CN107202632A - 用于水下监听网的矢量传感器单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可在水下监听网中使用的矢量传感器单元，包括矢量水听器，矢量检波器，以及相应的信号处理模块。矢量水听器由声压水听器和加速度计构成，用于接收海洋中水声信号；矢量检波器由压力检波器和加速度检波器组成，用于完成海底地声信号的获取；信号处理模块具有信号放大、滤波、采样与通讯功能，用于完成信号的处理和传输。本发明能够同时测量海洋中的水声与地声信号，测量信息更加丰富，测量结果更加可靠，可用于港口、航道、海岸的水下警戒，地震与海啸预警，海底油气资源勘测，海洋生物资源调查等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种矢量传感器单元，具体的说是一种可在水下监听网中使用，能够同时获取水下声信号和海底振动信号的矢量传感器单元。
背景技术
水下监听网是由水下一系列探测节点组成的传感器网络，一般分为固定式和移动式两种，主要用于军事侦查，港口的航道警戒，海洋观测等，具有非常重要的战略价值。近年来，虽然我国正大力推进网络化的水下警戒系统和海洋观测网络的建设工作，但是与国外相比，我国构建的水下网络化对抗系统及其运行还存在一定的差距，构建的系统主要位于我国近岸或近海、缺乏深远海对抗能力，并且水下对抗网络建设和维护手段单一，深海隐蔽作业能力薄弱，一些制约水下网络中心对抗技术发展的问题尚待解决。
典型的固定式水下监听网是由多个基于声压水听器的声学节点构成，依靠水听器直接测量探测节点上方水域目标的噪声。深海固定式水下监听网可以利用深远海的声传播特性，形成海底远程立体探测通信网络，对水下目标远程探测与大范围预警，并可以结合移动对抗节点，对水下作战节点和平台进行探测、侦察、定位。
随着减震降噪技术的不断发展，水下低噪声目标越来越多，传统的声压水听器已不能很好地满足水下监测的需要。矢量水听器是一种体积小且具有偶极子形指向性的声接收器，低频(1kHz以下)声接收性能优异。与声压水听器相比，其在探测距离、目标识别和定向方面均有提高，目前已经在声纳浮标、潜标等噪声测量领域得到了广泛的应用。在水下监听网中，由于受到安装方式的限制，矢量水听器一直没有得到大规模的应用。
虽然低频声波可以在海洋中远距离传播，但是在由远海向近岸传播过程中，由于海面和海底的反射作用，水体中的声波能量衰减很快，直接影响了声学探测节点的工作。由于海底的反射作用，声场有很大一部分能量投射到海底介质中，并通过地声的方式向远处传播，因此对地声信号的获取和分析，对于目标的远距离探测有着重要的意义。目前在海底固定式地声探测中通常使用海底地震仪(US13109794，ZL201110278604.9)，虽然这种传感器能获取海底三维振动信息和水体的声压信息，但是这种方法工作时间短，测量点少，因此获取的信息量比较有限。
发明内容
针对以上问题，本发明基于水声和地声两种远程探测技术，提出一种用于水下监听网的矢量传感器单元，该单元同时接收声学和振动信号信息，利用多传感器数据融合，实现水下目标的远程探测、识别、定位和通信。
为了解决上述问题，本发明采用如下方案：
一种用于水下监听网的矢量传感器单元，包括用于水声信号测量的矢量水听器、用于地震信号测量的矢量检波器及信号处理模块，所述矢量水听器及矢量检波器均与信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端连接接驳盒。
作为上述技术方案的进一步改进：
多个所述矢量传感器单元的信号处理模块通过主电缆组成链路网络，经各信号处理模块处理过的信号通过主电缆传输到接驳盒，由接驳盒将数据传输到上一层网络。
所述矢量水听器采用环氧树脂灌注成一个中性正浮力球体，八只声压水听器均匀镶嵌球体表面，六只压电加速度计两两正交对称放置球体几何中心并相互位置利用安装基座矫正固定，前置放大电路和集成磁罗经传感器位于球体内部偏上位置，输出信号经过柔性复合电缆输出。
所述矢量检波器和信号处理模块采用橡胶硫化安装于水密盒内，集成为主电缆的一部分；矢量检波器与海底接触，由一个声压水听和三个电容加速度计组成；矢量检波器的头部为透声橡胶罩，内部安装有压电元件及压电元件基座，压电元件产生的电信号通过双绞线接入信号处理模块；三只电容加速度计相互正交地固定在安装基座上，信号通过信号线接入信号处理模块。
所述的矢量水听器使用单只柔性复合电缆实现柔性悬挂。
所述的矢量水听器使用的柔性复合电缆的另一头为水密接插件，可实现水下湿插拔。
本发明的技术效果在于：
本发明使用矢量水听器替代声压水听器，在低频探测方面具有更高的探测精度；矢量水听器采用锚系海底的安装方式，离底高度可根据不同海域的水声环境进行调整，以获取最佳探测条件；本发明引入地声探测技术，增强水下远程探测效果，有效地弥补单一探测方式的不足；本发明可用于海底石油勘探，海底声学参数测量，海底地震与海啸的监测等领域。
附图说明
图1是矢量传感器单元整体结构示意图
图2是矢量水听器结构示意图
图3是矢量检波器结构示意图。
图中：1、矢量水听器；11、中性正浮力球体；12、声压水听器；13、压电加速度计；14、安装基座；15、前置放大电路；16、柔性复合电缆；17、水密接插件；2、矢量检波器；21、水密外壳；22、透声橡胶层；23、压电元件；24、双绞信号线；25、安装基座；26、电容加速度计；27、信号线；28、安装基座；3、信号处理模块；4、主电缆；5、接驳盒；6、海底；7、海面；31、调理模块；32、数据采集模块；33、通信模块；34、控制模块；35、接插件接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，矢量传感器单元包括一只矢量水听器1，一只矢量检波器2，和一个信号处理模块3，如图1所示。矢量水听器1通过柔性复合电缆16另一端的水密接插件17与信号处理模块3实现机械与电路上的连接，信号处理模块3作为矢量检波器2的一部分。多个矢量传感器单元通过主电缆4组成链路网络，工作时矢量传感器单元将实时处理过的信号通过主电缆4将信号传输到接驳盒5内，然后由接驳盒5将数据传输到上一层网络。接驳盒5作为矢量传感器单元的供电与信息中转设备。
矢量水听器1结构如图2所示，整个矢量水听器1采用环氧树脂灌注成一个中性正浮力球体11，以保证其水密性和耐压性。八只声压水听器12均匀镶嵌球体表面，六只压电加速度计13两两正交对称放置球体几何中心，相互位置利用安装基座14矫正。前置放大电路15和集成磁罗经传感器位于球体内部偏上位置，输出信号经过柔性复合电缆16输出。
矢量检波器2和信号处理模块3采用橡胶硫化在水密盒21内，集成为主电缆4的一部分，如图3所示。矢量检波器2由一个声压水听22和三个电容加速度计26组成，直接和海底6部接触。矢量检波器2的头部是一个透声橡胶罩22，内部安装有压电元件23及其基座25，压电元件23产生的电信号通过双绞线24接入信号处理模块。三只电容加速度计26相互正交地固定在安装基座28上，信号通过信号线27接入信号处理模块。
信号处理模块3用于对矢量单元中所有传感器信号的处理、控制和传输。矢量水听器1的输出信号通过接插件接口35引入，矢量检波器的输出信号直接从水密盒21内通过线缆引入。传感器输出信号首先进入信号调理模块31进行放大滤波，控制器34用于增益控制；然后信号进入数据采集模块32，完成信号从模拟量到数字量的转换，最后通过通信模块33将信号送入主电缆4。
本发明可以对海洋中1kHz以下低频噪声与振动信号进行有效的监测，即使对于5～20Hz范围的次声频信号，也能发挥重要作用。其中根据任务需求，矢量水听器可以布置在一千米左右的深海，充分利用深海声道轴的声传播特性，实现目标的远程预警，以及单向远程通信；或者布置于二千米以下的深海，利用可靠声路径，实现大范围的水下立体探测。结合地声技术的探测方法，本发明将水声用矢量水听器与地震用矢量检波器集成在一起，对海洋中的声与振动两种信号联合分析，能得到更全面的水下信息。为了配合海底电缆的布放，矢量水听器采用海底锚系的安装方式，自身方位利用磁罗经矫正。
在水下监听网的建设中，可先利用无人潜航器(UUV)进行海底主电缆铺设，再使用水下遥控潜水器(ROV)安装矢量水听器到相应的探测节点，并负责后期的维护工作。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (6)
1.一种用于水下监听网的矢量传感器单元，其特征在于：包括用于水声信号测量的矢量水听器(1)、用于地震信号测量的矢量检波器(2)及信号处理模块(3)，所述矢量水听器(1)及矢量检波器(2)均与信号处理模块(3)的输入端连接，所述信号处理模块(3)的输出端连接接驳盒(5)。
2.根据权利要求1所述的用于水下监听网的矢量传感器单元，其特征在于：多个所述矢量传感器单元的信号处理模块(3)通过主电缆(4)组成链路网络，经各信号处理模块(3)处理过的信号通过主电缆(4)传输到接驳盒(5)，由接驳盒(5)将数据传输到上一层网络。
3.根据权利要求1所述的用于水下监听网的矢量传感器单元，其特征在于：所述矢量水听器(1)采用环氧树脂灌注成一个中性正浮力球体(11)，八只声压水听器(12)均匀镶嵌球体表面，六只压电加速度计(13)两两正交对称放置球体几何中心并相互位置利用安装基座(14)矫正固定，前置放大电路(15)和集成磁罗经传感器位于球体内部偏上位置，输出信号经过柔性复合电缆(16)输出。
4.根据权利要求1所述的用于水下监听网的矢量传感器单元，其特征在于：所述矢量检波器(2)和信号处理模块(3)采用橡胶硫化安装于水密盒(21)内，集成为主电缆(4)的一部分；矢量检波器(2)与海底接触，由一个声压水听和三个电容加速度计(26)组成；矢量检波器(2)的头部为透声橡胶罩(22)，内部安装有压电元件(23)及压电元件基座(25)，压电元件(23)产生的电信号通过双绞线(24)接入信号处理模块(3)；三只电容加速度计(26)相互正交地固定在安装基座(28)上，信号通过信号线(27)接入信号处理模块(3)。
5.根据权利要求1或2所述的用于水下监听网的矢量传感器单元，其特征在于：所述的矢量水听器(1)使用单只柔性复合电缆(16)实现柔性悬挂。
6.根据权利要求1或3所述的用于水下监听网的矢量传感器单元，其特征在于：所述的矢量水听器(1)使用的柔性复合电缆(16)的另一头为水密接插件(17)，可实现水下湿插拔。
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