CN207882429U - 一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，包括水下拖体、拖缆、采集控制单元和数据处理单元，水下拖体上安装有多元圆型基阵换能器、电子罗盘、姿态仪、压力传感器、高度计和网络传输模块，多元圆型基阵换能器接收黑匣子声信标的声脉冲信号并输出给采集控制单元，电子罗盘、姿态仪、压力传感器和高度计分别采集水下拖体的方位角、横倾纵倾、入水深度和离地高度信号并输出给采集控制单元，采集控制单元将数据转发至数据处理单元，数据处理单元处理数据得到黑匣子声信标相对于水下拖体的位置。本实用新型能够在深水拖曳条件下对3km范围内的黑匣子声信标进行探测并快速定位，工作效率高、探测距离远。

Description

一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统

技术领域

本实用新型涉及失事飞机黑匣子信号的水下搜寻技术，特别是涉及一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统。

背景技术

“黑匣子”(Black Box)作为飞行记录仪的俗称，已成为现代航空器的标配电子设备之一。对于海上空难突发事件，快速而有效地实现对黑匣子的探测、定位和打捞，有助于及时分析飞机失事原因，从而正确做出事故调查结论。空难事故发生后，黑匣子在水中的探测和定位，主要是搜寻黑匣子上声信标发出的超声波信号。

目前，我国在进行水上空难事故黑匣子声信标的搜寻工作时，使用的都是进口的手持式探测设备，量程小、精度差，往往需要大量的测量时间并进行繁琐的分析和计算才能得到目标的大致位置，搜寻效率极低。而国际上已成熟应用的拖曳式搜寻仪和浮标式定位仪，不但覆盖范围广、工作水深大，可以对大面积海域进行地毯式搜索，而且搜索速度快、定位精度高，可以实现黑匣子的快速定位和打捞。而我国在水下黑匣子搜寻与定位领域还存在明显的不足，急需加强深远海搜救配套设备，特别是黑匣子深水条件下搜寻设备的研发和建设。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，该系统能够在深水拖曳条件下对3km范围内的黑匣子声信标进行探测并快速定位，具有工作效率高、探测距离远、使用灵活方便等特点。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，包括水下拖体、拖缆、采集控制单元和数据处理单元，所述水下拖体与所述采集控制单元通过所述拖缆连接，所述采集控制单元与所述数据处理单元通过网线连接，所述水下拖体包括壳体及安装其内部的多元圆型基阵换能器、电子罗盘、姿态仪、压力传感器、高度计和网络传输模块，所述多元圆型基阵换能器接收黑匣子声信标的声脉冲信号并转换为电信号通过所述拖缆输出给所述采集控制单元，所述电子罗盘、所述姿态仪、所述压力传感器和所述高度计分别采集所述水下拖体的方位角、横倾纵倾、入水深度和离地高度信号并顺次通过所述网络传输模块和所述拖缆输出给所述采集控制单元，所述采集控制单元通过所述拖缆发送工作参数控制所述水下拖体工作并将接收到的数据转发至所述数据处理单元，所述数据处理单元处理数据得到黑匣子声信标相对于所述水下拖体的位置。

所述多元圆型基阵换能器采用64元复合棒圆型布阵，相邻两个单元相距半波长，接收频率范围为20～50kHz。

所述采集控制单元包括超低噪声电源、模拟信号处理模块和数字信号处理模块，所述模拟信号处理模块的输入端通过所述拖缆与所述多元圆型基阵换能器和所述网络传输模块相连，所述模拟信号处理模块的输出端与所述数字信号处理模块的输入端相连，所述数字信号处理模块的输出端与所述数据处理单元的输入端相连，所述超低噪声电源用于为所述模拟信号处理模块和所述数字信号处理模块供电。

所述模拟信号处理模块包括依次连接的差分阻抗匹配模块、无源带通滤波器、仪表运算放大器、模拟带通滤波器、压控增益放大器、模拟乘法器、低通滤波器和多通道模数转换器，在所述压控增益放大器上连接有增益控制器，在所述模拟乘法器上连接有混频控制器，所述差分阻抗匹配模块通过所述拖缆与所述多元圆型基阵换能器和所述网络传输模块相连。

所述数字信号处理模块包括依次连接的AD采样控制器、数字带通滤波器、脉冲压缩器、正交变换器和数据抽样模块，所述数据抽样模块的输出端与脉冲特征统计模块和实时圆阵波束形成模块的输入端分别连接，所述脉冲特征统计模块和所述实时圆阵波束形成模块的输出端与方向估计模块的输入端相连，所述方向估计模块的输出端与所述数据处理单元的输入端连接，所述AD采样控制器的输入端与所述多通道模数转换器的输出端连接。

本实用新型具有的优点和积极效果是：多元圆型基阵换能器不仅可以在方位角上提供360度全覆盖，还能消除相位模糊现象使各个方向上具有相同的测向性能，同时大幅提高阵元的接收灵敏度进而提高探测距离和方向分辨力；水下拖曳式探测方法不仅可以降低船体噪声和水面噪声，提高信噪比和声信标定位精度，而且可以进行大水深、大量程的信号搜索，提高工作效率；水下拖体中整合电子罗盘、姿态仪、压力传感器、高度计，既可以进行基于纯方位计算的方位交会法，又可以进行基于深度与方位联合的位置估计方法，实现声信标位置的快速精确测量。相较于现有技术，本实用新型具备更灵活、高效、快速的搜索能力，具有抗干扰能力强、探测距离远、方向分辨力高的特点，解决了大范围、大水深条件下黑匣子声信标难以快速准确定位的难题。本实用新型结构新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，具有良好的水下环境适用性，符合现代测量技术的发展趋势，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的采集控制单元结构框图。

图中：1-声信标，2-水下拖体，21-壳体，22-多元圆型基阵换能器，23-电子罗盘，24-姿态仪，25-压力传感器，26-高度计，27-网络传输模块，3-拖缆，4-采集控制单元，41-超低噪声电源，42-模拟信号处理模块，420-差分阻抗匹配模块，421-无源带通滤波器，422-仪表运算放大器，423-模拟带通滤波器，424-压控增益放大器，425-模拟乘法器，426-低通滤波器，427-混频控制器，428-增益控制器，429-多通道模数转换器，43-数字信号处理模块，430-AD采样控制器，431-数字带通滤波器，432-脉冲压缩器，433-正交变换器，434-数据抽样模块，435-脉冲特征统计模块，436-实时圆阵波束形成模块，437-方向估计模块，5-数据处理单元。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1和图2，一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，包括水下拖体2、拖缆3、采集控制单元4和数据处理单元5，声信标1设置在失事飞机黑匣子上，所述水下拖体2和所述拖缆3由作业船拖曳在水体中，所述采集控制单元4和数据处理单元5设置在作业船上。所述水下拖体2与所述采集控制单元4通过所述拖缆3连接，所述采集控制单元4与所述数据处理单元5通过网线连接。

所述水下拖体2包括壳体21、多元圆型基阵换能器22、电子罗盘23、姿态仪24、压力传感器25、高度计26和网络传输模块27，所述壳体21用于为所述水下拖体2中的各个设备提供固定、保护、防水和浮力功能，所述多元圆型基阵换能器22接收声信标1的声脉冲信号并转换为电信号输出给所述采集控制单元4，所述电子罗盘23、姿态仪24、压力传感器25、高度计26分别采集所述水下拖体2的方位角、横倾纵倾、入水深度、离地高度数据并通过所述网络传输模块27输出给所述采集控制单元4，所述多元圆型基阵换能器22、电子罗盘23、姿态仪24、压力传感器25、高度计26、网络传输模块27安装在所述壳体21上。

所述采集控制单元4发送工作参数控制所述水下拖体2工作并将接收到的所有数据转发至所述数据处理单元5，所述数据处理单元5处理各种传感器的信息得到声信标1相对于所述水下拖体2的位置。

在本实施例中，所述多元圆型基阵换能器22采用64元复合棒圆型布阵，相邻两个单元相距半波长，接收频率范围为20～50kHz。

所述采集控制单元4包括超低噪声电源41、模拟信号处理模块42和数字信号处理模块43，所述超低噪声电源41用于为所述模拟信号处理模块42和所述数字信号处理模块43供电，所述模拟信号处理模块42的输入端通过所述拖缆3与所述多元圆型基阵换能器22和所述网络传输模块27相连，所述模拟信号处理模块42的输出端与所述数字信号处理模块43的输入端相连，所述数字信号处理模块43的输出端与所述数据处理单元5的输入端相连。

所述模拟信号处理模块42包括依次连接的差分阻抗匹配模块420、无源带通滤波器421、仪表运算放大器422、模拟带通滤波器423、压控增益放大器424、模拟乘法器425、低通滤波器426和多通道模数转换器429，采用增益控制器428、混频控制器427对压控增益放大器424、模拟乘法器425的功能进行加强，所述差分阻抗匹配模块420通过所述拖缆3与所述多元圆型基阵换能器22和所述网络传输模块27相连，所述模拟信号处理模块42用于去除噪声干扰并将强弱不等的电信号转换为数字信号。

所述数字信号处理模块43包括依次连接的AD采样控制器430、数字带通滤波器431、脉冲压缩器432、正交变换器433和数据抽样模块434，所述数据抽样模块434的输出端与脉冲特征统计模块435和实时圆阵波束形成模块436的输入端分别连接，所述脉冲特征统计模块435和所述实时圆阵波束形成模块436的输出端与方向估计模块437的输入端相连，所述方向估计模块437的输出端与所述数据处理单元5的输入端连接，所述AD采样控制器430的输入端与所述多通道模数转换器429的输出端连接。所述数字信号处理模块43用于对数字信号进行处理，得到声脉冲信号的来波方向。

所述声信标1周期性发射频率为37.5kHz的声脉冲信号，所述水下拖体2中的多元圆型基阵换能器22实时接收所述声信标1发送的声脉冲信号并将其转换为电信号，然后依次通过所述采集控制单元4模拟信号处理模块42中的差分阻抗匹配电路420、无源带通滤波器421、仪表运算放大器422、模拟带通滤波器423、压控增益放大器424、模拟乘法器425、低通滤波器426，然后由多通道模数转换器429将电信号转换为数字信号，然后依次通过所述采集控制单元4数字信号处理模块43中的AD采样控制器430、数字带通滤波器431、脉冲压缩器432、正交变换器433、数据抽样模块434，然后信号分别通过脉冲特征统计模块435和实时圆阵波束形成模块436，然后由方向估计模块437对数字信号进行汇总处理得到声脉冲信号的来波方向，最后由所述数据处理单元5根据所述水下拖体中的电子罗盘23、姿态仪24、压力传感器25、高度计26提供的数据和得到来波方向，计算声信标1相对于水下拖体2的相对位置。

在进行水下黑匣子声信标信号搜寻定位时，搜索起点往往离实际的声信标位置相对较远，为快速搜寻目标，将搜索阶段划分为大范围全覆盖搜索、远距离粗略定位和近距离高精度定位等3个阶段。大范围全覆盖搜索阶段，由于距离较远，大多数时间不能有效探测到声信标的信号，需要通过船舶高速拖行水下拖体来达到快速接近目标区域的目的，可按照左右各3km的覆盖距离来设置计划线，为确保搜寻区域不遗漏，每两条计划线间保留500m的交叠，假设通过事前估计信标遗落范围大约为长10km×宽10km的方形区域，则仅需规划两条计划线即可，考虑到水下拖体拖曳速度大约为3节，行船里程大约为25km，则不到5hrs即可将该区域搜索完成，本阶段以能持续监听到声信标信号，并大致确定方位为终止条件。当信噪比达到能粗略分辨目标方位后，操作作业船开始朝向目标方位行进，并在行进过程中继续判断信标方向并据此实时调整工作船方向，行进过程中可结合船舶当前深度和目标方位实时估计信标的粗略坐标，直到船舶离坐标在1km附近时进入远距离粗略定位阶段，在坐标周围布设4条1km长的计划线，操作作业船沿计划线行驶并启动基于纯方位计算的方位交会法实时计算目标位置，并采用最小二乘估计方法逐步收敛目标位置得到，在良好水文环境下，考虑到水下拖体拖曳速度大约为3节，行船里程大约为5km，则不到1hrs即可将目标位置锁定到100米以内。为进一步提高目标定位精度，充分利用目标附近的准确深度信息，围绕估计位置设置两条长度为100m的相互垂直的搜索线，采用基于深度与方位联合的位置估计方法估计目标绝对位置，并对测量结果进行统计分析，最终可将目标位置锁定在20米范围以内。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，其特征在于，包括水下拖体、拖缆、采集控制单元和数据处理单元，所述水下拖体与所述采集控制单元通过所述拖缆连接，所述采集控制单元与所述数据处理单元通过网线连接，所述水下拖体包括壳体及安装其内部的多元圆型基阵换能器、电子罗盘、姿态仪、压力传感器、高度计和网络传输模块，所述多元圆型基阵换能器接收黑匣子声信标的声脉冲信号并转换为电信号通过所述拖缆输出给所述采集控制单元，所述电子罗盘、所述姿态仪、所述压力传感器和所述高度计分别采集所述水下拖体的方位角、横倾纵倾、入水深度和离地高度信号并顺次通过所述网络传输模块和所述拖缆输出给所述采集控制单元。

2.根据权利要求1所述的基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，其特征在于，所述多元圆型基阵换能器采用64元复合棒圆型布阵，相邻两个单元相距半波长，接收频率范围为20～50kHz。

3.根据权利要求1所述的基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，其特征在于，所述采集控制单元包括超低噪声电源、模拟信号处理模块和数字信号处理模块，所述模拟信号处理模块的输入端通过所述拖缆与所述多元圆型基阵换能器和所述网络传输模块相连，所述模拟信号处理模块的输出端与所述数字信号处理模块的输入端相连，所述数字信号处理模块的输出端与所述数据处理单元的输入端相连，所述超低噪声电源用于为所述模拟信号处理模块和所述数字信号处理模块供电。

4.根据权利要求3所述的基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，其特征在于，所述模拟信号处理模块包括依次连接的差分阻抗匹配模块、无源带通滤波器、仪表运算放大器、模拟带通滤波器、压控增益放大器、模拟乘法器、低通滤波器和多通道模数转换器，在所述压控增益放大器上连接有增益控制器，在所述模拟乘法器上连接有混频控制器，所述差分阻抗匹配模块通过所述拖缆与所述多元圆型基阵换能器和所述网络传输模块相连。

5.根据权利要求3所述的基于圆型基阵的拖曳式黑匣子探测系统，其特征在于，所述数字信号处理模块包括依次连接的AD采样控制器、数字带通滤波器、脉冲压缩器、正交变换器和数据抽样模块，所述数据抽样模块的输出端与脉冲特征统计模块和实时圆阵波束形成模块的输入端分别连接，所述脉冲特征统计模块和所述实时圆阵波束形成模块的输出端与方向估计模块的输入端相连，所述方向估计模块的输出端与所述数据处理单元的输入端连接，所述AD采样控制器的输入端与多通道模数转换器的输出端连接。