CN112985577B - 一种椭圆形截面的垂直拖曳线列阵 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，克服传统圆形截面的线列阵垂直拖曳使用时切割水流容易引起涡基振动的缺点，可以有效降低使用过程中产生的涡基振动和水流噪声，提高信噪比。采用“高压传输+DC/DC二次稳压模块”供电体制”和模块化分布式的采集传输设计，实现线列阵孔径的扩展，扩展方式包括同一线列阵内扩展或多条线列阵通过水密连接器连接扩展；线列阵内首部和尾部安装倾角传感器、深度传感器和三轴加速度计，可以通过传感器反馈的数据实时拟合出线列阵的工作姿态，用以确定最佳拖曳速度。
Description
技术领域
本发明属于水声探测技术领域，特别是涉及一种椭圆形截面的垂直拖曳线列阵。
背景技术
线列阵主要分为两种形式：水平线列阵和垂直线列阵，其中水平线列阵测量水平孔径的声信号，包括拖曳使用的拖曳线列阵和固定布放于水底的岸基线列阵；另一种测量垂直孔径声信号的则为垂直线列阵。二者的侧重点也有区别，其中水平阵主要用于探测目标的方位角信息，而垂直阵探测目标的深度信息。
现有的垂直线列阵的使用形式基本都为垂直布放定点使用，即通过重物牵引线列阵下潜到一定深度进行定点接收声信号，如果需要更换工作区域，则必须将线列阵回收至平台，平台驶至目标区域再次布放，线列阵的工作是不连续的，所以现有的垂直线列阵一般用于海洋声学环境监测，很少用于移动目标的跟踪和探测。
想要实现垂直线列阵连续跟踪探测移动目标，衍生出拖曳使用的垂直线列阵的概念，即线列阵尽可能以垂直姿态在水下拖曳，可以实现探测信号的连续性以及扩大探测范围的目的。
传统的线列阵都为圆形截面，圆形截面的线列阵切割水流时，水流在背流面容易形成湍流而产生涡基振动，不仅会带动线列阵产生振动，也会提高水流的流噪声，从而降低信噪比，增加对目标信号探测的难度，所以圆形截面的线列阵不适合于垂直拖曳使用。
发明内容
本发明为了克服传统圆形截面的线列阵垂直拖曳使用时切割水流容易引起涡基振动的缺点，提供了一种椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，可以有效降低使用过程中产生的涡基振动和水流噪声，提高信噪比。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，包括椭圆截面的水密连接器、椭圆截面护套、各类椭圆截面支撑骨架、采集传输节点、水听器、前置放大器、DC/DC电源模块、非声传感器、强力绳、双绞导线和固体填充介质，非声传感器包括倾角传感器、深度传感器、三轴加速度计，双绞导线包括电源线、UPT5数据线，各类椭圆截面支撑骨架的外径略小于椭圆截面护套的内径以向外支撑椭圆截面护套，各类椭圆截面支撑骨架截面对称，内部开有安装孔，两侧开有容纳双绞导线和强力绳的通孔，强力绳依次穿过水密连接器上的承力件以及各类椭圆截面支撑骨架，并形成闭环，各电子器件布置在各类椭圆截面支撑骨架安装孔内，各电子器件之间通过导线焊接连接，各类椭圆截面支撑骨架两侧加装端盖形成密封腔体，腔体内容纳不耐压的电子器件，各类椭圆截面支撑骨架包括铝合金支撑骨架、柔性支撑骨架和尼龙支撑骨架；
进一步的，椭圆截面护套采用聚氨酯材料挤注加工而成，外径尺寸即为线列阵的尺寸，护套内外表面光滑，内部无气泡；
进一步的，各类椭圆截面支撑骨架选用硬质铝合金或者ABS或者TPE注塑成型；
进一步的，采集传输节点为模块化分布式布置，安装于铝合金支撑骨架安装孔内，每个采集传输节点采集最多16组模拟声信号并完成模数转换，接收三组传感器输出的RS485信号，采集传输节点之间通过以太网通信；采集传输节点采用时钟芯片来同步执行信号的采集和传输指令；
进一步的，DC/DC电源模块采用小型化耐压设置，安装于铝合金支撑骨架安装孔内，以将300V高压直流电源转换为供各电子器件使用的低压直流电源；
进一步的，水听器为压电陶瓷水听器，工作频段为10Hz～2000Hz，水听器通过TPE柔性材料连接，等间距固定在强力绳上，前置放大器与水听器匹配相匹配，工作频段覆盖10Hz～2000Hz，前置放大器对水听器输出的模拟电压进行放大并滤波后输出至采集传输节点；
进一步的，深度传感器和倾角传感器安装于铝合金支撑骨架安装孔内，并位于线列阵的首尾处，三轴加速度计安装于铝合金支撑骨架安装孔内并与其刚性固定，以采集线列阵拖曳工作时三个方位角的振动信息；
进一步的，固体填充介质为固体填充胶，为双组分材料，混合后呈液体状态，静置后呈固体凝胶状。
本发明的有益效果为：
本发明的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵用于垂直拖曳使用，可以有效降低涡基振动和流噪声，提高信噪比，提高探测能力；采用的模块化分布设计的采集传输节点，在传输数据量范围内可以实现线列阵的灵活扩展，扩展方式包括单阵扩展以及相同配置的线列阵之间的连接扩展；采用的DC/DC电源模块的供电体制，可以实现高压供电转低压使用，增加供电传输距离，使线列阵的工作深度大大提高；采用了倾角传感器和深度传感器配合使用的方式，可以即时拟合出线列阵在不同速度下的的拖曳姿态，明确设备的最佳拖曳速度；采用固体填充胶作为填充介质(即固体阵)，相比于液体阵具备更高的可靠性，也可避免液体阵护套被割破进水引起设备短路故障或损毁的隐患；采用的椭圆形连接器为分体式设计，配合椭圆形压环侧向挤压护套的工艺实现紧固和密封。采用的支撑骨架左右对称设计，将信号传输导线和电源传输导线在空间上最大限度分开，降低电磁干扰，支撑骨架同时可以密封处理，以便于安装不耐压的电子器件；采用的水听器等间距布置，用柔性材料进行约束定位，进一步降低外界传导到水听器的振动。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明的局部结构示意图；
图2为本发明的信号传输原理图。
图中标记：1、水密连接器；2、椭圆截面护套；3、强力绳；4、深度传感器；5、倾角传感器；6、三轴加速度计；7、采集传输节点；8、水听器；9、前置放大器；10、铝合金支撑骨架；11、柔性支撑骨架；12、尼龙支撑骨架；13、固体填充介质。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图所示，本发明的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵包括椭圆截面的水密连接器1、椭圆截面护套2、各类椭圆截面支撑骨架、采集传输节点7、水听器8、前置放大器9、DC/DC电源模块、非声传感器、强力绳3、双绞导线和固体填充介质13，非声传感器包括倾角传感器5、深度传感器4、三轴加速度计6，双绞导线包括电源线、UPT5数据线，各类椭圆截面支撑骨架根据护套的尺寸进行设计，各类椭圆截面支撑骨架的外径略小于椭圆截面护套2的内径以向外支撑椭圆截面护套2，各类椭圆截面支撑骨架截面对称设计，内部按照器件尺寸要求开有安装内装电子器件的安装孔，两侧开有容纳双绞导线和强力绳3的通孔，强力绳3依次穿过水密连接器1上的承力件以及各类椭圆截面支撑骨架，形成环状并采用特殊编织工艺形成闭环，各电子器件布置在各类椭圆截面支撑骨架安装孔内形成良好保护，各电子器件之间按要求通过导线焊接连接，各类椭圆截面支撑骨架两侧加装端盖形成密封腔体，腔体内容纳不耐压的电子器件，各类椭圆截面支撑骨架包括铝合金支撑骨架10、柔性支撑骨架11和尼龙支撑骨架12。
椭圆截面的水密连接器根据线列阵的椭圆形外径进行设计，与常规的线列阵使用的圆形水密连接器采用扣压设备使圆形压环产生塑性变形来实现挤压护套产生紧固的方法不同，其采用了夹具使椭圆形压环侧向移动对护套进行挤压产生紧固的方法。
进一步的，椭圆截面护套2采用聚氨酯材料挤注加工而成，外径尺寸即为线列阵的尺寸，护套内外表面光滑，内部无气泡。
进一步的，各类椭圆截面支撑骨架选用硬质铝合金或者ABS或者TPE注塑成型。
进一步的，采集传输节点7为模块化分布式布置，安装于铝合金支撑骨架10安装孔内，每个采集传输节点7采集最多16组模拟声信号并完成模数转换，接收三组传感器输出的RS485信号，采集传输节点7之间通过以太网通信；采集传输节点7采用时钟芯片来同步执行信号的采集和传输指令，本发明使用了3组(但不局限)采集传输节点，也可以根据要求进行扩展，扩展方式包括同阵内扩展以及多条线列阵之间连接扩展。
进一步的，DC/DC电源模块采用小型化耐压封装设置，安装于铝合金支撑骨架10安装孔内，以将拖曳平台传输下来的300V高压直流电源转换为供内装电子器件所需的低压直流电源，电源模块具备过流保护、短路保护功能。
进一步的，水听器8为压电陶瓷水听器，工作频段为10Hz～2000Hz，水听器8通过TPE柔性材料连接，等间距固定在强力绳上，柔性材料可以进一步减小机械振动，前置放大器9与水听器匹配相匹配，工作频段覆盖10Hz～2000Hz，前置放大器9对水听器8输出的模拟电压进行放大并滤波后输出至采集传输节点，本发明使用了48组(但不局限)水听器和前置放大器，高通滤波采用1阶白化滤波(+6dB/oct)，截止频率为100Hz；低通滤波采用2阶滤波(-12dB/oct)，截止频率为2000Hz；前置放大器采用耐压封装设计。
进一步的，深度传感器4和倾角传感器5就近安装于铝合金支撑骨架10安装孔内，并位于线列阵的首尾处，根据二者提供的深度和倾角信息可以拟合出线列阵的基本姿态；三轴加速度计6安装于铝合金支撑骨架10安装孔内并与其刚性固定，以采集线列阵拖曳工作时三个方位角的振动信息，通过非声传感反馈的数据可以确定最佳拖曳速度，提高信号探测能力。
进一步的，固体填充介质13为固体填充胶，固体填充胶是一种双组分化工产品，双组份材料充分混合后呈液体状态，流动性好，静置3-4天后呈固体凝胶状。使用固体凝胶作为填充介质可以极大的提高线列阵的可靠性。
本发明的垂直线列阵拖曳***的实施方法如下：
(1)根据项目需要，计算出线列阵的长度，内装件的数量；
(2)制作线列阵芯子：将做好有长度标记的强力绳首尾依次穿过连接器的承力件、各类支撑骨架，形成闭环后在标记出用特殊编织工艺使强力绳首尾连接；
(3)在首尾连接器上施加一定拉力将线列阵芯子拉直，将各类支撑骨架与强力绳进行约束定位；
(4)水听器和前置放大器配合使用，将水听器和前置放大器按要求焊接导线，装入屏蔽缠带内；
(5)将采集传输节点、DC/DC电源模块、各类非声传感器、水听器及前置放大器按特定位置装入各类支撑骨架内；
(5)按要求完成内装件的导线焊接，导线两端穿过连接器的空腔后焊接接插件，接插件从外向内装进连接器；
(6)对线列阵芯子进行加电调试，调试无误后将芯子穿进椭圆形护套，侧向挤压压环的方式实现护套和连接器之间的密封和紧固；
(7)用填充设备将配好的固体介质通过连接器上的填充空注入到线列阵内部，完全排除线列阵内部的气泡后在其两端施加一定拉力将其拉直，常温环境下静置3-4天进行固体介质固化。
本发明克服传统圆形截面的线列阵垂直拖曳使用时切割水流容易引起涡基振动的缺点，提供了一种椭圆形截面的线列阵，可以有效降低使用过程中产生的涡基振动和水流噪声，提高信噪比。采用“高压传输+DC/DC二次稳压模块”供电体制”和模块化分布式的采集传输设计，可以实现线列阵孔径的扩展，扩展方式包括同一线列阵内扩展或多条线列阵通过水密连接器连接扩展；线列阵内首部和尾部安装倾角传感器、深度传感器和三轴加速度计，可以通过传感器反馈的数据实时拟合出线列阵的工作姿态，用以确定最佳拖曳速度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，包括椭圆截面的水密连接器、椭圆截面护套、各类椭圆截面支撑骨架、采集传输节点、水听器、前置放大器、DC/DC电源模块、非声传感器、强力绳、双绞导线和固体填充介质，非声传感器包括倾角传感器、深度传感器、三轴加速度计，双绞导线包括电源线、UPT5数据线，各类椭圆截面支撑骨架的外径略小于椭圆截面护套的内径以向外支撑椭圆截面护套，各类椭圆截面支撑骨架截面对称，内部开有安装孔，两侧开有容纳双绞导线和强力绳的通孔，强力绳依次穿过水密连接器上的承力件以及各类椭圆截面支撑骨架，并形成闭环，得到线列阵芯子，在首尾连接器上施加一定拉力将线列阵芯子拉直，将各类椭圆截面支撑骨架与强力绳进行约束定位；各电子器件布置在各类椭圆截面支撑骨架安装孔内，各电子器件之间通过导线焊接连接，各类椭圆截面支撑骨架两侧加装端盖形成密封腔体，腔体内容纳不耐压的电子器件，各类椭圆截面支撑骨架包括铝合金支撑骨架、柔性支撑骨架和尼龙支撑骨架；椭圆截面护套采用聚氨酯材料挤注加工而成，外径尺寸即为线列阵的尺寸。
2.一种如权利要求1所述的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，其特征在于：各类椭圆截面支撑骨架选用硬质铝合金或者ABS或者TPE注塑成型。
3.一种如权利要求1所述的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，其特征在于：采集传输节点为模块化分布式布置，安装于铝合金支撑骨架安装孔内，每个采集传输节点采集最多16组模拟声信号并完成模数转换，接收三组传感器输出的RS485信号，采集传输节点之间通过以太网通信；采集传输节点采用时钟芯片来同步执行信号的采集和传输指令。
4.一种如权利要求1所述的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，其特征在于：DC/DC电源模块采用小型化耐压设置，安装于铝合金支撑骨架安装孔内，以将300V高压直流电源转换为供各电子器件使用的低压直流电源。
5.一种如权利要求1所述的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，其特征在于：水听器为压电陶瓷水听器，工作频段为10Hz～2000Hz，水听器通过TPE柔性材料连接，等间距固定在强力绳上，前置放大器与水听器匹配相匹配，工作频段覆盖10Hz～2000Hz，前置放大器对水听器输出的模拟电压进行放大并滤波后输出至采集传输节点。
6.一种如权利要求1所述的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，其特征在于：深度传感器和倾角传感器安装于铝合金支撑骨架安装孔内，并位于线列阵的首尾处，三轴加速度计安装于铝合金支撑骨架安装孔内并与其刚性固定，以采集线列阵拖曳工作时三个方位角的振动信息。
7.一种如权利要求1所述的椭圆形截面的垂直拖曳线列阵，其特征在于：固体填充介质为固体填充胶，为双组分材料，混合后呈液体状态，静置后呈固体凝胶状。
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