CN114044113B - 浅海通信导航探测一体化潜标装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浅海通信导航探测一体化潜标装置，涉及水下通信、导航与探测技术领域，包括垂直接收阵、浮球、绞盘、矢量水听器、矢量水听器电子舱、通信机电子舱、收发合置换能器、电池舱、声学释放器和潜标体。垂直接收阵接收通信信号并连接浮球，浮球使垂直接收阵在水下呈竖直姿态，矢量水听器采集水下声信号输送到矢量水听器电子舱进行处理，通信机电子舱处理垂直接收阵和收发合置换能器接收的通信信号，控制矢量水听器电子舱和声学释放器；收发合置换能器接收和发射通信信号；声学释放器用于设备回收；潜标体为上述设备的搭载平台。本发明可实现水下数据通信、定位导航和警戒探测功能一体化，并具备抗拖网破坏的能力。

Description

浅海通信导航探测一体化潜标装置

技术领域

本发明涉及水下通信、导航与探测技术领域，特别涉及一种浅海通信导航探测一体化潜标装置。

背景技术

水下分布式多节点网络相比传统单节点具有无法比拟的优势：(1)覆盖面积广，大量的传感器节点通过水声通信的方式互联互通，能实现大范围海域的有效覆盖；(2)生存能力强，网络的自组织性和容错能力，使得网络不会因为其中某一节点的损坏而导致整个系统瘫痪；(3)可靠性高，分布式多节点的多角度、多区域观测，使得分布式多节点网络获取的信息较单一节点更为丰富，能有效消除单一节点的观测盲区问题。在海洋资源开发、海洋生态监视、水下目标定位导航、水下目标探测等方面，水下分布式网络采用多节点协同作战，其卓越的性能，受到了国内外研究人员的普遍重视。

可靠高效的水下信息传输、高精度的水下定位导航、广域水下空间的信息感知是水下多节点网络的核心能力，发展通导探一体化水下信息网络是形成上述能力的有效途径。设计具有水下信息传输、辅助定位导航、分布式警戒监视一体化功能的声学潜标是构建通导探一体化水下信息网络的关键。

当前，国内外不乏水下通信、导航与探测的文献与专利，这些文献和专利涵盖了水下通信、导航、探测的原理、方法与设备。但这些设备通常功能单一，只具备或通信、或导航、或探测、或通信与导航的能力，就通导探一体化设备而言，目前还未见到相关设备设计的报道。设计通导探一体化声学潜标，有效发挥水声通信、定位导航、警戒探测性能的综合性能，是实现水下多功能分布式网络的基础。针对浅海区域时常发生渔船拖网破坏水下声学设备事件，因此，提升声学潜标抗渔网破坏的生存能力，也是工程上需要考虑的问题。

基于此，做出本申请。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种浅海通信导航探测一体化潜标装置，实现水下数据通信、定位导航和警戒探测功能，同时潜标设备具备抗拖网破坏的能力。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

浅海通信导航探测一体化潜标装置，包括潜标体，所述潜标体上设有：垂直接收阵，与通信机电子舱相连，用于接收水中的通信信号并传输给通信机电子仓；浮球，浮于水面并与垂直接收阵的端部连接，用于通过自身浮力为垂直接收阵提供竖直向上的拉力；矢量水听器，用于采集包括拖网渔船信号在内的水下声信号；矢量水听器电子舱，分别与矢量水听器和通信机电子舱相连，用于处理矢量水听器采集的水声信号，并将处理结果发送给通信机电子舱；收发合置换能器，与通信机电子舱相连，用于根据通信机电子舱的控制指令对外收发信号，收发信号信息包括由矢量水听器电子舱提供的区域内可疑目标信息、拖网渔船信息、通信机电子舱提供的导航信息、以及设备状态信息；声学释放器，与通信机电子舱相连，用于根据通信机电子舱的指令上浮以回收潜标装置；电池舱，用于为垂直接收阵、绞盘、矢量水听器、矢量水听器电子舱、收发合置换能器和声学释放器供电；通信机电子舱，用于处理垂直接收阵接收的通信信号，解读通信指令，控制绞盘、矢量水听器电子舱、收发合置换能器和声学释放器工作。

为了实现垂直接收阵深度的可调节，本发明提供了一种优选方案，所述潜标体上还设有绞盘，所述垂直接收阵缠绕于绞盘上，绞盘与通信机电子舱相连，用于根据通信机电子舱的指令收/放缠绕于绞盘上的垂直接收阵，调节垂直接收阵的深度。

为了便于潜标装置的打捞，本发明提供了一种优选方案，所述声学释放器包括浮体、一端连接浮体另一端连接潜标体的拉绳、以及存放拉绳的绳舱；垂直接收阵收到潜标回收指令，通信机电子舱控制声学释放器释放浮体，浮体上浮至水面，水面工作人员打捞浮体，通过浮体连接的拉绳完成潜标装置的回收。

为了避免受到收发合置换能器的强干扰，本发明提供了一种优选方案，所述矢量水听器工作频段与通信信号频段不一致，矢量水听器工作在低频段，通信信号在中高频段。

为了取得更好的通信质量，本发明提供了一种优选方案，所述垂直接收阵为充油式水听器阵，阵元间距取通信信号中心频率3至4倍波长。

为了实现各个模块的合理布局尽量减少互相干扰，本发明提供了一种优选方案，所述潜标体的结构分为三层：底层投影面积最大，与海底直接接触；顶层投影面积最小，顶层上安装垂直接收阵、浮球、矢量水听器和收发合置换能器；介于底层与顶层之间的为中间层，中间层内安装绞盘、矢量水听器电子舱、通信机电子舱、电池舱和声学释放器；所述潜标体采用钢结构框架，在顶层与底层之间设置保护钢条，使中间层为棱台形状。

为了对中间层贵重的设备进行保护，本发明提供了一种优选方案，所述潜标体采用钢结构框架，在顶层与底层之间设置保护钢条，使中间层为棱台形状。

为了保护矢量水听器，本发明提供了一种优选方案，所述潜标体的顶层设置有钢结构矢量水听器安装框架。

为了提高装置的抗干扰性，本发明提供了一种优选方案，所述潜标体采用316L不锈钢材质。

为了实现水下的高效通信，本发明提供了一种优选方案，所述通信机电子舱与所述垂直接收阵、绞盘、矢量水听器电子舱、收发合置换能器与声学释放器之间，矢量水听器电子舱与矢量水听器之间，以及电池舱与矢量水听器电子舱和通信机电子舱，均通过多芯屏蔽水密电缆连接。

本发明的工作原理：垂直接收阵接收来自水面端的通信信号，并将来自水面的指令传输给通信机电子舱；矢量水听器采集的水下的水声信号，矢量水听器电子舱分析并处理采集到水声信号，将处理结果(目标有无、目标类别)发送给通信机电子舱；通信机电子舱处理垂直接收阵接收的通信信号，解读通信指令，控制绞盘、矢量水听器电子舱、收发合置换能器、声学释放器工作。具体为：控制绞盘收放垂直接收阵、调节垂直接收阵的深度；控制矢量水听器电子舱工作/休眠状态；控制收发合置换能器，向水面端报告设备工作状态以及是否存在可疑目标；控制声学释放器释放浮体和拉绳，回收潜标设备。

与现有技术相比，本发明能实现如下有益技术效果：本发明一体化潜标装置实现水下数据通信、定位导航和警戒探测功能，并通过合理布局，减少各模块之间的相互干扰；同时具备浅海回收功能，支持重复使用。潜标设备具备抗拖网破坏的能力，当矢量水听器发现附近存在拖网渔船时，将目标信息发送给通信机电子舱，通信机电子舱控制绞盘将垂直接收阵回收，对潜标装置及其搭载设备做进一步保护。

附图说明

图1本实施例浅海通信导航探测一体化潜标装置中各个设备的组成和连接图；

图2本实施例浅海通信导航探测一体化潜标装置的立体结构图；

图3本实施例浅海通信导航探测一体化潜标装置的主视图；

图4本实施例浅海通信导航探测一体化潜标装置的俯视图；

图5本实施例浅海通信导航探测一体化潜标装置中声学释放器的结构示意图；

附图标记说明：垂直接收阵1，浮球2，绞盘3，矢量水听器电子舱4，矢量水听器5，通信机电子舱6，收发合置换能器7，电池舱8，声学释放器9，浮体91，凯夫拉绳92，绳舱93，潜标体10。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：

请参阅图1，图1本实施例浅海通信导航探测一体化潜标装置中各个设备的组成和连接图，它由垂直接收阵1、浮球2、绞盘3、矢量水听器电子舱4、矢量水听器5、通信机电子舱6、收发合置换能器7、电池舱8、声学释放器9、潜标体10组成，其中：

垂直接收阵1，与通信机电子舱6相连，用于接收水中的通信信号并传输给通信机电子仓；本实施例的垂直接收阵1为充油式水听器阵，阵元间距取通信信号中心频率3至4倍波长，用于接收通信信号。一端通过电缆与通信机电子舱6相连，另一端通过纤绳与浮球2相连。垂直阵利用水声信道在垂直方向上相关半径小的特点，在阵列孔径一定前提下，通过多通道处理，空间分集，较单水听器和水平接收阵能取得更好的通信质量。

浮球2，浮于水面并与垂直接收阵1的端部连接，用于通过自身浮力为垂直接收阵1提供竖直向上的拉力；本实施例的浮球2为耐压浮球2，为垂直阵提供正向浮力，保持垂直接收阵1在水下呈竖直姿态。

绞盘3，垂直接收阵1缠绕于绞盘3上，绞盘3与通信机电子舱6相连，用于根据通信机电子舱6的指令收/放缠绕于绞盘3上的垂直接收阵1，调节垂直接收阵1的深度。本实施例绞盘3通过电缆与通信机电子舱6相连，设备不工作情况下，垂直接收阵1盘(缠绕)在绞盘3上，当垂直接收阵1收到外部的释放指令时，通信机电子舱6通过信号处理解读出当前指令，控制绞盘3将垂直接收阵1缓慢放出，并根据通信质量调节垂直接收阵1深度。同理，需要回收垂直接收阵1时，则通过通信机电子舱6控制绞盘3将垂直接收阵1回收。

矢量水听器5，用于采集包括拖网渔船信号在内的水下声信号；当收发合置换能器7发射信号时，为避免受到收发合置换能器7造成的强干扰，矢量水听器5工作频段与通信信号频段不一致，由于水下目标辐射噪声通常在低频段，因此矢量水听器5工作在低频段，而通信信号属于中高频段。

矢量水听器电子舱4，分别与矢量水听器5和通信机电子舱6相连，用于处理矢量水听器5采集的水声信号，并将处理结果发送给通信机电子舱6。

收发合置换能器7，通过电缆与通信机电子舱6相连，用于根据通信机电子舱6的控制指令对外收发信号；信号信息具体包括区域内可疑目标(矢量水听器电子舱4提供，包括存在拖网渔船的信息)、导航(通信机电子舱6提供)、设备状态(包括设备电量、是否正常运行)。通信机电子舱6根据垂直接收阵1接收的通信指令，控制收发合置换能器7相应地执行上述信息的发射过程。

声学释放器9，与通信机电子舱6相连，用于根据通信机电子舱6的指令上浮以回收潜标装置；本实施例声学释放器9，请参阅图5，包括浮体、一端连接浮体另一端连接潜标体10的凯夫拉绳、以及存凯夫放拉绳的绳舱；垂直接收阵1收到潜标回收指令，通信机电子舱6控制声学释放器9释放浮体，浮体上浮至水面，水面工作人员打捞浮体，通过浮体连接的拉绳完成潜标装置的回收。

电池舱8，用于为垂直接收阵1、绞盘3、矢量水听器5、矢量水听器电子舱4、收发合置换能器7和声学释放器9供电。

通信机电子舱6，用于处理垂直接收阵1接收的通信信号，解读通信指令，控制绞盘3、矢量水听器电子舱4、收发合置换能器7和声学释放器9工作。具体包括控制绞盘3收放垂直接收阵1以及调节其深度；控制矢量水听器电子舱4工作/休眠状态以节省能量，提高潜标整体工作时长；控制收发合置换能器7，向水面接收端报告设备工作状态以及是否存在可疑目标；控制声学释放器9释放浮体和凯夫拉绳，回收潜标设备。

潜标体10，用于搭载上述各个水声设备，请参阅图2至图4，其结构分为三层：底层投影面积最大，与海底直接接触，保证潜标体10在海底不会陷入泥沙中，该层无任何设备，避免海底沙石刮伤设备；顶层投影面积最小，顶层上安装垂直接收阵1、浮球2、矢量水听器5和收发合置换能器7；主要为声信号的收发部分，将其放在最上层则是为了避免其它设备对对其造成遮挡，影响信号接收。该种结构的潜标体10底部结构稳定，不容易被海底渔网拖翻。介于底层与顶层之间的为中间层，中间层内安装绞盘3、矢量水听器电子舱4、通信机电子舱6、电池舱8和声学释放器9，安装的是潜标装置中最为贵重的设备，潜标体10采用钢结构框架，在顶层与底层之间设置保护钢条，中间层为棱台形状，保护钢条对这些贵重设备起到保护作用。同时，潜标体10的顶层设置有钢结构矢量水听器5安装框架，用于保护矢量水听器5，此外，当矢量水听器5发现附近存在拖网渔船时，将目标信息发送给通信机电子舱6，通信机电子舱6控制绞盘3将垂直接收阵1回收，对潜标装置及其搭载设备做进一步保护。

本实施例潜标体10采用316L不锈钢材质。在保证潜标坚固程度的前提下，避免常规钢材磁性对航向传感器(位于矢量水听器5内，矢量水听器5必须搭配航向传感器工作，不然无法对目标绝对方向进行定向)产生影响。

本实施例通信机电子舱6与垂直接收阵1、绞盘3、矢量水听器电子舱4、收发合置换能器7与声学释放器9之间，矢量水听器电子舱4与矢量水听器5之间，以及电池舱8与矢量水听器电子舱4和通信机电子舱6，均通过多芯屏蔽水密电缆连接。

本实施例能实现如下技术效果：

(1)本发明的潜标设备一体化实现水下数据通信、定位导航和警戒探测功能。

(2)本实施例通过合理布局，减少各功能模块之间的相互干扰。

(3)本实施例通过声学释放器9，使潜标装置具备浅海回收功能，支持重复使用。

(4)本实施例潜标设备具备抗拖网破坏的能力。当矢量水听器5发现附近存在拖网渔船时，将目标信息发送给通信机电子舱6，通信机电子舱6控制绞盘3将垂直接收阵1回收，对潜标装置及其搭载设备做进一步保护。

以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.浅海通信导航探测一体化潜标装置，包括潜标体，其特征在于，所述潜标体上设有

垂直接收阵，与通信机电子舱相连，用于接收水中的通信信号并传输给通信机电子仓；

浮球，浮于水面并与垂直接收阵的端部连接，用于通过自身浮力为垂直接收阵提供竖直向上的拉力；

矢量水听器，用于采集包括拖网渔船信号在内的水下声信号；

矢量水听器电子舱，分别与矢量水听器和通信机电子舱相连，用于处理矢量水听器采集的水声信号，并将处理结果发送给通信机电子舱；

收发合置换能器，与通信机电子舱相连，用于根据通信机电子舱的控制指令对外收发信号，收发信号信息包括由矢量水听器电子舱提供的区域内可疑目标信息、拖网渔船信息、通信机电子舱提供的导航信息、以及设备状态信息；

声学释放器，与通信机电子舱相连，用于根据通信机电子舱的指令上浮以回收潜标装置；

电池舱，用于为垂直接收阵、绞盘、矢量水听器、矢量水听器电子舱、收发合置换能器和声学释放器供电；

通信机电子舱，用于处理垂直接收阵接收的通信信号，解读通信指令，控制绞盘、矢量水听器电子舱、收发合置换能器和声学释放器工作。

2.如权利要求1所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述潜标体上还设有绞盘，所述垂直接收阵缠绕于绞盘上，绞盘与通信机电子舱相连，用于根据通信机电子舱的指令收/放缠绕于绞盘上的垂直接收阵，调节垂直接收阵的深度。

3.如权利要求1所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述声学释放器包括浮体、一端连接浮体另一端连接潜标体的拉绳、以及存放拉绳的绳舱；垂直接收阵收到潜标回收指令，通信机电子舱控制声学释放器释放浮体，浮体上浮至水面，水面工作人员打捞浮体，通过浮体连接的拉绳完成潜标装置的回收。

4.如权利要求1所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述矢量水听器工作频段与通信信号频段不一致，矢量水听器工作在低频段，通信信号在中高频段。

5.如权利要求1所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述垂直接收阵为充油式水听器阵，阵元间距取通信信号中心频率3至4倍波长。

6.如权利要求2所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述潜标体的结构分为三层：底层投影面积最大，与海底直接接触；顶层投影面积最小，顶层上安装垂直接收阵、浮球、矢量水听器和收发合置换能器；介于底层与顶层之间的为中间层，中间层内安装绞盘、矢量水听器电子舱、通信机电子舱、电池舱和声学释放器；所述潜标体采用钢结构框架，在顶层与底层之间设置保护钢条，使中间层为棱台形状。

7.如权利要求6所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述潜标体的顶层设置有钢结构矢量水听器安装框架，用于保护矢量水听器。

8.如权利要求1所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述潜标体采用316L不锈钢材质。

9.如权利要求6所述的浅海通信导航探测一体化潜标装置，其特征在于，所述通信机电子舱与所述垂直接收阵、绞盘、矢量水听器电子舱、收发合置换能器与声学释放器之间，矢量水听器电子舱与矢量水听器之间，以及电池舱与矢量水听器电子舱和通信机电子舱，均通过多芯屏蔽水密电缆连接。

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