

Claims (4)

1.一种冰基水下声源探测装置的探测方法，其特征在于：步骤如下：

(1)设备由飞行器运载，在预定冰区上空，启动电源管理模块、外部传感器模块，根据飞行高度设置外部传感器释放参数，此时不开启信号处理模块；

所述设备为冰基水下声源探测装置，包括由下至上布置的探头、电子舱、平衡尾翼、投物伞，探头前端是高强度金属制成并具有尖锐的顶的钻冰金属头，钻冰金属头后端为冰中的位移拾取传感器；电子舱内部依次设置配重舱、缓冲层和电池舱，在电池舱上方的电子舱内设置有信号处理模块、外部传感器模块、电源管理模块和通信模块；平衡尾翼设置在电子舱尾部侧边，投物伞设置通过电子释放器设置在电子舱末端，位移拾取传感器经电缆通过探头中空部分与电子舱内的信号处理模块相连接，通信模块与射频天线连接；

(2)由飞行器抛出，在配重仓和平衡尾翼的作用下，探测器自由落体一段时间，随后开启投物伞；

(3)外部传感器模块进行程序判定，若到达预定高度，控制电子释放器开启，抛弃投物伞伞衣，探测器自由下落；

(4)经高空释放后，钻冰金属头引导探测器垂直固定在冰面上，位移拾取传感器嵌入冰层，电子舱停留在冰面；

(5)外部传感器模块发出指令，打开电子释放器，保证伞衣脱落；

(6)开启信号处理模块，接收位移拾取传感器拾取的冰层中所携带的冰下声源信息；

(7)通信模块与信号处理模块同时开启，通过射频天线向飞行器、母船或卫星传输当前位置信息、环境参数以及探测数据；

(8)电源管理模块控制小型风力发电机进行供电和储能。

2.根据权利要求1所述的一种冰基水下声源探测装置的探测方法，其特征在于：电子舱尾部设置有镂空的孔，镂空的孔的中间通过转轴连接单边风扇和小型发电机，小型发电机与电源管理模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种冰基水下声源探测装置的探测方法，其特征在于：外部传感器模块与设置在电子舱尾镂空部分上的温度传感器、气压传感器连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种冰基水下声源探测装置的探测方法，其特征在于：其特征在于：信号处理模块进行信号处理同时程序控制整个系统的工作，通信模块配合射频天线实现探测器的定位、通信与协同组网功能，外部传感器模块采集探测器探测到的大气数据并控制电子释放器，电源管理模块根据探测器当前工作状态分配或存储电能，小型风力发电机为探测器提供持续外部能源供给。

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