CN114459591B - 一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统，其中，所述潜标装置包括：腔体结构和设置于所述腔体结构的探测结构，所述探测结构用于同步共点的获取声场标量信息和矢量信息；所述探测结构包括：主机结构，设置于所述腔体结构内部；水听器探头结构，设置于所述腔体结构下端，所述水听器探头结构与所述主机结构信号连接。在本发明中，通过水听器探头结构与主机结构信号连接的设置方式，可以空间共点同步地拾取水听器探头结构所处声场处的声压和质点加速度矢量信息，实现对水下两千米处深海的目标进行长期稳定监测的目的，达到监测时间稳定持久且灵敏度、准确度更高的效果。

Description

一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统

技术领域

本发明涉及深海矢量声学领域，尤其涉及一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统。

背景技术

目前在海洋声场环境监测、水下目标探测、海底资源勘探、水声物理研究等应用场景，高灵敏度水声长期采集与记录系统必不可少。相较于基于海底观测网的水听器阵列需大额建设经费，自容式水听器潜标无疑是效费比更高的方式。

在现有的探测设计与实施方案中，水听器潜标一般采用压电水听器，压电水听器灵敏度较低、频带响应较窄、抗电磁干扰较差、耐恶劣环境较差、结构复杂等问题导致运行稳定性较差，并且采用光纤水听器的设备通常应用于浅海，在对深海处进行声压探测时由于设备能耗较大可能导致无法长时间稳定自主运行，另外现有的水听器潜标大多只能监测声压分量，对声源的方向难以估计，无法实现可位于2000米深度且连续工作时长可达半年的目的。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统，旨在提高解决现有的潜标装置灵敏度与耐恶劣环境较差导致无法在两千米的深海进行声压与声源方向的监测。

本发明的技术方案如下：

一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，包括：

腔体结构和设置于所述腔体结构的探测结构，所述探测结构用于同步共点的获取声场标量信息和矢量信息；

所述探测结构包括：

主机结构，设置于所述腔体结构内部；

水听器探头结构，设置于所述腔体结构下端，所述水听器探头结构与所述主机结构信号连接。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，所述水听器探头结构包括：

光纤声压水听器，用于获取声场处的声压；

光纤矢量水听器，用于获取质点加速度矢量信息。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，所述主机结构包括：

光发射模块，用于发射光信号；

信号处理板，与所述光发射模块信号连接，用于接收、解调与转换所述水听器探头结构的信号。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，所述主机结构还包括与所述信号处理板信号连接的姿态传感器，所述姿态传感器与所述光纤矢量水听器平行设置，用于调整所述光纤矢量水听器的姿态。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，所述腔体结构内设置有对所述装置供电的电池组件。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，所述腔体结构下端安装有固定支架，所述水听器探头结构采用硫化封装和内部灌油补偿封装安装于所述固定支架。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，还包括：

浮球结构，用于所述腔体结构的上浮；

铱星信标机，设置于所述浮球结构上端，用于发送位置信息；

第一连接件，与所述浮球结构下端固定连接，所述浮球结构通过所述第一连接件与所述腔体结构连接；

脱重结构，用于控制所述腔体结构的下沉或上浮；

第二连接件，与所述腔体结构固定连接，所述腔体结构通过所述第二连接件与所述脱重结构连接。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，所述脱重结构包括：

声学释放器，与所述第二连接件固定连接；

锚块，与所述声学释放器可拆卸连接。

所述深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其中，还包括设置于所述腔体结构的深度传感器，所述深度传感器用于获取深度信息。

一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标系统，其中，包括上述任一项所述的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，所述系统还包括与所述潜标装置信号连接的陆上配套设备。

有益效果：本发明提供了一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统，其中，所述潜标装置包括：腔体结构和设置于所述腔体结构的探测结构，所述探测结构用于同步共点的获取声场标量信息和矢量信息；所述探测结构包括：主机结构，设置于所述腔体结构内部；水听器探头结构，设置于所述腔体结构下端，所述水听器探头结构与所述主机结构信号连接。在本发明中，通过水听器探头结构与主机结构信号连接的设置方式，可以空间共点同步地拾取水听器探头结构所处声场处的声压和质点加速度矢量信息，实现对水下两千米处深海的目标进行长期稳定监测的目的，达到监测时间稳定持久且灵敏度、准确度更高的效果。

附图说明

图1为本发明的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置的平面结构示意图。

图2为本发明的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置的电子系统连接图。

具体实施方式

本发明提供一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。

还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在现有的探测设计与实施方案中，水听器潜标一般采用压电水听器，压电水听器灵敏度较低、频带响应较窄、抗电磁干扰较差、耐恶劣环境较差、结构复杂等问题导致运行稳定性较差，并且采用光纤水听器的设备通常应用于浅海，在对深海处进行声压探测时由于设备能耗较大可能导致无法长时间稳定自主运行，另外现有的水听器潜标大多只能监测声压分量，对声源的方向难以估计，无法实现可位于2000米深度且连续工作时长可达半年的目的。

为了解决上述问题，本发明提供了一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，可以空间共点同步地拾取探头所处声场处的声压和质点加速度矢量信息、并具有良好的指向性，可用于水下噪声的获取及水下目标监测，还可扩展应用于海洋声场环境监测、海底资源勘探、水声物理研究等重点应用场景，如图1所示，所述潜标装置包括：腔体结构100和设置于所述腔体结构100的探测结构200，所述探测结构200用于同步共点的获取声场标量信息和矢量信息；所述探测结构200包括：主机结构210，设置于所述腔体结构100内部；水听器探头结构13，设置于所述腔体结构100下端，所述水听器探头结构13与所述主机结构210信号连接。

具体地，所述腔体结构100包括钛合金材质呈球形的腔体18和设置于腔体18下端的固定支架12，腔体18内部电子仓被中央隔板8分为上部分的仪器仓和下部分的电池仓，中央隔板8上端依次层叠设置有光发射模块7、与光发生模块7光信号连接的信号处理板6、与信号处理板6光信号连接的姿态传感器5，电池仓内安装有提供潜标装置电源的电池组9，腔体19下端的固定支架12上设置有水听器探头13，水听器探头13由外壳、光纤声压水听器和光纤矢量水听器组成，外壳采用硫化方式制作，且光纤声压水听器与光线矢量水听器设置在外壳内，并在外壳内部充满绝缘油组装而成，通过探测结构，可以空间共点同步地拾取探头所处声场处的声压和质点加速度矢量信息，并具有良好的指向性，主要用于水下噪声的获取及水下目标监测，并能够长期稳定自主运行，腔体18上端设有上部吊耳4，上部吊耳4通过上部凯夫拉绳3与浮球2连接，浮球2上端设有发送位置信息的铱星信标机1，腔体18下端设有下部吊耳10，下部吊耳10通过下部凯夫拉绳14连接声学释放器15，声学释放器15通过锚链16连接锚块17(即重块)。

在本发明的较佳实施例中，正因为采用了上述的技术方案，通过水听器探头结构与主机结构信号连接的设置方式，可以空间共点同步地拾取水听器探头结构所处声场处的声压和质点加速度矢量信息，实现对水下两千米处深海的目标进行长期稳定监测的目的，达到监测时间稳定持久且灵敏度、准确度更高的效果。

在本实施例中，所述水听器探头结构13包括：光纤声压水听器，用于获取声场处的声压；光纤矢量水听器，用于获取质点加速度矢量信息。

具体地，所述水听器探头结构13(即水听器探头)由外壳、一个光纤声压水听器和一个三维光纤矢量水听器组成，所述光纤声压水听器和所述光纤矢量水听器均以迈克尔逊光纤干涉仪作为光学敏感元件，利用光学相干检测技术进行光相位检测，与压电水听器相比，具有更高的灵敏度、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于光电复用构成大规模阵列等优点。

在本实施例中，所述腔体结构100下端安装有固定支架12，所述水听器探头结构13采用硫化封装和内部灌油补偿封装安装于所述固定支架12。

具体地，所述水听器探头结构13的外壳采用硫化的方式制作，将一个光纤声压水听器和一个光纤矢量水听器安装在外壳内部，并在外壳内部充满绝缘油形成水听器探头，水听器探头通过在外壳外侧的8芯水密光插头与腔体结构100内部的8芯水密光插头连接。

进一步，探测结构200(即光纤水声矢量传感器)包括一个光纤声压水听器的一个声压通道和一个光纤矢量水听器的三个矢量通道。

需要说明的是，硫化封装与内部灌油补偿相结合的封装工艺是为了减少海水腐蚀，并尽可能地降低海水湍流对声学探测的影响，提高声学探头稳定工作能力。

如图1所示，所述腔体结构100包括为钛合金材质的腔体18，腔体18设置为球形壳体，腔体18内部为电子仓，腔体18内部设置有将电子仓分为上下两部分的中央隔板8，中央隔板8上部分的电子仓为仪器仓，用于安装所述主机结构210，腔体18底部焊接有固定支架12，水听器探头固定安装在固定支架12上，实现与腔体18的刚性固联安装；水听器探头通过8芯水密光插头与腔体18内部电子仓连接(即水听器探头通过外壳外侧的第一光插头与腔体18内部电子仓的第二光插头连接)。

进一步，腔体18上预留网络结构，潜标装置回收后，可以直接通过腔体18上的网络接口获取数据存储介质中的数据，网络接口也可扩展深海水声通信设备，用于潜标状态数据、采集及存储数据的实时传输。

在本实施例中，所述主机结构210包括：光发射模块7，用于发射光信号；信号处理板6，与所述光发射模块7信号连接，用于接收、解调与转换所述水听器探头结构13的信号。

具体地，所述主机结构210还包括与所述信号处理板6信号连接的姿态传感器5，所述姿态传感器5与所述光纤矢量水听器平行设置，用于调整所述光纤矢量水听器的姿态。

如图1所示，主机结构210包括设置在中央隔板8上的光发射模板7、位于光发射模板7上方且信号连接的信号处理板6和位于信号处理板6上方且与信号处理板6信号连接的姿态传感器5，从而通过水听器探头同步共点地获取声场标量信息和矢量信息，并通过信号解调技术实现声场信号的解调。

具体地，光源采用窄线宽、低噪声的可调谐半导体激光器。

需要说明的是，光发射模块7作为整个装置源头，光源发出的光信号的质量将直接影响到装置返回光的质量，进而影响装置的探测距离和定向精度，通过采用可调谐半导体激光器，提高潜标装置的监测灵敏度与准确性。

在本实施例中，所述腔体结构100内设置有对所述装置供电的电池组件9。

如图1所示，腔体18内部中央隔板8下部分的电子仓为电池仓，用于安装电池组件，也就是为潜标装置提供电源的电池组，电池组与信号处理板6信号连接。

具体地，信号处理板6主要功能是将水听器探头13的光信号的接收、解调与转换；信号处理板6还内置数据存储介质，可以将工作时间内的声场数据、姿态数据、深度数据或海洋水文环境参量数据存储在数据存储介质中。

在本实施例中，所述装置还包括设置于所述腔体结构100的深度传感器，所述深度传感器用于获取深度信息。

具体地，如图1所示，腔体18下部预留螺纹孔，也就是在腔体18下端设有预留传感器接口11，预留传感器结构11连接有深度传感器，预留传感器结构11也可通过转接件转换为CTD的安装接口。

进一步，深度传感器采用静水压压力传感器，从而通过测量海水静水压力转换为深度信息，深度传感器可以实时获取腔体18的深度信息。

需要说明的是，信号处理板6兼具电源监控功能，当内部电池组电源不满足装置工作要求时，设备自动关机，保护已存储的信息及光源等贵重器件；装置还可预设一段值班表，设定开机与关机时间，开机即为正常工作模式，关机时即为低功耗休眠模式；关机时装置无须进行探测，关闭光源7、姿态传感器5等非必要器件，尽可能地以低功耗运行。在下一个开机时刻到来时，再自主进入正常工作模式；值班表功能是潜标装置工作时长的倍增器，通过合理设置值班功能，可将装置的工作时长扩展到一年以上。

需要说明的是，姿态传感器5位于腔体18内部，用于为潜标装置提供姿态信息，从而定位到矢量传感器的朝向角和水平角；姿态传感器5固联安装在腔体内部，在安装时使姿态传感器5的三个轴(即x’、y’和z’轴)与光纤矢量水听器的三轴(即x、y和z轴)平行，从而对光纤矢量水听器的姿态进行修正；光纤矢量水听器测量质点加速度的笛卡儿坐标系相对于姿态传感器5所应用的地理坐标系的旋转是由水听器的摇摆运动引起的。固定在光纤矢量水听器上的姿态传感器5提供其偏转姿态数据，从而可以把不同姿态下光纤矢量水听器测量的质点加速度矢量或者目标方位估计变换到一个固定的地理坐标系中。

在本实施例中，所述潜标装置还包括：

浮球结构2，用于所述腔体结构100的上浮；

铱星信标机1，设置于所述浮球结构2上端，用于发送位置信息；

第一连接件3，与所述浮球结构2下端固定连接，所述浮球结构2通过所述第一连接件3与所述腔体结构100连接；

脱重结构300，用于控制所述腔体结构100的下沉或上浮；

第二连接件14，与所述腔体结构100固定连接，所述腔体结构100通过所述第二连接件14与所述脱重结构300连接。

具体地，浮球结构2为浮球，腔体18顶端设置有上部吊耳3，第一连接件为上部凯夫拉绳3，上部吊耳3通过上部凯夫拉绳3与浮球2固定连接；浮球2顶部放置铱星信标机1，当潜标装置回收时，浮球2浮出水面，铱星信标机1浮出水面并按一定频率发送位置信息，可通过邮件或者手持机接收潜标位置。

需要说明的是，浮球2通过正浮力使潜标装置处于拉直状态。其在水中提供的正浮力不小于潜标装置中除浮球2和脱重结构300外的部分水中净重的2倍。

在本实施例中，所述脱重结构300包括：

声学释放器15，与所述第二连接件14固定连接；

锚块17，与所述声学释放器15可拆卸连接。

具体地，第二连接件14为下部凯夫拉绳，腔体18下端与声学释放器15上端通过下部凯夫拉绳14连接，声学释放器15下端通过锚链16与锚块17(即重块)。

需要说明的是，锚块17在潜标装置底端，通过下部凯夫拉绳14与声学释放器15下端连接，实现潜标装置的坐底沉放工作，锚块17在海水中提供的负浮力在数值上不小于装置(除锚块外)其它所有部分在水中净浮力的2倍。

如图2所示，探测结构(即光纤水声矢量传感器)包含一个声压通道和三个矢量通道，共需4路光输入和4路光输出，从提高系统可靠性和降低功耗角度出发，设计空分复用的光路连接方式，光源输出光经1分4光纤均分耦合器分为4束，分别进入光纤声压水听器(p)和三维光纤矢量水听器的三个轴(x、y和z轴)，矢量单元返回的4路光信号接入4通道光电探测器进行光电转换。

需要说明的是，整个内部电子仓由独立电池组9供电，电池输出的直流电供给信号处理板6，经信号处理板6进行电压转换后，分别给光源7、深度传感器(或CTD)和姿态传感器5供电。光源7接收信号处理板6输出的调制信号，产生的调制输出光经1分4光纤分束器分束后作为下行光，经8芯光插头的其中4芯接入水听器探头(即光纤水声矢量探头)，探头返回光经8芯光插头的其余4芯进入信号处理板6，信号处理板6对光信号进行光电转换、采集和数据解调。信号处理板6实现电压转换，光电信号探测、采集和处理，深度传感器(或CTD)和姿态传感器5数据采集，数据存储，电源监控，低功耗值班等功能。存储介质中的光纤水声矢量探头数据、深度传感器(或CTD)和姿态传感器数据可通过千兆网口被PC端获取。

在本实施例中，一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标系统，包括上述所述的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，所述系统还包括与所述潜标装置信号连接的陆上配套设备。

具体地，陆上配套设备与所述声学释放器15信号连接，可以通过水面平台向声学释放器15发射特定的声信号指令，使腔体18与锚块17断开，实现腔体18的上浮回收，腔体出水后通过铱星信标机1实现位置通报功能。

通过所述系统可以空间共点同步地拾取探头所处声场处的声压和质点加速度矢量信息、并具有良好的指向性，可用于水下噪声的获取及水下目标监测，还可扩展应用于海洋声场环境监测、海底资源勘探、水声物理研究等重点应用场景，为我国海洋资源勘探、开发和海洋安全保护提供技术支撑。通过优化探头的抗腐蚀性能及设计值班工作模式，降低电子系统功耗，提升系统降噪性能，与传统压电水听器潜标相比，系统具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧等特点，单次连续工作可达半年以上，且系统可反复使用。

综上所述，本发明提供了一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置及系统，其中，所述潜标装置包括：腔体结构和设置于所述腔体结构的探测结构，所述探测结构用于同步共点的获取声场标量信息和矢量信息；所述探测结构包括：主机结构，设置于所述腔体结构内部；水听器探头结构，设置于所述腔体结构下端，所述水听器探头结构与所述主机结构信号连接。在本发明中，通过水听器探头结构与主机结构信号连接的设置方式，可以空间共点同步地拾取水听器探头结构所处声场处的声压和质点加速度矢量信息，实现对水下两千米处深海的目标进行长期稳定监测的目的，达到监测时间稳定持久且灵敏度、准确度更高的效果。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其特征在于，包括：腔体结构和设置于所述腔体结构的探测结构，所述探测结构用于同步共点的获取声场标量信息和矢量信息；

所述探测结构包括：

主机结构，设置于所述腔体结构内部；

水听器探头结构，设置于所述腔体结构下端，所述水听器探头结构与所述主机结构信号连接；

所述主机结构包括：

光发射模块，用于发射光信号；

信号处理板，与所述光发射模块信号连接，用于接收、解调与转换所述水听器探头结构的信号，所述信号处理板兼具电源监控功能，当内部电池组电源不满足装置工作要求时，设备自动关机，保护已存储的信息、光源以及贵重器件；

所述腔体结构下端安装有固定支架，所述水听器探头结构采用硫化封装和内部灌油补偿封装安装于所述固定支架；

所述主机结构还包括与所述信号处理板信号连接的姿态传感器，所述姿态传感器固联安装于所述腔体结构内部，所述姿态传感器与所述光纤矢量水听器平行设置，所述姿态传感器的三个轴与所述光纤矢量的三个轴平行，用于调整所述光纤矢量水听器的姿态；

浮球结构，用于所述腔体结构的上浮；

铱星信标机，设置于所述浮球结构上端，用于发送位置信息；

第一连接件，与所述浮球结构下端固定连接，所述浮球结构通过所述第一连接件与所述腔体结构连接；

脱重结构，用于控制所述腔体结构的下沉或上浮；

第二连接件，与所述腔体结构固定连接，所述腔体结构通过所述第二连接件与所述脱重结构连接；

所述脱重结构包括：

声学释放器，与所述第二连接件固定连接；

锚块，与所述声学释放器可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其特征在于，所述水听器探头结构包括：

光纤声压水听器，用于获取声场处的声压；

光纤矢量水听器，用于获取质点加速度矢量信息。

3.根据权利要求1所述的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其特征在于，所述腔体结构内设置有对所述装置供电的电池组件。

4.根据权利要求1所述的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，其特征在于，还包括设置于所述腔体结构的深度传感器，所述深度传感器用于获取深度信息。

5.一种深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标系统，其特征在于，包括上述权利要求1至4任一项所述的深海高灵敏度光纤矢量声学探测潜标装置，所述系统还包括与所述潜标装置信号连接的陆上配套设备。