一种海底真空管道声呐系统及工作方法与流程

1.本发明属于海底真空管道交通以及水下声呐技术领域，具体涉及一种海底真空管道声呐系统及工作方法。


背景技术：

2.电磁波的开发与应用是人类近代史上最重要的科技成就之一，极大地影响着人类社会经济、生活与科学技术，乃至军事活动的方方面面。20世纪上半叶，电磁波的典型应用领域，如无线电报、收音机、雷达等获得发展；20世纪后半叶，基于电磁波技术的电视、无线通讯(如手机)、卫星通讯得到普及与大规模应用。
3.进入21世纪，基于电磁波的卫星通讯技术gps、北斗导航等得到进一步发展，地球临近空间成为被成千上万颗人造卫星包围的世界，也使得对地球表面任何区域的观测、探测、通讯做到无死角，精度和分辨率达到mm级。
4.在地面，通讯机站遍布各地，通过无线电波接力传播方式，为手机应用提供强大支撑。过去20年里，无线通讯走过了2g、3g、4g时代，正迈向5g时代。
5.卫星通讯和地面通讯基站最基本的功能与技术特征是，发射和接收无线电波(电磁波)。
6.然而，电磁波服务人类的不尽如人意之处之一是，在水中衰减很快，传播距离仅几十米，以致电磁波无法用于水下通讯。从而，人类对占地球表面70％以上的海洋，尤其是海底世界的探测和通讯，还无法做到全覆盖、无死角和全时域。
7.跟电磁波不同的是，声波在水中衰减很小，于是，作为水下通讯技术的声呐(sonar)应运而生。当今，声呐已经广泛应用于潜艇、鱼雷、水下潜航器、水下定位跟踪、海底测量、海洋探测等领域，这些应用的特征是：单点性和临时性。
8.所谓单点性是指，现有声呐设备都被散布在海面下，符合延迟要求的有效覆盖范围十分有限，如潜艇声呐、鱼雷声呐、间谍声呐、海洋勘测声呐等。虽然地面通讯基站也是单点散布，但通讯基站可以相对独立地，在大气空间(或真空)一种介质中，完成跟广大用户设备(如手机)之间发射/接收无线电波任务。水下声呐相互之间可以直接传递声波，进行通讯，也可以跟附近的海面船舶直接通讯，但无法跟距离较远的海面船舶直接通讯，更无法跟远处的陆地设备直接(指仅经由一种介质)进行通讯。现有的水下声呐需要依靠浮标(相当于海面天线)进行远程通讯，如海底探测声呐、间谍声呐。因为拖曳有浮标，如间谍声呐浮标、无人潜航器浮标，有时被渔民发现和割断，甚至连同间谍声呐、潜航器一起被捕获。即使为了民用目的，遍布浮标的全球海洋世界仍然不可想象，并不可取，其弊端十分明显，这一点不同于地面通讯基站。
9.另外，鱼雷、水下潜航器的导航需要依赖水下潜艇或附近海面舰艇所配备的声呐，通讯距离十分有限。
10.所谓临时性是指，现有声呐设备都或移动应用，或临时在某一位置存在，如潜艇、鱼雷、水下潜航器、海洋探测等所装备的声呐。间谍声呐虽然可以较长期在某一固定位置存
在，但相比于地面通讯基站，仍然属于临时性设备。
11.那么，能否考虑设置不依赖于浮标，完全在海底设置的阵列式、永久性声呐网络，显然不可行，因为电池寿命有限。那么可否通过海底电缆对这些阵列式、永久性声呐供电，这是可能的，但专门为海底声呐建设海底电缆，显然不经济。如果借助于某一具有现实应用价值的海底设施，相互促进，逐步发展，弥补电磁波通讯的不足，建设全球海底声呐通讯网络，则成为一种值得探索的技术发展路径。
12.海底真空管道是一种即将实施的跨海越洋交通方式。基本形式为，在海床上修建管墩，然后通过水下施工方法，把真空管道管段按要求的精度架设在管墩上，再用水下密封连接方法把所有管道固定连接。海底环境对真空管道具有特殊优越性，海水可以为真空管道降温、提供恒温环境，还可为管道提供均匀浮力，抵消管道自身重力作用，降低结构强度要求，减少工程费用。未来，海底真空管道将遍布全球各大洋海底，依托其建设海底声呐通讯网络，可望具备良好的经济效果和发展前景。


技术实现要素：

13.为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种海底真空管道声呐系统及工作方法，该系统不再依靠浮标或海面平台，即可实现远程信号传递，而且响应速度快；该工作方法避免二次建设造成浪费。
14.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
15.一种海底真空管道声呐系统，包括沿着海底真空管道外壁上设置的多组声呐、安装在海底真空管道内用于为声呐提供电源的供电线缆以及安装在海底真空管道内用于为声呐提供通讯服务的信号传输线；
16.所述声呐的电缆接口均通过贯穿安装在海底真空管道上的第一真空接线端子与供电线缆连接；
17.所述声呐的信号接口均通过贯穿安装在海底真空管道上的第二真空接线端子与信号传输线连接。
18.进一步地，所述声呐包括用于发出声波信号的主动声呐和被动声呐。
19.进一步地，所述声呐分别沿着海底真空管道外部周向均匀间隔安装。
20.进一步地，位于海底真空管道顶部的声呐通过牵引绳悬挂在海底真空管道上方，所述牵引绳连接有用于牵拉声呐的浮球。
21.进一步地，位于海底真空管道两侧的声呐均安装在用于支撑海底真空管道的管墩承台上。
22.一种海底真空管道声呐系统的工作方法，该声呐系统运行，声呐启动工作，持续对海底真空管道沿线接收信号距离范围的海洋进行探测，获取潜航物所有的特征信息、位置、移动速度，并通过海底真空管道内的信号传输线传至陆上控制中心；
23.当不明身份的潜航物靠近海底真空管道时，该声呐系统发出警告或干扰声波，予以驱离；若无视警告和干扰强行突破安全界线，则通过该声呐系统发出毁灭声波，破坏入侵潜航物的声呐导航系统；或者对已配备的护卫鱼雷或护卫潜航器发出指令，上前拦截或摧毁侵入限界的不明潜航物；
24.或者该声呐系统运行，声呐启动工作，跟踪某一目标潜航物并取得目标位置、速
度、尺寸、质地特征信号，通过设置在控制中心的计算机实施逻辑校验和推算，获得该目标潜航物高精度的目标判断与跟踪；
25.或者该声呐系统运行，被动声呐常开，持续工作，主动声呐关机。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.(1)本发明沿海底真空管道建设海底声呐系统，通过海底真空管道内的供电线缆为海底声呐系统提供电网电能，避免对电池的依赖；通过真空接线端子和海底真空管道内的信号传输线传送信号到控制中心，不再依靠浮标或海面平台(包括舰艇、船舶)，即可实现远程信号传递，而且响应速度快。
28.(2)本发明通过主动声呐对鱼雷、无人水下航行器等护卫潜航器进行远程导航和运行控制。当海水较深，护卫潜航器距离海底真空管道声呐较近时，远程导航响应速度快、延迟短。
29.(3)本发明通过被动声呐常开，持续工作，主动声呐处于关机状态，仅在有必要时开启工作，从而避免或减轻主动声呐对海洋生物的影响，也减少设备损耗和电能损耗。
附图说明
30.图1是本发明海底真空管道声呐系统设置示意图；
31.图2是本发明海底真空管道声呐系统设置示意图；
32.图3是本发明沿海底真空管道周向设置多个声呐的示意图；
33.图4是本发明水中悬浮声呐设置示意图；
34.图5是本发明被动声呐侦听潜航物原理及声波传递过程示意图；
35.图6是本发明图5中a处的局部放大图；
36.图7是本发明悬浮式主动声呐探测潜航物原理及声波传递过程示意图；
37.图8是本发明护卫潜航器按指令上前拦截侵入限界的不明潜航物示意图；
38.图9是本发明海底真空管道声呐系统所包括的多个声呐对某一潜航物联合跟踪探测原理示意图；
39.图中：1
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管墩，2
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海底真空管道，3
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声呐，4
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潜航物，5
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护卫潜航器，6
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浮球，61
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牵引绳，7
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第一真空接线端子，8
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第二真空接线端子，9
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供电线缆，10
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信号传输线。
具体实施方式
40.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
41.如图1
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3所示，图中向上的箭头方向为海面，向下的箭头方向为海床，本发明提供一种海底真空管道声呐系统，包括多组圆柱形桩基结构的管墩1，多组管墩1的底部嵌入海床固定安装，多组管墩1的顶部共同固定安装有海底真空管道2，沿海底真空管道2外部上设置有多组均匀间隔用于接收潜航物4和用于护卫潜航器5发出声波信号的声呐3，声呐3均包括用于主动声呐和被动声呐。
42.声呐3分别沿着海底真空管道2外部周向均匀间隔安装，位于海底真空管道2顶部安装的声呐3通过牵引绳61悬挂在海底真空管道2的上方，牵引绳61连接有用于牵引声呐2的浮球6。参照图4，图中向上的箭头方向为海面，向下的箭头方向为海床，沿着海底真空管道2两侧所述的声呐3均安装在用于支撑海底真空管道2的管墩1承台上。
43.参照图5和图6，图中声呐3为被动声呐，图中向上的箭头方向为海面，向下的箭头方向为海床，海底真空管道2内安装有为声呐3提供电源的供电线缆9和为声呐3提供通讯服务的信号传输线10。海底真空管道2上贯穿安装有与多组声呐3一一对应的第一真空接线端子7和第二真空接线端子8。每组声呐3的电缆接口均与穿过对应的第一真空接线端子7的供电线缆9连接，每组声呐3的信号接口均与穿过对应第二真空接线端子8的信号传输线10连接。
44.所述的潜航物4包括潜艇、鱼雷、无人水下航行器等，也包括鱼群和其他浮游物。
45.所述的供电线缆9设置在海底真空管道2内，除了为海底真空管道2内设备提供电能，还为沿线所有声呐提供电源。可从陆上发电厂或海上发电厂取得电能。
46.所述的信号传输线10设置在海底真空管道2内，除了为海底真空管道2内的设备提供通讯服务，还为沿线所有声呐提供通讯服务。
47.该声呐系统由于其包括众多主动声呐、被动声呐，分布范围广(跟海底真空管道线路长度相当)，且通过海底真空管道2内信号传输线10连成一体，因此，本质上相当于一种超大孔径的合成孔径声呐，极大提高对目标潜航物4的有效探测距离、定位精度、测速精度和航迹判断精度。该声呐系统避免独立建设声呐系统会遇到的缺少物理支撑，以及不得不设置浮标等问题，避免二次施工浪费，提高经济效益。
48.参照图7
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图9，该海底真空管道声呐系统的工作方法，该声呐系统运行时，一条海底真空管道2沿线的声呐3全部启动工作，持续对海底真空管道2沿线接收信号距离范围内的海洋进行探测。探测所有潜航物4的特征信息、位置、移动速度并记录下来，然后通过海底真空管道2内的信号传输线10传至陆上控制中心。当不明身份的潜航物4靠近海底真空管道2时，声呐系统发出警告或干扰声波，予以驱离；若无视警告和干扰强行突破安全界线，则通过该声呐系统发出毁灭声波，破坏入侵潜航物4的声呐导航系统；或者对已配备的护卫鱼雷或护卫潜航器5发出指令，上前拦截或摧毁侵入限界的不明潜航物4。沿线设置的全部声呐跟踪某一目标潜航物4并取得目标位置、速度、尺寸、质地等特征信号，通过逻辑校验和推算，从而提高目标判断精度。
49.被动声呐常开，持续工作，而所有主动声呐均处于关机状态，仅在有必要时开启工作，从而避免或减轻主动声呐对海洋生物的影响，也减少设备损耗和电能损耗。
50.通过所有主动声呐对鱼雷、无人水下航行器等护卫潜航器5进行远程导航和运行控制。当海水较深，潜航器5距离海底真空管道声呐较近时，所述的远程导航响应速度快、延迟短。
51.综上所述，本发明沿海底真空管道2建设海底声呐系统，通过海底真空管道2内的供电线缆9为海底声呐系统提供电网电能，避免对电池的依赖；通过真空接线端子和海底真空管道2内的信号传输线10传送信号到控制中心，不再依靠浮标或海面平台如舰艇和船舶，即可实现远程信号传递，而且在深海中，当潜航物距离海底真空管道较近时，响应速度快。
52.另一方面，沿线建设的该声呐系统又为海底真空管道2安全可靠、高效运行提供保障。海底真空管道2和该声呐系统互为支撑、互为保障，二者相辅相成，相得益彰。海底真空管道2和该海底声呐系统同步建设，协同发展，避免二次建设造成浪费，避免各自独立建设增加成本，避免各自独立应用时功能单一所伴随的资源浪费与低效。

技术特征：
1.一种海底真空管道声呐系统，其特征在于：包括沿着海底真空管道(2)外壁上设置的多组声呐(3)、安装在海底真空管道(2)内用于为声呐(3)提供电源的供电线缆(9)以及安装在海底真空管道(2)内用于为声呐(3)提供通讯服务的信号传输线(10)；所述声呐(3)的电缆接口均通过贯穿安装在海底真空管道(2)上的第一真空接线端子(7)与供电线缆(9)连接；所述声呐(3)的信号接口均通过贯穿安装在海底真空管道(2)上的第二真空接线端子(8)与信号传输线(10)连接。2.根据权利要求1所述的一种海底真空管道声呐系统，其特征在于：所述声呐(3)包括主动声呐和被动声呐。3.根据权利要求2所述的一种海底真空管道声呐系统，其特征在于：多组声呐(3)分别沿着海底真空管道(2)外部周向均匀间隔安装。4.根据权利要求3所述的一种海底真空管道声呐系统，其特征在于：位于海底真空管道(2)顶部的声呐(3)通过牵引绳(61)悬挂在海底真空管道(2)上方，所述牵引绳(61)连接有用于牵拉声呐(3)的浮球(6)。5.根据权利要求3所述的一种海底真空管道声呐系统，其特征在于：位于海底真空管道(2)两侧的声呐(3)均安装在用于支撑海底真空管道(2)的管墩(1)承台上。6.一种根据权利要求2
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5任一项所述海底真空管道声呐系统的工作方法，其特征在于：该声呐系统运行，声呐(3)启动工作，持续对海底真空管道(2)沿线接收信号距离范围的海洋进行探测，获取潜航物(4)所有的特征信息、位置、移动速度，并通过海底真空管道(2)内的信号传输线(10)传至陆上控制中心；当不明身份的潜航物(4)靠近海底真空管道(2)时，该声呐系统发出警告或干扰声波，予以驱离；若无视警告和干扰强行突破安全界线，则通过该声呐系统发出毁灭声波，破坏入侵潜航物(4)的声呐导航系统；或者对己配备的护卫鱼雷或护卫潜航器(5)发出指令，上前拦截或摧毁侵入限界的不明潜航物(4)；或者该声呐系统运行，声呐(3)启动工作，跟踪某一目标潜航物(4)并取得目标位置、速度、尺寸、质地特征信号，通过设置在控制中心的计算机实施逻辑校验和推算，获得该目标潜航物(4)高精度的目标判断与跟踪；或者该声呐系统运行，被动声呐常开，持续工作，主动声呐关机。
技术总结
本发明公开一种海底真空管道声呐系统及工作方法，包括沿海底真空管道外壁上均匀间隔设置的多组声呐、安装在海底真空管道内用于为声呐提供电源的供电线缆以及安装在海底真空管道内用于为声呐提供通讯服务的信号传输线；声呐的电缆接口均通过贯穿安装在海底真空管道上的第一真空接线端子与供电线缆连接；声呐的信号接口均通过贯穿安装在海底真空管道上的第二真空接线端子与信号传输线连接；该系统不再依靠浮标或海面平台，即可实现远程信号传递，而且响应速度快；该工作方法避免二次建设造成的浪费。造成的浪费。造成的浪费。


技术研发人员：张耀平 刘良忠 张政 张晓娟 蔡宗义 尚安利
受保护的技术使用者：西京学院
技术研发日：2021.03.26
技术公布日：2021/6/29