CN115047466A - 快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置及方法，涉及水下目标识别技术领域；值守装置包括水面漂浮保障平台、水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台和指控台。水面漂浮保障平台主要作为水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台的载体，水面漂浮保障平台负责将水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台运送到指定位置并完成供电、释放、回收等工作，水下声纳探测平台负责布放水下探测声纳并对水中目标进行探测。水面漂浮保障平台、水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台根据指控台实时指令进行状态调整。本发明可应用于对具有较好透明度的水质中的移动目标进行探测、识别以及跟踪。

Description

快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置及方法

技术领域

本发明涉及水下目标识别技术领域，特别是一种水下目标探测、识别、跟踪的方法。

背景技术

水中目标的探测，在防卫、救援、生产、生活等领域均有重要应用；现有技术中采取的探测手段主要包括以下几种：

一种是利用水下固定声阵录取的噪声数据进行海豚、海豹等生物的信号监测，此方法的缺点定位精度较差。还可以利用船载回声声纳进行水中目标的定位，此方法的缺点是无法对探测的目标进行正确的识别。在其他场景中，还可以利用水下激光成像雷达对水中目标的探测识别，此方法的缺点探测距离较近，难以对目标进行持续跟踪和未来运动趋势的预测。此外，还可利用无人机搭载蓝绿激光雷达对水下目标进行探测，但此方法的缺点在于难以长期值守。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可快速定位识别水中目标，且可长时间进行海面值守的装置及其相应的作业方法。

本发明第一方面提供一种可快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其包括，水面漂浮保障平台、水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台和指控台。

其中，水面漂浮保障平台主要作为水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台的载体，水面漂浮保障平台负责将水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台运送到指定位置并完成供电、释放、回收等工作，水下声纳探测平台负责布放水下探测声纳并对水中目标进行探测，无人机根据水下声纳探测到的目标位置进行再次确认和水下目标识别，将目标识别结果传送到指控台，指控台位于岸上或指挥船只上进行态势显示和指挥控制，指控台可根据上报的目标情况发送实时指令。水面漂浮保障平台、水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台根据所述实时指令进行状态调整。

水面漂浮保障平台(含水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台)主要任务设备为声纳和无人机探测部分。

所述水面漂浮保障平台主要包括三个功能：第一，为水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台提供正常工作能源和通信条件；第二，作为无人机释放与回收的平台；第三，作为水下声纳释放与回收的平台。

水面漂浮保障平台主要包括漂浮装置、伸缩控制设备、无人机保护罩、水下声纳释放与回收装置、GPS定位系统。

所述漂浮装置可由无人艇或浮标或浮筒等浮力较大的设备构成，主要用于承载无人机伸缩设备、无人机停放装置、水下声纳等。所述漂浮装置可利用船只上的机械吊臂释放到水面，或者利用自主动力游动到指定位置。

所述伸缩控制设备主要用于系留无人机，系留缆绳一般不超过600米长，缆绳用于无人机供电与通信。所述伸缩控制设备根据指控台的实时指令调整无人机和缆绳的伸缩情况。

所述无人机保护罩为分片式结构，由至少5个分片或多片弧面组成，各分片弧面同轴，展开后为半球形，可将无人机平台罩住，收缩后为单个分片弧面形状。分片式无人机保护罩在转动电机驱动装置带动下，按照从顶部到两侧的顺序进行转动，按照无人机释放或回收的指令，所述无人机保护罩进行分片折叠打开或分片张开包围两种操作过程。

水下声纳释放与回收装置包括固定线盘、线缆、控制装置等，线缆缠绕于线盘上，线盘转动可实现线缆的释放与回收，线缆用于水下声纳的供电和通信，控制装置用以接收指控台的指令，并驱动线盘进行顺时针或逆时针转动。

GPS定位装置用于定位水面漂浮保障平台的位置，并向所述水下声纳释放与回收装置反馈位置信息。

所述水下声纳探测平台主要包括两个功能：第一，发射主动声波探测水中目标，利用回波信息获取目标的方位、距离信息；第二，可长期位水下值守，全天候监测水下目标。

所述水下声纳探测平台主要包括发射阵、接收阵、惯性陀螺、深度传感器以及电子仓壳体等，所述发射阵分别与接收阵、惯性陀螺、深度传感器电性连接，所述发射阵、接收阵、惯性陀螺、深度传感器外包覆电子仓壳体。其中发射阵用于发射基阵信号，接收阵用于接收回波信号，惯性陀螺用于标定基准位置，深度传感器用于测定声纳工作深度，电子仓壳体用于装载发射基阵、接收基阵、惯性陀螺、深度传感器等。

所述空中无人机激光雷达探测平台主要包括两个功能：第一，通过发射脉冲激光，利用激光点云成像信息识别、跟踪水中目标；第二，可长期位空中值守，全天候监测水中目标。

所述空中无人机激光雷达探测平台主要包括：无人机平台、激光雷达、GPS定位装置等。其中无人机平台为多旋翼无人机，用于升空探测，接收指控台指令，并通过数据链下传信息；激光雷达用于发射和接收激光信号；GPS定位装置用于测定无人机平台位置；所述无人机平台上装载所述激光雷达和所述GPS定位装置。

所述指控台主要包括三个功能：第一，以有线或无线方式接收水下声纳信号并进行处理显示，同时发送指令控制声纳信号的发射、声纳释放以及回收等工作；第二，有线或无线的方式接收无人机激光雷达信号并进行处理显示，同时发送指令控制激光雷达信号的发射、无人机的释放与回收等工作；第三，发送指令控制水面漂浮保障平台各装置的运行工作。

所述指控台主要包括信号处理机柜、显控台；所述信号处理机柜和所述显控台电性连接。所述信号处理机柜用于处理接收的声纳、激光雷达信号并送至显控台；显控台用以显示水中目标方位、距离、声纳信号发射参数、激光雷达信号发射参数以及向所述水面漂浮保障平台、水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台发送控制指令。

本发明第二方面提供一种可快速定位识别水中目标的长时间海面值守方法，其可采用本发明第一方面所述可快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置完成作业。具体地，所述值守方法包括：

步骤S1.将水面漂浮保障平台(含未展开工作前的水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台)运至布设地点A；

或者水面漂浮保障平台(含未展开工作前的水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台)利用自主动力游至指定位置A；

步骤S2.将水面漂浮保障平台(含未展开工作前的水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台)放入水中；

若是水面漂浮保障平台(含未展开工作前的水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台)自主动力游至指定位置A，则省去此步骤；

步骤S3.为全系统的各用电器接电；

步骤S4.根据海洋水文情况，将位于水面漂浮保障平台下层的水下声纳探测平台释放声纳至一定深度处，一般取10m左右；

位于水面漂浮保障平台上层的系留无人机张开无人机保护罩并升空，并朝向位于远离船只方向、距离声纳最大作用距离处C巡逻，无人机的工作高度为75～150m；

步骤S5.当声纳探测到目标后，由指控台(位于岸上B位置点)显示目标距离、方位信息，尔后根据目标位置信息，系留无人机前出探测识别，若为目标则继续跟踪；若为水中杂波则不予置理，返回位置C处继续巡逻，即，继续按照步骤S1-步骤S5的过程执行巡逻任务。

本发明可应用于对具有较好透明度的水质(浑浊的水质探测难度大)中的移动目标进行探测、识别以及跟踪，典型应用场景为：

1.用于对港口、海上平台(舰船、勘探平台等)附近水域水中移动目标探测与定位跟踪，例如不明水下目标接近对港口可能构成威胁；

2.用于对海岸公共浴场等人群娱乐场所水域水中大型鱼类(如鲨鱼、鲸等)探测识别与预警；

3.用于陆地江河等水域的鱼类监测；

4.用于100米深度以内的水下救援作业，如沉船打捞等。

附图说明

图1是本发明所述可快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置的一优选实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例中无人机飞行平台释放后的海面值守装置的结构示意图；

图3是图1、图2所示实施例中无人机平台的结构示意图；

图4是图1所示实施例中指控台的结构示意图；

图5、图6是无人机保护罩的组成结构示意图；

图7是水面漂浮保障平台在港口工作时的结构示意图。

图1-图7中数字标记的含义是：

1：漂浮装置；2：水下声纳；3：水下声纳释放与回收装置；4：GPS天线；5：伸缩控制设备；6：多旋翼无人机系统；7：无人机保护罩；8：螺旋桨；9：激光雷达；10：指控台；11：显控台；12：信号处理机柜；13：供配电设备。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

实施例1

可快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，如图1-图7所示，其包括水面漂浮保障平台，所述水面漂浮保障平台搭载水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台和指控台。

所述水面漂浮保障平台包括漂浮装置1，图1中无人机飞行平台停放于漂浮装置上；所述漂浮装置1内侧下方安装水下声纳释放与回收装置3，所述水下声纳释放与回收装置3通过伸缩绳连接水下声纳2，便于释放或回收所述水下声纳2。所述漂浮装置1内侧下方还设置供配电设备13，以便为用电器供电。

所述漂浮装置1侧方设置螺旋桨8便于漂浮装置1自主移动。所述漂浮装置1伤还设置无人机保护罩7；所述漂浮装置1上还设置伸缩控制设备5和GPS天线4，所述伸缩控制设备5电性连接多旋翼无人机系统6，便于为多旋翼无人机系统6供电并接收信号；所述GPS天线4用于多旋翼无人机系统6的定位。

所述无人机保护罩7内的漂浮装置1上放置多旋翼无人机系统6，多旋翼无人机系统6启动时，如图5所示，位于所述无人机保护罩7中心的转动电机驱动装置71使所述无人机保护罩7的每个分片式保护罩72向同一方向缩回，缩回后的状态如图6所示；当多个分片式保护罩72均缩回并重叠后，多旋翼无人机系统6露出，方便多旋翼无人机系统6飞行执行探测任务。

所述多旋翼无人机系统6下方设置激光雷达9，便于探测作业。指控台10包括显控台11和信号处理机柜12。

所述水下声纳2和水下声纳释放与回收装置3共同组成水下声纳探测平台；伸缩控制设备5、多旋翼无人机系统6、无人机保护罩7、激光雷达9共同组成空中无人机激光雷达探测平台，激光雷达9为多旋翼无人机系统6的任务设备，其负责探测识别水下目标，形成目标的激光点云成像信息。伸缩控制设备5包括释放回收多旋翼无人机系统6的电缆，所述电缆负责供电和通信，无人机保护罩7为多旋翼无人机系统6回收完成后的保护罩；显控台11和信号处理机柜12共同组成10指控台，显控台11为水下声纳2和激光雷达9探测识别后水下目标信息的显示屏幕，信号处理机柜12为水下声纳2和激光雷达9探测识别的信号处理装置。

漂浮装置1、GPS天线4、螺旋桨8、供配电设备13共同组成水面漂浮保障平台，水面漂浮保障平台负责承载水下声纳探测平台和空中无人机激光雷达探测平台各部件，漂浮装置1为整体保障平台提供浮力，GPS天线4为水面漂浮保障平台提供位置信息，螺旋桨8为水面漂浮保障平台提供位置信息提供动力，供配电设备13为全系统供电和配电。

实施例2

可快速定位识别水中目标的长时间海面值守方法，本实施例用于港口防护，可采用实施例1所述的海面值守装置，所述海面值守装置位于港口水域中心处担任港口防护任务，指控台位于港口岸上，系留无人机可先处于待命状态，在得到不明水下目标相关情报信息时，提高警戒等级，系留无人机位声纳最大作用距离处巡逻侦察。

当值守平台警戒声纳报警后，系留无人机根据提供的威胁位置进行抵近侦察，利用激光成像雷达信息与声纳信息进行综合判断，若为真实目标，可向港口发出声光警示。

实施例3

可快速定位识别水中目标的长时间海面值守方法，本实施例采用实施例1所述值守装置，用于海上平台防护：

当威胁来袭方向为单一方向时，可采取多个海面值守装置扇形部署的方式进行防护，防护方法与港口防护类似，主要区别在于指控台由岸基放置于海上平台上。

值守装置数量的确定，按照防护面积可以覆盖威胁方向左右各90°范围为准。

当威胁来袭方向为多方向时，可采取多个海面值守装置圆形部署的方式进行防护，防护方法与港口防护类似，指控台放置于海上平台上。值守装置数量的确定，按照防护面积可以覆盖威胁方向360°范围为准。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，所述装置包括：水面漂浮保障平台、水下声纳探测平台、空中无人机激光雷达探测平台和指控台；其中：所述水面漂浮保障平台为所述水下声纳探测平台和所述空中无人机激光雷达探测平台的载体；所述指控台位于岸上或指挥船只上进行态势显示和指挥控制；其特征在于：

所述指控台根据目标情况发送实时指令，所述水面漂浮保障平台、所述水下声纳探测平台、所述空中无人机激光雷达探测平台在接收到所述实时指令后，根据所述实时指令进行状态调整；

所述水面漂浮保障平台为所述水下声纳探测平台和所述空中无人机激光雷达探测平台提供正常工作的能源和通信条件，并承载无人机释放与回收作业以及水下声纳释放与回收作业。

2.如权利要求1所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述水面漂浮保障平台包括漂浮装置、伸缩控制设备、无人机保护罩、水下声纳释放与回收装置、GPS定位系统；其中：

所述漂浮装置为浮力大于预定值的设备，所述漂浮装置上承载所述无人机保护罩、所述水下声纳释放与回收装置及所述伸缩控制设备；

所述伸缩控制设备用于系留无人机，并为所述无人机供电及提供通信服务。

3.如权利要求2所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述无人机保护罩为分片式结构，其包括至少5个分片弧，各分片弧同轴，所述分片弧完全展开后形成半球形，将无人机平台罩住。

4.如权利要求2或3所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述水下声纳释放与回收装置包括固定线盘、线缆、控制装置，所述线缆缠绕于所述线盘上，所述线盘通过转动实现所述线缆的释放与回收，所述线缆用于所述水下声纳的供电和通信，所述控制装置用于接收所述指控台的指令，并驱动所述线盘进行顺时针或逆时针转动。

5.如权利要求2所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述GPS定位装置用于定位所述水面漂浮保障平台的位置，并向所述水下声纳释放与回收装置反馈位置信息。

6.如权利要求5所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述水下声纳探测平台发射主动声波探测水中目标，利用回波信息获取目标的方位、距离信息，并长期位于水下值守，全天候监测水下目标。

7.如权利要求2或6所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述水下声纳探测平台包括发射阵、接收阵、惯性陀螺、深度传感器以及电子仓壳体，所述发射阵分别与所述接收阵、所述惯性陀螺、所述深度传感器电性连接，所述发射阵、所述接收阵、所述惯性陀螺、所述深度传感器外包覆所述电子仓壳体。

8.如权利要求7所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述空中无人机激光雷达探测平台通过发射脉冲激光，并利用激光点云成像信息来识别、跟踪水中目标。

9.如权利要求8所述的快速定位识别水中目标的长时间海面值守装置，其特征在于，所述指控台接收水下声纳信号并进行处理显示，同时发送指令控制声纳信号的发射、声纳释放以及回收作业。

10.快速定位识别水中目标的长时间海面值守方法，其特征在于，包括：

步骤S1.将水面漂浮保障平台运至布设地点并放入水中指定位置；或者利用所述水面漂浮保障平台的自主动力移至所述指定位置；

步骤S2.各用电器上电；根据海洋水文情况，将水下声纳探测平台释放至预定深度处；

位于水面漂浮保障平台上层的系留无人机升空，并朝向位于远离船只方向、距离声纳最大作用距离处巡逻；

步骤S3.当所述水下声纳探测平台探测到目标后，由指控台显示目标距离和方位信息，并通知所述系留无人机根据所述目标位置信息探测识别；

若识别结果为目标则继续跟踪；若所述识别结果为水中杂波则不予置理，返回声纳最大作用距离处继续按照步骤S1-步骤S3的过程执行巡逻任务。

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