CN207717803U - 一种深海潜标无线实时化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种深海潜标无线实时化系统，包括水面浮标系统、以及通过线缆与其连接的水下观测系统；所述水下观测系统包括水下系统不锈钢保护装置、主浮球、声学多普勒流速测量仪、水下声学单元、水下声学单元电池舱和重力锚；所述不锈钢保护装置顶端与水面浮标系统连接，中部嵌有主浮球，尾部与重力锚连接；不锈钢保护装置内设有水下声学单元、声学多普勒流速测量仪和水下声学单元电池舱。本实用新型所有的组成部分与底部的锚系重块之间通过kevlar缆链接，有效避免自然恶劣环境破坏、人为破坏、船只碰撞等，提高了系统的生存能力。

Description

一种深海潜标无线实时化系统

技术领域

本实用新型属于海洋装备技术领域，更具体地说，涉及一种深海潜标无线实时化系统。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，要认识海洋、开发和利用海洋就要进行海洋调查。高新技术的海洋装备是海洋调查的重要保障。为发现海洋新现象、验证海洋新理论和满足海洋科学发展需求，在研究海域获取长周期海洋科学数据主要靠布放深海潜标和海面浮标两种方式。现在技术在进行深海潜标的观测时，无法将观测的科学数据实时的传回地面控制中心，需要每年进行潜标的回收以便获取过去时间段得到的科学数据，耗费大量的人力、物力成本。由于潜标工作周期通常为数年，所观测记录下的海洋环境数据只能在成功回收后获得。数据质量如果出现问题就耗费大量的时间；而且获得的数据不具有实效性，无法获得现场实时海洋环境因素观测数据，更无法根据应急需要远程监测海洋状态。

实用新型内容

本实用新型提出深海潜标无线实时化系统，解决现有技术中潜标观测的海洋环境数据无法实时获取的难题，深海潜标无线实时化系统是集多学科的海洋调查测量高新技术设备，能长期、隐蔽的对海洋动力参数和环境要素进行实时立体综合监测。水声数据传输技术和水面卫星通讯技术，实现潜标系统观测数据的实时回传，将会极大提高潜标数据的利用效率。具有系统集成度高、系统观测数据丰富、观测点隐蔽、不易遭受破环的特点，又具有观测数据连续性、时效性强和数据传输方便快捷的特点，使实时传输潜标兼具进行海洋灾害预报和军事预警的能力。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种深海潜标无线实时化系统，包括水面浮标系统、以及通过线缆与其连接的水下观测系统；

所述水下观测系统包括水下系统不锈钢保护装置、主浮球、声学多普勒流速测量仪、水下声学单元、水下声学单元电池舱和重力锚；所述不锈钢保护装置顶端与水面浮标系统连接，中部嵌有主浮球，尾部与重力锚连接；不锈钢保护装置内设有水下声学单元、声学多普勒流速测量仪和水下声学单元电池舱。

所述不锈钢保护装置顶端设有第一转环，第一转环通过线缆与水面浮标系统连接；不锈钢保护装置尾部设有第二转环，第二转环通过线缆与重力锚连接。

所述不锈钢保护装置内设有两台声学多普勒流速测量仪，两台声学多普勒流速测量仪通过支架连接，且分别设于主浮球两侧。

所述线缆为kevlar线缆。

水面浮标系统，包括主体支撑单元、仪器舱、浮体、供电单元和换能器，所述仪器舱、供电单元和换能器均设置于所述主体支撑单元中，并且在所述仪器舱上分别设有换能器连接端和供电单元连接端，所述主体支撑单元包括上框架和下框架，其中所述上框架呈多面体形状，并且在所述上框架的每个侧面均安装有浮体，在所述下框架内设有换能器。

所述仪器舱设置于所述上框架中，且所述仪器舱设有天线的一端伸出至所述上框架外；换能器连接端和供电单元连接端分别与换能器、供电单元连接。

所述主体支撑单元在所述上框架和下框架之间设有中框架，所述供电单元设置于所述中框架内。

所述下框架上侧设有流体挡板，所述下框架内的换能器安装在所述流体挡板上。

所述流体挡板上设有若干用于固定换能器的孔，还设有多个用于水通过的孔；所述用于固定换能器的孔以流体挡板的中心为中心对称分布。

所述仪器舱包括耐压舱体以及设于其内部的铱星通讯模块、单片机、存储单元、ARM和DSP，和设于耐压舱体上的铱星天线、底部换能器连接端、底部电源输入端；

ARM与DSP、单片机、存储单元、铱星通讯模块连接，铱星通讯模块与铱星天线连接；DSP通过底部换能器连接端与换能器连接；单片机通过底部电源输入端与供电单元的电源输出端口连接。

所述供电单元包括供电单元仪器舱及其内部的密封舱盖、密封圈、内部电池组、内部填充物质、过电保护芯片，和设于密封舱盖上的电源输出端口；

供电单元仪器舱内设有内部电池组，内部电池组与供电单元仪器舱之间填有内部填充物质；供电单元仪器舱上部设有密封舱盖，密封舱盖上套设密封圈；内部电池组通过过电保护芯片与电源输出端口连接；电源输出端口与仪器舱的底部电源输入端连接端。

还包括卫星通讯系统、地面接收系统；所述卫星通讯系统分别与深海潜标无线实时化系统和地面接收系统通过电磁波通信。

本实用新型与现有技术相比有许多优点和积极效果：

(1)仪器舱内部的铱星天线和铱星通讯模块，将潜标系统中75K ADCP(声学多普勒流速剖面仪)、CTD(温盐深仪)和海流计等多种传感器数据实时或者准实时地回传至陆基数据控制中心，为深入了解和掌握大洋的三维结构和变化规律，提供了强有力的技术保障。

铱星天线采用的是尼龙材质隐蔽式设计理念，天线的尼龙材质保护罩上涂成和深海大洋颜色一致，从而达到隐蔽通讯天线的目的，使得整套通讯系统具有很高的安全性保障。

(2)浮体环绕分离式的浮体结构设计使得安装和使用更加高效、实用、灵活。

(3)供电单元的水密和硬件设备升级兼容性功能、连接缆标准接口结构设计，为整套系统在深海的应用和升级开发提供了基础支撑。所有的设计结构为整套系统在深海的应用提供了充足的供电保障。

(4)换能器是通过水声通信技术收集信号，声学换能器使用分布环绕式的阵列结构，声学换能器单元保证声学信号传输的稳定和编解码数据可靠。

(5)主体支撑单元和流体挡板既为换能器的安装、声学信号的接收提供稳定的平台，又减少了设备在布放和回收过程的流体阻力。各类舱体的固定夹具和限位件均使用国际通用标准和防锈材料，方便后续的维护和保养。

(6)水下潜标无线实时化装备所有的组成部分与底部的锚系重块之间通过kevlar缆链接，有效避免自然恶劣环境破坏、人为破坏、船只碰撞等，提高了系统的生存能力。潜标实时通信系统的设计解决了水面以下的水声通信网和水面以上的卫星通信网进行无缝链接的问题。实时或者准实时地将潜标系统中多种传感器数据回传至陆基数据控制中心。为深入了解和掌握大洋边界流系的三维环流结构、变化规律及其对暖池变异的影响，提供了强有力的技术保障。

附图说明

图1为本实用新型深海潜标无线实时化装备水面浮标系统示意图；

图2为本实用新型深海潜标无线实时化装备声学通讯单元结构分解图；

图3为本实用新型深海潜标无线实时化装备水面浮标的浮球分布图；

图4为本实用新型深海潜标无线实时化装备水面浮标流体挡板组成图；

图5为本实用新型深海潜标无线实时化装备供电单元内部组成图；

图6为本实用新型深海潜标无线实时化装备声学通讯单元系统组成图；

图7为本实用新型深海潜标无线实时化空-地-海系统组成图；

图8为本实用新型深海潜标无线实时化装备系统组成图。

其中，1仪器舱、2浮体、3供电单元、4换能器、5主体支撑单元、6流体挡板、7铱星天线、8铱星通讯模块、9单片机值班系统、10存储单元、11底部换能器连接端、12耐压舱体、13底部电源输入端、14值班电池组、15ARM、16DSP、17天线保护罩、18流体挡板组件、19换能器限位孔、20限流孔、21电源输出端口、22密封舱盖、23密封圈、24供电单元仪器舱、25内部电池组、26内部填充物质、27连接缆、28过电保护芯片；30水面浮标系统、31卫星通讯系统、32地面接收系统；110线缆、112不锈钢保护装置、113水下声学单元、114第一声学多普勒流速测量仪、115主浮球、116第二声学多普勒流速测量仪、117水下声学单元电池舱、111/118转环、119重力锚、120不锈钢保护装置内空间。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

一种深海潜标无线实时化系统，该系统主要由潜标无线实时化装备和卫星通讯系统、地面接收系统共同组成。所述的水下潜标无线实时化装备和卫星通讯系统通过电磁波进行通信连接，卫星通讯系统与地面接收站也通过电磁波进行通信连接。水下潜标无线实时化装备所有的组成部分与底部的锚系重块之间通过kevlar缆链接，有效避免自然恶劣环境破坏、人为破坏、船只碰撞等，提高了系统的生存能力。

本实用新型提出一种深海潜标无线实时化系统的实施例，由潜标无线实时化装备和卫星通讯系统、地面接收系统共同组成。水面浮标系统和水下声学单元通过声学换能器进行通讯，声学换能器外部保护架112起到保护设备的作用。主浮球115将水下声学单元113和水下声学测量设备(包括第一声学多普勒流速测量仪114和第二声学多普勒流速测量仪116)集成起来。主浮球115起到固定水下声学单元113的作用。外部的固定架112保护内部的设备不受损坏。固定架112的两端为连接转环111和118。在整套设备的最底端为119深海重力锚，主要起到对上面设备的拉伸和固定作用。保证其上面的整套设备不会随海流的作用而漂移。119深海重力锚与114和116等两套声学多普勒流速测量仪、水下声学发射单元113以及水面浮标系统之间通过kevlar缆绳串联在一起。

仪器舱完成多传感器数据接收、数据处理、数据存储、时序管理、数据传输等功能。浮体由同样大小、材质、型号的耐压装置组成，为整套系统提供浮力，环绕分离式的浮体结构设计使得安装和使用更加高效、实用、灵活。供电单元为系统在深海正常运行提供充足电力支撑；换能器是通过水声通信技术收集信号，声学换能器使用分布环绕式的阵列结构，声学换能器单元保证声学信号传输的稳定和编解码数据可靠。仪器舱内部的铱星通讯模块和天线实时或者准实时地将潜标系统中多种传感器数据回传至陆基数据控制中心。为深入了解和掌握大洋边界流系的三维环流结构、变化规律及其对气候变化的影响和响应，提供了强有力的技术保障。

仪器舱1的多功能设计。仪器舱按功能分为铱星天线、铱星通讯模块、单片机、存储单元、底部换能器连接端、耐压舱体、底部电源输入端、值班电池组、ARM、DSP、天线保护罩。、仪器舱内部的、单片机、ARM和DSP的协调工作，可周期性启动仪器进入工作状态，并将处理后的观测数据传送给铱星通讯模块和天线，并根据用户需要调整数据回传周期。完成搭载海洋仪器的数据接收、数据处理、数据存储、时序管理、数据传输。

供电单元主要由：电源输出端口、密封舱盖、密封圈、仪器舱、内部电池组、内部填充物质、连接缆、过电保护芯片构成。

密封舱盖和仪器舱之间三级水密及密封舱盖底部的过电保护芯片设计，可根据不同传感器用电需求实现输出特定电压和电流。供电单元的硬件设备升级兼容性功能和连接缆标准接口结构的设计，为整套系统在深海的应用和升级开发提供了基础保障。

支撑单元包括独特的外部框架轮廓设计结构。流体挡板使用多孔式的板式结构设计，既为换能器的安装、声学信号的接收提供稳定的平台，又减少了设备在布放和回收过程的流体阻力。

一种深海潜标无线实时化水面浮标系统，系统组成详见图1，其特征在于，该系统主要由(1)仪器舱(2)浮体(3)供电单元(4)换能器(5)主体支撑单元(6)流体挡板共同组成。

主体支撑单元采用耐腐蚀不锈钢管焊接而成，在其不同的部位为方便安装不同的仪器单元焊接有带孔的不锈钢固定板。主体支撑单元上部为六面体形状框架，框架的每个侧面安装一个浮体，浮体的外壳采用塑料加工而成，分上下两部分，法兰连接；用螺栓螺母连接浮体外壳的法兰及相应位置的带孔不锈钢固定板，而将浮体固定到六面体形状框架，如图3。主体支撑单元的中间为耐腐蚀不锈钢管焊接而成的方形框架，仪器舱和供电单元分别使用相应的管状挟持部件夹紧后用螺栓连接到相应位置的带孔不锈钢固定板上。主体支撑单元的的底部为六面体形状框架，流体挡板采用不锈钢连接板拼装后，用螺栓和螺母固定到六面体形状框架的带孔的不锈钢固定板上。流体挡板上加工有安装换能器的定位孔，采用螺栓固定。

流体挡板组成详见图4，分体式设计，每个流体挡板分体之间采用不锈钢板连接，螺栓固定；每个流体挡板分体上都设计有不同大小的孔，符合流体力学理论。这个设计方便安装与维护，有利于悬浮。

供电单元采用圆柱形压力容器设计，该设计有利于减小承受外压时容器的应力，从而减小容器的壁厚，实现供电单元重量的优化。容器采用法兰连接，螺栓固定。为确保容器内的电气元件不被海水破坏，采用4层密封的防护设计。筒体端面与法兰端面采用o形圈密封，在法兰深入筒体的圆柱外表面采用3层o形圈密封。法兰盘上加工有连接电源输出或数据输出接口的孔，安装电源输出接口或数据输出接口后采用树脂粘结剂密封，防止海水的混入。

所述的仪器舱详见图2，完成多传感器数据接收、数据处理、数据存储、时序管理、数据传输等功能。仪器舱由铱星天线、铱星通讯模块、单片机、存储单元、底部换能器连接端、耐压舱体、底部电源输入端、值班电池组、ARM、DSP、天线保护罩组成。

所述的供电单元详见图5，组成如下：电源输出端口21、密封舱盖22、密封圈23、供电单元仪器舱24、内部电池组25、内部填充物质26、连接缆27、过电保护芯片28构成。其中密封舱盖22和供电单元仪器舱24之间三级水密及密封舱22盖底部的过电保护芯片28设计，可根据单片机、DSP和ARM等不同功能模块的用电需求实现输出特定电压和电流。

内部填充物质26采用软质发泡PE或/和EVA材料。

所述的换能器使用分布环绕式的阵列结构，该结构根据声学单元的特性而制。同时，使用不同型号、不同编码规则的声学换能器单元，保证声学信号传输的稳定和编解码数据可靠。

所述的主体支撑单元详见图1，独特的外部框架轮廓设计结构增加了整套系统在深海观测中的稳定性。

所述的流体挡板详见图4，主要由流体挡板组件18、换能器限位孔19、限流孔20组成。多孔式的板式结构设计，既为换能器的安装、声学信号的接收提供稳定的平台，又减少了设备在布放和回收过程的流体阻力。

参见图1-图2-图3-图4-图5所示，本实用新型提出一种深海潜标无线实时化系统的实施例，主要由(1)仪器舱(2)浮体(3)供电单元(4)换能器(5)主体支撑单元(6)流体挡板共同组成。

其中仪器舱完成多传感器数据接收、数据处理、数据存储、时序管理、数据传输等功能。

所述仪器舱1内通讯系统的分解图如图2、图6所示。仪器舱1内通讯系统主要完成多传感器数据的接收、数据处理、数据存储、时序管理、数据传输等功能。通讯系统由铱星天线7、铱星通讯模块8、单片机值班系统9、存储单元10、底部换能器连接端11、底部电源输入端13、值班电池组14、ARM控制模块15和DSP处理器16等部分组成。

DSP处理器对底部换能器11接收到的水下单元声学信号进行解调和声电转换，随后经由ARM15控制单元驱动的串口传输给铱星通讯模块8，最后通过铱星天线7借助铱星卫星通信系统传输至岸基数据中心；铱星天线7主要是将通讯系统打包后的数据发送给卫星；铱星通讯模块8将DSP16传输的数字信号转化成铱星通用标准格式，并通过铱星天线7回传至岸基数据中心；DSP16负责控制声学信号的编解码，将接收到的编码声学信号进行解码后，再转化为数字信号，并进一步将数字信号发送给ARM15控制单元；ARM控制单元15是系统的指挥中心，负责所有模块的工作以及程序的时序执行以及数据的加工控制；单片机9(带有值班电路)，负责整套系统的电子设备的程序化工作，包括各功能模块的唤醒、休眠等操作；值班电池组14的功能是为唤醒的通讯系统内部的各组成单元提供电源，各组成单元唤醒后，开始工作电量要求较大，这时通过内部的ARM控制单元15，通过调用单片机9内部的程序，自动切换为使用底部电源输入13；底部电源输入端13用于提供按照程序化指令启动后的所有内部单元工作的供电需求；底部换能器连接端11输入底部换能器阵列的信号。

浮体由同样大小、材质、型号的耐压装置组成，为整套系统提供浮力。供电单元为系统在深海正常运行提供充足电力支撑；换能器是通过水声通信技术收集信号，声学换能器使用分布环绕式的阵列结构，声学换能器单元保证声学信号传输的稳定和编解码数据可靠。主体支撑单元和流体挡板既为换能器的安装、声学信号的接收提供稳定的平台，又减少了设备在回收过程的流体阻力。

参见图7-图8所示，本实用新型提出一种深海潜标无线实时化系统的实施例，潜标无线实时化装备30和卫星通讯系统31、地面接收系统32共同组成。图7中的卫星通信系统，借助水面浮体中铱星天线7和铱星通讯模块8建立与卫星之间的通信链路。潜标无线实时化装备包括水面部分和水下部分，水面部分的具体组成如图2所示，除了铱星天线7和铱星通讯模块8，还包括单片机值班系统9、存储单元10、底部换能器连接端11、钛合金舱体12、底部电源输入端13、值班电池组14、ARM控制模块15和DSP处理器16等部分组成。水下部分如图8所示，包括锚系转环111和118、水下系统不锈钢保护装置112、水下声学单元113、声学多普勒流速测量仪114和116、主浮球115、水下声学单元电池舱117和重力锚119等部分，水下系统不锈钢保护装置112嵌入主浮球115中，用于固定声学多普勒流速测量仪114和116，同时集成并固定水下声学单元113和水下电池舱117。借助Y形高强度水密数传电缆连接水下声学单元113和声学多普勒流速测量仪114及116，每小时从两台声学多普勒流速测量仪采集流速等数据，借助高强度水密电缆连接水下声学单元113和水下声学单元电池舱117，为水下声学单元113的长期工作提供电能。在水面浮体与主浮球之间借助kevlar线缆110和转环111连接，重力锚119借助kevlar线缆110、转环118与观测整系统连接。

具体的，本实施例中提出一种深海潜标无线实时化系统，可以通过113水下声学单元对水下测流设备的数据进行无线传输，通过水下控制系统的指令，可以对113水下单元的工作模式进行控制，且可以将实时的测量数据通过卫星传输系统传输回地面接收站。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于：包括水面浮标系统、以及通过线缆与其连接的水下观测系统；

所述水下观测系统包括水下系统不锈钢保护装置(112)、主浮球(115)、声学多普勒流速测量仪(114、116)、水下声学单元(113)、水下声学单元电池舱(117)和重力锚(119)；所述不锈钢保护装置(112)顶端与水面浮标系统连接，中部嵌有主浮球(115)，尾部与重力锚(119)连接；不锈钢保护装置(112)内设有水下声学单元(113)、声学多普勒流速测量仪(114、116)和水下声学单元电池舱(117)。

2.根据权利要求1所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于所述不锈钢保护装置(112)顶端设有第一转环(111)，第一转环(111)通过线缆与水面浮标系统连接；不锈钢保护装置(112)尾部设有第二转环(118)，第二转环(118)通过线缆与重力锚(119)连接。

3.根据权利要求1所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于所述不锈钢保护装置(112)内设有两台声学多普勒流速测量仪(114、116)，两台声学多普勒流速测量仪(114和116)通过支架连接，且分别设于主浮球(115)两侧。

4.根据权利要求1所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于所述线缆为kevlar线缆。

5.根据权利要求1所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于所述水面浮标系统包括主体支撑单元(5)、仪器舱(1)、浮体(2)、供电单元(3)和换能器(4)，所述仪器舱(1)、供电单元(3)和换能器(4)均设置于所述主体支撑单元(5)中，并且在所述仪器舱(1)上分别设有换能器连接端和供电单元连接端，所述主体支撑单元(5)包括上框架和下框架，其中所述上框架呈多面体形状，并且在所述上框架的每个侧面均安装有浮体(2)，在所述下框架内设有换能器(4)。

6.根据权利要求5所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于：所述仪器舱(1)设置于所述上框架中，且所述仪器舱(1)设有天线的一端伸出至所述上框架外；换能器连接端和供电单元连接端分别与换能器(4)、供电单元(3)连接；

所述主体支撑单元(5)在所述上框架和下框架之间设有中框架，所述供电单元(3)设置于所述中框架内；

所述下框架上侧设有流体挡板(6)，所述下框架内的换能器(4)安装在所述流体挡板(6)上；

所述流体挡板(6)上设有若干用于固定换能器的孔，还设有多个用于水通过的孔；所述用于固定换能器的孔以流体挡板(6)的中心为中心对称分布。

7.根据权利要求5所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于所述仪器舱(1)包括耐压舱体(12)以及设于其内部的铱星通讯模块(8)、单片机(9)、存储单元(10)、ARM(15)和DSP(16)，和设于耐压舱体(12)上的铱星天线(7)、底部换能器连接端(11)、底部电源输入端(13)；

ARM(15)与DSP(16)、单片机(9)、存储单元(10)、铱星通讯模块(8)连接，铱星通讯模块(8)与铱星天线(7)连接；DSP(16)通过底部换能器连接端(11)与换能器(4)连接；单片机(9)通过底部电源输入端(13)与供电单元的电源输出端口(21)连接。

8.根据权利要求5所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于所述供电单元包括供电单元仪器舱(24)及其内部的密封舱盖(22)、密封圈(23)、内部电池组(25)、内部填充物质(26)、过电保护芯片(28)，和设于密封舱盖(22)上的电源输出端口(21)；

供电单元仪器舱(24)内设有内部电池组(25)，内部电池组(25)与供电单元仪器舱(24)之间填有内部填充物质(26)；供电单元仪器舱(24)上部设有密封舱盖(22)，密封舱盖(22)上套设密封圈(23)；内部电池组(25)通过过电保护芯片(28)与电源输出端口(21)连接；电源输出端口(21)与仪器舱的底部电源输入端(13)连接端。

9.根据权利要求1所述的一种深海潜标无线实时化系统，其特征在于还包括卫星通讯系统、地面接收系统；所述卫星通讯系统分别与深海潜标无线实时化系统和地面接收系统通信。