一种水下移动平台用近零浮力水听器及其系统

1.本发明涉及深海海洋仪器领域，特别涉及一种水下移动平台用近零浮力水听器及其系统，更具体地说，涉及一种通过搭载于水下移动平台，能够为其供电，并实现海中声学数据、海洋背景场信息的声学传感装置。


背景技术：

2.获取海洋中的声学信号，开展声学传播、通信、探测等研究工作的基础是水听器。伴随着水下运载器技术的不断发展，海洋声学研究工作已具备了逐渐由“浅”走向“深”，由“静”走向“动”的基本条件，因此发展满足基于水下移动平台使用的，声学传感器的需求十分迫切。
3.近年来，在国际上利用水下移动平台开展温度、洋流、叶绿素、浊度等研究工作，已成为热点，国内很多研究机构、学者也积极参与其中。而利用水下移动平台开展声学研究工作，目前在国内外相关研究方面仍然几乎是空白，究其原因主要是由于水下移动平台自噪声较大，对传统水听器有较大干扰，无法实现声学参数测量。海洋声学研究工作通常对环境要求很高，通常要求把声学传感装置(即：水听器)放在噪声背景比较低的环境上，保证在一定的频率范围内，水听器的放置不会改变自由场质点运动规律，这样可以不必考虑场地失真问题，只需用水听器响应特性对记录结果进行修正即可。缺乏适用于水下移动平台的声学传感器，已成为限制水下移动平台开展声学观测的主要原因。
4.此外，当前传统的水声器通常体积、重量、功耗等均较大或较高，也不适合于现阶段水下观测平台的安装与使用。因此开展基于水下移动平台的水听器设计是实现水下移动平台开展海洋声学特性研究的必然选择。这要求水听器工作频带较宽，采集不同频带的信号，才能够实现声学特性，与移动平台耦合特性的相互适应，实现自噪声与环境噪声的分离。
5.目前，随着小密度、高强度、高灵敏度材料的开发及应用，支持本发明的关键技术日益成熟。在此基础上，本发明提出一种技术方案可行的水下移动平台用近零浮力水听器，即安装在水下移动平台上，拾取海洋环境中的声信号，并可在完成信号的滤波、放大，无失真放大传输。目前，国内外已有的水听器仍属于基于水下固定安装或定平台的单一简单水听器，不能实现移动平台的安装，或有效声信号拾取，同时也未见有安装于水下移动平台的相关装置。据申请人调研国内外专利情况，在海洋测量仪器领域方面尚无与本方案一致及类似的相关设计。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服目前水下移动平台体积较小，自噪声高，无法安装使用传统水听器采集海洋声信号的问题。通过将水声传感器采用近零浮力设计与高灵敏度、大带宽声学信号感知需求相互融合设计的方法，研制一种新型的适用于水下移动平台的小型化、低功耗具有与移动平台耦合特性的相互适应能力的水听器。
7.为达到上述目的，本发明提供了一种水下移动平台用近零浮力水听器及其系统。
8.本发明提出了一种水下移动平台用近零浮力水听器，所述水听器包括：传感模块、信号调理模块、信号传输模块和灌封结构(12)，所述传感模块通过前放板接头(14)与所述信号调理模块相连，将产生的电信号传递到所述信号调理模块；所述信号调理模块，用于对接收的电信号进行处理；所述信号传输模块，用于将处理后的电信号传输到水下移动平台；
9.所述传感模块包括：水听器基元环(2)；所述水听器基元环(2)，用于拾取声信号，并把声信号转化成电信号；
10.所述水听器基元环(2)两侧分别设置有一个水听器基元封盖(3)，其中一个水听器基元封盖(3)上设置有两组水听器基元环接头(13)；所述水听器基元环接头(13)的一端穿过水听器基元封盖(3)与水听器基元环(2)连接，一端通过导线(15)分别与两组前放板接头(14)连接；
11.所述水听器基元环(2)和水听器基元封盖(3)的外层包裹有一层屏蔽网(1)，所述屏蔽网(1)用于屏蔽电磁干扰；
12.所述灌封结构(12)将所述屏蔽网(3)及导线(15)外部的空间密封包裹，用于保证整体的水密性，同时使得所述水听器基元环(2)与水听器基元封盖(3)、水听器基元环接头(13)、前放板接头(14)以及导线(15)之间内部形成空气腔；所述空气腔，用于构建声场环境和调整水听器整体密度。
13.作为上述技术方案的一种改进，所述水听器基元环(2)呈圆环形状，包括单传感基元环或通过多个单传感基元环串、并联组合形成的复合传感基元环，其材料为新型压电传感材料，包括：锆钛酸铅压电陶瓷pzt。
14.作为上述技术方案的另一种改进，所述信号调理模块包括：前放板(6)；所述前放板(6)上搭载有放大电路和滤波电路，用于对接收到的电信号进行放大和滤波调理。
15.作为上述技术方案的又一种改进，所述前放板(6)，安装在前放板支架(7)上，并设置在电子舱腔体(5)内部；所述电子舱腔体(5)为水密舱体，用于保证水密性；所述前放板支架(7)用于支撑所述前放板(6)，避免前放板(6)与电子舱腔体(5)内部接触。
16.作为上述技术方案的再一种改进，所述电子舱腔体(5)一侧设有电子舱腔体封盖(4)；所述前放板接头(14)穿过所述电子舱腔体封盖(4)通过导线(15)和水听器基元环接头(13)连接水听器基元环(2)与所述前放板(6)；所述电子舱腔体(5)另一侧设有开口，所述前放板(6)通过线缆穿过开口与所述信号传输模块相连；
17.所述电子舱腔体(5)设有开口的一侧外部装有水密塞(9)，所述水密塞(9)与开口处的线缆外层硫化在一起，用于保证所述电子舱腔体(5)尾部开口的水密性；
18.所述水密塞(9)外侧旋有紧固端盖(8)，用于防止水密塞(9)脱落。
19.作为上述技术方案的更一种改进，所述电子舱腔体(5)靠近前放板接头(14)一侧的顶端加工形成若干圈呈圆环形状的硫化槽，用于防止灌封结构(12)脱落。
20.作为上述技术方案的还一种改进，所述信号传输模块包括：线缆(10)和线缆接头(11)；所述线缆接头(11)包括电源线路和信号线路；电源线路与水下移动平台的供电电路相连，用于将水下移动平台提供的电压转化为水听器所需电压；信号线路与水下移动平台的信号采集电路相连，用于将经过放大和滤波调理的信号传输到水下移动平台的信号采集电路。
21.作为上述技术方案进一步的改进，所述电源线路选择低功率低噪声的电源，信号线路选择高精度电阻、电容实现与水下移动平台的信号采集电路进行信号匹配。
22.作为上述技术方案更进一步的改进，所述灌封结构(12)为低渗水率和高透声性的材料，包括：聚氨酯或橡胶；所述水听器基元封盖(3)和电子舱腔体封盖(4)的材料为复合绝缘材料，所述电子舱腔体(5)的材料为：钛合金或聚甲醛塑料；所述前放板(5)上搭载的放大电路使用的放大器为低功耗运算放大器；所述屏蔽网(1)和紧固端盖(8)的材料为金属，包括：铜、钛、铝及合金材料。
23.本发明提出了一种水下移动平台用近零浮力水听器系统，所述系统包括传感模块、信号调理模块、外设接口模块、水密连接器及电源模块；所述外设接口模块和所述水密连接器形成信号传输模块；
24.所述传感模块，包括水听器基元环，用于拾取声学信号，并将其转化为电信号后将电信号传输到信号调理模块；所述传感模块进行封装后形成空气腔，所述空气腔用于构建声场环境，同时对水听器的密度进行调整；
25.所述信号调理模块，用于对所述传感模块传递过来的电信号进行放大和滤波调理；
26.所述外设接口模块，其与所述水密连接器和所述信号调理模块分别相连，用于将经过调理后的电信号传输到水密连接器；
27.所述水密连接器，其与水下移动平台、所述外设接口模块和所述电源模块分别连接，用于将水下移动平台提供的电压传输到电源模块，同时还用于将外设接口模块传递来的电信号与水下移动平台的采集电路进行匹配，匹配完成后对电信号进行传输；
28.所述电源模块，用于将所述水密连接器传输来的电压转换为水听器所需要电压，并且当输入的电压、电流超出正常范围时，电源模块进行断开处理。
29.本发明提供的基于水下移动平台用近零浮力水听器，主要实现在海洋环境中，能够实现自主运行工作，将采集的声信号无失真的实时传输。
30.本发明与现有技术相比优点在于：
31.1.集成度高：具备声信号传感、放大、滤波处理能力，同时可实现低功耗、小体积、集成在水下移动平台中，有利于实现较大尺度范围观测内，声信号和背景场信息获取；
32.2.信号质量高：通过近零浮力设计实现水声信号的近端处理，有效克服了传统水听器存在的信号衰减、干扰、电压下降等问题；
33.3.高可靠性：水听器采用与水下移动平台共同设计，对水下移动平台水动力特性无影响，提高了水听器结构强度，更适合海洋环境。同时整个水听器采用与移动平台间及移动平台搭载的其它设备间相互独立，可有效实现故障隔离，不因某个故障导致水下移动平台及其它部分的损坏，大大提高系统的可靠性；
34.4.低噪声：采用零浮力结构，降低平台噪声影响。
附图说明
35.图1为本发明的基于水下移动平台用近零浮力水听器的基本安装仓布局结构图；
36.图2为本发明的近零浮力水听器结构图；
37.图3为本发明的近零浮力水听器主要功能模块组成连接关系结构框图；
38.图4为水听器基元环的结构示意图。
39.附图标记
40.1、屏蔽网
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2、水听器基元环
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3、水听器基元封盖
41.4、电子舱腔体封盖
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5、电子舱腔体
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6、前放板
42.7、前放板支架
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8、紧固端盖
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9、水密塞
43.10、线缆
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11、线缆接头
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12、水听器灌封结构
44.13、水听器基元环接头 14、前放板接头
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15、导线
45.16、水密接头
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17、透声舱段
具体实施方式
46.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
47.本发明提出的水下移动平台用近零浮力水听器及其系统主要涉及：传感模块、信号调理模块、空气腔、外设接口模块及电源模块等方面。因此，在系统各部分具体设计实施时，必须在综合考虑系统整体功能的基础上，对系统功能模块进行功能细分，并规划出全系统的工作流程。
48.本发明提出的水下移动平台用近零浮力水听器系统主要由传感模块、信号调理模块、空气腔、外设接口模块及电源模块组成。
49.传感模块采用新型压电传感材料制作，用于拾取海洋中一定频率范围内的声学信号，声学传感器与移动平台同步运行；
50.信号调理模块负责将传感模块传递过来的声信号进行信号调理(包括滤波和放大)；
51.空气腔是通过结构设计构造的空气背衬，基于一定的信号频段处理需求，构建声场环境，同时实现水听器密度调整的作用；
52.外设接口模块主要包括水听器自身的水密结构，原始声学信号传输和供电接口，并完成与后端采集电路的匹配。
53.电源模块将由水下移动平台接入的电压转换为水听器所需要电压。同时对输入电压、电流进行控制，若电压电流超出正常范围，则可对其进行断开或相应处理。
54.如图1所示，为本发明的基于水下移动平台用近零浮力水听器的水听器舱段的基本安装仓布局结构图。图中将本发明所述水听器通过水密接头16安装于水下移动平台后导流罩内的透声舱段17内，注水填充，通电后进行工作。
55.如图2所示，为本发明提出的近零浮力水听器结构图。
56.所述水听器的结构包括：水听器基元环2、水听器基元封盖3、屏蔽网1、电子舱腔体5、电子舱腔体封盖4、紧固端盖8、前放板6、前放板支架7、水密塞9、灌封结构12、线缆10、线缆接头11、水听器基元环接头13和前放板接头14以及导线15；
57.所述水听器基元环2，用于拾取声信号，并把声信号转化成电信号；水听器基元环两侧均设置有一个水听器基元封盖3，形成水听器基元；水听器基元外面设置有一层屏蔽网1，所述屏蔽网1用于屏蔽电磁噪声；
58.所述水听器基元环接头13，包括两组包含正负极的导电接头，穿过水听器基元封盖3与水听器基元环2相连；
59.所述前放板接头14，包括两组包含正负极的导电接头，穿过电子舱腔体封盖4与前放板6相连；
60.所述水听器基元环接头13与所述前放板接头14通过导线15相连，将水听器基元环2转换的电信号传递到所述前放板6；
61.所述前放板6设置在所述电子舱腔体5内部，前放板6上搭载有放大电路和滤波电路，用于对接收到的电信号进行放大和滤波调理；
62.所述前放板支架7，用于支撑所述前放板6，避免前放板6与电子舱腔体5接触；
63.所述线缆接头11，包括电源线路和信号线路；电源线路与水下移动平台的供电电路相连，用于将水下移动平台提供的电压转化为水听器所需电压；信号线路与水下移动平台的信号采集电路相连，用于将经过放大和滤波调理的信号传输到水下移动平台的信号采集电路；
64.所述电子舱腔体5尾部设有开口；所述线缆10穿过开口，一侧与线缆接头11内部的电源相连，一侧与前放板5相连，用于将转化好的电压传输到水听器中以支持水听器工作；
65.所述灌封结构12，为图中虚线所包括的区域，由灌封材料注入后凝固形成；灌封结构12将水听器基元整体包裹住，用于保证水密性；
66.所述水听器基元环2、水听器基元封盖3与电子舱腔体封盖4形成空气腔；
67.所述水密塞9，其与线缆10外层硫化在一起，用于保证电子舱腔体5尾部开口的水密性；
68.所述紧固端盖8，其旋紧在水密塞9外侧，用于防止水密塞脱落。
69.图2所示的水听器安装在图1所示的透声舱段17内，并通过线缆接头11和图1中的水密接头16相连。同时水听器电子舱内其它功能模块，实现对采集数据放大、滤波、传输的功能。
70.图2中各部分零件结构功能作用如下：
71.·
灌封结构12，为水听器基元和电子舱腔体5外部的聚氨酯水密：采用聚醚型聚氨酯或橡胶，低渗水率与良好的透声性
72.·
前放板6：完成对拾取声学信号的放大、滤波，增强信号传输驱动能力
73.·
前放板支架7：轻质结构，保证前放板6不会与电子舱腔体5接触造成短路
74.·
屏蔽网1的材料为铜网：紫铜材质，起屏蔽电磁噪声的作用
75.·
水听器基元环2的材料为压电传感材料：有源材料，水听器的核心器件，声学感知；
76.·
水听器基元封盖3和电子舱腔体封盖4的材料为复合材料：与压电传感材料共同构成水听器基元
77.·
电子舱腔体5：金属材质，用于放置前放电路，提供一定的耐压性与屏蔽性
78.·
水密塞9：与电缆缆线10硫化在一起形成水密头，保证水密性
79.·
紧固端盖8：相当于是螺套，保证水密塞9不会脱出导致水听器进水
80.·
线缆接头11：内部具体包括电源线、信号线(单端或差分)、地线
81.如图3所示，为近零浮力水听器主要功能模块组成连接关系结构框图。图中各模块使用水密结构和隔水胶封装在一起，通过水密接插件与电子舱相连接。声敏感材料拾取声信号，经过信号调理电路放大和滤波，送入外设接口模块进行信号接口匹配，同时外设接口
模块将移动平台提供的电源接入电源模块，经电源模块变换为所需电压，并稳压后为信号电梯模块和外设接口模块供电。电源模块具有过压保护和过流检测功能。水密舱体与传感模块的压电传感材料相结合，根据水听器实际工作频段，整体封装后形成空气腔，保证实现近零浮力水听器的各项工作参数实现。
82.如图4所示，为水听器基元环的结构示意图，其中，图4(a)的水听器基元环为单传感基元环，图4(b)的水听器基元环为两个单传感基元环并联形成的复合传感基元环，图4(c)的水听器基元环为两个单传感基元环串联形成复合传感基元环。这些不同组合的设计可以满足水听器的不同性能需求。
83.通常情况下，本领域技术人员可以根据实际需要对构成所述各单元的各个元件进行选择，在本实施例中，传感模块使用的pzt5圆环或使用两个圆环串联或使用两个圆环并联作为声敏感材料，该圆环为本发明传感模块的核心信号拾取单元，负责按照无失真的采集周围环境中的声学信号，并输出至其它模块。信号调理模块中运算放大器使用的型号为op2177、opa2422、二极管为en5819，以该运算放大器为核心，实现了本发明搭建放大电路和滤波电路，完成采集声信号的信号调理，可选择精度优于0.5％的高精度电阻、精度优于5％的电容搭建实现。外设接口模块使用精度优于0.5％的高精度电阻、精度优于5％的电容实现与连接采集电路的信号匹配，模块中的水密电子舱腔体选用tc4材料或pom材料，同时通过连接水密接插件引入电源，送至电源模块。电源模块是将输入的电源，转换为实际需要的电压，并实现电压、电流进行控制，型号为max1776、tps76333、1n4001。
84.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的近零浮力水听器能够安装在水下移动平台，实现自主运行工作，将采集的声信号无失真的实时传输。
85.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。