细小型声呐阵列系统、及结合无人船实现水下监测的装置的制作方法

本发明涉及水下监测技术领域，尤其涉及细小型声呐阵列系统、及结合无人船实现水下监测的装置。

背景技术：

拖曳式声呐阵列系统凭借其大的阵列孔径、远离拖曳平台(例如：潜艇、军舰等)而获得的低噪声等优势，在水下反潜、目标定位、军事监测等水下目标监测应用中发挥着至关重要的作用，但其存在许多限制其应用的不足。

首先，为了避免自身潜艇或军舰等平台发出的噪声(例如：发动机噪声)影响拖曳式声呐阵列系统的性能，拖曳式声呐阵列系统必须通过非常长的前导段和弹性段使水声信息传感段远离潜艇或军舰等平台，而长的前导段和弹性段大大地增加了整个拖曳式探测系统的体积和重量，导致需要占用大量的潜艇和军舰空间来存放和安装拖曳式声呐阵列系统；其次，如此大型的拖曳式声呐阵列系统的拖放与回收也是一个非常复杂的过程，其操作复杂、灵活性差、实现难度大、运行成本高昂；再次，大型的潜艇或军舰用拖曳式声呐阵列系统维修不便、维修成本高。这些不足与局限性在很大程度上限制了它们的实际应用。

此外，一些国外高校和军事科研机构正积极探索将细小型声呐阵列与小型水下无人平台(例如：水下自主航行器(auv)、无人潜航器(uuv)等)相结合的新型水下目标监测方案，并已取得了一定的研究成果^[1-4]。但他们使用的水下平台需要长时间潜航在水面以下，只能根据预设程序来完成任务，而且需要定期浮上水面与控制中心进行数据交换，并通过gps修正惯性导航误差，因而无法实现实时通讯和控制，灵活性和机动性较差[5,6]，同时，水下无人平台本身的高技术难度和有限的带载能力，也大大增加了此类水下目标监测平台的技术难度和应用成本。

参考文献

[1]mjh,kemnas,hughesd.antisubmarinewarfareapplicationsforautonomousunderwatervehicles:theglint09seatrialresults.journaloffieldrobotics,27(6):890-902,2010.

[2]maguera,dymondr,gratia,etal.oceangliderspayloadsforpersistentmaritimesurveillanceandmonitoring.oceans.ieee,1-8,2014.

[3]johnstonp,poolem.marinesurveillancecapabilitiesoftheautonautwave-propelledunmannedsurfacevessel(usv).oceans.1-46,2017.

[4]运朝青,胡正良,胡永明.细线拖曳声纳研究进展.半导体光电,33(5):11-16,2012.

[5]poulsenaj,eickstedtdp,ianniellojp.bearingstabilizationandtrackingforanauvwithanacousticlinearray.oceans.ieee,1-6,2006.

[6]holmesjd,careywm,lynchjf,etal.anautonomousunderwatervehicletowedarrayforoceanacousticmeasurementsandinversions.oceans2005-europe,2(4):1058-1061,2005.

技术实现要素：

本发明提供了一种细小型声呐阵列系统、及结合无人船实现水下监测的装置，本发明对现有的细小型声呐阵列系统进行改进，并结合无人船实现了对水下目标进行监测，本发明克服了现有水下目标监测系统成本高、灵活性差、体积大、重量重、结构复杂、收放难、以及维修困难的缺点，详见下文描述：

一种细小型声呐阵列系统，所述系统包括：拖曳式拖体、工作段、以及定深器，所述拖曳式拖体与工作段之间、工作段与定深器之间均通过抗拉电缆连接；所述拖曳式拖体与定深器协同工作，控制姿态与阵列深度。

其中，所述拖曳式拖体由湿端模块、深度传感模块、姿态传感模块、浮力控制模块、水翼、抗拉水密接头、上行通路和下行通路组成；

抗拉水密接头与无人船和工作段连接；湿端模块用于接收第一传感基元通过上行通路上传的数据，以及深度传感模块和姿态传感模块上传的传感数据；接收下行通路下传的控制命令，对命令内容进行识别后，设置浮力控制模块的工作参数，或通过下行通路下传给工作段中的第一传感基元；

浮力控制模块通过控制水翼的攻角来改变作用于水翼上的升力的大小和方向。

进一步地，所述工作段上的n个结构相同的传感基元和n+1个结构相同的浮体间隔串联布置，第一传感基元与弹性段之间、两个传感基元之间、第n传感基元与尾段之间，均通过抗拉电缆连接；

抗拉电缆内部通过差分双绞线来供电和传输数字信号，n+1个浮体固定在抗拉电缆上；各传感基元用于采集水声信号并将其转换为数字信号上传。

其中，在第i传感基元中，第i采集模块与m个水听器直接相连，接收多个水听器传来的信号，并根据第i传输模块通过命令通路下传的命令实现p通道水声信号的信号调理、模数转换和预处理，通过数据通路将水声信号数据上传给第i传输模块；

第i采集模块与第i传输模块之间通过电平匹配直接连接或rs485接口或spi接口进行数据传输；第i传输模块用于接收和解析来自拖曳式拖体或第i-1传感基元下传的控制命令，通过下行通路转发给第i+1传感基元或定深器，或通过命令通路转发给第i采集模块；还用于接收和处理来自第i采集模块的数据，和第i+1传感基元或定深器上传的数据整合后，通过上行通路上传给拖曳式拖体或第i-1传感基元。

一种水下目标监测装置，所述装置包括无人船，所述装置还包括：细小型声呐阵列系统。

进一步地，所述无人船包括：数据处理及控制中心、拖曳系统，

所述拖曳系统用于固定、牵引细小型声呐阵列系统；

所述数据处理及控制中心用于接收和处理细小型声呐阵列系统上传的数据；还用于接收船基、岸基或其他无人船传来的的控制命令，对命令内容进行识别后，对工作状态进行控制或转发给细小型声呐阵列系统。

具体实现时，从无人船发出的命令下传至拖曳式拖体，然后逐级下传经过第一传感基元、第i传感基元、第n传感基元，最后到达定深器。

一种水下目标监测装置，所述装置用于部分替代或大面积替代水下固定式岸基警戒系统。

一种水下目标监测装置，所述装置作为母舰机动的侦察平台。

一种水下目标监测装置，所述装置作为增大母舰探测与防卫范围的护航平台。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明克服了现有的声呐阵列由于内部填充固体或液体，导致重量重、制造难度高、成本高、使用不灵活和以及维修不方便的缺点，提出了一种浮体和传感基元分离且间隔串连布置的细小型声呐阵列，能够根据探测性能需要和拖曳平台的负载能力来安装和拆卸传感基元，配置传感基元的数量和间距，阵列各部分所受净浮力均衡，重量轻、制造难度小、成本低、安装布放方便、易于维修。

2、本发明克服了现有的声呐阵列中水听器产生的模拟信号传输距离长、受噪声干扰大的缺点，将水听器与其对应的采集模块集成于一个传感基元内，从而减少了水听器产生模拟信号传输的距离，减小了噪声干扰，提高了细小型声呐阵列采集到的水声信号的质量。

3、本发明克服了现有的潜艇和军舰与大型声呐阵列相结合的水下目标监测系统，拖曳平台自噪声大、声呐阵列的前导段和弹性段长、目标检测阈值大的缺点，利用无人船自噪声小的优点，减少了细小型声呐阵列的前导段和弹性段的长度，降低了细小型声呐阵列的目标检测阈值，提升了目标检测性能。

4、本发明提出了一种无人船与细小型声呐阵列相结合的水下目标检测系统，系统体积小、成本低、使用灵活、环境适应性强、自噪声小、隐蔽性强，其可以通过预置程序，按任务要求，以自主控制方式来完成水下目标监测任务，也可在岸基和船基通过远程遥控的方式来完成复杂任务，同时又能大大减少重量和体积的限制，获得长时间水下观测的能力；实现低成本、小型化、智能化、多任务、高续航、高可靠性的水下目标监测。

5、本发明克服了现有的水下目标监测系统结构复杂、开发难度大的缺点，无人船与细小型声呐阵列相结合的水下目标检测系统开发技术难度相对较小，基于我国目前的水下目标监测技术水平，较易在短时间内快速实现水下目标的监测体系。

附图说明

图1为改进的细小型声呐阵列系统与无人船相结合的水下目标监测装置的结构示意图；

图2为工作段的结构图；

图3为拖曳式拖体结构图；

图4为三个具体实施例的示意图。

图1中：1为改进的细小型声呐阵列系统；2为无人船；3为前导段；4为弹性段；5为拖曳式拖体；6为工作段；7为弹性段；8为定深器；9为数据处理及控制中心；10为姿态传感模块；11为定位导航模块；12为船基无线通信模块；13为拖曳系统；14为动力推进模块；15为避障模块。

图2中：16为抗拉电缆；17为抗拉水密接头；18为第一浮体；19为第一传感基元；20为第i浮体；21为第i传感基元；22为第n浮体；23为第n传感基元；24为第n+1浮体；25第一采集模块；26为第一传输模块；27为水听器；28为第i采集模块；29为第i传输模块；30为数据通路；31为命令通路；32为上行通路；33为下行通路；34为第n采集模块；35为第n传输模块。

图3中：36为湿端模块；37为深度传感模块；38为姿态传感模块；39为浮力控制模块；40为水翼；41为抗拉水密接头；42为上行通路；43为下行通路。

图4中：44为岸基基站；45为母舰；46、47均为警戒范围。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为达到上述目标，本发明实施例采取的技术方案是对现有技术中的细小型声呐阵列系统进行改进，改进后的细小型声呐阵列系统具体包括：

参见图1，改进后的细小型声呐阵列系统1主要由前导段3、弹性段4、拖曳式拖体5、工作段6、尾段7和定深器8组成。

在细小型声呐阵列系统1中，前导段3将工作段6和无人船2隔开一定距离，减小无人船2航行过程中产生的水流噪声对工作段6的影响；弹性段4具有缓冲和隔振的作用，使拖曳式拖体5和工作段6在水下平稳工作；拖曳式拖体5主要负责与无人船2之间进行通信，其接收工作段6所采集的水声信号并回传至无人船2，同时接收、执行并转发无人船2的控制命令；工作段6可以采集水声信号，同时也作为拖曳式拖体5和定深器8之间通信的桥梁；尾段7用于承受定深器8的拉力，并将定深器8与工作段6隔开一定距离，避免定深器8在行进过程中产生的水流噪声对工作段6的影响。

进一步，工作段6的结构如图2所示，它包括：抗拉电缆16、抗拉水密接头17、第一浮体18、第一传感基元19、第i浮体20、第i传感基元21、第n浮体22、第n传感基元23、第n+1浮体24、第一采集模块25、第一传输模块26、水听器27、第i采集模块28、第i传输模块29、数据通路30、命令通路31、上行通路32、下行通路33、第n采集模块34、第n传输模块35，其中n≥1且n为整数，1≤i≤n且i为整数。

进一步，拖曳式拖体5与工作段6之间通过抗拉电缆16连接，工作段6与定深器8之间通过抗拉电缆16连接。

进一步，工作段6上n个结构相同的传感基元和n+1个结构相同的浮体间隔串联布置，第一传感基元19元与弹性段4之间、两个传感基元之间、第n传感基元23与尾段7之间，均通过抗拉电缆16连接，抗拉电缆16内部通过差分双绞线来供电和传输数字信号，n+1个浮体固定在抗拉电缆16上；每个传感基元两端均安装有抗拉水密接头17，从而便于操作人员安装和拆卸传感基元，并通过安装不同数量的传感基元来改变细小型声呐阵列系统1的阵列孔径大小；各传感基元的作用是采集水声信号并将其转换为数字信号上传；各浮体的作用是调节细小型声呐阵列系统1所受浮力，使其在静止状态下为微正浮力状态。

进一步，从无人船2发出的命令下传至拖曳式拖体5，然后逐级下传经过第一传感基元19、第i传感基元21、第n传感基元23，最后到达定深器8。

进一步，在第i传感基元21中，第i采集模块28与m个水听器27直接相连，能同时接收多个水听器27传来的信号，并根据第i传输模块29通过命令通路31下传的命令实现p通道水声信号的信号调理、模数转换和预处理，然后通过数据通路30将水声信号数据上传给第i传输模块29，其中m为大于或等于1的整数，p为大于或等于1且小于或等于m的整数；第i采集模块28与第i传输模块29之间通过电平匹配直接连接或rs485接口或spi接口进行数据传输；第i传输模块29的作用是：一方面，接收和解析来自拖曳式拖体5或第i-1传感基元下传的控制命令，然后通过下行通路33转发给第i+1传感基元或定深器8，或通过命令通路31转发给第i采集模块28；另一方面，接收和处理来自第i采集模块28的数据，然后和第i+1传感基元或定深器8上传的数据整合后，通过上行通路32上传给拖曳式拖体或第i-1传感基元。

进一步，如图3所示，拖曳式拖体5主要由湿端模块36、深度传感模块37、姿态传感模块38、浮力控制模块39、水翼40、抗拉水密接头41、上行通路42和下行通路43组成；拖曳式拖体5通过两端的抗拉水密接头41与无人船2和工作段6连接；湿端模块36是连接细小型声呐阵列1和无人船2的中继模块，一方面，它负责接收第一传感基元19通过上行通路42上传的数据，以及深度传感模块37和姿态传感模块38上传的传感数据，并将这些数据通过上行通路42上传给无人船2，另一方面，它负责接收无人船2通过下行通路43下传的控制命令，然后将命令转发给浮力控制模块39，或通过下行通路43下传给工作段6中的第一传感基元19；水翼40安装在拖曳式拖体5的左右两侧，浮力控制模块39转动水翼40来改变其攻角，从而改变水流作用于水翼40上的升力的大小和方向，使拖曳式拖体5上浮或下潜，实现对拖曳式拖体5的深度和姿态的控制。

进一步，定深器8的左右两侧安装有水翼40，接收到第n传感基元23下传的控制命令后，定深器8转动水翼40来改变其攻角，从而改变水流作用于水翼40上的升力的大小和方向，使定深器8上浮或下潜，实现对定深器8的深度的控制，同时定深器8会实时上传自身的姿态和深度数据，最终通过拖曳式拖体5和定深器8的运动来带动细小型声呐阵列系统1进行上浮或下潜，实现对细小型声呐阵列系统1的深度和姿态的控制。

综上所述，本发明实施例通过对细小型声呐阵列系统进行了设计，首先，克服了现有的声呐阵列内部填充固体或液体，重量重、制造难度高、成本高、使用不灵活和维修不方便的缺点，能够根据探测性能需要和拖曳平台的负载能力来安装和拆卸传感基元，配置传感基元的数量和间距，阵列各部分所受净浮力均衡，重量轻、制造难度小、成本低、安装布放方便、易于维修。此外，克服了现有的声呐阵列中水听器产生的模拟信号传输距离长、受噪声干扰大的缺点，水听器与其对应的采集模块集成于一个传感基元内，从而减少了水听器产生模拟信号传输的距离，减小了噪声干扰，提高了细小型声呐阵列采集到的水声信号的质量。最后，克服了现有的潜艇和军舰与大型声呐阵列相结合的水下目标监测系统，拖曳平台自噪声大、声呐阵列的前导段和弹性段长、目标检测阈值大的缺点，利用无人船自噪声小的优点，减少了细小型声呐阵列的前导段和弹性段的长度，降低了细小型声呐阵列的目标检测阈值，提升了目标检测性能。

实施例2

为达到上述目标，本发明实施例采取的技术方案是，无人船结合改进后的细小型声呐阵列系统实现水下目标监测的装置，包括：

无人船与改进后的细小型声呐阵列系统相结合的水下目标监测系统的总体方案如图1所示，改进后的细小型声呐阵列系统1主要由前导段3、弹性段4、拖曳式拖体5、工作段6、尾段7和定深器8组成，无人船2主要由数据处理及控制中心9、姿态传感模块10、定位导航模块11、船基无线通信模块12、拖曳系统13、动力推进模块14、以及避障模块15组成；

进一步，改进后的细小型声呐阵列系统1主要负责采集并回传水声信号；无人船2作为整个系统的移动平台和主控中心，可以与船基、岸基或其他无人船通信，同时为整个系统提供动力。

进一步，无人船2中，为保证定位导航模块11和船基无线通讯模块12性能，这两个模块安装在无人船2的顶部；拖曳系统13安装在无人船2艉部，用于固定、牵引细小型声呐阵列系统1，拖曳系统13可采用绞车，在作业过程中根据需要收放细小型声呐阵列系统1，或采用固定支架，在开始作业前将细小型声呐阵列系统1固定在无人船2艉部；数据处理及控制中心9的作用是：一方面，接收和处理细小型声呐阵列系统1上传的数据，以及无人船2的姿态传感模块10、定位导航模块11和避障模块15上传的传感数据，然后将这些数据进行存储，或打包成帧，利用船基无线通讯模块12，通过无线网络传输给船基、岸基或其他无人船；另一方面，接收船基、岸基或其他无人船传来的的控制命令，然后对命令内容进行识别后，对无人船2自身工作状态进行控制或转发给细小型声呐阵列系统1。

具体实现时，数据处理及控制中心9的核心处理器采用赛灵思公司的7000芯片(集成了双核armcortex-a9处理器和可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga))，或采用stm32芯片(采用armcortex内核)和fpga芯片，从而利用armcortex处理器进行系统控制，fpga进行高速数据采集、处理和传输，以此来实现无人船2的多任务协调处理与控制。

综上所述，通过上述设计实现了无人船与细小型声呐阵列相结合的水下目标监测系统，系统体积小、成本低、使用灵活、环境适应性强、自噪声小、隐蔽性强，其可以通过预设行进路线，以轨迹跟踪的方式来自主完成水下目标监测任务，也可在岸基和船基通过远程遥控的方式来完成复杂任务，同时又能大大减少重量和体积的限制，获得长时间水下观测的能力；实现低成本、小型化、智能化、多任务、高续航、高可靠性的水下目标监测。同时，系统开发难度小，基于我国目前的水下目标监测技术水平，较易在短时间内快速实现水下目标的监测体系。

实施例3

下面结合图4(a)对实施例2中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

参见图4(a)，本装置可用于部分替代或大面积替代传统的水下固定式岸基警戒系统；通过利用一个或多个无人船2与改进后的细小型声呐阵列系统1相结合的系统，组成水下目标监测阵列网，进行水下目标的探测与警戒，实现近海移动式岸基警戒系统的快速布放，具体实施步骤如下：

301：用户根据目标水声信号的参数和探测性能的需求，确定细小型声呐阵列系统1中传感基元的数量和间距，然后将前导段3、弹性段4、拖曳式拖体5、工作段6、尾段7和定深器8按顺序组装，最后将细小型声呐阵列系统连接到无人船2的拖曳系统13上。

302：用户设置细小型声呐阵列系统1的工作深度、采样率、系统增益等工作参数，然后将无人船2设置为远程遥控模式，或无人船2设置为自动续航模式并设置其航速、航线等参数，最后测试细小型声呐阵列系统1和无人船2的工作状态是否正常；用户可利用一个无人船2与细小型声呐阵列系统1相结合的水下目标监测系统执行任务，或将多个这样的系统组成阵列执行任务。

其中，细小型声呐阵列系统1采集的水声信号的声源包括：(1)无人船2上携带的声源发出的声音；(2)舰船、潜艇、无人潜航器(unmannedunderwatervehicle，uuv)产生的噪声；(3)鲸鱼、海豚等海洋哺乳动物发出的叫声；(4)其他人工和自然声音。

303：无人船2拖带着细小型声呐阵列系统1从岸基基站44出发，航行到达指定工作海域，然后停止航行，或按照设定航速、航线在工作海域内巡航，从而对岸基基站44附近海域进行监测；细小型声呐阵列系统1采集到的水声信号数据，以及航速、航向、位置、细小型声呐阵列系统1的深度等传感数据，通过船基无线通信模块12回传至岸基基站44或存储至无人船2中，岸基基站44接收到数据后对数据进行汇总、记录、显示与处理，用户根据回传的数据，通过无线网络发送控制命令，在线修改无人船2和细小型声呐阵列系统1的工作参数。

其中，上述处理与在线修改的步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

304：工作结束后无人船2自动或由用户遥控返回岸基基站44。

305：用户将细小型声呐阵列系统1和无人船2回收后，把无人船2中存储的数据下载备份，最后细小型声呐阵列系统1和无人船2完成维护保养后，便可开始下一次的监测任务。

综上所述，本发明实施例通过上述设计实现了水下固定式岸基警戒系统，满足了实际应用中的需要。

实施例4

下面结合图4(b)对实施例2中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

参见图4(b)，本装置作为母舰45灵活机动的侦察平台；通过从母舰45中派出多个无人船2与细小型声呐阵列系统1相结合的系统，对某一特定海域的水下目标进行提前事先探测与监测，具体实施步骤如下：

401：执行前述实施例2中的步骤301-302；

402：无人船2拖带着细小型声呐阵列系统1从母舰45出发，航行到达指定工作海域，然后停止航行，或按照设定航速、航线在工作海域内巡航，从而在母舰45自身的警戒范围46的基础上，对远处的警戒范围47进行预先探测和监测；工作过程中无人船2将自身的航速、航向、位置等数据，以及细小型声呐阵列系统1采集到水声信号、深度等数据，通过船基无线通信模块12回传至母舰45或存储至无人船2中，母舰45接收到数据后对数据进行汇总、记录、显示与处理，用户根据回传的数据，通过无线网络发送控制命令，在线修改无人船2和细小型声呐阵列系统1的工作参数。

403：工作结束后无人船2自动或由用户遥控返母舰45。

404：执行前述实施例3中的步骤305。

其中，上述处理与在线修改的步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

综上所述，本发明实施例通过上述设计实现了对某一特定海域的水下目标进行提前事先探测与监测，满足了实际应用中的需要。

实施例5

下面结合图4(c)对实施例2中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

参见图4(c)，本装置作为增大母舰45探测与防卫范围的护航平台；通过从母舰45中派出多个无人船2与细小型声呐阵列1相结合的系统，与母舰45保持一定距离地分布在其的周围，增大母舰45的探测与防卫范围，具体实施步骤如下：

501：执行前述实施例3的步骤301-302；

502：无人船2拖带着细小型声呐阵列系统1从母舰45出发，并在母舰45周围跟随其航行，并在母舰45自身的警戒范围46的基础上，在其周围增加警戒范围47，从而增大母舰45的探测与防卫范围；细小型声呐阵列系统1采集到的水声信号数据，以及航速、航向、位置、细小型声呐阵列系统1的深度等传感数据，通过船基无线通信模块12回传至母舰45或存储至无人船2中，母舰45接收到数据后对数据进行汇总、记录、显示与处理，用户根据回传的数据，通过无线网络发送控制命令，在线修改无人船2和细小型声呐阵列系统1的工作参数。

503：工作结束后无人船2自动或由用户遥控返母舰45。

504：执行前述实施例3中的步骤305。

其中，上述处理与在线修改的步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

综上所述，本发明实施例通过上述设计增大了母舰的探测与防卫范围，满足了实际应用中的需要。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。