CN114348180B - 一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于深远海水域目标落水声测量，尤其涉及一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统。母船布放潜标后，利用母船上信标定位设备对潜标进行定位，定出潜标在水下的精确位置。潜标定位结束后，潜标启动被动测量功能，进行数据采集存储和处理，解算出目标信号后，通过水通机上传检测结果，潜标上方的水面无人艇装载的水通机接收到信号后通过无线传输系统，或利用潜标与母船直接进行通信，将检测信号上传到母船的主控测量系统，主控测量系统根据不同潜标声脉冲信号，利用长基线定位原理解算目标落水点位置。

Description

一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统

技术领域

本发明属于深远海水域目标落水声测量，尤其涉及一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统。

背景技术

目标的落水点位置是武器试验中比较关心的一个问题，快速而准确的对目标的落点进行定位是试验中一个重要环节。根据武器试验的终点效应，目标落水时与水面相互作用，会产生较强的撞击声波，该声波以目标落点为中心在水中向四周传播，利用多个不同位置的声传感器探测该声波信号即可获得目标落点的位置信息。为解决深远海水域目标落水辐射声可靠测量问题，本发明利用深水信道信噪比高的优点，设计一种深海潜标，可实现声辐射信号的采集、记录、存储和信息实时传输，采用4个以上不同位置潜标获取的目标声辐射信号，即可解算目标落水点位置。

发明内容

本发明设计一种可工作在深远海水域的可回收式潜标测量系统，母船布放潜标后，利用母船上信标定位设备对潜标进行定位，定出潜标在水下的精确位置。潜标定位结束后，潜标启动被动测量功能，进行数据采集存储和处理，解算出目标信号后，通过水通机上传检测结果，潜标上方的水面无人艇装载的水通机接收到信号后通过无线传输系统，或利用潜标与母船直接进行通信，将检测信号上传到母船的主控测量系统，主控测量系统根据不同潜标声脉冲信号，利用长基线定位原理解算目标落水点位置。

本发明的技术方案：

一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统，包括至少四个处于不同位置的潜标，每个潜标包括信标机1、凯夫拉绳a2、玻璃浮球链组a3、系统主单元4、玻璃浮球链组b5、凯夫拉绳b6、释放器7、圆环8、锚链9、尼龙绳10和重力锚11；所述的玻璃浮球链组a3，其顶部通过凯夫拉绳a2与信标机1连接，其底部与系统主单元4连接；所述的玻璃浮球链组b5，其顶端与系统主单元4连接，其底端通过凯夫拉绳b6与释放器7的顶部连接；所述的释放器7的底部设有圆环8，所述的锚链9一端系在圆环8上，另一端与尼龙绳10的一端连接，尼龙绳10的另一端与重力锚11连接；所述的信标机1用于确定潜标所在位置；所述的释放器7用于释放底部的重力锚11，释放器7上部的部件可进行回收。

所述的系统主单元4包括水听器阵、水通机换能器和释放器换能器；所述的水听器阵包括矢量水听器和测时水听器，用于测量目标落水点时间信号和方向信号，然后通过水通机换能器将信号传输至母船上；所述的释放器换能器用于控制释放器7。

所述的潜标与母船的通讯方式包括两种，一是直接进行通信，二是利用水面无人艇通信中继的双重互为备份方式实现实时数据传输，潜标通过水通机换能器发送数据到水面无人艇接收阵，接收阵解调通信信号后利用卫星通信或者无线宽带微波设备进行实时中继转发至母船；在高海况条件下无人艇无法承担通信中继任务时，利用水通机换能器把距离母船较远的潜标数据先传至距离母船较近的潜标，再通过距离母船较近的潜标将数据上传至母船，实现潜标与母船之间的远程实时数据传输。

本发明的目标落水辐射声测量系统主要功能如下：

（1）具备声脉冲信号检测及时延提取功能

（2）具备声脉冲信号测向功能

（3）具备遥控自浮回收功能

（4）具备数据自存储功能

（5）具有数据实时回传功能

（6）具备自主待机工作功能

（7）具备外部授时和自守时功能

（8）具备潜标位置标定功能

（9）具备船载端自主询问和潜标应答功能，潜标反馈潜标姿态、深度、电压等状态信息

（10）具备潜标定位结果通过无人艇卫星通信或无线宽带微波设备进行实时中继转发功能

（11）具备判定异常上浮、非法读取及无法回收的功能

（12）具备指令自毁和基于自毁准则的数据自毁功能

（13）具备潜标单元之间直接通信并向母船转发数据的功能

（14）具备发送水声信号，通过艇载水听器阵列接收解调，完成无人艇辅助定位，辅助无人艇防诱捕

（15）具备初次布放位置偏差较大时再次回收布放的功能。

本发明具有如下创新设计：

（1）本发明采用矢量水听器和测时水听器双重设计，能够同时测量目标落水点相位差和落水时刻，通过矢量水听器获取的目标方向信息剔除野点，辅助测时水听器对目标落点进行快速定位解算。

（2）为解决潜标与母船之间的远程、可靠、实时通信问题，本发明采用潜标与母船直接进行通信，和利用水面无人艇通信中继的双重互为备份方式实现潜标与母船之间的可靠、实时数据传输。潜标可以通过水声通信机发送数据到水面无人艇接收阵，接收阵解调通信信号后利用卫星通信或者无线宽带微波设备进行实时中继转发至母船；在高海况条件下无人艇无法承担通信中继任务时，由于距离母船较远的潜标无法直接把数据上传至母船，采用的策略是利用水声通信机把距离母船较远的潜标数据先传至距离母船较近的潜标，再通过距离母船较近的潜标把数据上传至母船，实现潜标与母船之间的远程实时数据传输。

（3）为解决水面无人艇卫星信号受到压制而无定位信息问题，本发明设计采用多个潜标上的水声通信设备给无人艇发射定位信号，利用长基线定位原理辅助无人艇完成自定位。当无人艇平台卫星定位信号受到压制时，母船通过向水下潜标发送辅助定位指令。潜标测量单元响应该指令，按照约定的时间表依次向无人艇发出辅助定位信息。无人艇载水听器阵列在接收到多个潜标发出的辅助定位信号后对自身位置进行解算，并把位置信息发送给无人艇控制中心，实现无人艇定位，防止无人艇被诱捕。

深远海潜标测量系统由潜标浮体模块、信号采集、存储与处理模块、水听器阵列模块、水声通信模块、锚系装置模块组成，如图1所示。潜标浮体模块是潜标测量单元的本体，用于搭载潜标测量单元的各功能模块，同时为各功能模块提供耐压结构和浮力，保证潜标测量单元能够在规定的水深完成相关的测量工作，同时保证潜标测量单元能够可靠回收上浮；信号采集、存储与处理模块用于实时采集存储目标的瞬态信号，并且完成对目标落水点声源的方位和目标落水点声源落点时刻的确定；水听器阵列模块用于采集水声信号的时间和方位信息；水声通信模块用于实现潜标测量子系统与水面无人艇或母船之间的数据传输。

附图说明

图1为本发明深海潜标测量系统的结构示意图。

图2 为潜标测量主单元内部结构组成示意图。

图中：1、信标机；2、凯夫拉绳a；3、玻璃浮球链组a；4、系统主单元；5、玻璃浮球链组b；6、凯夫拉绳b；7、释放器；8、圆环；9、锚链；10、尼龙绳；11、重力锚。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统，包括至少四个处于不同位置的潜标，每个潜标包括信标机1、凯夫拉绳a2、玻璃浮球链组a3、系统主单元4、玻璃浮球链组b5、凯夫拉绳b6、释放器7、圆环8、锚链9、尼龙绳10和重力锚11；所述的玻璃浮球链组a3，其顶部通过凯夫拉绳a2与信标机1连接，其底部与系统主单元4连接；所述的玻璃浮球链组b5，其顶端与系统主单元4连接，其底端通过凯夫拉绳b6与释放器7的顶部连接；所述的释放器7的底部设有圆环8，所述的锚链9一端系在圆环8上，另一端与尼龙绳10的一端连接，尼龙绳10的另一端与重力锚11连接；所述的信标机1用于确定潜标所在位置；所述的释放器7用于释放底部的重力锚11，释放器7上部的部件可进行回收。

系统整体采用三段式结构设计：释放段、设备段和浮标段。采用串联式设计方便布放和回收、可靠性高。系统在母船上可拆分存放，节省空间。到达指定海域后通过接插件连接，串接到一起。水声通信换能器和潜标设备集成在一个框架中，可提高布放回收的可靠性。潜标浮体分开安装在仪器舱的上下两端，为系统提供浮力。

如图2所示，所述的系统主单元4包括水听器阵、水通机换能器和释放器换能器；所述的水听器阵包括矢量水听器和测时水听器，用于测量目标落水点时间信号和方向信号，然后通过水通机换能器将信号传输至母船上；所述的释放器换能器用于控制释放器7。系统主单元4将水听器阵、水声通信机换能器及仪器舱，均固定在一个框架内，解决了水通机换能器与仪器舱之间数据能源交互问题，防止水通机换能器通信电缆穿过卸扣时导致的纠缠破断。然后再与释放器7、玻璃浮球链组串联组成可回收部分；锚链9、尼龙绳10及重力锚11组成抛弃部分。可根据布放要求，调整尼龙绳10的长度，从而调整水听器阵到海底的距离，同时使用尼龙绳将释放器距底位置抬高，减少了潜标仪器舱至释放器间通信电缆的距离。

潜标各个模块的直径都在1m以下：浮球是直径约1m的球体；释放器直径约150mm，高度约800mm；水听器阵支架为边长1m的正方形框架；尼龙绳10长100m；锚链9长10m；凯夫拉绳a2和凯夫拉绳b长5m。

本发明的目标落水辐射声测量系统的工作过程分为4个阶段，布放前检查过程、系统布放过程、系统工作过程和系统回收过程，具体如下：

（1）布放前检查过程

在系统下水之前，对系统进行组装，并对系统外观、玻璃浮球舱内压力、电量、应答释放、北斗定位以及系统各模块进行常态化检查，形成检查记录，保证装备状态良好。

（2）系统布放过程

系统布放前根据任务要求规划布放阵型，根据实际海域情况规划具体布放位置，并把位置坐标上报指挥中心。

系统布放过程主要包括以下几个步骤：工作参数设定、北斗授时、水面船吊布、水面位置记录、布放过程测距、水下位置标定。

工作参数设定：根据不同的任务需要，设定系统的工作模式，然后完成系统上电，系统进入待部署模式。

北斗授时：在系统下水之前，利用北斗对系统内的高精度守时时钟进行授时，以保证定位解算时的时钟同步。

母船吊布：母船将人员和装备投送至任务海域，按照设计投放点位，在到达点位前将装配完整的整套装备脱钩器与起吊设备连接，操作脱钩器人员进行系统投放。

水面位置记录：记录投放时的精确经纬度信息和投放时间。

布放过程测距：系统在部署下沉的过程中，可间隔一定时间，利用甲板单元对系统进行声学测距，用于掌握系统下沉过程中的状态。

水下位置标定：当系统部署完成后，对系统水下位置进行标定，记录水下位置。

（3）系统工作过程

系统可以工作在待机模式或者测量模式，通常情况下工作在自主待机模式，当系统收到切换至测量模式的命令后切换模式。模式切换命令主要通过水声通信发送或甲板单元发送。两种手段提高系统可靠性。

系统启动包含两种工作模式：水声通信启动采集模式和定时启动采集模式。系统下水前一般设置为水声通信启动采集模式。

当系统需要工作在测试模式时，系统可采用以下方式启动采集（唤醒）：

a）通过甲板单元发送声命令启动潜标唤醒；

b）母船通过水声通信向系统发送控制命令，系统收到命令后开启采集；

c）系统下水前设置定时唤醒，到达时刻后系统自动唤醒。当设置为定时唤醒方式时，可通过母船水声通信设备或甲板单元控制系统定时唤醒的状态，如关闭/启动唤醒时间、延长/缩短定时唤醒时间。

在启动采集后，系统进行连续采集存储，并实时进行信号处理，当系统接收到落点信号后，计算接收到目标落水声辐射信号的到达时刻，并通过水声通信将解算时刻信息上传至母船。

母船在接收到各个系统回传的到达时刻之后，进行准实时数据处理。

待机回收：通过水声通信将潜标采集关闭，保证电池电量。

（4）系统回收过程

当任务周期结束后，母船返回或驶至部署海域，利用甲板单元向水下发射水声回收信令，遥控系统（可回收部分）上浮；待设备上浮至水面后，利用北斗进行定位；定位后，船只抵近，利用打捞设备回收。

设备回收后，测试人员即可从系统导出数据；数据导出后，可利用便携式终端或加固计算机对采集记录的水声信号进行专业化的分析处理，获得事后定位结果。

Claims (1)

1.一种基于深远海无人潜标的目标落水辐射声测量系统，其特征在于，所述的目标落水辐射声测量系统包括至少四个处于不同位置的潜标，每个潜标包括信标机（1）、凯夫拉绳a（2）、玻璃浮球链组a（3）、系统主单元（4）、玻璃浮球链组b（5）、凯夫拉绳b（6）、释放器（7）、圆环（8）、锚链（9）、尼龙绳（10）和重力锚（11）；所述的玻璃浮球链组a（3），其顶部通过凯夫拉绳a（2）与信标机（1）连接，其底部与系统主单元（4）连接；所述的玻璃浮球链组b（5），其顶端与系统主单元（4）连接，其底端通过凯夫拉绳b（6）与释放器（7）的顶部连接；所述的释放器（7）的底部设有圆环（8），所述的锚链（9）一端系在圆环（8）上，另一端与尼龙绳（10）的一端连接，尼龙绳（10）的另一端与重力锚（11）连接；所述的信标机（1）用于确定潜标所在位置；所述的释放器（7）用于释放底部的重力锚（11），释放器（7）上部的部件可进行回收；

所述的系统主单元（4）包括水听器阵、水通机换能器和释放器换能器；所述的水听器阵包括矢量水听器和测时水听器，用于测量目标落水点时间信号和方向信号，然后通过水通机换能器将信号传输至母船上；所述的释放器换能器用于控制释放器（7）；

所述的潜标与母船的通讯方式包括两种，一是直接进行通信，二是利用水面无人艇通信中继的双重互为备份方式实现实时数据传输，潜标通过水通机换能器发送数据到水面无人艇接收阵，接收阵解调通信信号后利用卫星通信或者无线宽带微波设备进行实时中继转发至母船；在高海况条件下无人艇无法承担通信中继任务时，利用水通机换能器把距离母船较远的潜标数据先传至距离母船较近的潜标，再通过距离母船较近的潜标将数据上传至母船，实现潜标与母船之间的远程实时数据传输。

Images