CN110406637A - 基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，无人船上设有船载控制模块、船载通信模块、液压液储存腔和汞储存腔；细小型拖缆内的末端设有一具有缆内液压液储存腔和缆内汞储存腔的活塞筒，细小型拖缆内设有一条液压液连通管和一条汞连通管，液压液连通管连通液压液储存腔和缆内液压液储存腔，汞连通管连通的汞储存腔与缆内汞储存腔，所述船载控制模块控制液压腔带杆密封活塞和汞腔带杆密封活塞的工作状态，进而控制细小型拖缆末端的配重实现细小型声呐阵列的姿态转换。本发明可以使基于无人船的细小型声呐阵列灵活、方便的进行水平姿态或垂直姿态的转换，进而适应复杂水域环境和满足多种任务需求，提升探测效率。
Description
技术领域
本发明属于拖曳式声呐阵列领域，特别是涉及一种基于无人船的细小声呐阵列进行水平姿态与垂直姿态转换的方法和装置。
背景技术
拖曳式声呐阵列广泛应用于海洋军事和国民经济生产中，其在水下目标探测、定位中发挥着重要的作用。
拖曳式声呐阵列具有阵列孔径大、观测面积广，拖曳平台噪声影响小等显著优点，但也有很多的局限性。首先，为了减小拖曳平台的噪声(如发动机噪声)影响，拖曳式声呐阵列需要使用非常长的前导段与弹性段使水声信息传感段远离拖曳平台，但这样会增加整个拖曳探测系统的重量和体积，在拖曳式声呐阵列回收后也会占用拖曳平台大量的存储空间。其次，拖曳式声呐阵列的布放与回收的操作过程复杂、灵活性差，实现难度大，运行成本高。
而将无人船与细小型声呐阵列相结合，则可以弥补拖曳式声呐阵列的缺陷。首先，与传统拖曳平台相比，无人船自身噪声极低，不需要非常长的前导段与弹性段来减小拖曳平台噪声，能进一步降低拖曳式声呐阵列探测系统的目标检测阈值，提升目标检测性能。其次，无人船与细小型声呐阵列的系统体积小、成本低。且无人船机动灵活的特点可进一步扩大观测面积，实现快速灵活的布放与回收。
但是，细小型声呐阵列中的拖缆平行于海平面，工作时处于海洋表层，其缆内检波器的信号接收方向一般为指向海底的方向。因此，对位于细小型声呐阵列平面下的信号的探测效果较好。而当信号源位置偏离检波器的信号接收方向，处于细小型声呐阵列的探测盲区时，信号源难以被检测到，探测效果较差。若此时细小型声呐阵列中的拖缆沿垂直海平面方向延伸，指向海底，其内检波器的信号接收方向为沿海平面指向远方，细小型声呐阵列的信号接收范围则可以覆盖其处于水平状态时的盲区，进而取得更好的探测效果。
因此，设计一种基于无人船的细小型声呐阵列进行水平姿态与垂直姿态的转换的方法，使探测活动可以合理灵活的使用水平缆与垂直缆进行探测，这可以充分发挥两种探测方式的优势，有效地提升探测效率，优化探测成果。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出一种改变基于无人船的细小型声呐阵列的水平和垂直姿态的方法和装置，使基于无人船的细小型声呐阵列可以根据实际情况，灵活、方便的进行水平姿态或垂直姿态的转换，进而适应复杂水域环境和满足多种任务需求，提升探测效率。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，无人船拖曳有多个细小型拖缆，细小型拖缆设有缆内检波器，所述无人船上设有船载控制模块、船载通信模块、液压液储存腔和汞储存腔，所述液压液储存腔内设有液压腔带杆密封活塞，所述汞储存腔内设有汞腔带杆密封活塞；所述细小型拖缆内设有一条液压液连通管和一条汞连通管，液压液连通管的一端与所述液压液储存腔连通，所述汞连通管的一端与所述汞储存腔连通，所述液压液连通管的另一端与所述汞连通管的另一端均位于细小型拖缆内的末端、且两者之间连接有一活塞筒，所述活塞筒内设有一密封活塞，位于所述密封活塞一端的腔室A与所述液压液连通管连通，该腔室A记为缆内液压液储存腔，位于所述密封活塞另一端的腔室B与所述汞连通管连通，该腔室B记为缆内汞储存腔，所述缆内液压液储存腔和缆内汞储存腔的容积之和为V1，
其中，13590kg/m3是常温常压下汞密度，M为液压液连通管内充满液压液，汞连通管内充满金属汞，缆内液压液储存腔和缆内汞储存腔均为空时细小型拖缆水下部分质量，F1为此时细小型拖缆所受浮力，g为无人船所在地重力加速度；所述船载控制模块根据所述船载通信模块接收到的控制指令控制液压腔带杆密封活塞和汞腔带杆密封活塞的工作状态。
进一步讲，本发明基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，其中，所述液压液储存腔内的液压液使用常温常压下密度为860kg/m3的液压油。
所述汞连通管由抗汞腐蚀材料制成，管壁为密闭。
所述液压液储存腔和汞储存腔均位于无人船的尾部。
同时，本发明提出了一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的方法，利用上述基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，其中，细小型声呐阵列由多根平行于海平面的细小型拖缆组成，细小型拖缆为水平姿态时，船载控制模块控制液压腔带杆密封活塞和所述汞腔带杆密封活塞，使缆内液压液储存腔容积为V2，缆内汞储存腔容积为V3，
细小型声呐阵列在水平和垂直姿态之间进行转换，包括：
1)细小型声呐阵列由水平姿态转换为垂直姿态：
细小型拖缆由水平姿态转换为垂直姿态：船载控制模块控制液压腔带杆密封活塞和汞腔带杆密封活塞，使汞储存腔容积减少ΔV，将ΔV体积的金属汞通过汞连通管，由汞储存腔输送至缆内汞储存腔，此时缆内汞储存腔的容积为V3+ΔV
其中，F2为细小型拖缆在下沉过程中所受阻力；对组成细小型声呐阵列的所有细小型拖缆均进行上述操作；
2)细小型声呐阵列在水平和垂直姿态之间进行转换：
细小型拖缆由垂直姿态转换为水平姿态：船载控制模块控制液压腔带杆密封活塞和汞腔带杆密封活塞，使汞储存腔容积增加ΔV，将ΔV体积的金属汞通过汞连通管，由缆内汞储存腔输送至汞储存腔，此时缆内汞储存腔的容积为V3；对组成细小型声呐阵列的所有细小型拖缆均进行上述操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
基于无人船的细小型声呐阵列由多根平行于海平面的细小型拖缆组成，利用常温常压下金属汞为液态，且密度较大的特性，将其作为配重物，可以使基于无人船的细小型声呐阵列中的单根细小型拖缆灵活、方便的进行水平、垂直姿态转换，进而使整个细小型声呐阵列实现水平、垂直姿态转换。
附图说明
图1示出本发明的基于无人船的细小型声呐阵列的俯视图。
图2示出本发明的基于无人船的细小型声呐阵列的姿态转换系统的总体方案结构，同时也为基于无人船的细小型声呐阵列中的细小型拖缆处于水平状态时的示意图。
图3示出本发明的基于无人船的细小型声呐阵列中的细小型拖缆的垂直状态图。
图中：1-无人船，2-船载控制模块，3-船载通信模块，4-液压腔带杆密封活塞，5-液压液储存腔，6-汞腔带杆密封活塞，7-汞储存腔，8-细小型拖缆，9-汞连通管，10-液压液连通管，11-缆内液压液储存腔，12-密封活塞，13-缆内汞储存腔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，细小型声呐阵列由多根平行于海平面的细小型拖缆组成，无人船1拖曳有多个细小型拖缆8，即所述细小型拖缆8为无人船拖曳的细小型声呐阵列中的一根细小型拖缆；细小型拖缆8设有缆内检波器。本发明一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的方法的设计思路是，利用常温常压下金属汞为液态，且密度较大的特性，将其作为配重物，可以使基于无人船的细小型声呐阵列中的单根细小型拖缆灵活、方便的进行水平、垂直姿态转换，进而使整个细小型声呐阵列实现水平、垂直姿态转换。
如图2所示，本发明提出的一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，包括无人船1、船载控制模块2、船载通信模块3、液压腔带杆密封活塞4、液压液储存腔5、汞腔带杆密封活塞6、汞储存腔7、细小型拖缆8、汞连通管9、液压液连通管10、缆内液压液储存腔11、密封活塞12和缆内汞储存腔13。
所述无人船1用于拖曳细小型声呐阵列、承载装置中的船载控制模块2、船载通信模块3、液压液储存腔5和汞储存腔7等相关部件；所述液压液储存腔5和汞储存腔7均位于无人船1的尾部。
所述船载控制模块2根据所述船载通信模块3接收到的控制指令控制液压腔带杆密封活塞4和汞腔带杆密封活塞6的工作状态。
所述船载通信模块3用于接收姿态转换命令等作业相关指令，并传送至所述船载控制模块2。
液压腔带杆密封活塞4设置在液压液储存腔5内，所述液压液储存腔5用于储存液压液，液压液使用常温常压下密度为860kg/m3的液压油；汞腔带杆密封活塞6设置在汞储存腔7内，所述汞储存腔7用于储存配重物金属汞。
在细小型拖缆内的末端设有一活塞筒，密封活塞12设置在该活塞筒内，将活塞筒分为两个腔室，一边为缆内液压液储存腔11，另一边为缆内汞储存腔13，所述密封活塞12用于隔离缆内液压液储存腔11和缆内汞储存腔12，并可随两腔体积变化改变位置。
汞连通管9和液压液连通管10均沿拖缆的长度方向设置在细小型拖缆内，所述汞连通管9的两端分别连接至汞储存腔7和缆内汞储存腔13，用于连通汞储存腔7与缆内汞储存腔13，汞储存腔5、汞连通管9、缆内汞储存腔12三者相互连通，应同时保持密闭，并能承受一定压力；所述汞储存腔7、汞腔带杆密封活塞6和汞连通管9均应选用抗汞腐蚀材料制成，同时应保持良好的密闭性，防止汞蒸气逸出。
液压液连通管10的两端分别连接至液压液储存腔5和缆内液压液储存腔11，用于连通液压液储存腔5与缆内液压液储存腔11，液压液储存腔5、液压液连通管10、缆内液压液储存腔11三者相互连通，应同时保持密闭，并能承受一定压力。
所述液压腔带杆密封活塞4用于改变液压液储存腔5的体积，相应的改变缆内液压液储存腔11的体积，所述汞腔带杆密封活塞6用于改变汞储存腔7的体积，相应的改变缆内汞储存腔13的体积。
对于设置在细小型拖缆8末端的活塞筒的大小，应既能储存足够使细小型拖缆8下沉的配重物金属汞，同时也不会占用过多的缆内空间；因此，使缆内汞储存腔13与缆内液压液储存腔12体积之和至少为V1，常温常压下汞密度为13590kg/m3，无人船1所在地重力加速度为g，当细小型拖缆8处于图2所示状态，且液压液连通管10内充满液压液，汞连通管9内充满金属汞，缆内液压液储存腔11为空，缆内汞储存腔13为空时，细小型拖缆8水下部分质量为M，所受浮力为F1，则应使V1满足：
在上述装置基础上，设计了改变基于无人船的细小型声呐阵列的姿态的方法。
细小型拖缆处于水平姿态时，如图2所示，此时，缆内液压液储存腔11体积为V2，缆内汞储存腔13体积为V3，则应使V2、V3满足：
当船载通信模块3接收到将细小型声呐阵列转换为垂直姿态的指令后，船载控制模块2控制汞腔带杆密封活塞6，使汞储存腔7体积减少ΔV。将ΔV体积的配重物金属汞通过汞连通管9，由汞储存腔7输送至缆内汞储存腔13，此时缆内汞储存腔13的容积为V3+ΔV
细小型拖缆8在下沉过程中所受阻力为F2，应使ΔV满足：
同时，船载控制模块2也控制液压腔带杆密封活塞4，使液压液储存腔5体积增大ΔV，相应的使缆内液压液储存腔11体积减小ΔV。此时，在缆内汞储存腔13内的金属汞体积体积增大ΔV，使细小型拖缆8末端配重后下沉，进而转换为垂直姿态。对组成细小型声呐阵列的所有细小型拖缆都进行上述操作，即可使基于无人船的细小型声呐阵列由水平姿态转换为垂直姿态。
当细小型拖缆处于垂直姿态，如图3所示。当船载通信模块3接收到将细小型声呐阵列转换为水平姿态的指令后，船载控制模块2控制液压腔带杆密封活塞4，使液压液储存腔5体积减小ΔV，相应的使缆内液压液储存腔11体积增大ΔV，将缆内液压液储存腔体11积变为V2。同时，船载控制模块2控制汞腔带杆密封活塞6，使汞储存腔7体积增大ΔV，将ΔV体积的配重物金属汞通过汞连通管9，由缆内汞储存腔13输送至汞储存腔7，将缆内汞储存腔13体积变为V3，使缆内汞储存腔13内的金属汞体积减少，使细小型拖缆末端重量减小后上升，直至细小型拖缆8转为水平姿态。对组成细小型声呐阵列的所有细小型拖缆都进行上述操作，即可使基于无人船的细小型声呐阵列由垂直姿态转换为水平姿态。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，无人船(1)拖曳有多个细小型拖缆(8)，细小型拖缆(8)设有缆内检波器，其特征在于，
所述无人船(1)上设有船载控制模块(2)、船载通信模块(3)、液压液储存腔(5)和汞储存腔(7)，所述液压液储存腔(5)内设有液压腔带杆密封活塞(4)，所述汞储存腔(7)内设有汞腔带杆密封活塞(6)；
所述细小型拖缆(8)内设有一条液压液连通管(10)和一条汞连通管(9)，液压液连通管(10)的一端与所述液压液储存腔(5)连通，所述汞连通管(9)的一端与所述汞储存腔(7)连通，所述液压液连通管(10)的另一端与所述汞连通管(9)的另一端均位于细小型拖缆内的末端、且两者之间连接有一活塞筒，所述活塞筒内设有一密封活塞(12)，位于所述密封活塞(12)一端的腔室A与所述液压液连通管(10)连通，该腔室A记为缆内液压液储存腔(11)，位于所述密封活塞(12)另一端的腔室B与所述汞连通管(9)连通，该腔室B记为缆内汞储存腔(13)，所述缆内液压液储存腔(11)和缆内汞储存腔(13)的容积之和为V1，
其中，13590kg/m3是常温常压下汞密度，M为液压液连通管(10)内充满液压液，汞连通管(9)内充满金属汞，缆内液压液储存腔(11)和缆内汞储存腔(13)均为空时细小型拖缆水下部分质量，F1为此时细小型拖缆所受浮力，g为无人船所在地重力加速度；
所述船载控制模块(2)根据所述船载通信模块(3)接收到的控制指令控制液压腔带杆密封活塞(4)和汞腔带杆密封活塞(6)的工作状态。
2.根据权利要求1所述基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，其特征在于，所述液压液储存腔(5)内的液压液使用常温常压下密度为860kg/m3的液压油。
3.根据权利要求1所述基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，其特征在于，所述汞连通管(9)由抗汞腐蚀材料制成，管壁为密闭。
4.根据权利要求1所述基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，其特征在于，所述液压液储存腔(5)和汞储存腔(7)均位于无人船(1)的尾部。
5.一种基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一所述的基于无人船的细小型声呐阵列进行姿态转换的装置，细小型声呐阵列由多根平行于海平面的细小型拖缆组成，细小型拖缆为水平姿态时，船载控制模块(2)控制液压腔带杆密封活塞(4)和所述汞腔带杆密封活塞(6)，使缆内液压液储存腔(11)容积为V2，缆内汞储存腔(13)容积为V3，
细小型声呐阵列在水平和垂直姿态之间进行转换，包括：
1)细小型声呐阵列由水平姿态转换为垂直姿态：
细小型拖缆由水平姿态转换为垂直姿态：船载控制模块(2)控制液压腔带杆密封活塞(4)和汞腔带杆密封活塞(6)，使汞储存腔(7)容积减少ΔV，将ΔV体积的金属汞通过汞连通管(9)，由汞储存腔(7)输送至缆内汞储存腔(13)，此时缆内汞储存腔(13)的容积为V3+ΔV，
其中，F2为细小型拖缆(8)在下沉过程中所受阻力；
对组成细小型声呐阵列的所有细小型拖缆均进行上述操作；
2)细小型声呐阵列在水平和垂直姿态之间进行转换：
细小型拖缆由垂直姿态转换为水平姿态：船载控制模块(2)控制液压腔带杆密封活塞(4)和汞腔带杆密封活塞(6)，使汞储存腔(7)容积增加ΔV，将ΔV体积的金属汞通过汞连通管(9)，由缆内汞储存腔(13)输送至汞储存腔(7)，此时缆内汞储存腔(13)的容积为V3；
对组成细小型声呐阵列的所有细小型拖缆均进行上述操作。
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