本發(fā)明涉及水聲測量領(lǐng)域，尤其涉及一種借助無人潛航器(uuv)輔助進(jìn)行水聲測量的裝置及其相關(guān)技術(shù)。所述裝置融合了uuv技術(shù)與水聲測量技術(shù)，涵蓋了水下航行器的控制、浮力調(diào)節(jié)、通信導(dǎo)航以及水聲信號采集等多方面，旨在為水聲測量工作提供更高效、便捷的解決方案。

背景技術(shù)：

1、在傳統(tǒng)的水聲測量工作中，所采用的測量裝置布放方式存在諸多弊端。其依賴輔船進(jìn)行布放操作，每個水聽器都要連接浮球，這使得整個布放過程極為繁瑣，不僅耗費(fèi)大量時間，還需要投入較多人力。在實(shí)際操作時，調(diào)整測量裝置困難重重，調(diào)整精度也難以達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響測量工作的效率和準(zhǔn)確性。而且，布放人員在極端情況下還可能面臨落水風(fēng)險(xiǎn)，威脅生命安全。當(dāng)測量工作結(jié)束后，回收水聲測量裝置的工作量幾乎與布放時相當(dāng)，進(jìn)一步增加了工作成本和難度。這些問題長期制約著水聲測量領(lǐng)域的發(fā)展，亟待一種新的技術(shù)方案來解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明一種uuv輔助式水聲測量裝置的核心目的是克服傳統(tǒng)水聲測量裝置的上述缺陷，提供一種uuv輔助式水聲測量裝置。通過將uuv應(yīng)用于水聲測量過程，大幅縮短水聲測量裝置布放與回收所需的時間，降低工作強(qiáng)度，減少人力投入。同時，利用uuv自動調(diào)整浮力的特性，使其能夠適應(yīng)不同重量的水聲測量裝置，增強(qiáng)裝置的適用性。此外，借助uuv之間相互通信導(dǎo)航定位的功能，精確獲取水聲測量裝置的定位信息以及它們之間的距離，提高測量的精度和可靠性，從而推動水聲測量技術(shù)的發(fā)展，滿足實(shí)際應(yīng)用中的多樣化需求。

2、本發(fā)明所提供的uuv輔助式水聲測量裝置，是一套高度集成且功能完備的系統(tǒng)，主要包括uuv(無人潛航器)以及水聲測量裝置。

3、水聲測量裝置：

4、水聲測量裝置由具備高靈敏度和寬頻響應(yīng)特性的水聽器構(gòu)成，能夠精準(zhǔn)感知并采集水下的各類聲學(xué)信號，精確捕捉各種細(xì)微的水聲信息。測量結(jié)束后，水聽器可根據(jù)實(shí)際需求選擇收回到uuv內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)和存儲，也可保持在外部狀態(tài)，方便后續(xù)連續(xù)測量或特定場景下的使用。

5、uuv(無人潛航器)：

6、作為整個裝置的核心載體，uuv采用一體化設(shè)計(jì)，具備卓越的水下航行性能，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量的關(guān)鍵所在。所述uuv內(nèi)部集成了多個重要功能模塊，包括吊放水聽器裝置、動力系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，共同保障測量工作的順利開展。

7、吊放水聽器裝置：

8、吊放水聽器裝置設(shè)置于uuv內(nèi)部，與水聽器緊密配合。吊放水聽器裝置通過水密航空插頭與水聽器可靠連接，承擔(dān)著收放水聽器線纜的重要職責(zé)，能夠依據(jù)不同測量需求，精確調(diào)節(jié)水聽器在水下的深度，確保水聽器(5)處于最佳測量位置，適應(yīng)各種復(fù)雜的水下聲學(xué)測量環(huán)境。

9、動力系統(tǒng)：

10、動力系統(tǒng)是uuv能夠在水下穩(wěn)定運(yùn)行的動力源泉。所述動力系統(tǒng)包括安裝在uuv艉電機(jī)艙后方的螺旋槳，以及艉電機(jī)艙內(nèi)的電機(jī)，uuv底部的電池艙。電機(jī)作為動力核心，通過軸系與螺旋槳相連，將電池艙提供的電能高效轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為uuv提供強(qiáng)大的前進(jìn)推力。uuv底部的電池艙內(nèi)配備采用先進(jìn)儲能技術(shù)的電池，不僅能為動力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供電，還為uuv上的其他設(shè)備提供充足電力，確保uuv在長時間的水下作業(yè)中保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

11、導(dǎo)航與控制模塊：

12、導(dǎo)航與控制模塊負(fù)責(zé)uuv的航行方向和姿態(tài)控制，由舵、艏壓載水艙和艉壓載水艙組成。舵通過巧妙改變水流對uuv的作用力方向，實(shí)現(xiàn)uuv靈活轉(zhuǎn)向，確保其能準(zhǔn)確駛向指定測量區(qū)域。艏壓載水艙和艉壓載水艙則通過精準(zhǔn)調(diào)整艙內(nèi)水量，改變uuv的重心和浮力分布。在搭載不同重量的水聽器或處于不同水域環(huán)境時，uuv能夠自動調(diào)整自身姿態(tài)，始終保持穩(wěn)定，為高精度的測量工作提供堅(jiān)實(shí)保障。

13、通信模塊：

14、通信模塊構(gòu)建了uuv與岸基控制之間穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)傳輸橋梁，由正浮力電纜和集成在艏綜合通訊系統(tǒng)的無線通訊組成。正浮力電纜在傳輸數(shù)據(jù)的同時，利用自身正浮力特性，有效減少uuv在水下受到的拖拽力，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。無線通訊則賦予uuv在復(fù)雜水下環(huán)境中靈活的數(shù)據(jù)傳輸能力，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與岸基控制的實(shí)時通信。這使得uuv能夠及時接收岸基控制指令，同時將測量數(shù)據(jù)快速反饋給岸基，實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交互。

15、數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊：

16、數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊集成于uuv內(nèi)部，是測量數(shù)據(jù)處理的核心環(huán)節(jié)。所述數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊對水聽器采集到的原始測量數(shù)據(jù)依次進(jìn)行信號放大、濾波去除噪聲和干擾信號、數(shù)字化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的處理，處理后的測量數(shù)據(jù)通過通信模塊穩(wěn)定傳輸至岸基控制，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

17、本發(fā)明所提供的uuv輔助式水聲測量裝置的工作原理，如下：

18、本發(fā)明的uuv輔助式水聲測量裝置工作原理基于多模塊協(xié)同運(yùn)作，旨在克服傳統(tǒng)水聲測量裝置的弊端，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的測量。

19、uuv動力與導(dǎo)航控制原理：

20、uuv的動力系統(tǒng)通過電機(jī)將電池艙的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，為uuv提供前進(jìn)動力。在導(dǎo)航與控制模塊中，舵依據(jù)控制指令改變水流對uuv的作用力方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。艏壓載水艙和艉壓載水艙通過調(diào)整水量，改變uuv的重心和浮力分布。當(dāng)搭載不同重量的水聽器或處于不同水域時，uuv能自動調(diào)節(jié)姿態(tài)，確保穩(wěn)定航行和測量，相比傳統(tǒng)方式，這種自主調(diào)節(jié)方式更靈活、高效，避免了復(fù)雜的人工操作和調(diào)整誤差。

21、浮力自適應(yīng)原理：

22、uuv具備自動調(diào)整浮力的功能。在實(shí)際測量中，不同的水聲測量裝置重量各異，uuv通過感知負(fù)載重量，自動控制艏、艉壓載水艙的水量。當(dāng)測量裝置較重時，增加壓載水，使uuv下沉并保持穩(wěn)定；反之，則減少壓載水，維持合適的浮力狀態(tài)。本發(fā)明的自適應(yīng)浮力調(diào)節(jié)機(jī)制使uuv能適應(yīng)多種測量裝置，拓展了裝置的應(yīng)用范圍，是對傳統(tǒng)固定浮力或復(fù)雜人工調(diào)節(jié)方式的重大改進(jìn)。

23、通信與數(shù)據(jù)傳輸原理：

24、通信模塊采用正浮力電纜和集成在艏綜合通訊系統(tǒng)的無線通訊兩種方式。正浮力電纜在傳輸數(shù)據(jù)時，利用自身正浮力減少uuv水下拖拽力，保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。無線通訊則賦予uuv在復(fù)雜水下環(huán)境中的靈活通信能力，使其能在一定范圍內(nèi)與岸基控制實(shí)時交互數(shù)據(jù)和指令。水聽器采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊處理后，通過通信模塊傳輸至岸基，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制，解決了傳統(tǒng)測量裝置通信不便、數(shù)據(jù)傳輸易受干擾的問題。

25、水聲測量原理：

26、水聲測量裝置中的水聽器利用高靈敏度和寬頻響應(yīng)特性采集水下聲學(xué)信號。吊放水聽器裝置通過水密航空插頭與水聽器連接，根據(jù)測量需求調(diào)整水聽器的深度。采集到的信號經(jīng)吊放水聽器裝置傳輸至uuv內(nèi)的數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊。數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊進(jìn)行信號放大、濾波和數(shù)字化處理，再通過通信模塊傳輸?shù)桨痘刂?，為后續(xù)分析提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，提高了測量的精度和可靠性。

27、本發(fā)明所提供的uuv輔助式水聲測量裝置的工作過程，如下：

28、準(zhǔn)備階段：

29、在測量前，工作人員將uuv充滿電，并檢查各部件連接情況。把水聽器與吊放水聽器裝置通過水密航空插頭連接好，檢測連接是否正常，確保uuv各系統(tǒng)，如動力、導(dǎo)航、通信等功能正常運(yùn)行。這一過程相比傳統(tǒng)測量裝置的復(fù)雜準(zhǔn)備工作，更加簡潔高效，減少了人力和時間成本。

30、布放階段：

31、將uuv投放在岸邊或者水面船上的水中，uuv自動啟動姿態(tài)調(diào)整程序，通過調(diào)節(jié)艏壓載水艙和艉壓載水艙內(nèi)的水量，使自身穩(wěn)定在水中。岸基控制通過通信模塊向uuv發(fā)送指令，uuv依據(jù)指令，利用導(dǎo)航與控制模塊，通過舵控制航行方向，螺旋槳推動其向指定測量區(qū)域前進(jìn)。在航行過程中，uuv實(shí)時監(jiān)測自身狀態(tài)和環(huán)境信息，自動調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)水流、水深變化，快速、準(zhǔn)確地到達(dá)測量區(qū)域，避免了傳統(tǒng)布放方式中受天氣、海況影響大以及布放時間長的問題。

32、測量階段：

33、到達(dá)指定測量區(qū)域后，岸基控制發(fā)送指令，uuv通過吊放水聽器裝置將水聽器下放至指定深度。水聽器開始采集水下聲學(xué)信號，并將信號傳輸給吊放水聽器裝置，再由其傳至uuv內(nèi)的數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊。數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊對信號進(jìn)行放大、濾波和數(shù)字化處理后，通過通信模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給岸基控制。在測量過程中，uuv利用自身的導(dǎo)航與控制模塊保持穩(wěn)定姿態(tài)，同時，若檢測到測量環(huán)境變化，如水流速度、方向改變，uuv通過自動調(diào)整艏壓載水艙和艉壓載水艙水量，實(shí)現(xiàn)調(diào)整浮力和姿態(tài)，確保水聽器穩(wěn)定測量，提高了測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

34、回收階段：

35、測量結(jié)束后，岸基控制發(fā)送回收指令。uuv可選擇將水聽器收回到內(nèi)部，也可保持其在外部，然后依據(jù)指令返回指定位置，如碼頭、岸邊或船邊。到達(dá)回收點(diǎn)后，工作人員回收uuv及所攜帶的水聲測量裝置。整個回收過程操作簡便，減少了傳統(tǒng)回收方式中大量的人力和時間投入，提高了工作效率。

36、有益效果

37、高效便捷：與傳統(tǒng)依賴輔船布放的水聲測量裝置相比，uuv輔助式水聲測量裝置實(shí)現(xiàn)了快速的布放與回收。準(zhǔn)備工作簡單，僅需連接水聽器和檢查uuv系統(tǒng)；布放時uuv自動調(diào)整姿態(tài)駛向測量區(qū)域，不受天氣和海況過多干擾；回收時也能迅速返回指定位置。整個過程極大縮短了測量周期，提高了工作效率，減少了人力投入。

38、適應(yīng)性強(qiáng)：本發(fā)明中的uuv具備自動調(diào)整浮力的功能，可依據(jù)搭載的水聲測量裝置重量以及所處水域環(huán)境，實(shí)時調(diào)節(jié)艏壓載水艙、艉壓載水艙水量，精準(zhǔn)控制浮力和姿態(tài)。這使其能適應(yīng)各種重量的測量設(shè)備，無論是輕型還是重型裝置，都能穩(wěn)定搭載并測量，拓展了應(yīng)用范圍，滿足多樣化測量需求。

39、測量精準(zhǔn)可靠：本發(fā)明的導(dǎo)航與控制模塊，使其能精確確定自身和測量裝置的位置，以及相互間的距離。水聽器采集的信號經(jīng)uuv內(nèi)的數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊精細(xì)處理，再通過穩(wěn)定的通信模塊傳至岸基，減少了信號干擾和誤差，保證了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)研究提供堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

40、成本與風(fēng)險(xiǎn)降低：滿足本發(fā)明功能的uuv成本較低，且高效的工作模式減少了人力和設(shè)備損耗，降低了整體測量成本。同時，uuv輔助測量避免了人員直接參與危險(xiǎn)的布放操作，保障了人員安全，減少了安全隱患。