可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法

1.本发明涉及海洋声学仪器领域，特别涉及一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法，可用于水声物理研究、海洋调查、通信、导航定位和国家海洋安全等诸多研究领域。


背景技术：

2.专利cn111010210b“一种有缆的水下声学发射潜标及其方法”提出了一种基于岸基实验站布设的有缆水下声学发射潜标，具备通用信号的精确定时声学发射功能，可全天候、长时工作，不受恶劣天气和能源供给的限制。这一声学发射潜标由岸上的信源设备、功率放大设备、授时设备和不间断电源设备，通过布放于海底的海缆，与水下的单个换能器设备、潜标结构体和锚系结构等进行连接，共同完成声学发射功能，一经布设完成，使用成本较低，只需少量试验人员在岸基站机房内即可开展海上声学发射试验，能够克服传统的锚系式声学发射潜标不能长时间工作和能源供给、数据传输受限的问题，同时也解决了船载吊放式声学发射潜标人力物力消耗大、成本高、受海况和天气影响的问题。
3.但是，考虑到海洋动力环境多变，水下设备工作环境复杂，同时有缆的声学发射潜标常年布设在近岸的海底，海深较浅，易受船只抛锚和渔业打捞影响，专利cn111010210b提供的有缆的水下声学发射潜标不具备水下设备监测功能，无法对水下设备的状态进行实时监测，无法发现潜标的异常，从而导致其维护成本高、维护难度高；并且专利cn111010210b仅采用单个换能器，工作带宽有限，导致其声学信号发射频带窄，使用受到限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，克服现有的有缆式水下声学发射潜标不具备水下设备监测功能，导致其维护成本高、维护难度高的缺点，从而提供一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法，以实现水下设备的状态实时监测。本发明提出的可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法，不仅具备通用信号的精确定时声学发射功能，可全天候、长时工作，不受恶劣天气和能源供给的限制，还能够进行水下设备的实时状态监测，对故障实施实时定位，便于维护保障，并保证潜标长时间的水下正常运行；同时，考虑到单个换能器的工作带宽有限，为了实现频带更宽的声学信号发射，本发明提出的声学发射潜标包含至少两个不同频段的换能器；在开展水声物理、水声应用等研究中，可根据水声发射需求独立使用单个换能器，也可同时使用多个换能器，覆盖更宽的工作频带。本发明提供的可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标，包括：岸上设备、水下设备和用于连接所述岸上设备与水下设备的水下设备的海缆7，其中，所述岸上设备包括：光电信号转换设备1、信源设备3、功率放大设备4、授时设备5和不间断电源设备6；所述水下设备包括换能器设备10、潜标支撑防护结构11、光电分离器8、光电转换模块和密封舱体；其特征在于，所述岸上设备还包括：设置在岸上的状态显示和监控设备2；所述水下设备还包括：设置在水下的电源变换和主控模块和若干个传感设备；其中，所述状态显示和监控设备2，用于向所述
光电信号转换设备1发送电源控制指令或/和传感采集控制指令；还用于接收和显示解调后的状态数据；
5.所述光电信号转换设备1，用于调制所述电源控制指令或/和传感采集控制指令，并通过海缆7发送至所述电源变换和主控模块，还用于接收和解调所述电源变换和主控模块发来的打包后的所述状态数据，并将解调后的状态数据发送至所述状态显示和监控设备2；
6.所述电源变换和主控模块位于所述密封舱体内，用于基于调制后的电源控制指令控制对应的所述传感设备开启或关闭；用于将调制后的传感采集控制指令发送至对应的所述传感设备，以控制所述传感设备的工作模式和工作参数；还用于接收所述传感设备发来的水下设备状态信息或/和水下环境信息，并将所述水下设备状态信息或/和水下环境信息转换成状态数据，打包后通过所述海缆7发送至所述光电信号转换设备1；
7.若干个所述传感设备，分别用于主动或基于调制后的所述传感采集控制指令采集水下设备状态信息或/和水下环境信息；还用于将所述水下设备状态信息或/和水下环境信息发送到电源变换和主控模块。
8.作为上述装置的一种改进，所述传感设备包括：设置在所述密封舱体内的舱内传感设备和设置在所述密封舱体外的舱外传感设备；其中，
9.所述舱内传感设备用于主动或基于所述传感采集控制指令，采集所述密封舱体内的各路供电的电压参数、各路供电的电流参数、所述换能器设备输入端的交流电压参数、密封舱体内的温度参数、密封舱体内湿度参数和/或密封舱体内的姿态参数；
10.所述舱外传感设备，用于主动或基于所述传感采集控制指令，采集所述密封舱体外的水温参数、压力参数、海流参数或/和海洋环境噪声参数。
11.作为上述装置的一种改进，所述传感设备包括：设置在所述密封舱体内的温度传感器、湿度传感器、姿态传感器和/或电压电流传感器以及设置在所述密封舱体外的温压传感器、多普勒流速剖面仪和/或海洋环境噪声测量仪；其中，
12.所述温度传感器，用于采集所述密封舱体内的温度参数；以评估舱内电子设备是否工作于较好的温度条件；
13.所述湿度传感器，用于采集所述密封舱体内的湿度参数；以评估密封舱体是否存在水密风险，如果湿度过大可能存在漏水问题；
14.所述姿态传感器，用于采集所述密封舱体内的姿态参数，所述姿态参数包括：潜标的横滚角和俯仰角变化参数；以评估潜标在水下是否被撞击或移位；
15.所述电压电流传感器，用于采集所述密封舱体内的电路重要支路的电压参数和/或电流参数，评估水下电子设备工作状态是否正常，包括：采集电源变换和主控模块输出的电压和/或电流参数和所述换能器设备10的输入端的交流电压参数；
16.所述温压传感器，用于采集所述密封舱体外的海水温度和/或深度参数，以获取水文信息，开展水声物理研究；
17.所述多普勒流速剖面仪，用于采集所述密封舱体外的海水在一定深度范围内的流速参数，以获取水文信息，开展水声物理研究
18.所述海洋环境噪声测量仪，用于采集所述密封舱体外的海洋环境噪声参数，并监测所述换能器设备10的声学信号发射是否正常。
19.作为上述装置的一种改进，所述潜标包括：至少两个不同频段的所述换能器设备10，所述功率放大设备4包括，至少两个独立的功率放大模块；其中，所述换能器设备10和所述功率放大模块的数量相同，并一一对应。
20.作为上述装置的一种改进，所述功率放大模块的信号输入端均与所述信源设备3相连，所述功率放大模块的信号输出端通过海缆7分别连接至与其对应的设置在水下的所述换能器设备10。
21.作为上述装置的一种改进，所述潜标包括：三个不同频段的所述换能器设备10；
22.所述功率放大设备4包括，三个独立的功率放大模块；
23.所述海缆7用于传输电信号和光信号，其内部包括：四组双极电芯和两组光芯；其中，三组所述双极电芯的首端分别与设置在岸上三个所述功率放大模块的输出端连接，其尾端分别与设置在水下的所述换能器设备10连接；另一组所述双极电芯的首端与不间断电源设备6连接，其尾端与设置在水下的所述电源变换和主控模块连接；所述两组光芯的首端和尾端分别连接至设置在岸上的光电信号转换设备1和设置在水下的光电转换模块；其中，每组所述双极电芯包括：两根电芯；每组所述光芯包括：两根光芯；
24.所述海缆7为水密绝缘结构，所述水密绝缘结构包括：内护层、绝缘层、外护层、钢丝铠装层和外被层。
25.作为上述装置的一种改进，所述密封舱体，用于为所述光电转换模块和所述电源变换和主控模块提供密封的干端工作环境；所述密封舱体采用水密耐压舱9。
26.所述光电分离器8用于在所述海缆7进入所述水密耐压舱9前，将所述海缆7的光芯和电芯分离，以形成水密电缆和水密光缆；其中，所述水密电缆与所述水密耐压舱9中的所述电源变换和主控模块连接，所水密电缆还穿过所述水密耐压舱9与所述换能器设备10连接；所述水密光缆与所述水密耐压舱9中的所述光电转换模块连接。
27.为实现本发明的再一目的，本发明提供一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标的监测方法，基于上述潜标实现；所述潜标包括：设置在岸上的光电信号转换设备1和状态显示和监控设备2，以及设置在水下的电源变换和主控模块和若干个传感设备；
28.所述监测方法包括以下步骤：
29.步骤1)通过所述状态显示和监控设备2，向所述光电信号转换设备1发送电源控制指令或/和传感采集控制指令；
30.步骤2)通过所述光电信号转换设备1，调制所述电源控制指令或/和传感采集控制指令，并通过海缆7发送至所述电源变换和主控模块；
31.步骤3)通过所述电源变换和主控模块，用于基于调制后的电源控制指令控制对应的所述传感设备开启或关闭，并将调制后的所述传感采集控制指令发送至对应的所述传感设备，以控制所述传感设备的工作模式和工作参数；
32.步骤4)通过若干个所述传感设备，主动或基于调制后的所述传感采集控制指令采集水下设备状态信息或/和水下环境信息，并将所述水下设备状态信息或/和水下环境信息发送到电源变换和主控模块；
33.步骤5)通过所述电源变换和主控模块，接收所述传感设备发来的水下设备状态信息或/和水下环境信息，并将所述水下设备状态信息或/和水下环境信息转换成状态数据，打包后通过所述海缆7发送至所述光电信号转换设备1；
34.步骤6)通过所述光电信号转换设备1，接收和解调所述电源变换和主控模块发来的打包后的所述状态数据，并将解调后的状态数据发送至所述状态显示和监控设备2；
35.步骤7)通过所述状态显示和监控设备2，接收和显示解调后的状态数据。
36.本发明提供的可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法，包括以下优点：
37.(1)本发明提出的一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法，不仅具备有缆式水下声学发射潜标的基本功能，还能够实现实时水下设备状态监测、故障定位，非常利于试验人员进行维护保障，并保证潜标长时间的水下正常运行；对该潜标进行状态实时监测是非常必要的，一旦发现潜标的状态出现异常，就可以立即实施故障定位，并根据故障点制订相应的维修方案，既可以保障水下设备的正常运行，也能够大大降低潜标维护保障的难度和成本。
38.(2)本发明提出的声学发射潜标多个不同频段的换能器，可根据水声信号发射需求独立使用单个换能器，也可同时使用多个换能器，使系统覆盖更宽的工作频带，多个换能器之间既可以互为备份，也能够同时使用，增加了声学发射潜标的灵活性和可靠性。
附图说明
39.图1为本发明提供的声学发射潜标的结构框图；
40.图2为本发明提供的声学发射潜标的岸上设备原理框图；
41.图3为本发明提供的声学发射潜标的海缆截面结构图；
42.图4为本发明提供的声学发射潜标的水下设备原理框图。
43.附图标识
44.1、光电信号转换设备
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2、状态显示和监控设备
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3、信源设备
45.4、功率放大设备
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5、授时设备
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6、不间断电源设备
46.7、海缆
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7-1、光芯
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7-2、内护层
47.7-3、电芯
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7-4、绝缘层
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7-5、外护层
48.7-6、钢丝铠装层
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7-7、外被层
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8、光电分离器
49.9、水密耐压舱
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10、换能器设备
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11、潜标支撑防护结构
具体实施方式
50.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
51.实施例1
52.本发明提供一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标，如图1所示，由岸上设备、海缆7和水下设备三部分组成，其中，岸上设备布置在岸基实验站；海缆7铺设在岸基与海底；水下设备固定到海底。
53.具体地，本发明主要由岸上设备、海缆7、水下设备三部分组成：
54.(1)岸上设备
55.岸上设备布置在岸基实验站机房内，主要用于完成海缆7光电信号转换、水下设备的状态显示和监控、信源编码形成待发射电信号、高精度授时和守时、待发射电信号定时输出和功率放大等功能，如图2所示，包括：光电信号转换设备1、状态显示和监控设备2、信源
设备3、功率放大设备4、授时设备5和不间断电源设备6。
56.1)光电信号转换设备1
57.光电信号转换设备1主要用于岸上设备与水下设备进行光通信的信号的调制与解调，一方面将岸上状态显示和监控设备2向水下设备发送的控制命令进行调制，另一方面将水下设备向岸上状态显示和监控设备2的状态数据进行解调。
58.2)状态显示和监控设备2
59.状态显示和监控设备2的主要功能是接收和显示水下设备向岸端传输的状态数据，同时，根据工作需要，向水下设备发送各种控制命令。
60.3)信源设备3
61.信源设备3的主要功能是根据海洋声学技术研究的需求生成待发射电信号，传输至功率放大设备4；进行高精度守时，维持高精度的时间，并在准时的时刻向功率放大设备4发送触发电平信号，使功率放大设备4在这一时刻输出大功率电信号，至海缆7首端。
62.4)功率放大设备4
63.功率放大设备4的主要功能是在接收到信源设备3发送的触发电平信号后将信源设备3传输过来的待发射电信号进行功率放大形成大功率电信号，并通过海缆7传输给水下的换能器设备10。
64.本实施例中，水下设备包含三个不同频段的换能器，因此岸上的功率放大设备4中含有三个独立的功率放大模块，与水下的三个换能器一一成组配合使用。各功率放大模块的信号输入端都与信源设备3相连，信号输出端分别通过海缆7连接至水下的三个换能器。
65.5)授时设备5
66.授时设备5的主要功能是通过自带的北斗和gps天线获取高精度时间信息，然后对信源设备3进行高精度授时，使信源设备3能够维持高精度的时间。
67.6)不间断电源设备6
68.不间断电源设备6的主要功能是向岸上设备和水下设备提供电源，并且在电网断电的情况下，可以进行不间断的供电。不间断电源设备6包括市电和ups设备、直流电源设备。
69.市电和ups设备主要为岸上的光电信号转换设备1、状态显示和监控设备2、信源设备3、功率放大设备4、授时设备5提供供电，同时具备一定的能源存储能力，可以在电网断电的情况下，进行不间断切换供电；直流电源设备主要为水下设备进行弱电供电。
70.(2)海缆7
71.海缆7布设于海底，它的主要功能是连接岸上设备和水下设备，一方面将岸上设备生成的大功率电信号传输给水下设备，为水下设备提供弱电能源，并向水下设备发送各类控制命令；另一方面将水下设备的状态数据实时向岸上设备传输，实现岸上设备与水下设备的通信。海缆7由光芯7-1、内护层7-2、电芯7-3、绝缘层7-4、外护层7-5、钢丝铠装层7-6和外被层7-7组成；内护层7-4、绝缘层7-4和外护层7-5的材料为聚乙烯。
72.本实施例中，海缆7采用四组双极电芯、外部铠装、内部封装电芯和光芯的水密结构，内部包含四组(8根)电芯和两组(4根)光芯。其中三组双极电芯首端分别连接岸上三个功率放大模块的输出端，尾端连接水下的三个换能器，另一组电芯首端连接直流电源设备6，尾端连接水下电源变换模块。光芯的首端和尾端分别连接至岸上的光电信号转换设备1
和水下的光电转换模块。所述海缆7为水密绝缘结构，内部包括：内护层、绝缘层、钢丝铠装层、外护层和外被层。
73.(3)水下设备
74.水下设备的主要功能是一方面从岸上设备获取电能，并将大功率电信号转换为声信号在海水中辐射出去；另一方面通过光电转换模块与岸上状态显示和监控设备2通信，接收各类控制命令，并将各类传感设备获取到的状态信息，传输至岸上设备；此外，水下设备具有海底锚固和支撑防护的功能。
75.如图4所示，水下设备主要包括光电分离器8、水密耐压舱9、光电转换模块、电源变换和主控模块、换能器设备10、传感设备、潜标支撑防护结构11；水下设备的主要功能是通过换能器设备10将岸上设备通过海缆7传输过来的多路大功率电信号转换为水下声信号，接收岸上设备的控制命令，并将水下设备的状态数据传回岸上。
76.1)光电分离器8
77.光电分离器8主要用于海缆7在水下进入水密耐压舱9前的光芯和电芯的分离。光电分离器8的输入端为海缆7，输出端为水密电缆和水密光缆。
78.2)水密耐压舱9
79.水密耐压舱9的主要功能是为水下电子设备(包括光电转换模块、电源变换和主控模块)提供一个良好的干端工作环境，保证电子设备能够正常运行。
80.3)光电转换模块
81.光电转换模块的主要功能是对岸上设备与水下设备的通信信号进行光电转换。
82.4)电源变换和主控模块
83.电源变换和主控模块的主要功能是一方面接收和执行岸上设备的控制命令，并将水下各类传感设备数据打包向岸上发送，另一方面将岸上直流电源设备通过海缆7输出的电源进行电压变换和通断控制。
84.5)换能器设备10
85.换能器设备10的主要功能是将岸上设备通过海缆7传输过来的大功率电信号转换为水下声信号。换能器设备10由三个不同频段的换能器组成。
86.6)传感设备
87.传感设备的主要功能是采集水下各类状态信息，并发送到电源变换和主控模块。
88.传感设备包括舱内传感设备和舱外传感设备。舱内传感设备主要用于采集电源变换和主控模块输出的各路供电电压/电流参数、三个换能器输入端的交流电压参数、舱内的温度、湿度参数、以及舱体的姿态参数；舱外传感设备主要用于采集水温、压力、海流、海洋环境噪声等参数；其中，
89.密封舱体内的温度传感器，用于感知舱内温度，评估舱内电子设备是否工作于较好的温度条件；
90.密封舱体内的湿度传感器，用于感知舱内湿度，评估密封舱体是否存在水密风险，如果湿度过大可能存在漏水问题；
91.密封舱体内的姿态传感器，用于测量潜标的横滚角和俯仰角变化，评估潜标在水下是否被撞击或移位；
92.密封舱体内的电压电流传感器，用于测量电路重要支路的电压和电流值，评估水
下电子设备工作状态是否正常，包括采集电源变换和主控模块供电输出的电压/电流参数、三个换能器输入端的交流电压参数；
93.密封舱体外的温压传感器，用于测量海水温度和深度参数，获取水文信息，开展水声物理研究；
94.密封舱体外的多普勒流速剖面仪，用于测量海水一定深度范围内的流速，获取水文信息，开展水声物理研究；
95.密封舱体外的海洋环境噪声测量仪，用于测量海洋环境噪声，并监测换能器声学信号发射是否正常；
96.7)潜标支撑防护结构11潜标支撑防护结构11的主要功能是为其他水下设备提供安装平台，并起到防渔网拖拽、防各向撞击等防护作用，同时能够保证水下设备的顺利布放和回收，牢靠的将其固定在海底和提供必要的释放机构。
97.本发明提供的发射潜标运行原理为：
98.(1)通过授时设备5向信源设备3进行高精度授时；
99.(2)根据海洋声学技术研究需求，信源设备3生成待发射电信号，并将其传输给指定的功率放大设备4；
100.(3)在信源设备3上设置时间表并保持高精度守时；
101.(4)信源设备3按照时间表在准时的时刻向待发射的功率放大设备4发送触发电平信号；
102.(5)功率放大设备4在接收到信源设备3发送的触发电平信号后将信源设备3传输过来的待发射电信号进行功率放大形成大功率电信号，并通过海缆7传输给水下的换能器设备10；
103.(6)直流电源设备向水下设备提供弱电能源；
104.(7)状态显示和监控设备2通过光电信号转换设备1与水下设备进行状态数据和控制命令的交互。
105.实施例2
106.本发明提供一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标的监测方法，所述潜标包括：设置在岸上的光电信号转换设备1和状态显示和监控设备2，以及设置在水下的电源变换和主控模块和若干个传感设备；
107.所述监测方法包括以下步骤：
108.步骤1)通过所述状态显示和监控设备2，向所述光电信号转换设备1发送电源控制指令或/和传感采集控制指令；
109.步骤2)通过所述光电信号转换设备1，调制所述电源控制指令或/和传感采集控制指令，并通过海缆7发送至所述电源变换和主控模块；
110.步骤3)通过所述电源变换和主控模块，用于基于调制后的电源控制指令控制对应的所述传感设备开启或关闭，并将调制后的所述传感采集控制指令发送至对应的所述传感设备，以控制所述传感设备的工作模式和工作参数；
111.步骤4)通过若干个所述传感设备，主动或基于调制后的所述传感采集控制指令采集水下设备状态信息或/和水下环境信息，并将所述水下设备状态信息或/和水下环境信息发送到电源变换和主控模块；
112.步骤5)通过所述电源变换和主控模块，接收所述传感设备发来的水下设备状态信息或/和水下环境信息，并将所述水下设备状态信息或/和水下环境信息转换成状态数据，打包后通过所述海缆7发送至所述光电信号转换设备1；
113.步骤6)通过所述光电信号转换设备1，接收和解调所述电源变换和主控模块发来的打包后的所述状态数据，并将解调后的状态数据发送至所述状态显示和监控设备2；
114.步骤7)通过所述状态显示和监控设备2，接收和显示解调后的状态数据。
115.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提出的一种可实时监测水下设备的有缆式声学发射潜标及其监测方法，不仅具备有缆式水下声学发射潜标的基本功能，还能够实现实时水下设备状态监测、故障定位，非常利于试验人员进行维护保障，并保证潜标长时间的水下正常运行。本发明提出的声学发射潜标包含多个不同频段的换能器，可根据水声信号发射需求独立使用单个换能器，也可同时使用多个换能器、覆盖更宽的工作频带，多个换能器之间既可以互为备份，也能够同时使用，增加了声学发射潜标的灵活性和可靠性。岸上设备通过海缆7向水下设备提供通信接口和弱电供电接口，为水下设备的功能扩展提供了可能。只需将拟扩展的观测设备或传感设备接入水下设备的通信接口和弱电供电接口，即可使原有声学发射潜标进行相应的功能扩展。这使得声学发射潜标能够实现更强的功能，在海底长期观测领域发挥更大的作用。
116.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。