CN110703197A - 一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器及其工作方式 - Google Patents

一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器及其工作方式 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器及其工作方式，包括声头，声头侧面间隔安装多组声基阵，声头底部安装电子舱，电子舱底部安装水下云台；根据多个声基阵反馈的声信号的强弱以及水下目标的方位角信号，信号处理模块生成旋转指令，经控制器模块控制水下云台工作，通过驱动电机来带动转轴转动，从而声头转动，使得收发换能器的最佳作用区域对准水下目标，以精确地进行跟踪定位。本发明通过在声头侧面间隔安装多组声基阵，有效解决了现有超短基线定位***作业区域不足的问题，实现了侧向大开角范围内的精准定位，大大扩大了其有效作业区域，并且收发换能器能够根据实际情况自动旋转声头以更准确地定位，适用性好。

Description

一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器及其工作方式
技术领域
本发明涉及水下定位技术领域，尤其是一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器及其工作方式。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，海洋的研究、开发和利用离不开海洋工程装备，深海空间站已成为发达国家海洋技术研究的前沿领域。深海空间站是一类不受海面恶劣风浪环境的制约，可长周期、全天候地在深海域直接操控作业工具与装置，进行海洋科学研究、资源探测开发与海底工程作业的深海运载装备。针对具体的水下作业任务，深海空间站一般搭载作业型缆控潜器(ROV)完成其任务使命。当到达特定的作业海域后，为节省能量，深海空间站通常处于悬停或者坐底状态，并释放ROV在指定位置完成作业任务。在此过程中，深海空间站需要实时跟踪ROV的位置，以便于操作人员进行有效操控并顺利完成作业任务。
水面船舶主要使用超短基线定位***对水下移动目标(如ROV)进行跟踪定位。超短基线定位***主要包括收发换能器和应答器两部分，并且分别安装在两个运动载体上。当收发换能器采用耐压结构并装载于水下移动目标上时，则称该定位***为倒置超短基线定位***。对于深海应用而言，深海空间站则主要使用倒置超短基线定位***对ROV进行跟踪定位。
现有技术中，收发换能器可同时跟踪多个目标，收发换能器通常安装于深海空间站上底部，应答器则安装在ROV上。根据超短基线定位原理，收发换能器可测量出与应答器之间的相对位置矢量，从而对ROV定位。然而，当深海空间站坐底时，超短基线定位***显然不可用；当深海空间站悬停时，由于超短基线定位***存在特定的有效作业区域，一般是以收发换能器为顶点的锥形区域，且离中轴线越近效果越好，因此，当ROV处于深海空间站正下方时，深海空间站对ROV的定位效果最好，定位最准确，而当ROV与深海空间站深度差较小或者处于同一深度时，ROV则很容易偏离超短基线定位***的有效作用范围。
因此，因超短基线定位***存在特定的有效作业区域，现有的倒置超短基线定位***存在使用局限性。收发换能器装在深海空间站的底部或是顶部，都无法对深海空间站正侧方的运动目标定位；若收发换能器装在正前方，则深海空间站又无法对其两侧及后方的运动目标定位；若各个方向都装，则需要花费较大的代价。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的侧向测量式倒置超短基线收发换能器及其工作方式，从而大大改善现有超短基线定位***的有效作业区域，实现了侧向大开角范围内的精准定位，适用性好。
本发明所采用的技术方案如下：
一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，包括声头，所述声头侧面间隔安装有多组声基阵，所述声头底部安装有电子舱，所述电子舱底部安装有水下云台；所述电子舱内安装有控制器模块，所述水下云台在控制器模块的控制下工作，从而带动声头转动。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述声头的结构为：包括圆柱形结构的支撑体，所述支撑体圆周面上沿周向均匀安装有多个透声橡胶，单个透声橡胶与支撑体之间安装有一组声基阵。
所述支撑体侧面沿着圆周方向均匀开有多个凹口，所述声基阵与凹口一一对应，单组声基阵安装于凹口内，单个透声橡胶与凹口一一对应并且匹配卡装。
单组声基阵包括声源和多个水听器，多个水听器以声源为中心均布于支撑体上。
所述电子舱内安装有信号处理模块、惯导模块和控制器模块，所述声基阵、惯导模块和控制器模块均与信号处理模块相连通；所述控制器模块控制水下云台工作；还包括电源模块，所述声基阵、惯导模块、控制器模块和信号处理模块均与电源模块相连。
所述信号处理模块通过外部接口与外部深海空间站相连。
所述水下云台的结构为：包括与电子舱相连的云台主体，云台主体底部安装有转轴，转轴底端安装有基座；所述云台主体内安装有驱动转轴转动的电机。
所述水下云台底部安装有法兰盘，所述法兰盘固装于外部深海空间站的顶端，所述收发换能器通过电缆线与深海空间站相连；还包括与收发换能器配合使用的应答器，所述应答器安装于缆控潜器的顶部；所述缆控潜器位于深海空间站的侧方。
所述声头与电子舱连接处安装有水密接插件一；所述电子舱侧壁上安装有水密接插件二；所述电子舱与水下云台连接处安装有水密接插件三。
所述一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器的工作方式，包括如下步骤：
第一步：布置于声头侧面的多组声基阵同时检测应答器的声信号，多组声基阵将声信号发送至信号处理模块；
第二步：根据接收到的声信号，信号处理模块分析声信号的强弱以及应答器的方位角，生成旋转指令，并将该旋转指令发送至控制器模块；
第三步：控制器模块根据旋转指令控制电机工作；转轴在电机带动下转动，进而带动水下云台、电子舱和声头转动，从而使得多个声基阵中的一个与应答器对准，该声基阵检测此时应答器的声信号并发送至信号处理模块；
第四步：惯导模块测量收发换能器的当前航向、姿态角及在大地坐标系中的位置，并将信号发送至信号处理模块；
第五步：信号处理模块结合第三步中声基阵的声信号以及第四步中惯导模块的信号，信号处理模块解算出应答器的准确位置，并将该位置信息发送至外部深海空间站。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在声头侧面间隔安装多组声基阵，有效解决现有超短基线定位***作业区域不足的问题，实现了侧向大开角范围内的精准定位，大大扩大了其有效作业区域；尤其适用于深海空间站和ROV，当两者深度差较小或是处于同一深度平面时，能够实现深海空间站对ROV的精准跟踪定位。
本发明还包括如下优点：
根据多个声基阵反馈的声信号的强弱以及水下目标的角度信号，信号控制模块生成旋转指令，经控制器模块控制水下云台工作，驱动电机并带动转轴转动，从而声头转动，使得收发换能器的最佳作用区域对准水下目标，进而大大促进并提升跟踪定位精度。
电子舱用于声头、水下云台以及外部的信息交互，并进行信号处理及位置解算，控制收发换能器的转动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明支撑体的结构示意图。
图3为图2中沿A-A向的剖视图。
图4为本发明电子舱内各模块及其与声头、水下云台的连接原理图。
图5为本发明安装于深海空间站并与应答器配合工作示意图。
其中：1、声头；11、支撑体；111、声源；112、水听器；113、凹口；12、透声橡胶；13、水密接插件一；2、电子舱；21、惯导模块；22、信号处理模块；23、控制器模块；24、电源模块；25、水密接插件二；3、水下云台；31、云台主体；32、转轴；33、基座；34、水密接插件三；4、法兰盘；5、电缆线；6、深海空间站；7、应答器；8、缆控潜器。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，包括声头1，声头1侧面间隔安装有多组声基阵，声头1底部安装有电子舱2，电子舱2底部安装有水下云台3，电子舱2内安装有控制器模块23，水下云台3在控制器模块23的控制下工作，从而带动声头1转动。
声头1的结构为：包括圆柱形结构的支撑体11，支撑体11圆周面上沿周向均匀安装有多个透声橡胶12，透声橡胶12之间相互独立，单个透声橡胶12与支撑体11之间安装有一组声基阵。
声头1用于向收发换能器侧方开角范围内发射和接收声波信号；每个声基阵作用于一定区域；如图2和图3所示，单个声基阵作用区域的上下开角为α，单个声基阵作用区域的侧向开角为β，从而覆盖大部分侧方区域。
支撑体11侧面沿着圆周方向均匀开有多个凹口113，声基阵与凹口113一一对应，单组声基阵安装于凹口113内，单个透声橡胶12与凹口113一一对应并且匹配卡装。
凹口113和声基阵的数量均为三个，三个声基阵相互独立并各自涵盖作业区域；当单个声基阵的侧向开角β达到120°时，则可在收发换能器侧方360°范围内进行水下目标的定位；当单个声基阵的上下开角α达到180°时，则可对以收发换能器为中心的整个球形区域内的水下目标实现定位。
单组声基阵包括声源111和多个水听器112，多个水听器112以声源111为中心均布于支撑体11上；水听器112可以四基元阵、五基元阵等方式布置。
电子舱2内安装有信号处理模块22、惯导模块21和控制器模块23，声基阵、惯导模块21和控制器模块23均与信号处理模块22相连通；控制器模块23控制水下云台3工作；还包括电源模块24，声基阵、惯导模块21、控制器模块23和信号处理模块22均与电源模块24相连；如图4所示。
惯导模块21用于实时测量收发换能器的航向和姿态；信号处理模块22用于接收声头1和惯导模块21的信号，根据信号实时解算应答器7的方位角和相对位置矢量，同时给控制器模块23发送指令；控制器模块23根据信号处理模块22的指令，控制水下云台3工作，进而实现声头1的转动；控制器模块23控制水下云台3的转动角度及转动速度；电源模块24为收发换能器中的各个部件供电；外界则通过水密接插件二25为电源模块24供电。
信号处理模块22通过外部接口与外部深海空间站相连，实现与外界的信息交互。
水下云台3的结构为：包括与电子舱2相连的云台主体31，云台主体31底部安装有转轴32，转轴32底端安装有基座33；云台主体31内安装有驱动转轴32转动的电机。
水下云台3底部的基座33安装有法兰盘4，法兰盘4固装于外部深海空间站6的顶端，收发换能器通过电缆线5与深海空间站6相连，深海空间站6通过电缆线5为收发换能器提供电力支持并进行实时通信；还包括与收发换能器配合使用的应答器7，应答器7安装于缆控潜器8的顶部，应答器7接收并识别来自收发换能器的声信号，并发射应答声波；缆控潜器8位于深海空间站6的侧方；如图5所示。
声头1与电子舱2连接处安装有水密接插件一13，声头1通过水密接插件一13与电子舱2实现电缆连接；电子舱2侧壁上安装有水密接插件二25，电子舱2通过水密接插件二25实现与外部深海空间站的电缆连接；电子舱2与水下云台3连接处安装有水密接插件三34，水下云台3通过水密接插件三34与电子舱2实现电缆连接。
水下云台3为外购标准产品，本实施例中水下云台3的参考型号为：挪威Kongsberg公司的OE10-103型单轴云台。
本实施例的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器的工作方式，包括如下步骤：
第一步：布置于声头1侧面的多组声基阵同时检测应答器7的声信号，多组声基阵将声信号发送至信号处理模块22；
第二步：根据接收到的声信号，信号处理模块22分析声信号的强弱以及应答器7的方位角，生成旋转指令，并将该旋转指令发送至控制器模块23；
第三步：控制器模块23根据旋转指令控制电机工作；转轴32在电机带动下转动，进而带动水下云台3、电子舱2和声头1转动，从而使得多个声基阵中的一个与应答器7对准，该声基阵检测此时应答器7的声信号并发送至信号处理模块22，该声信号包括了应答器7相对于收发换能器本身的方位角；
第四步：惯导模块21测量收发换能器的当前航向、姿态角及在大地坐标系中的位置，并将信号发送至信号处理模块22；
第五步：信号处理模块22结合第三步中声基阵的声信号以及第四步中惯导模块21的信号，信号处理模块22解算出应答器7的准确位置，即应答器7在大地坐标系中的位置，并将该位置信息发送至外部深海空间站6；
从而实现收发换能器的自动控制工作模式。
收发换能器亦可在手动控制模式下工作：由位于深海空间站6中的人员，直接发送旋转指令至电子舱2中的信号处理模块22，信号处理模块22将接收到的信号发送给控制器模块23，控制器模块23控制水下云台3工作，水下云台3驱动电机使得转轴32转动，进而声头1转动。
本发明结构简单构思巧妙，实现了侧向大开角区域甚至整个球形区域内水下目标的精准定位，大大扩大了定位作业区域，适用性好。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：包括声头(1)，所述声头(1)侧面间隔安装有多组声基阵，所述声头(1)底部安装有电子舱(2)，所述电子舱(2)底部安装有水下云台(3)；所述电子舱(2)内安装有控制器模块(23)，所述水下云台(3)在控制器模块(23)的控制下工作，从而带动声头(1)转动。
2.如权利要求1所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述声头(1)的结构为：包括圆柱形结构的支撑体(11)，所述支撑体(11)圆周面上沿周向均匀安装有多个透声橡胶(12)，单个透声橡胶(12)与支撑体(11)之间安装有一组声基阵。
3.如权利要求2所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述支撑体(11)侧面沿着圆周方向均匀开有多个凹口(113)，所述声基阵与凹口(113)一一对应，单组声基阵安装于凹口(113)内，单个透声橡胶(12)与凹口(113)一一对应并且匹配卡装。
4.如权利要求2或3所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：单组声基阵包括声源(111)和多个水听器(112)，多个水听器(112)以声源(111)为中心均布于支撑体(11)上。
5.如权利要求1所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述电子舱(2)内安装有信号处理模块(22)、惯导模块(21)和控制器模块(23)，所述声基阵、惯导模块(21)和控制器模块(23)均与信号处理模块(22)相连通；所述控制器模块(23)控制水下云台(3)工作；还包括电源模块(24)，所述声基阵、惯导模块(21)、控制器模块(23)和信号处理模块(22)均与电源模块(24)相连。
6.如权利要求5所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述信号处理模块(22)通过外部接口与外部深海空间站相连。
7.如权利要求1所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述水下云台(3)的结构为：包括与电子舱(2)相连的云台主体(31)，云台主体(31)底部安装有转轴(32)，转轴(32)底端安装有基座(33)；所述云台主体(31)内安装有驱动转轴(32)转动的电机。
8.如权利要求1所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述水下云台(3)底部安装有法兰盘(4)，所述法兰盘(4)固装于外部深海空间站(6)的顶端，所述收发换能器通过电缆线(5)与深海空间站(6)相连；还包括与收发换能器配合使用的应答器(7)，所述应答器(7)安装于缆控潜器(8)的顶部；所述缆控潜器(8)位于深海空间站(6)的侧方。
9.如权利要求1所述的一种侧向测量式倒置超短基线收发换能器，其特征在于：所述声头(1)与电子舱(2)连接处安装有水密接插件一(13)；所述电子舱(2)侧壁上安装有水密接插件二(25)；所述电子舱(2)与水下云台(3)连接处安装有水密接插件三(34)。
10.一种如权利要求1所述的侧向测量式倒置超短基线收发换能器的工作方式，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：布置于声头(1)侧面的多组声基阵同时检测应答器(7)的声信号，多组声基阵将声信号发送至信号处理模块(22)；
第二步：根据接收到的声信号，信号处理模块(22)分析声信号的强弱以及应答器(7)的方位角，生成旋转指令，并将该旋转指令发送至控制器模块(23)；
第三步：控制器模块(23)根据旋转指令控制电机工作；转轴(32)在电机带动下转动，进而带动水下云台(3)、电子舱(2)和声头(1)转动，从而使得多个声基阵中的一个与应答器(7)对准，该声基阵检测此时应答器(7)的声信号并发送至信号处理模块(22)；
第四步：惯导模块(21)测量收发换能器的当前航向、姿态角及在大地坐标系中的位置，并将信号发送至信号处理模块(22)；
第五步：信号处理模块(22)结合第三步中声基阵的声信号以及第四步中惯导模块(21)的信号，信号处理模块(22)解算出应答器(7)的准确位置，并将该位置信息发送至外部深海空间站(6)。
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