一種聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，浮標(biāo)體兩側(cè)設(shè)置側(cè)翼，浮標(biāo)內(nèi)設(shè)置陀螺儀和聲學(xué)換能器，聲學(xué)換能器接受來自海底設(shè)定聲源的聲信號，通過陀螺儀獲取運(yùn)動姿態(tài)，并不斷調(diào)整側(cè)翼翼片角度，保持上浮和下沉的浮標(biāo)與海底設(shè)定聲源的水平距離固定，使自浮沉剖面浮標(biāo)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)反復(fù)上下運(yùn)動，自浮沉剖面浮標(biāo)上搭載的觀測儀器即可借助這種上浮和下沉運(yùn)動進(jìn)行海洋環(huán)境要素剖面測量。本發(fā)明所涉及的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置只需投放一次，可長期準(zhǔn)原位工作，所獲取剖面數(shù)據(jù)能通過天線及時(shí)傳回船只或地面接收端。
【專利說明】一種聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋剖面浮標(biāo)測量裝置，特別是涉及一種由聲信號改變運(yùn)動軌跡的自浮沉海洋剖面浮標(biāo)測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]海洋環(huán)境參數(shù)的剖面測量對于海洋學(xué)研究、海上科學(xué)調(diào)查、漁情評估和海上軍事活動具有重要意義。進(jìn)行海洋環(huán)境參數(shù)剖面測量一般有快速投棄式、船載下放式和固定傳感器鏈?zhǔn)饺N方式。投棄式和船載下放式所獲取的數(shù)據(jù)垂向分布密集，可用于小尺度海洋分析，但使用時(shí)必須使用船只在待測海域反復(fù)作業(yè)，所需人員多、時(shí)間長，經(jīng)費(fèi)成本較高，而且無法獲取長期連續(xù)的剖面資料。傳感器鏈?zhǔn)椒绞接纱辉诖郎y海域布放傳感器鏈，使用一個(gè)長鏈連接一系列的海洋傳感器進(jìn)行定點(diǎn)剖面連續(xù)觀測。傳感器鏈?zhǔn)椒绞街荒懿挤庞邢迋€(gè)傳感器，測量點(diǎn)垂向分布稀疏，剖面數(shù)據(jù)量小。
[0003]近年來，科學(xué)家開始研究使用浮標(biāo)進(jìn)行剖面觀測，一種自持式剖面觀測浮標(biāo)已逐漸受到重視。這種浮標(biāo)使用高壓柱塞泵吸、排液體，引起自身排水量變化，產(chǎn)生上浮和下沉的動力。下降和上升運(yùn)動的浮標(biāo)攜帶的傳感器進(jìn)行剖面觀測。
[0004]圖1顯示現(xiàn)有自持式剖面觀測浮標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)，圓柱體浮標(biāo)主體結(jié)構(gòu)的耐壓殼體6下端裝有液/氣囊1，上端攜帶海洋環(huán)境測量傳感器8和與衛(wèi)星通訊的通訊天線9。耐壓殼體6內(nèi)部裝有柱塞泵4，通過電路板5供電控制柱塞泵4運(yùn)動，向液/氣囊I推入或吸出液體。浮標(biāo)在投放入海后通過結(jié)構(gòu)體積變化實(shí)現(xiàn)浮力改變，形成下沉或上升運(yùn)動。耐壓殼體6內(nèi)的下部設(shè)置電池組2，用于向柱塞泵4、電路板5和測量傳感器8供電。柱塞泵4側(cè)端裝有壓力傳感器3，用于測量浮標(biāo)在水下運(yùn)動的實(shí)時(shí)壓力，進(jìn)而得到運(yùn)動深度數(shù)據(jù)。測量傳感器8和壓力傳感器3測得數(shù)據(jù)信號通過通訊天線9發(fā)送出去。自持式剖面觀測浮標(biāo)耐壓殼體6的內(nèi)部還裝有氣泵7，在浮標(biāo)浮上水面停留時(shí)，向液/氣囊I充入空氣，形成更大的浮力，便于浮標(biāo)保持姿態(tài)。
[0005]這種自持式剖面觀測浮標(biāo)開始工作后，不再受操作人員控制，自行隨海浪和海流漂移，容易出現(xiàn)與船只碰撞受損或漂浮到岸邊停止工作的情況，進(jìn)而影響海洋環(huán)境剖面測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有自持式剖面觀測浮自行隨海浪和海流漂移、容易出現(xiàn)與船只碰撞受損或漂浮到岸邊停止工作的情況，本發(fā)明推出了一種聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，浮標(biāo)體兩側(cè)設(shè)置側(cè)翼，浮標(biāo)內(nèi)設(shè)置陀螺儀和聲學(xué)換能器，聲學(xué)換能器接受來自海底設(shè)定聲源的聲信號，通過陀螺儀獲取運(yùn)動姿態(tài)，并不斷調(diào)整翼片角度，保持上浮和下沉的浮標(biāo)與海底設(shè)定聲源的水平距離固定，使自浮沉剖面浮標(biāo)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)反復(fù)上下運(yùn)動，避免自行隨海浪和海流漂移
[0007]本發(fā)明涉及的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置的主體結(jié)構(gòu)為圓柱體，圓柱殼體外部前端設(shè)置油囊、后端設(shè)置海洋傳感器和通訊天線，圓柱殼體側(cè)面設(shè)置聲學(xué)換能器，圓柱殼體側(cè)面軸對稱設(shè)置一對側(cè)翼。
[0008]聲學(xué)換能器為被動式換能器，接受來自海底固定設(shè)置的海底聲源聲學(xué)信號，具有輸入的用于辨識的聲源聲信號的特征參數(shù)和聲源深度信號。
[0009]圓柱殼體內(nèi)為密封艙，設(shè)置高壓柱塞泵、步進(jìn)電機(jī)、陀螺儀、壓力傳感器、控制電路板和電池組。電池組為高壓柱塞泵、步進(jìn)電機(jī)、陀螺儀和壓力傳感器供電。
[0010]高壓柱塞泵、步進(jìn)電機(jī)、陀螺儀、壓力傳感器、聲學(xué)換能器分別與控制電路板連接。
[0011]圓柱殼體內(nèi)設(shè)置兩組步進(jìn)電機(jī)，兩組步進(jìn)電機(jī)分別與圓柱殼體側(cè)面設(shè)置的側(cè)翼連接，控制側(cè)翼旋轉(zhuǎn)。
[0012]陀螺儀為三維陀螺儀，用于實(shí)時(shí)獲取自浮沉剖面浮標(biāo)姿態(tài)。
[0013]高壓柱塞泵與圓柱殼體外部的油囊連接，可進(jìn)行吸、排液體動作，改變自浮沉剖面浮標(biāo)的排水量，使浮標(biāo)上浮和下沉。
[0014]圓柱殼體外部設(shè)置測量傳感器和通訊天線與圓柱殼體內(nèi)的控制電路板連接。
[0015]本發(fā)明涉及的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置應(yīng)用時(shí)，自浮沉剖面浮標(biāo)投放入水后，開始接收海底聲源發(fā)出的信號，待聲通訊握手正常，信號穩(wěn)定后，控制高壓柱塞泵吸入油囊中的液體，剖面浮標(biāo)體積變小、浮力降低，執(zhí)行下沉動作；在下沉的過程中，通過壓力傳感器持續(xù)測量入水深度和與海底聲源的距離，通過陀螺儀獲取運(yùn)動姿態(tài)，經(jīng)簡單換算出海底聲源與剖面浮標(biāo)連線相對水平面的夾角，調(diào)整自浮沉剖面浮標(biāo)兩側(cè)的側(cè)翼，使自浮沉剖面浮標(biāo)向海底聲源的方向運(yùn)動。運(yùn)動中不斷調(diào)整翼片角度，保持運(yùn)動的方向。待自浮沉剖面浮標(biāo)觸底后，控制高壓柱塞泵向油囊注入液體，浮標(biāo)浮力變大，開始上升。上升過程中，持續(xù)測量深度和海底聲源的距離，采用下沉?xí)r的方法獲得與海底聲源的相對位置，隨時(shí)調(diào)整側(cè)翼翼片角度，控制運(yùn)動姿態(tài)，使自浮沉剖面浮標(biāo)在上升過程中與底聲源在同一深度下保持距離最短。采用這樣的方式，使自浮沉剖面浮標(biāo)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)反復(fù)上下運(yùn)動。自浮沉剖面浮標(biāo)上搭載的海洋環(huán)境要素觀測儀器即可借助這種上浮和下沉運(yùn)動進(jìn)行剖面觀測。自浮沉剖面浮標(biāo)每次上浮到水面后，停留一段時(shí)間，使用通訊天線將本次下沉和上浮過程中浮標(biāo)傳感器獲得的剖面數(shù)據(jù)傳回接收端。
[0016]本發(fā)明所涉及的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置只需投放一次，可長期準(zhǔn)原位工作，所獲取剖面數(shù)據(jù)能通過天線及時(shí)傳回船只或地面接收端，可根據(jù)需要靈活配置無線傳輸方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的自持式剖面觀測浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)工作示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中標(biāo)記說明:
[0021]1、液/氣囊2、電池組
[0022]3、壓力傳感器4、柱塞泵
[0023]5、電路板6、耐壓殼體
[0024]7、氣泵8、傳感器
[0025]9、通訊天線10、海底聲源
[0026]11、油囊12、聲學(xué)換能器
[0027]13、側(cè)翼14、圓柱殼體
[0028]15、測量傳感器16、通訊天線
[0029]17、電池組18、壓力傳感器
[0030]19、步進(jìn)電機(jī)20、高壓柱塞泵[0031 ]21、陀螺儀22、控制電路板

【具體實(shí)施方式】
[0032]圖2顯示本發(fā)明的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)海下工作狀況，圖3顯示本發(fā)明的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)。
[0033]如圖3所示，本發(fā)明涉及的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置的主體結(jié)構(gòu)為圓柱體，圓柱殼體14外部前端設(shè)置油囊11、后端設(shè)置海洋測量傳感器15和通訊天線16，圓柱殼體14側(cè)面設(shè)置聲學(xué)換能器12，圓柱殼體14側(cè)面軸對稱設(shè)置一對側(cè)翼13。
[0034]圓柱殼體14內(nèi)為密封艙，設(shè)置高壓柱塞泵20、步進(jìn)電機(jī)19、陀螺儀21、壓力傳感器18、控制電路板22和電池組17。電池組17是大容量電池組，為高壓柱塞泵20、步進(jìn)電機(jī)19、陀螺儀21和壓力傳感器18供電。
[0035]高壓柱塞泵20、步進(jìn)電機(jī)19、陀螺儀21、壓力傳感器18、聲學(xué)換能器12分別與控制電路板22連接。
[0036]聲學(xué)換能器12為被動式換能器，接受來自海底固定設(shè)置的海底聲源10的聲學(xué)信號。聲學(xué)換能器12具有輸入的用于辨識海底聲源10的聲信號特征參數(shù)和聲源深度信號。
[0037]圓柱殼體14內(nèi)設(shè)置兩組步進(jìn)電機(jī)19，兩組步進(jìn)電機(jī)19分別與圓柱殼體側(cè)面設(shè)置的側(cè)翼13連接，控制側(cè)翼13旋轉(zhuǎn)。
[0038]陀螺儀21為三維陀螺儀，用于實(shí)時(shí)獲取自浮沉剖面浮標(biāo)姿態(tài)。
[0039]高壓柱塞泵20與圓柱殼體14外部的油囊11連接，可進(jìn)行吸、排液體動作，改變自浮沉剖面浮標(biāo)的排水量，使浮標(biāo)上浮和下沉。
[0040]圓柱殼體14外部設(shè)置測量傳感器15和通訊天線16與圓柱殼體14內(nèi)的控制電路板22連接。
[0041]如圖2所示，本發(fā)明所涉及的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，投放海中入水后，油囊11縮小體積，浮標(biāo)開始下降。聲學(xué)換能器12在下降的過程中監(jiān)測聲信號，待收到海底設(shè)定聲源10發(fā)出的信號后，計(jì)算與聲源的距離R。所在海域的深度減去入水深度可以得到聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)與海底的距離H，則R與水平面的夾角可通過簡單換算得到，由此可以得到聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)的運(yùn)動角度。聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)隨即調(diào)整殼體14兩側(cè)的側(cè)翼13,改變下降軌跡向聲源10的方向移動。在下降的過程中，傳感器15實(shí)時(shí)測量海洋環(huán)境參數(shù)。聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)到達(dá)海底后，油囊11膨脹自身體積，聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)浮力增大開始上升。在上升的過程中，傳感器15實(shí)時(shí)測量海洋環(huán)境參數(shù)。到達(dá)海面后，通訊天線16將測量得到的數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)接收端。
【權(quán)利要求】
1.一種聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，其特征在于:主體結(jié)構(gòu)為圓柱體，圓柱殼體外部前端設(shè)置油囊、后端設(shè)置海洋傳感器和通訊天線，圓柱殼體側(cè)面設(shè)置聲學(xué)換能器，圓柱殼體側(cè)面軸對稱設(shè)置一對側(cè)翼；聲學(xué)換能器為被動式換能器，接受來自海底固定設(shè)置的海底聲源聲學(xué)信號，具有輸入的用于辨識的聲源聲信號特征參數(shù)和聲源深度信號；圓柱殼體內(nèi)為密封艙，設(shè)置高壓柱塞泵、步進(jìn)電機(jī)、陀螺儀、壓力傳感器、控制電路板，高壓柱塞泵、步進(jìn)電機(jī)、陀螺儀、壓力傳感器、聲學(xué)換能器分別與控制電路板連接；圓柱殼體內(nèi)設(shè)置兩組步進(jìn)電機(jī)，兩組步進(jìn)電機(jī)分別與圓柱殼體側(cè)面設(shè)置的側(cè)翼連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，其特征在于:所述陀螺儀為三維陀螺儀，用于實(shí)時(shí)獲取自浮沉剖面浮標(biāo)姿態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，其特征在于:所述高壓柱塞泵與圓柱殼體外部的油囊連接，可進(jìn)行吸、排液體動作，改變自浮沉剖面浮標(biāo)的排水量，使浮標(biāo)上浮和下沉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)定位式自浮沉剖面浮標(biāo)裝置，其特征在于:所述圓柱殼體外部設(shè)置的測量傳感器和通訊天線與圓柱殼體內(nèi)的控制電路板連接。
【文檔編號】B63B22/18GK104149939SQ201410403666
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】劉寧, 董濤, 孫東波, 馬麗珊, 張如彬 申請人:國家海洋技術(shù)中心