CN209938902U - 一种声/光/磁综合探测型无人水下航行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种声/光/磁综合探测型无人水下航行器，设有无源探测系统，包括前视声纳、激光成像仪、合成孔径声纳、海洋磁力仪；航行器艏部左、右固定翼末端各设有一台海洋磁力仪，用于海底目标的无源磁探测；航行器外壳体艏部的前端设有激光成像仪，用于海底目标的光学探测；航行器外壳体内中前部下方两侧设有合成孔径声纳，用于海底目标的声学探测；前视声纳设置于水下航行器艏部下方位置，用于探测正前方和前下方的目标，同时兼顾对障碍的早期预警。本实用新型除了能探测海底大直径管路和大尺寸目标，还能探测小直径海底埋设线缆或大深度敷设线缆等小目标具体位置及路由走向，为海底线缆巡检维护、故障检测和维修作业提供精确的目标位置。

Description

一种声/光/磁综合探测型无人水下航行器

技术领域

本实用新型涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种针对海底小目标进行探测和定位的无人水下航行器。

背景技术

目前国内外在海底管线和光/电缆探测技术方面，大多是针对已知海域位置或已知概位处的海底管线和光/电缆进行探测定位和检修，探测的技术手段主要是采用拖曳声纳并结合拖曳式海洋磁力仪的探测方式进行。然而，对于敷设在海床表面上的深海光缆(光缆直径仅23mm左右)，声纳和磁力仪探测的精度和效果都不理想。对于通过水面测量船对海洋磁力仪进行拖曳的方式进行探测，这种方式目前大多仅应用于浅海水域(主要针对直径达到100mm以上的电缆或管线才有效，对于埋藏在海底淤泥下直径仅为33mm左右的浅海双层铠装光缆，探测精度和效果也不理想)；并且该方式对周围探测环境、拖鱼定位深度、拖鱼航行速度、拖缆长度、水面测量船及拖缆的磁性干扰等都有着严格的要求和限制。这种探测方式对于埋藏在淤泥下的浅海线缆探测更是无效的。同样，对于无人水下航行器(即：无缆水下机器人)拖曳海洋磁力仪进行海底线缆探测时，也会面临上述问题。

针对遥控水下机器人(即：有缆水下机器人)搭载海洋磁力仪进行海底线缆探测这种方式，由于遥控水下机器人严重依赖支持母船，水下活动范围受到很大局限；并且由于遥控水下机器人的多个矢量推进器运行时，对磁力仪的探测将产生很大干扰，探测的效率和精度都不太理想，尤其对于直径很小的海底线缆。同时，当遥控水下机器人向左、向右和后退时，脐带缆会跑到遥控水下机器人前面，磁力仪就会探测到脐带缆这种假信号，这些都会影响到遥控水下机器人和线缆探测系统的正常工作。另一方面，由于遥控水下机器人需要水面船的全程支持，人员成本和经济费用昂贵。

无人水下航行器由于不依赖于支持母船，没有脐带缆的羁绊，水下活动范围大，具有确定使命任务后可在大水深下自治工作等特点，能够对海洋环境、地形地貌、底质特征进行调查和对海底管线进行自动跟踪、自动观测、自动记录声像数据和故障检测等；通过水声定位设备还可以较准确地确定无人水下航行器和海底管线的大地坐标。利用无人水下航行器对海底管线进行探测，可以克服人工和单独使用遥控水下机器人调查方式的单一、离散、范围小的缺点。另一方面，由于不需要水面船的支持，人员成本和经济费用低廉。因此，对于海底埋设或大深度敷设的未知路由小直径海底线缆进行大范围的无源探测和精确定位时，最有效、最安全、最经济、速度最快的方法是使用无人水下航行器。

根据目前公开的文献资料，国内尚没有使用无人水下航行器进行过海底光/电缆无源探测的应用先例。在国外方面，日本、俄罗斯、加拿大结合无人水下航行器搭载平台针对海底线缆探测或作业进行了相关研究，但只有日本使用过无人水下航行器进行已知概位的浅海通讯光缆的工程探测实际应用，其有效探测的前提条件是光缆中必须要有交变电流，仍然属于有源探测范畴，但是并没有针对未知小直径的海底光缆实施无源磁探测；而且仅仅携带海洋磁力仪的方式进行，并没有结合声学和光学探测手段，这种单一探测手段对于深海光缆的探测几乎是无效的。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种声/光/磁综合探测型无人水下航行器，它适合于针对海底埋设或大深度敷设的未知路由小直径海底线缆进行大范围无源探测和精确定位，通过综合声、光、磁等多种探测方法以及集成海洋磁力仪、合成孔径声纳、激光成像仪等多种探测设备，探测海底埋设线缆或大深度敷设线缆的具体位置及路由走向，解决浅海和深海环境下未知小直径海底线缆的大范围无源探测问题，为海底线缆巡检维护、故障检测和维修作业提供精确的目标位置。

本实用新型为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种声/光/磁综合探测型无人水下航行器，包括外壳体，所述外壳体内外设有用于实施海底目标和海底线缆路由跟踪和精确定位的无源探测系统，所述探测系统包括用于海底目标探测的前视声纳、激光成像仪、合成孔径声纳、海洋磁力仪；航行器的艏部左、右固定翼末端各设有一台所述海洋磁力仪，用于海底目标的无源磁探测；所述航行器外壳体艏部的前端设有所述激光成像仪，用于海底目标的光学探测；所述航行器外壳体内中前部下方两侧设有所述合成孔径声纳，用于海底目标的声学探测；所述前视声纳设置于水下航行器艏部下方位置，用于探测正前方和前下方的目标，同时兼顾对障碍的早期预警。

上述方案中，所述探测系统还包括用于海洋环境探测的温盐深传感器，所述温盐深传感器安装于水下航行器艏部位置，用于探测海水的温度、盐度和深度。

上述方案中，所述航行器还包括浮力调节系统，所述浮力调节系统包括设置于所述外壳体内的浮力控制舱、油囊、抛载和应急抛载；所述浮力调节系统通过浮力控制舱和油囊补偿大深度潜航中由于压力、海水盐度和温度导致的浮力的变化，以使无人水下航行器保持中性浮力；通过抛弃抛载，实现无人水下航行器上浮至水面；遇到紧急情况时，通过抛弃应急抛载，实现无人水下航行器紧急上浮，确保航行器安全。

上述方案中，所述航行器还包括动力系统，所述动力系统包括设置于所述外壳体内的氧气罐、氢气罐、固体高分子电解液燃料电池舱和可充电锂电池；所述氧气罐内贮存氧，所述氢气罐内贮存金属氢化物，氧气罐和氢气罐分别通过输送管路与所述燃料电池舱连通，将氧和氢输送至燃料电池舱中产生化学反应，为燃料电池提供主电力能源，所述锂电池为无人水下航行器提供辅助和应急电力能源。

上述方案中，所述航行器还包括导航系统，所述导航系统包括多普勒计程仪、高度计、自导航声纳和GPS天线，所述多普勒计程仪、高度计、自导航声纳均安装于所述外壳体内，所述GPS天线安装于尾部的上垂直舵上；通过多普勒计程仪实现水下航行器的航行距离测量；通过高度计实现水下航行器的航行高度测量；通过自导航声纳实现水下航行器的水下导航；通过GPS天线实现水下航行器的水面定位。

上述方案中，所述航行器还包括通讯系统，所述通讯系统包括安装于所述外壳体内的声发射机、声接收机、紧急应答器和无线电通讯装置；通过声发射机和声接收机，实现无人水下航行器的实时跟踪；通过紧急应答器，实现无人水下航行器安全自救和返回；通过无线电通讯装置，实现母船或基地对无人水下航行器的指令注入和通讯控制。

上述方案中，所述航行器还包括推进系统，所述推进系统包括主推进器、艏垂直推进器、艉垂直推进器和艉部水平侧向推进器；所述主推进器为螺旋桨，设置于航行器艉部的尾端，航行器艏部设有艏垂直推进器，航行器艉部设有艉垂直推进器以及水平侧向推进器。

上述方案中，所述航行器还包括舵翼装置，所述舵翼装置包括艏水平舵、艏水平固定翼、舵机、上垂直舵、下垂直舵、艉垂直固定翼和艉水平固定翼。

上述方案中，所述航行器还包括纵倾平衡装置，所述外壳体中部两侧各布置一个纵倾平衡装置，用于调节无人水下航行器的纵倾姿态。

上述方案中，所述航行器主艇体外形上下左右对称以使无人水下航行器保持良好的旋转流线型；航行器外壳体采用玻璃钢结构，耐压体采用钛合金结构，外壳体与耐压体之间设有浮力材料，在水中起到浮力平衡的作用。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型声/光/磁综合探测型无人水下航行器综合了声、光、磁等多种探测方法，集成了海洋磁力仪、合成孔径声纳、激光成像仪等多种探测设备，除了能够探测海底大直径管路和大目标外，还能探测小直径的海底埋设线缆或大深度敷设线缆的具体位置及路由走向，为海底线缆巡检维护、故障检测和维修作业提供精确的目标位置。由于没有拖曳缆的羁绊，其水下活动范围很大，能够对海底管线和光/电缆进行自动跟踪和故障检测；同时，由于能够针对海底线缆进行无源探测，不受外界条件限制，探测效率和适用范围大为提高。

本实用新型声/光/磁综合探测型无人水下航行器除应用于海洋研究、海洋油气勘探、海底考古、海底不明物探测、海洋环境资源调查外，主要用于海底管线(即管路)和光/电缆的探测和故障检测定位，特别可应用于针对海底埋设或大深度敷设条件下未知路由小直径海底线缆进行大范围的无源探测和精确定位，不仅探测效率和经济效益大为提高，而且探测作业的安全可靠性也得到有效保证。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型声/光/磁综合探测型无人水下航行器总布置方案主视图；

图2是本实用新型声/光/磁综合探测型无人水下航行器总布置方案俯视图。

图中：11、外壳体；13、主控设备耐压舱；21、前视声纳；22、激光成像仪；23、合成孔径声纳；24、海洋磁力仪；31、浮力控制舱；32、油囊；33、抛载；34、应急抛载；41、氧气罐；42、氢气罐；43、燃料电池舱；44、锂电池；51、多普勒计程仪；52、高度计；53、自导航声纳；54、GPS天线；61、声发射机；62、声接收机；63、紧急应答器；71、主推进器；72、艏垂直推进器；73、艉垂直推进器；74、艉部水平侧向推进器；81、舵机；82、艏水平舵；83、上垂直舵；84、下垂直舵；85、艉垂直固定翼；86、艉水平固定翼；90、纵倾平衡装置；101、快照数字相机。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1-2所示，为本实用新型的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，包括外壳体11，外壳体11内外设有用于实施海底目标和海底线缆的路由跟踪和精确定位的无源探测系统，该探测系统包括用于海底目标探测的前视声纳21、激光成像仪22、合成孔径声纳23、海洋磁力仪24；航行器艏部左、右固定翼末端各设有一台海洋磁力仪24，用于海底目标的无源磁探测；航行器外壳体11艏部的前端设有激光成像仪22，用于海底目标的光学探测；航行器外壳体11内中前部下方两侧设有合成孔径声纳23，用于海底目标的声学探测；前视声纳21设置于水下航行器艏部下方位置，用于探测正前方和前下方的目标，同时兼顾对障碍的早期预警。

进一步优化，本实施例中，探测系统还包括用于海洋环境探测的温盐深传感器，温盐深传感器安装于艏部位置，用于探测海水的温度、盐度和深度。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括浮力调节系统，浮力调节系统包括设置于外壳体11内的浮力控制舱31、油囊32、抛载33和应急抛载34；浮力调节系统通过浮力控制舱31和油囊32补偿大深度潜航中由于压力、海水盐度和温度导致的浮力的变化，以使无人水下航行器保持中性浮力；通过抛弃抛载33，实现无人水下航行器上浮至水面；遇到紧急情况时，通过抛弃应急抛载34，实现无人水下航行器紧急上浮，确保航行器安全。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括动力系统，动力系统包括设置于外壳体11内的氧气罐41、氢气罐42、固体高分子电解液燃料电池舱43和可充电锂电池44；氧气罐41内贮存氧，氢气罐42内贮存金属氢化物，氧气罐41和氢气罐42分别通过输送管路与燃料电池舱43连通，将氧和氢输送至燃料电池舱43中产生化学反应，为燃料电池提供主电力能源，从而实现无人水下航行器长航时、大范围海底目标探测。燃料电池舱43中包括燃料电池堆、反应水箱、加湿器和热交换器。锂电池44为无人水下航行器提供辅助和应急电力能源。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括导航系统，导航系统包括多普勒计程仪51、高度计52、自导航声纳53和GPS天线54，通过多普勒计程仪51，实现水下航行器的航行距离测量；通过高度计52，实现水下航行器的航行高度测量；通过自导航声纳53，实现水下航行器的水下导航；通过GPS天线54，实现水下航行器的定位。通过这些导航设备及信息数据融合，实现无人水下航行器的水下精确导航定位。当无人水下航行器浮上水面时，通过GPS天线54进行方位修正。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括通讯系统，通讯系统包括声发射机61、声接收机62、紧急应答器63和无线电通讯装置；通过声发射机61和声接收机62，实现无人水下航行器的实时跟踪；通过紧急应答器63，实现无人水下航行器安全自救和返回；通过无线电通讯装置，实现母船或基地对无人水下航行器的指令注入和通讯控制。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括推进系统，推进系统包括主推进器71、艏垂直推进器72、艉垂直推进器73和艉部水平侧向推进器74；主推进器71为螺旋桨，设置于航行器艉部的尾端，航行器艏部设有艏垂直推进器72，航行器艉部设有艉垂直推进器73以及水平侧向推进器。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括舵翼装置，舵翼装置包括舵翼装置还包括舵机81、艏水平舵82、上垂直舵83、下垂直舵84、艉垂直固定翼85和艉水平固定翼86。

进一步优化，本实施例中，航行器还包括纵倾平衡装置90，外壳体11中部两侧各布置一个纵倾平衡装置90，用于调节无人水下航行器的纵倾姿态。

进一步优化，本实施例中，航行器主艇体外形上下左右对称以使无人水下航行器保持良好的旋转流线型；航行器外壳体11采用玻璃钢结构，耐压体采用钛合金结构，外壳体11与耐压体之间设有浮力材料，在水中起到浮力平衡的作用。

进一步优化，本实施例中，外壳体11内安装有主控设备耐压舱13，保证控制设备的水下密封性，防止进水。

进一步优化，本实施例中，外壳体11中部下方还安装有快照数字相机101，主要用于水下拍照。

使用上述声/光/磁综合探测型无人水下航行器进行小直径海底线缆无源探测的方法如下：

(1)首先无人水下航行器到达待探测的海域并进行区域划分和探测路径规划，便于逐个区域进行海底线缆探测；

(2)然后采用合成孔径声纳23进行海底扫测；若合成孔径声纳23探测到疑似目标，根据声图像量出目标的位置、大小和高度，排除大直径管路与海底电缆以及大目标物体；

(3)若直径大小为50mm以下，再用海洋磁力仪24进行线缆无源探测，确认是否为所需探测的海底线缆，其中无人水下航行器位于海底线缆上方，探测路径为“Z”字型方式，与海底线缆的路径相交；如果探测到磁异常，确认是所需探测的线缆目标，则用激光成像仪22进一步进行确认；确认后，无人水下航行器进入线缆路由自动跟踪模式，展开海底线缆的路由探测和精确定位，此时激光成像仪22和海洋磁力仪24同时开启并展开联合探测作业；

(4)若合成孔径声纳23没有探测到疑似目标，可用海洋磁力仪24再次对该区域进行精确探测，若磁力数据有异常，说明有所需探测的线缆目标，并用激光成像仪22进行进一步确认，此时激光成像仪22和海洋磁力仪24同时开启并展开联合探测作业；若磁力数据无异常，说明在给定区域内没有所需探测的线缆目标；

(5)完成该区域的海底线缆探测后，开始返回无人水下航行器探测作业的起始位置，此时关闭激光成像仪22和海洋磁力仪24，合成孔径声纳23依然开启直至到达探测作业的起始位置处；

(6)随后，进入下一个待探测的划分区域，按照步骤(2)至步骤(5)依次继续实施线缆探测任务；

(7)无人水下航行器完成某海域的线缆探测任务后，返回搭载母船或始发基地，进行能源补充和信息交换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，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情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种声/光/磁综合探测型无人水下航行器，包括外壳体，所述外壳体内外设有用于实施海底目标和海底线缆路由跟踪和精确定位的无源探测系统，其特征在于，所述探测系统包括用于海底目标探测的前视声纳、激光成像仪、合成孔径声纳、海洋磁力仪；航行器的艏部左、右固定翼末端各设有一台所述海洋磁力仪，用于海底目标的无源磁探测；所述航行器外壳体艏部的前端设有所述激光成像仪，用于海底目标的光学探测；所述航行器外壳体内中前部下方两侧设有所述合成孔径声纳，用于海底目标的声学探测；所述前视声纳设置于水下航行器艏部下方位置，用于探测正前方和前下方的目标，同时兼顾对障碍的早期预警。

2.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述探测系统还包括用于海洋环境探测的温盐深传感器，所述温盐深传感器安装于水下航行器艏部位置，用于探测海水的温度、盐度和深度。

3.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括浮力调节系统，所述浮力调节系统包括设置于所述外壳体内的浮力控制舱、油囊、抛载和应急抛载；所述浮力调节系统通过浮力控制舱和油囊补偿大深度潜航中由于压力、海水盐度和温度导致的浮力的变化，以使无人水下航行器保持中性浮力；通过抛弃抛载，实现无人水下航行器上浮至水面；遇到紧急情况时，通过抛弃应急抛载，实现无人水下航行器紧急上浮。

4.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括动力系统，所述动力系统包括设置于所述外壳体内的氧气罐、氢气罐、固体高分子电解液燃料电池舱和可充电锂电池；所述氧气罐内贮存氧，所述氢气罐内贮存金属氢化物，氧气罐和氢气罐分别通过输送管路与所述燃料电池舱连通，将氧和氢输送至燃料电池舱中产生化学反应，为燃料电池提供主电力能源，所述锂电池为无人水下航行器提供辅助和应急电力能源。

5.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括导航系统，所述导航系统包括多普勒计程仪、高度计、自导航声纳和GPS天线，所述多普勒计程仪、高度计、自导航声纳均安装于所述外壳体内，所述GPS天线安装于尾部的上垂直舵上；所述多普勒计程仪实现水下航行器的航行距离测量；所述高度计实现水下航行器的航行高度测量；所述自导航声纳实现水下航行器的水下导航；所述GPS天线实现水下航行器的水面定位。

6.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括通讯系统，所述通讯系统包括安装于所述外壳体内的声发射机、声接收机、紧急应答器和无线电通讯装置；所述声发射机和声接收机，实现无人水下航行器的实时跟踪；所述紧急应答器，实现无人水下航行器安全自救和返回；所述无线电通讯装置，实现母船或基地对无人水下航行器的指令注入和通讯控制。

7.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括推进系统，所述推进系统包括主推进器、艏垂直推进器、艉垂直推进器和艉部水平侧向推进器；所述主推进器为螺旋桨，设置于航行器艉部的尾端，航行器艏部设有艏垂直推进器，航行器艉部设有艉垂直推进器以及水平侧向推进器。

8.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括舵翼装置，所述舵翼装置包括艏水平舵、舵机、上垂直舵、下垂直舵、艉垂直固定翼和艉水平固定翼。

9.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器还包括纵倾平衡装置，所述外壳体中部两侧各布置一个纵倾平衡装置，用于调节无人水下航行器的纵倾姿态。

10.根据权利要求1所述的声/光/磁综合探测型无人水下航行器，其特征在于，所述航行器主艇体外形上下左右对称以使无人水下航行器保持良好的旋转流线型；航行器外壳体采用玻璃钢结构，耐压体采用钛合金结构，外壳体与耐压体之间设有浮力材料，在水中起到浮力平衡的作用。

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