CN211786095U - 一种吊放式搜救声呐装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种吊放式搜救声呐装置，可用于对沉船信标和飞机黑匣子信标进行搜寻和定位，其包括矢量水听器阵、水密电子舱、承重光电复合缆、光电调制解调器、便携式处理器、GPS定位仪；其利用矢量水听器的测向原理来对失事船只或者飞机的黑匣子信标进行测向，再结合异地的多次测向结果和GPS定位仪输出的测量点位置，采用多点交汇及坐标转换方法来估计出声信标的绝对位置，是实施对失事船只和失事飞机进行救援的前提条件。本搜救声呐成本低廉、系统构成简单，可在参与救援的直升机或者船只上吊放使用。

Description

一种吊放式搜救声呐装置

技术领域

本实用新型涉及一种水下声呐技术领域，具体为一种吊放式搜救声呐装置、系统及方位测量方法。

背景技术

近年来，马航MH370失联、法航447空难、“东方之星”客船沉没等事故与灾难造成了巨大的人员生命和财产损失，“黑匣子”作为信息记录设备，可以记录失事前的数据，为分析事故原因提供依据，当“黑匣子”沉入海底后，“黑匣子”中的声信标工作时间一般不超过30天，对于水下搜救工作而言，对“黑匣子”的声信标进行定位是海上搜救工作的前提条件。如若失事30天后都还没找到“黑匣子”，就很难再找到失事飞机或船舶，比如马航MH370失事后，很多海洋科技强国都参与了搜救工作，投入了大量的时间和资源，其中我国参与搜救所支出的费用就超9000万元人民币，最后都没有找到失事飞机，可见搜寻“黑匣子”声信标是当前极为迫切需要解决的难题。

在此背景下，本实用新型提出了一种吊放式的搜救声呐，可在直升机和船舶上吊放使用，为水下搜救定位黑匣子信标增加一种手段。

实用新型内容

为解决上述现有技术存在的不足和问题，实用新型人提供了一种有效、高效、高精准的水下快速搜救声呐技术，具体的本实用新型是这样实现的：一种吊放式搜救声呐装置，包含湿端设备、干端设备和与二者连接的承重光电复合缆，湿端设备包括相互连接的矢量水听器阵和水密电子舱，干端设备包括与承重光电复合缆另一端连接的光电调制解调器，并与便携式处理器网路连接，与便携式处理器连接的GPS定位仪。

进一步的，所述矢量水听器阵包括若干个水听器上下依次呈纵向排列组阵构成。

进一步的，位于矢量水听器阵的上下两极的两个水听器均为声压水听器，位于中段的若干个水听器均为压差式矢量水听器，所述压差式矢量水听器组阵前经过一致性检验，均为接收指向性匹配度高的阵元组阵而成，并且每个阵元在组阵时方向一致。

进一步的，所述水密电子舱包括硬件电路、姿态传感器和不间断供电组件；其中，硬件电路包括电源电路、前放电路、信号调理电路、可控增益放大电路、AD采集电路、隔离电路、光电转换电路、主控电路和上下底板电路，其中，除上下底板电路以外的其它电路外形呈成圆盘状，并与上下两端通过接插件依次与上下底板电路连接，上下底板电路为其供电，并提供这些电路板之间的信号走线。

本实用新型的工作原理介绍：

硬件上，组建矢量水听器阵，声压水听器在工作频带内水平周向的接收灵敏度起伏较小，组阵后两个声压水听器布置在水听器阵的上下两极。压差式矢量水听器在组阵前需经过一致性检验，选择接收指向性匹配度较高的阵元来组阵，并且每个阵元在组阵时要保证方向一致。

基于上述结构，本实用新型的产品在测量时，将各阵元的信号相加，形成一定开角的波束，使得检测信号增强，同时可抑制各向同性噪声，获得较高信噪比的信号，从而提高搜救声呐的检测能力。并将信号处理、通信传输，结合三轴姿态数据进行坐标转换，后期处理将矢量水听器阵测量的相对方位结果转换为绝对指北方位结果，从而得到精准的测量位置数据。

本实用新型的有益效果：一种吊放式搜救声呐装置，在装置结构上科学合理，简易，成本低廉、使用灵活，在系统和测量方法层面，实现了定位精度高、搜寻范围广的效果，在应用方面，可在参与搜救任务的直升机或者船舶上吊放使用，是水下救援装备较好的一种补充。

附图说明

图1为本实用新型一种吊放式搜救声呐的工作框图；

图2为矢量水听器阵结构图；

图3为水密电子舱内部构造图；

图4为搜救声呐数据处理流程图。

其中：1—湿端设备、2—干端设备、3—承重光电复合缆、4—矢量水听器阵、5—水密电子舱、6—便携式处理器、7—GPS定位仪、8—光电调制解调器、9—声压水听器、10—压差式矢量水听器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

实施例1：一种吊放式搜救声呐装置，包含湿端设备1、干端设备2和与二者连接的承重光电复合缆3，湿端设备1包括相互连接的矢量水听器阵4和水密电子舱5，干端设备2包括与承重光电复合缆3另一端连接的光电调制解调器8，并与便携式处理器6网路连接，与便携式处理器6连接的GPS定位仪7。矢量水听器阵4包括若干个水听器上下依次呈纵向排列组阵构成。矢量水听器阵4的上下两极的两个水听器均为声压水听器9，位于中段的若干个水听器均为压差式矢量水听器10，所述压差式矢量水听器10组阵前经过一致性检验，均为接收指向性匹配度高的阵元组阵而成，并且每个阵元在组阵时方向一致。水密电子舱5包括硬件电路、姿态传感器和不间断供电组件；其中，硬件电路包括电源电路、前放电路、信号调理电路、可控增益放大电路、AD采集电路、隔离电路、光电转换电路、主控电路；因为本设备是吊放的方式使用，湿端设备1全靠光电复合缆承重，因此必须使用内部含有高抗拉性材料组成的能够承受一定重量的光电复合缆，在本实施例里称之为承重型光电复合缆。

对每个关键部分的实施实例进行说明：1如图2所示，为了兼顾水听器阵尺寸和接收灵敏度，矢量水听器阵4由10个压差式矢量水听器10和两个声压水听器9组成。为了避免物理边界对矢量阵元产生影响，将10个矢量阵元放置在中间，两个声压水听器9放置其两边组成水听器阵。要求使用的声压水听器9在工作频带内水平周向的接收灵敏度起伏越小越好，可通过水池测试进行筛选。压差式矢量水听器10在组阵前需经过一致性检验，选择接收指向性匹配度较高的阵元来组阵，并且每个阵元在组阵时要保证方向一致，工作时，将10个阵元信号相加，形成一定开角的波束，增强信号的强度，同时可以抑制各向同性噪声干扰，使声呐系统获得更高信噪比的信号，从而提高搜救声呐的检测能力，扩宽其探测范围。2如图3所示，水密电子舱5内包含了硬件电路、姿态传感器、不间断供电组件。硬件电路由电源电路、前放电路、信号调理电路、可控增益放大电路、AD采集电路、隔离电路、光电转换电路和主控电路组成，由于水密电子舱5的空间有限，并且是圆柱形内部空间，将这些电路板外观设计成圆形，采用上下底板将这些圆形电路板夹在中间的结构，上下底板还提供这些电路板的供电及信号走线。其中主控电路用FPGA来实现，主要完成增益控制、供电控制、多路矢量阵元信号相加、多路信号FFT运算、异步串行通信接收姿态传感器数据、数据打包和网络通信，网络通信在数据链路层实现即可；姿态传感器需输出三轴姿态数据，最主要数据是其指北方位数据，用于后期处理中将矢量水听器阵4测量的相对方位结果转换为绝对指北方位；为了即能满足搜救声呐长时间不间断工作，又能满足搜救声呐调理电路对低噪声电源的需求，加入了不间断供电组件，其由两组电池、变压整流电路和继电器切换电路构成，通过外接220v交流电源，采用高品质双电源不间断供电技术实现一组电池充电，一组电池给搜救声呐电路供电的无缝切换控制，从而实现了为搜救声呐电路提供长时不间断且低噪声的电源。

实施例2：基于实施例1的产品，可实现一种吊放式搜救声呐系统，包含湿端模组、干端模组和与二者连接的承重光电复合缆，湿端模组，用于测量水下声场中的声学信号、获取声场的矢量信息，并将矢量信息处理后转换成网络数据包通过承重光电复合缆传输至干端设备；干端模组，用于从所述网络数据包中将声压通道和矢量通道的FFT测量结果中获得每一个频点的方位信息，通过信标脉冲信号时间频率点、有效脉冲信号处的方位结果，处理得绝对方位结果。湿端模组，还用于获取湿端模组内的三轴姿态数据，并由FPGA来实现主控电路，以完成增益控制、供电控制、多路矢量阵元信号相加、多路信号的FFT运算、异步串行通信、数据打包和网络通信。干端模组，还用于获取三轴姿态数据并基于其将所述获取声场的矢量信息的相对方位信息转换为指北绝对方位信息，干端设备从网络数据包中获得一个声压通道和两个矢量通道FFT运算的实部、虚部数据以及姿态传感器数据，再利用互谱共轭算法解算出FFT结果中信标发射频率范围内的每个频点处的方位值，然后结合该时刻对应的姿态传感器数据，完成坐标转换，获得每个频点处的绝对方位值。在结合信标脉冲的频率和周期特征，在特定时长的FFT结果中通过过门限的方法寻找有效脉冲，提取出有效脉冲处的绝对方位结果作为测量结果。即：抓取湿端模组上传的网络数据包，解析数据包后获得声压通道和矢量通道的FFT结果以及姿态传感器数据，采用声压振速共轭互谱方法获得每一个频点的方位信息，再利用声压通道的时谱图获取有效的信标脉冲信号时间频率点，对有效脉冲信号处的方位结果采用阈值抽取方法进行统计方位估计，最后结合姿态传感器的数据进行坐标转换，将相对测量方位转换为指北绝对方位，并记录下当前GPS定位仪的测量点坐标数据和绝对方位结果。

实施例3：基于实施例1的产品，能实现一种吊放式搜救声呐测量位置的方法，如图4所示，置于水下的矢量水听器阵测量水下声场中的声学信号、获取声场的矢量信息，将信号相加形成固定波束，按矢量x、矢量y和声压p经过FFT运算，添加姿态信息数据后整体打包发送至上位机处理；上位机基于ShaipPcap抓包，进行数据解析，将声压通道和矢量通道的FFT结果以及姿态传感器数据，采用声压振速共轭互谱方法获得每一个频点的方位信息；搜寻脉冲，利用声压通道的时谱图获取有效的信标脉冲信号时间频率点，对有效脉冲信号处的方位结果采用阈值抽取方法进行统计方位估计，配合姿态信息数据进行坐标转换、求取绝对方位，记录当前测量点坐标和测量绝对方法，具体的：

S1、置于水下的矢量水听器阵测量水下声场中的声学信号、获取声场的矢量信息、姿态信息，并将矢量信息、姿态信息处理后转换成网络数据包后发送；

S2、获取步骤1中所述的网络数据包，解析数据包后获得声压通道和矢量通道的FFT结果以及姿态传感器数据，采用声压振速共轭互谱方法获得每一个频点的方位信息；

S3、利用声压通道的时谱图获取有效的信标脉冲信号时间频率点，对有效脉冲信号处的方位结果采用阈值抽取方法进行统计方位估计，得方位估计数据；

S4、将所述方位估计数据结合步骤S1中所述的姿态信息进行坐标转换，将相对测量方位转换为指北绝对方位，并记录下当前GPS定位仪的测量点坐标数据和绝对方位结果。且测量时，将各阵元的信号相加，形成一定开角的波束，使得检测信号增强，同时可抑制各向同性噪声，获得较高信噪比的信号。若测量点坐标数据和绝对方位结果中有两个及以上相差较远的异地测量数据时，则通过平面多点交汇方法解算出信标绝对位置的估计值；

实际使用时，便携式处理器由通用的便携式计算机和运行于便携式计算机上的上位机软件组成，这里是软件定义了组件的功能。上位机软件使用Visual C#来编写，借用了.NET环境下的网络包捕获框架，在程序中添加引用SharpPcap.dll和PacketDotNet.dll动态链接库，基于SharpPcap技术捕获湿端设备上传的网络数据包，按照自定义的协议解析数据包后获得声压通道和矢量通道的FFT结果的实部、虚部数据以及姿态传感器数据，采用声压振速共轭互谱方法获得每一个时间和频率的方位，再利用声压通道的时谱图获取有效的信标脉冲信号时间频率点，当找到有效的信标脉冲信号后，对有效脉冲信号处的方位结果采用阈值抽取方法进行长时间的统计估计，最后结合姿态传感器的数据进行坐标转换，将相对测量方位转换为指北绝对方位，并记录下当前GPS定位仪的测量点坐标数据和绝对方位结果。当记录数据中有两个及以上相差较远的异地测量数据时，将自动调用平面多点交汇算法解算出信标绝对位置的估计值，将位置坐标显示在上位机软件的界面上供用户使用。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种吊放式搜救声呐装置，其特征在于，包含湿端设备(1)、干端设备(2)和与二者连接的承重光电复合缆(3)，湿端设备(1)包括相互连接的矢量水听器阵(4)和水密电子舱(5)，干端设备(2)包括与承重光电复合缆(3)另一端连接的光电调制解调器(8)，并与便携式处理器(6)网路连接，与便携式处理器(6)连接的GPS定位仪(7)。

2.根据权利要求1所述的一种吊放式搜救声呐装置，其特征在于，所述矢量水听器阵(4)包括若干个水听器上下依次呈纵向排列组阵构成。

3.根据权利要求2所述的一种吊放式搜救声呐装置，其特征在于，位于矢量水听器阵(4)的上下两极的两个水听器均为声压水听器(9)，位于中段的若干个水听器均为压差式矢量水听器(10)，所述压差式矢量水听器(10)组阵前经过一致性检验，均为接收指向性匹配度高的阵元组阵而成，并且每个阵元在组阵时方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种吊放式搜救声呐装置，其特征在于，所述水密电子舱(5)包括硬件电路、姿态传感器和不间断供电组件；其中，

硬件电路包括电源电路、前放电路、信号调理电路、可控增益放大电路、AD采集电路、隔离电路、光电转换电路、主控电路和上下底板电路，其中，除上下底板电路以外的其它电路外形呈成圆盘状，并与上下两端通过接插件依次与上下底板电路连接，上下底板电路为其供电，并提供这些电路板之间的信号走线。

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