一种冰层声信号拾取装置

1.本发明属于冰基声信号拾取装置，本发明涉及设备组成及结构。


背景技术：

2.声波是目前已知的唯一可以用于水下远距离探测、通信的手段。这一优势在具有相对稳定水文环境的冰层覆盖的海冰区更为明显。然而，冰层的覆盖也给声信号的检测带来了挑战。其中一个最为棘手的难点就是如何布放声信号拾取设备。
3.现有的冰区水下声信号拾取设备主要有声呐浮标、水下潜器搭载声呐、沉底声呐观测系统和冰基表层加速度拾取系统。冰区环境通常复杂险恶，冰层厚度有时厚达数米且伴有冰层随洋流的漂移。在中央冰区进行水下声信号拾取时，现有设备均有各自的缺点与不足。首先，声呐浮标和水下潜器搭载声呐只能通过开阔水域或人工冰洞进行布放，前者难以停留在冰区核心预期位置且受运输条件限制；后者需要采用人力或机械开凿冰洞，该方式耗费大量人力物力且存在极大安全隐患。沉底声呐通常为预置系统，在冰区使用位置不灵活且面临数据难以回传的问题。冰基传感器克服了以上方法的缺点，提供了该环境下的水下声源的探测手段。
4.目前最为广泛应用的冰基传感器为三分量地震检波器。该方案把用于海底地质勘探的设备直接或进行适当地改进从而应用在冰层检测表面振动加速度。传统的探测器布放通常采用人力冰层安放。有发明采用热融的方法融化探测器周围海水，经冻结后保证紧密耦合。然而由于风吹和冰层运动等原因，很难保证拾取设备垂直冻于冰层。近来，专利《一种冰基水下声源探测装置及其探测方法》为解决加速度传感器布放困难的问题，设计了一种可用于空中投放的探测装置并描述了探测流程。以上装置的基本原理都是检测冰层表面加速度这一物理量。然而，水声通信、定位频段相对于地震波往往具有频率高、带宽大的特点，例如水声通信常使用1khz-20khz的频率范围。针对如此宽的带宽，设计同等检测能力的检波器更为复杂、成本较高。此外，在这一频段内，基于声压的水听器灵敏度优于基于加速度的检波器。最后，地震检波器耦合效果较差，且在冰区实际布放时很难使用标准化工具快速操作，从而增加了布放时间与成本。


技术实现要素：

5.本发明要解决常规水下声信号拾取设备因冰层的存在部署不灵活、信息难以透过冰层回传，以及现有冰基检波器对于通信信号探测灵敏度低、部署可靠性低、部署成本高的问题，而提供一种基于声固耦合的高灵敏度、可标准化的便捷冰基水下声信号拾取设备。该设备可以用于极地中心冰区的声学研究，或作为冰下航行器定位与通信信号的接收基站，也可长期部署，进行水下非合作目标监测。
6.本发明的目的是这样实现的：包括刚性外壳、设置在刚性外壳下端中间位置的水听器、依次设置在刚性外壳内的电子舱、电池舱和信号处理舱、设置在刚性外壳上端的数据传输单元，在刚性外壳下端部还设置有膜体结构，膜体结构内设置有声固耦合液。
7.进一步地，冰层中的弹性波透过膜体结构与声固耦合液耦合为压力波；水听器接收由声固耦合液传导的压力波；电子舱对水听器接收到的声信号进行滤波、放大、检测；信号处理舱对电子舱处理后的信号进行分析、通信打包；数据传输单元将信号处理舱的处理结果进行数据传输。
8.进一步地，膜体结构与刚性外壳下端螺纹密封连接。
9.进一步地，所述膜体结构为柔性膜，使用螺纹压紧的形式把柔性膜固定在外底部胶圈与刚性外壳之间，使用密封胶将连接处密封。
10.进一步地，水听器为标准声压水听器或矢量水听器。
11.进一步地，声固耦合液为以乙二醇或丙二醇为基液的防冻液。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.1.该技术采用冰基方式拾取流固耦合的冰层声信号，在中央冰区的实际应用中，相比于声呐浮标、沉底声呐，具有不受运输能力限制、部署灵活、易于形成阵列优点。
14.2.该技术相比于冰区水下潜器检测水下声信号的方法，具有监测时间长、可大区域组网覆盖、信息回传及时的优点。
15.3.相对于传统基于加速度物理量的检波器，该技术拾取流固耦合的压力波，在水声通信、定位的频段具有高灵敏度、低成本的优势。
16.4.该设备底部由柔性膜承载声固耦合液，其形状由于声固耦合液的作用可随布放位置随意改变，从而保证了可以快速与冰层良好的耦合。
17.5.该设备流固耦合液选择与冰层特性阻抗相近的低冰点液体，一方面保证了弹性波向压力波良好的转化效率，另一方面可以适应低温工作环境。
18.6.该设备水平截面(如形状、直径)与标准冰层打孔设备相吻合，一方面可以进行标准化快速作业，另一方面保证了设备姿态。
19.7.由于设备姿态可控，因此水听器既可以是标准声压水听器，也可以是矢量水听器，从而获得额外信号处理增益。
附图说明
20.图1是本发明的主要结构示意图；
21.图2是本发明的立体图。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
23.实施例一：结合图1-2，本发明包括刚性外壳、设置在刚性外壳下端中间位置的水听器、依次设置在刚性外壳内的电子舱、电池舱和信号处理舱、设置在刚性外壳上端的数据传输单元，在刚性外壳下端部还设置有膜体结构，膜体结构内设置有声固耦合液。
24.实施例二：在实施例一的基础上，膜体结构与刚性外壳下端螺纹密封连接。
25.实施例三：在上述实施例的基础上，所述膜体结构为柔性膜，使用螺纹压紧的形式把柔性膜固定在外底部胶圈与刚性外壳之间，使用密封胶将连接处密封。
26.如图1所示，当膜体结构为柔性膜时，本发明由柔性膜1、声固耦合液2、水听器3、电子舱4、电池仓5、信号处理舱6、数据传输单元7、刚性外壳8构成。柔性膜1起到承载声固耦合
液的作用，它具有高强度、耐磨、抗低温、易形变的的特性，并且其形状可改变以实现与冰层紧密的贴合，例如使用热塑性聚氨酯tpu作为柔性膜的加工材料；使用螺纹压紧的形式可以把柔性膜1固定外底部胶圈与刚性外壳8之间，随后使用密封胶将连接处密封，以防漏液。声固耦合液具有低冰点，其特性阻抗与冰层相近，声固耦合液2将冰层弹性波耦合为压力波，它冰点较低以保证低温环境下不固化，同时与冰层具有良好的阻抗匹配，声固耦合液可以选用以乙二醇或丙二醇为基液的防冻液。水听器3接收经由声固耦合液2传播的声信号，它具有高灵敏度以及良好的频率响应，既可以是声压水听器，也可以是矢量水听器。刚性外壳中包含电子舱、电池舱、信号处理舱等用于自身定位、姿态、信号处理及检测等电子模块；数据传输单元可以是有线传输也可以是无线传输。电子舱4处理由水听器3接收到的声信号，其内部包括滤波器、信号放大器等信号预处理模块。电池舱5为本设备提供电能。信号处理舱6包括用于校正自身姿态的仪器、卫星定位模块以及信号解调、分析、通信处理等模块，对预处理的信号进行更进一步的检测、分析。数据传输单元7将本设备的信号处理结果通过有线或无线方式组成阵列，或向数据中心传输。刚性外壳8底部为水听器3，内部包括电子舱4、电池舱5和信号处理舱6。
27.进一步，刚性外壳可以根据冰上标准钻孔设备设计，从而保证设备布放的稳定性。
28.进一步，高强度柔性膜应具有足够的体积，以保证水听器与冰层有充足声固耦合液填充。
29.该设备的工作背景如下：
30.(1)在冰面使用标准直径25cm打洞器开钻冰洞；
31.(2)设备开机，使得带有声固耦合液一端放入冰洞中；
32.(3)由于使用柔性膜1作为声固耦合液2承载体，因此设备声固耦合液2与冰层接触紧密。
33.该设备的具体工作流程如下：
34.(1)冰层中的弹性波透过柔性膜1与声固耦合液2耦合为压力波；
35.(2)水听器3接收由声固耦合液2传导的压力波；
36.(3)电子舱4对水听器3接收到的声信号进行滤波、放大、检测；
37.(4)信号处理舱6对电子舱4处理后的信号进行分析、通信打包；
38.(5)数据传输单元将信号处理舱6的处理结果进行数据传输。