本發(fā)明涉及一種矢量傳感器單元，具體的說(shuō)是一種可在水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)中使用，能夠同時(shí)獲取水下聲信號(hào)和海底振動(dòng)信號(hào)的矢量傳感器單元。

背景技術(shù)：

水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)是由水下一系列探測(cè)節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般分為固定式和移動(dòng)式兩種，主要用于軍事偵查，港口的航道警戒，海洋觀測(cè)等，具有非常重要的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。近年來(lái)，雖然我國(guó)正大力推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化的水下警戒系統(tǒng)和海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作，但是與國(guó)外相比，我國(guó)構(gòu)建的水下網(wǎng)絡(luò)化對(duì)抗系統(tǒng)及其運(yùn)行還存在一定的差距，構(gòu)建的系統(tǒng)主要位于我國(guó)近岸或近海、缺乏深遠(yuǎn)海對(duì)抗能力，并且水下對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)手段單一，深海隱蔽作業(yè)能力薄弱，一些制約水下網(wǎng)絡(luò)中心對(duì)抗技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題尚待解決。

典型的固定式水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)是由多個(gè)基于聲壓水聽(tīng)器的聲學(xué)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，依靠水聽(tīng)器直接測(cè)量探測(cè)節(jié)點(diǎn)上方水域目標(biāo)的噪聲。深海固定式水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)可以利用深遠(yuǎn)海的聲傳播特性，形成海底遠(yuǎn)程立體探測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)水下目標(biāo)遠(yuǎn)程探測(cè)與大范圍預(yù)警，并可以結(jié)合移動(dòng)對(duì)抗節(jié)點(diǎn)，對(duì)水下作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)進(jìn)行探測(cè)、偵察、定位。

隨著減震降噪技術(shù)的不斷發(fā)展，水下低噪聲目標(biāo)越來(lái)越多，傳統(tǒng)的聲壓水聽(tīng)器已不能很好地滿(mǎn)足水下監(jiān)測(cè)的需要。矢量水聽(tīng)器是一種體積小且具有偶極子形指向性的聲接收器，低頻(1khz以下)聲接收性能優(yōu)異。與聲壓水聽(tīng)器相比，其在探測(cè)距離、目標(biāo)識(shí)別和定向方面均有提高，目前已經(jīng)在聲納浮標(biāo)、潛標(biāo)等噪聲測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)中，由于受到安裝方式的限制，矢量水聽(tīng)器一直沒(méi)有得到大規(guī)模的應(yīng)用。

雖然低頻聲波可以在海洋中遠(yuǎn)距離傳播，但是在由遠(yuǎn)海向近岸傳播過(guò)程中，由于海面和海底的反射作用，水體中的聲波能量衰減很快，直接影響了聲學(xué)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作。由于海底的反射作用，聲場(chǎng)有很大一部分能量投射到海底介質(zhì)中，并通過(guò)地聲的方式向遠(yuǎn)處傳播，因此對(duì)地聲信號(hào)的獲取和分析，對(duì)于目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)有著重要的意義。目前在海底固定式地聲探測(cè)中通常使用海底地震儀(us13109794，zl201110278604.9)，雖然這種傳感器能獲取海底三維振動(dòng)信息和水體的聲壓信息，但是這種方法工作時(shí)間短，測(cè)量點(diǎn)少，因此獲取的信息量比較有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明基于水聲和地聲兩種遠(yuǎn)程探測(cè)技術(shù)，提出一種用于水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)的矢量傳感器單元，該單元同時(shí)接收聲學(xué)和振動(dòng)信號(hào)信息，利用多傳感器數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的遠(yuǎn)程探測(cè)、識(shí)別、定位和通信。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下方案：

一種用于水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)的矢量傳感器單元，包括用于水聲信號(hào)測(cè)量的矢量水聽(tīng)器、用于地震信號(hào)測(cè)量的矢量檢波器及信號(hào)處理模塊，所述矢量水聽(tīng)器及矢量檢波器均與信號(hào)處理模塊的輸入端連接，所述信號(hào)處理模塊的輸出端連接接駁盒。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

多個(gè)所述矢量傳感器單元的信號(hào)處理模塊通過(guò)主電纜組成鏈路網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)各信號(hào)處理模塊處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)主電纜傳輸?shù)浇玉g盒，由接駁盒將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚泳W(wǎng)絡(luò)。

所述矢量水聽(tīng)器采用環(huán)氧樹(shù)脂灌注成一個(gè)中性正浮力球體，八只聲壓水聽(tīng)器均勻鑲嵌球體表面，六只壓電加速度計(jì)兩兩正交對(duì)稱(chēng)放置球體幾何中心并相互位置利用安裝基座矯正固定，前置放大電路和集成磁羅經(jīng)傳感器位于球體內(nèi)部偏上位置，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)柔性復(fù)合電纜輸出。

所述矢量檢波器和信號(hào)處理模塊采用橡膠硫化安裝于水密盒內(nèi)，集成為主電纜的一部分；矢量檢波器與海底接觸，由一個(gè)聲壓水聽(tīng)和三個(gè)電容加速度計(jì)組成；矢量檢波器的頭部為透聲橡膠罩，內(nèi)部安裝有壓電元件及壓電元件基座，壓電元件產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)雙絞線(xiàn)接入信號(hào)處理模塊；三只電容加速度計(jì)相互正交地固定在安裝基座上，信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)接入信號(hào)處理模塊。

所述的矢量水聽(tīng)器使用單只柔性復(fù)合電纜實(shí)現(xiàn)柔性懸掛。

所述的矢量水聽(tīng)器使用的柔性復(fù)合電纜的另一頭為水密接插件，可實(shí)現(xiàn)水下濕插拔。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

本發(fā)明使用矢量水聽(tīng)器替代聲壓水聽(tīng)器，在低頻探測(cè)方面具有更高的探測(cè)精度；矢量水聽(tīng)器采用錨系海底的安裝方式，離底高度可根據(jù)不同海域的水聲環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，以獲取最佳探測(cè)條件；本發(fā)明引入地聲探測(cè)技術(shù)，增強(qiáng)水下遠(yuǎn)程探測(cè)效果，有效地彌補(bǔ)單一探測(cè)方式的不足；本發(fā)明可用于海底石油勘探，海底聲學(xué)參數(shù)測(cè)量，海底地震與海嘯的監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是矢量傳感器單元整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是矢量水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是矢量檢波器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、矢量水聽(tīng)器；11、中性正浮力球體；12、聲壓水聽(tīng)器；13、壓電加速度計(jì)；14、安裝基座；15、前置放大電路；16、柔性復(fù)合電纜；17、水密接插件；2、矢量檢波器；21、水密外殼；22、透聲橡膠層；23、壓電元件；24、雙絞信號(hào)線(xiàn)；25、安裝基座；26、電容加速度計(jì)；27、信號(hào)線(xiàn)；28、安裝基座；3、信號(hào)處理模塊；4、主電纜；5、接駁盒；6、海底；7、海面；31、調(diào)理模塊；32、數(shù)據(jù)采集模塊；33、通信模塊；34、控制模塊；35、接插件接口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，矢量傳感器單元包括一只矢量水聽(tīng)器1，一只矢量檢波器2，和一個(gè)信號(hào)處理模塊3，如圖1所示。矢量水聽(tīng)器1通過(guò)柔性復(fù)合電纜16另一端的水密接插件17與信號(hào)處理模塊3實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電路上的連接，信號(hào)處理模塊3作為矢量檢波器2的一部分。多個(gè)矢量傳感器單元通過(guò)主電纜4組成鏈路網(wǎng)絡(luò)，工作時(shí)矢量傳感器單元將實(shí)時(shí)處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)主電纜4將信號(hào)傳輸?shù)浇玉g盒5內(nèi)，然后由接駁盒5將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚泳W(wǎng)絡(luò)。接駁盒5作為矢量傳感器單元的供電與信息中轉(zhuǎn)設(shè)備。

矢量水聽(tīng)器1結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)矢量水聽(tīng)器1采用環(huán)氧樹(shù)脂灌注成一個(gè)中性正浮力球體11，以保證其水密性和耐壓性。八只聲壓水聽(tīng)器12均勻鑲嵌球體表面，六只壓電加速度計(jì)13兩兩正交對(duì)稱(chēng)放置球體幾何中心，相互位置利用安裝基座14矯正。前置放大電路15和集成磁羅經(jīng)傳感器位于球體內(nèi)部偏上位置，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)柔性復(fù)合電纜16輸出。

矢量檢波器2和信號(hào)處理模塊3采用橡膠硫化在水密盒21內(nèi)，集成為主電纜4的一部分，如圖3所示。矢量檢波器2由一個(gè)聲壓水聽(tīng)22和三個(gè)電容加速度計(jì)26組成，直接和海底6部接觸。矢量檢波器2的頭部是一個(gè)透聲橡膠罩22，內(nèi)部安裝有壓電元件23及其基座25，壓電元件23產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)雙絞線(xiàn)24接入信號(hào)處理模塊。三只電容加速度計(jì)26相互正交地固定在安裝基座28上，信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)27接入信號(hào)處理模塊。

信號(hào)處理模塊3用于對(duì)矢量單元中所有傳感器信號(hào)的處理、控制和傳輸。矢量水聽(tīng)器1的輸出信號(hào)通過(guò)接插件接口35引入，矢量檢波器的輸出信號(hào)直接從水密盒21內(nèi)通過(guò)線(xiàn)纜引入。傳感器輸出信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)調(diào)理模塊31進(jìn)行放大濾波，控制器34用于增益控制；然后信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊32，完成信號(hào)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)通信模塊33將信號(hào)送入主電纜4。

本發(fā)明可以對(duì)海洋中1khz以下低頻噪聲與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，即使對(duì)于5～20hz范圍的次聲頻信號(hào)，也能發(fā)揮重要作用。其中根據(jù)任務(wù)需求，矢量水聽(tīng)器可以布置在一千米左右的深海，充分利用深海聲道軸的聲傳播特性，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警，以及單向遠(yuǎn)程通信；或者布置于二千米以下的深海，利用可靠聲路徑，實(shí)現(xiàn)大范圍的水下立體探測(cè)。結(jié)合地聲技術(shù)的探測(cè)方法，本發(fā)明將水聲用矢量水聽(tīng)器與地震用矢量檢波器集成在一起，對(duì)海洋中的聲與振動(dòng)兩種信號(hào)聯(lián)合分析，能得到更全面的水下信息。為了配合海底電纜的布放，矢量水聽(tīng)器采用海底錨系的安裝方式，自身方位利用磁羅經(jīng)矯正。

在水下監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)的建設(shè)中，可先利用無(wú)人潛航器(uuv)進(jìn)行海底主電纜鋪設(shè)，再使用水下遙控潛水器(rov)安裝矢量水聽(tīng)器到相應(yīng)的探測(cè)節(jié)點(diǎn)，并負(fù)責(zé)后期的維護(hù)工作。

以上所舉實(shí)施例為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，僅用來(lái)方便說(shuō)明本發(fā)明，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，若在不脫離本發(fā)明所提技術(shù)特征的范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所揭示技術(shù)內(nèi)容所作出局部改動(dòng)或修飾的等效實(shí)施例，并且未脫離本發(fā)明的技術(shù)特征內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)特征的范圍內(nèi)。