CN219201901U - 一种自航式海洋噪声测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种海洋噪声测量系统。一种自航式海洋噪声测量系统，包括：多基元探测潜标及控制系统、数据采集舱、主控制器、通信解算子系统；其中，多基元探测潜标及控制系统与数据采集舱连接，数据采集舱与通信解算子系统连接，通信解算子系统与主控制器连接；所述多基元探测潜标及控制系统由一条或者多条垂线阵、矢量水听器及其控制系统组成，垂线阵用于确定水下目标水平距离，矢量水听器用于确定水下目标的水平方位和深度信息。本实用新型实现矢量水听器、垂直水听器线列阵与水下自航式平台一体化设计，垂线阵与矢量水听器数据同步采集技术，结合垂线阵与矢量水听器的优势，可以精确探测到水下目标的距离、方位和深度。

Description

一种自航式海洋噪声测量系统

技术领域

本实用新型涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种海洋噪声测量系统。

背景技术

随着现代电子信息、信号处理和海洋船舶技术的进步，并出于对自身隐蔽性的要求，以噪声检测为手段的被动探测方式逐渐成为主要的水声目标探测体制。被动型水声探测方式可以分为固定式声呐(包括岸基声呐和坐底式声呐)、拖曳阵声呐、基于水下移动航行器的探测声呐等多种类型。固定式声呐(或线阵)虽然能够将目标探测信息实时传送给岸基监控中心，但其只能监测某一固定区域的目标，机动性能差。拖曳式探测声呐虽然能够实时获取探测目标信息，但必须依赖于拖曳舰艇航行器，由于拖曳能力有限，目前国内滑翔机搭载的一般是单个或几个矢量水听器，搭载有多个水听器组成的水听器拖曳线阵还存在很大困难。

实用新型内容

本实用新型充分利用多基元垂直接收线阵在目标探测时的良好的空间分辨率能力和噪音抑制能力，以及高空间增益等优越性，重点解决常规坐底式多基元垂直接收线阵的机动性差这一技术瓶颈；突破拖拽式拖拽能力有限的缺点，实现矢量水听器、垂直水听器线列阵与水下自航式航行器一体化设计，垂线阵与矢量水听器数据同步采集技术，结合垂线阵与矢量水听器的优势，可以精确探测到水下目标的距离、方位和深度。

本实用新型解决其技术问题采用的技术手段是：一种自航式海洋噪声测量系统，多基元探测潜标及控制系统、数据采集舱、主控制器、通信解算子系统；其中，多基元探测潜标及控制系统与数据采集舱连接，数据采集舱与通信解算子系统连接，通信解算子系统与主控制器连接；所述多基元探测潜标及控制系统由一条或者多条垂线阵、矢量水听器及其控制系统组成，垂线阵用于确定水下目标水平距离，矢量水听器用于确定水下目标的水平方位和深度信息。

优选地，还包括载荷水深控制系统；所述载荷水深控制系统与主控制器连接。

优选地，还包括姿态控制系统，所述姿态控制系统与主控制器连接。

优选地，还包括航行数据存储系统，所述航行数据存储系统与主控制器连接。

优选地，还包括通信定位系统，所述通信定位系统与主控制器连接。

本实用新型在充分利用多基元垂直接收线阵在目标探测时的良好的空间分辨率能力和噪音抑制能力，以及高空间增益等优越性，重点解决常规坐底式多基元垂直接收线阵的机动性差、拖拽式拖拽能力有限等技术瓶颈，具有如下有益效果：

(1)自航式水下目标探测潜标技术，实现矢量水听器、垂直水听器线列阵与水下自航式航行器一体化设计。

(2)垂线阵与矢量水听器数据同步采集技术，结合垂线阵与矢量水听器的优势，实现水下目标的距离、方位和深度的精确探测。

(3)水下目标的隐蔽性探测，工作前垂线阵收纳于航行器内，航行器入水后自动行驶；到达预定位置后，航行器下沉并坐底并释放垂线阵，垂线阵悬垂于航行器上方开始值守作业。设备本体可以持续值守、不用上浮，减少能量消耗、减少噪声、减少被发现几率。值守作业期间发现目标体可以将目标体信息转存，并自行返回指定位置，被调查员回收。有力提升关键海域水下目标探测、预警以及快速响应能力。

附图说明

图1为本实用新型实施例中自航式海洋噪声测量系统整体结构示意图(俯视图)；

图2本实用新型实施例中自航式海洋噪声测量系统各模块布局示意图；

图3为本实用新型实施例中自航式海洋噪声测量系统各模块连接示意图；

图4为多基元探测潜标整体结构示意图，(a)探测潜标整体安装在AUV航行器内时的状态；(b)为探测潜标的多基元垂直线列阵释放漂浮于水中时示意图；

图5为多基元探测潜标的控制原理示意图；

图6为多基元探测潜标工作流程示意图；

图7为通信解算子系统的工作流程图；

图8为本实用新型实施例中自航式海洋噪声测量系统的工作模式图；

图9为本实用新型实施例中自航式海洋噪声测量系统的工作流程示意图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型的实施例和附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供的自航式海洋噪声测量系统，主要包括：包括多基元探测潜标及控制系统2、数据采集舱3、主控制器9、载荷水深控制系统6、通信解算子系统7、姿态控制系统8、航行数据存储系统10、通信定位系统5和构成。其中，主控制器9、载荷水深控制系统6、通信解算子系统7、姿态控制系统8构成核心控制系统。可以完成水下航行、上浮下潜、姿态调整、海底坐底锚定、海洋声学信息观测和存储等操作。

该系统以AUV航行器作为运载器，搭载多基元探测潜标及控制系统2，多基元探测潜标由一条或者多条垂线阵以及矢量水听器组成，垂线阵用于确定水下目标水平距离，矢量水听器确定水下目标的水平方位和深度信息。多基元探测潜标及控制系统2作为本系统最重要的载体，负责噪声信号的采集和处理。

AUV航行器包含密封舱1、能源动力驱动系统4及推进器11。多基元探测潜标及控制系统布置在密AUV航行器艏部，能源动力驱动系统4重量较大，布置在AUV航行器舯部的位置，核心控制系统布置在AUV航行器艉部。通信定位系统5位于密封舱1外部；核心控制系统布置在密封舱内部。

如图3所示，多基元探测潜标及控制系统2与数据采集舱3连接，数据采集舱3与通信解算子系统7连接，通信解算子系统7、姿态控制系统8、航行数据存储系统10、通信定位系统5、能源动力驱动系统4均与主控制器9连接，推进器11与能源动力驱动系统4连接。

传统的潜航器控制系统均以PC104工控机为主，而单片机作为外设控制的基本单元，但工控机存在系统冗余大、能耗高、重启速度慢等诸多劣势，因此本系统采用基于CotexM4 ARM内核的STM32单片机作为控制系统的主控制器9，STM32相较于PC104工控机，具有功耗低、重启速度快、外设资源丰富、体积小、长时间工作无冗余等优点。

通信定位系统5包含光纤惯导、声学多普勒计程仪(DVL)、导航控制板构成，其中DVL负责测量自航式航行器相对于海底的运动速度，并将数据以232串口信号传送给导航控制板，控制板再将数据发送给主控制器9；惯导通过串口接收GPS数据和DVL数据，通过光纤捷联惯导与DVL这一组合方式，将导航数据以232串行通讯方式发送给主控制器9，进行水下高精度定位导航。

多基元探测潜标及控制系统2由24基元数的垂直线列阵和4分量的矢量水听器及其控制系统构成，二者同步测量水声信号。多基元探测潜标整体结构示意图如图4所示，图4(a)为探测潜标整体安装在移动航行器内时的整体状态示意图，图4(b)为探测潜标的多基元垂直线列阵释放漂浮于水中时的示意图。数据采集舱3放置于密封舱1底部，电缆盘于密封舱1舱体上方，释放时浮体连接采集拖缆缆尾，带动采集拖缆上浮。工作前垂线阵收纳于航行器内，如图4(a)所示。AUV航行器入水后自动行驶；到达预定位置后，AUV航行器下沉并坐底并释放垂线阵，垂线阵悬垂于航行器上方开始值守作业，如图4(b)所示。设备本体可以持续值守、不用上浮，减少能量消耗、减少噪声、减少被发现几率。值守作业期间发现目标体可以将目标体信息转存，并自行返回指定位置，被调查员回收。

单矢量水听器监听10-500Hz频段，通过声压和振速获取复声强信息，利用声强水平分量估计声源水平方位，依据复声强垂直分量提取声强矢量的圆度特征，进而得到声源深度判别量。垂直线阵监听500-2000Hz频段，对接收到的线谱或宽带谱信号做波束形成，应用阵不变量技术，估计声源水平距离。对单矢量水听器获取的水平方位、深度信息与垂直线阵获取的距离信息作融合处理，综合判定水面/水下目标。多基元探测潜标的控制原理如图5所示，具体工作流程如图6所示。图5中，p：声压信息；v_x：x轴方向水平振速分量；v_y：y轴方向水平振速分量；v_z：垂直振速分量；l_x：x轴方向水平声强分量；l_y：y轴方向水平声强分量；I_z：垂直声强分量。

如图7所示，通信解算子系统7采用扩频信号作为通信信号，PN码采用常用的GOLD码，扩频方式为直接扩频，将所需要发送的信号通过GOLD编码扩频之后生成编码后的信号，再将编码后的信号调制到载波上形成通信信号，多基元探测潜标接收到信号后，通信解算子系统先对其进行解调，将解调后的信号解扩即可得到原信号，具体工作流程如图7所示。并采用自定义通信协议，每帧数据包含起始位、地址位、数据位、结束位、校验位，通过数据采集舱和主控制器的数据发送、接收过程中的数据校验，可以提高在海洋噪声情况下数据传输的准确性和稳定性。

如图8和图9所示，本实施例提供的自航式海洋噪声测量系统具体工作模式及流程为：将AUV航行器下放到水中，主控制器9控制AUV航行器在水中航行，通过通信定位系统5使AUV航行器下潜到指定深度，并机动航行到指定位置；到达指定位置后，航行器下潜坐底固定，主控制器9控制发送指令给多基元探测潜标及控制系统2，打开艏部上方舱门，垂直线列阵随着浮力块上浮，浮力块露出水面，垂直线列阵开始工作，单矢量水听器系统协同工作，通过数据采集舱采集数据信息，主控制器9利用通信解算子系统7将数据信息进一步处理，判断目标是否出现；发现目标后，主控制器9发送指令给多基元探测潜标及控制系统2，释放掉垂直线列阵，将信息转存到航行数据存储系统10中；主控制器9控制AUV航行器进行水下航行，结合通信定位系统5，进行返航；最后，到达指定位置后被工作人员回收。

本实用新型中，采集设备需要搭载在水下AUV航行器上，在实现必要功能的前提下需要尽量简化设备连接关系、降低操作难度、减小体积与重量；通过对安装环境、释放方式的研究，设备采用“控制中心舱体—脐带缆—采集缆”的连接方式，在连接关系中脐带缆负责通信、采集缆拖曳及固定位置功能；为最大限度降低舱体体积和重量，控制中心采用外部集中供电方式，由放置在电池舱内的高性能锂电池组供电；放置采集缆也根据水听器尺寸选择更加纤细的PU管作为成缆外壳，进一步降低拖缆体积。

针对AUV航行器的作业需求，航行器行驶过程中无需采集，至固定作业点后开启采集并实时存储与传输数据，当工作时长达到预设时长或者发现目标后结束采集，航行器返回。采集设备自身根据内部姿态传感器所得数据，结合设备自检结果，拖缆释放情况等条件，通过软件算法确定采集操作开始与停止的时机，保证设备安全智能工作。

针对采集后数据输出与存储，采用多重校验方式，保证数据传输与存储的稳定性与正确性，为AUV航行器有效可靠工作提供保障。

自容式设备为了保证更长时间的续航，在功能完整、不增加电池容量的前提下需要尽可能降低整体功耗。系统功能明晰，电路设计结构是以STM32主控芯片为核心，电源、采集、存储、网络传输为外围模块搭建；针对各部分电路对比选用功耗低、性能强的芯片，同时设计各个模块的供电开关，智能控制各模块的功耗。

Claims (5)

1.一种自航式海洋噪声测量系统，其特征在于，包括：多基元探测潜标及控制系统、数据采集舱、主控制器、通信解算子系统；其中，多基元探测潜标及控制系统与数据采集舱连接，数据采集舱与通信解算子系统连接，通信解算子系统与主控制器连接；所述多基元探测潜标及控制系统由一条或者多条垂线阵、矢量水听器及其控制系统组成，垂线阵用于确定水下目标水平距离，矢量水听器用于确定水下目标的水平方位和深度信息。

2.根据权利要求1所述的自航式海洋噪声测量系统，其特征在于，还包括载荷水深控制系统；所述载荷水深控制系统与主控制器连接。

3.根据权利要求1所述的自航式海洋噪声测量系统，其特征在于，还包括姿态控制系统，所述姿态控制系统与主控制器连接。

4.根据权利要求1所述的自航式海洋噪声测量系统，其特征在于，还包括航行数据存储系统，所述航行数据存储系统与主控制器连接。

5.根据权利要求1所述的自航式海洋噪声测量系统，其特征在于，还包括通信定位系统，所述通信定位系统与主控制器连接。

Images