技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种冰层剖面探测水下机器人，本发明也涉及的一种基于冰层剖面探测水下机器人的冰层剖面探测方法。
背景技术
[0002] 极区
海冰结构对全球
气候有着深远影响，研究极区海冰厚度及结构对全球气候和环境变化，减少我国气候灾害损失和保持经济可持续发展意义同样重大。极区海冰结构的研究主要利用的是原位测量法，以钻孔取
冰芯或者布放大范围浮标的方式展开。前者原理简单、测量
精度高、数据可靠，但是费时费
力、效率低下，只适合小范围、薄冰层的冰剖测量，无法开展长期测量工作。后者是在海冰中布放监测浮标，利用浮标网络为研究人员提供
海洋学数据，实现大范围监测，但成本高，筹备复杂，数据可靠性差。目前需要一种声学探测方法，非
接触式的探测冰层剖面分布。
[0003] 参量阵
指向性无旁瓣，使得不会在
数据处理中有可能会误把旁瓣回波当成主瓣回波，因此参量阵作为冰层剖面探测的发射
信号具有很强的优势。基于递推滤波的近似无失真参量发射方法，如图1，无论预设信号是何种形式，对其进行递推滤波参量调制处理后，再作为发射信号发送，经过水介质的自解调作用以后理论上会得到预设信号形式。如何利用搭载参量阵的水下机器人快速、准确探测大范围区域内的冰层剖面，是极地研究中需要解决的重要问题之一。
[0004] 浸水冰厚探测
算法工作原理如图2。发射脉冲信号，接收冰/水界面的反射回波，检测其到达时刻为t，则仰视声呐与冰/水界面的距离H2：H2＝ct/2，根据
浮力定律ρgH1＝p1-p0，仰视声呐离海面的距离H1为：H1＝(p1-p0)/(ρg)，p1为压力计测出该水深处的静水压，p0为AUV正上方
大气压，则冰脊的浸水冰厚(即海面下的冰脊厚度)为：d2＝H1+H3-H2，H3为压力计与声呐之间的垂直距离，由于仰视声呐的窄波束，可以把测量处的冰体近似为类矩形冰体，即：VPS＝Sd2、Vi＝Sd，其中VPS是冰体
吃水部分排出水的体积，Vi是冰体的整个体积，根据浮力定律可得：ρwgVPS＝ρigVi，由以上各式可求得冰层的厚度d：d＝d2ρw/ρi。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种参量阵冰层剖面探测水下机器人，本发明的目的还在于提供一种基于本发明的参量阵冰层剖面探测水下机器人得冰层剖面探测方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 本发明的参量阵冰层剖面探测水下机器人包括动力推进系统、冰层剖面探测系统、通信传输系统；所述的动力推进系统包括安装在水下机器人尾部的两个尾部矢量
推进器，安装在水下机器人两侧各一个的侧翼矢量推进器，四个矢量推进器均与中心水
泵处理系统相连接；所述的冰层剖面探测系统包括搭载在水下机器人背面的参量阵探测声呐和高频探测声呐；所述的通信传输系统通过通信
传感器与接收终端连接；水下机器人上还搭载探测障碍物的前置探测声呐和用来估计实时深度并探测冰厚的
压力传感器。
[0008] 本发明的参量阵冰层剖面探测水下机器人中所述的侧翼推进器能绕轴360°旋转，所述的尾推进器能绕轴180°旋转。
[0009] 基于本发明的参量阵冰层剖面探测水下机器人的冰层剖面探测方法为：
[0010] 步骤一.参量阵冰层剖面探测水下机器人潜入冰下水域；
[0011] 步骤二.压力传感器和高频探测声呐，向上发射CW/LFM脉冲信号，通过浸水冰厚探测算法，获取待测冰层厚度信息；
[0012] 步骤三.参量阵探测声呐发射递推滤波算法调制的参量阵原频信号，通过检测并估计冰水界面、冰空气界面以及冰层内部各层的差频反射回波脉冲信号时延差，根据冰介质中声速及公式d＝cτ/2，计算各层与冰下表面距离，得到冰层内部剖面信息，其中d为待测冰厚、c为声速、τ为冰水界面与冰空气界面反射回波的时延差。
[0013] 所述的脉冲信号为CW或LFM脉冲信号。
[0014] 参量阵是基于非线性声学的应用之一，其产生的差频波具有低频、窄指向性且无旁瓣的特点，同时对发射换能器的尺寸要求较小。
声波频率越低冰中声衰减越小，且参量阵指向性无旁瓣，则不会在数据处理中有可能会误把旁瓣回波当成主瓣回波。因此参量阵作为探测冰层剖面的发射信号具有很强的优势。本发提供了一种搭载参量发射阵的水下机器人以及声学参量阵冰层剖面探测方法。
[0015] 参量阵冰层剖面探测水下机器人在水下进行冰剖探测时，冰层剖面探测水下机器人(AUV)可实现以下功能：1、根据实际任务需求，由于水下航行器必须能到达冰盖下任何一点进行冰剖探测，故AUV必须得具备独立的动力系统，能够根据使用者的要求在水下进行自主航行；2、航行器必须有足够的空间搭载仰视声呐等测量设备，以实现AUV的核心测量功能；3、航行器需要与操控者能够保持紧密的通信联系，从而实现使用者对AUV的实时操控。该AUV的三维模型如图4所示，该AUV主要包括动力推进系统、冰层剖面探测系统、通信传输系统等三部分。动力推进系统采用尾部两个矢量推进器，侧翼各一个矢量推进器。冰层剖面探测系统由两套声呐组成：参量阵探测声呐和高精度高频探测声呐。通信传输系统将操控者与AUV联系起来，通过通信传感器与接收终端连接，实现信息的实时传输。此外，AUV还搭载探测障碍物的前置探测声呐，和用来估计实时深度并探测冰厚的压力计等设备。
附图说明
[0017] 图2浸水冰厚探测算法原理。
[0019] 图4是本发明中参量阵冰层剖面探测水下机器人(AUV)示意图。
[0020] 图5是本发明中的动力推进系统图，包括两个侧翼推进器和两个尾推进器以及中心泵处理系统。
[0021] 图6a-图6b是本发明中的侧翼推进器。
[0022] 图7a-图7b是本发明中的尾推进器。
[0023] 图8是本发明中的冰层剖面探测系统图，包括两套仰视声呐：参量阵探测声呐和高精度高频探测声呐。
[0024] 图9是本发明中AUV的侧视图，可以看到AUV上的前置探测声呐、压力计和通信传感器。
[0025] 图10是本发明中AUV的工作流程图。
具体实施方式
[0026] 下面举例对本发明做更详细的描述。
[0027] 结合图4-9，参量阵冰层剖面探测水下机器人包括动力推进系统、冰层剖面探测系统、通信传输系统三部分。动力推进系统采用尾部两个矢量推进器1、2，侧翼各一个矢量推进器3、4。冰层剖面探测系统由两套声呐组成，包括参量阵探测声呐7和高精度高频探测声呐6。通信传输系统将操控者与AUV联系起来，通过通信传感器10与接收终端14连接，实现信息的实时传输。此外，AUV还搭载探测障碍物的前置探测声呐8和用来估计实时深度并探测冰厚的压力传感器9等设备。动力推进系统共有四个矢量推进器，均与中心水泵处理系统5相连接，处理系统根据操控的指令，统一分配各个推进器的出水量，侧翼推进器能绕轴360°旋转，尾推进器能绕轴180°旋转，以产生不同方向的推力。在AUV各种运动转态下的推进器方向如下：AUV向前/后运动时，侧翼推进器、尾推进器的喷水方向均向后/前；AUV向上/下运动时，侧翼推进器、尾推进器的喷水方向均向下，并根据AUV自身的运动状态，及时调整各个
喷水推进器的流量大小，以产生不同大小的推力，使AUV能有稳定
姿态上升或下降；在AUV进行转向时，通过内侧推进器的推力减小，外侧推进器的推力增大，以产生一个弯矩，从而使AUV顺利转向。
[0028] 如图8所示，参量阵探测声呐和高精度高频探测声呐搭载在AUV背面，分流板能够在AUV行驶过程中保持更好的纵向
稳定性。设置两套声呐是为了更好的适应不同的探测环境，在不同冰层环境的情况下，使用不同的声呐进行探测，以达到更优的精度。在具体的某一冰层剖面探测的过程中，一般情况下使用参量阵探测声呐进行探测，因为参量阵差频波信号具有低频、窄指向性且无旁瓣的特点，可满足大多数情况下的探测精度；相比于参量阵差频波，高频声波在冰中衰减更大，但是精度更高，因此，在一些特定情况下，必须获取更高精度的冰层信息，则开启高精度高频探测声呐进行探测，以获得更优的探测精度，其发射信号与参量阵预设发射信号(差频信号)相同。
[0029] 如图9所示，在AUV的前端设置有一个前置探测声呐，主要功能是探测AUV前方是否有障碍物，并将处理后的障碍物信息返回给操控者，给操控者提供决策信息；
尾翼上设置有一个压力传感器，用来估计AUV的实时深度，并搭配仰视声呐，获取上方冰层的浸水冰厚；通信传感器将处理后的信息传输给操控者，并将操控者的操作指令返还给AUV，从而实现整个AUV的综合功能。
[0030] 结合图3，利用本发明的参量阵冰层剖面探测水下机器人得冰层剖面探测方法包括：1.参量阵冰层剖面探测水下机器人潜入冰下水域开始测量；2.开启压力传感器和高频探测声呐，向上发射CW/LFM脉冲信号，通过浸水冰厚探测算法，获取待测冰层厚度信息，可为后续探测提供量程信息，则可有效的提高探测精度；3.开启参量阵探测声呐，发射递推滤波算法调制的参量阵原频信号，通过检测并估计冰水界面、冰空气界面以及冰层内部各层的差频反射回波脉冲信号时延差，根据冰介质中声速，及公式d＝cτ/2，中d为待测冰厚、c为声速、τ为冰水界面与冰空气界面反射回波的时延差，计算各层与冰下表面距离，即可得到冰层内部剖面信息。
[0031] 图10为AUV工作流程，在AUV进行冰剖探测工作前，首先得调试AUV上的各种
电子设备、动力装置等，确保各个仪器都能正常运转。在确定待测量冰盖区域后，
选定某一
块合适的区域，将冰层凿透，将AUV放入水下，并将通信传感器1与水声传感器连接，在所有设备连接完成后，在操作端对整个系统进行整体调试，确保AUV能在水下正常工作。
[0032] 在调试完成后，此时的AUV处于状态11，打开AUV上所携带的前置声呐，观察前端是否有障碍物存在，若前方存在障碍物，则调整尾推进器、侧翼推进器的喷水方向，使AUV整体下潜，直到前置声呐确保AUV前方已无大型障碍物，如上图状态12所示；然后重新调整各个推进器的喷水方向，使AUV行驶到
指定的探测区域，调整运动姿态，并保持稳定如上图状态13所示；开启压力传感器和高频探测声呐，向上方冰层发射脉冲信号，通过浸水冰厚测量算法(图3)，得到AVU上方冰层的厚度，为后续探测提供量程信息；然后开启参量阵探测声呐，发射经过调制的参量信号，接收冰水界面、冰空气界面及冰层内部的反射回波，通过声学参量阵冰层剖面探测方法，就可以得到待测冰层剖面信息；当遇到某些特殊需求时，开启高精度高频探测声呐，获取更高精度的冰层剖面信息。
[0033] 本发明的声学参量阵冰层剖面探测方法，利用声学参量阵低频、窄指向性且无旁瓣的特性，使其作为发射信号源，经过参量阵算法调制的脉冲信号作为发射信号；原频波经过水的自解调作用产生的差频波在冰层内部的反射回波作为接收信号；通过检测估计回波时延差，计算各层与冰下表面距离，即可得到冰层内部剖面信息。
[0034] 本发明的冰层剖面探测水下机器人：(1)动力推进系统，包括两个侧翼推进器和两个尾推进器以及中心泵处理系统。(2)冰层剖面探测系统由两套声呐组成：参量阵探测声呐和高精度高频探测声呐。(3)搭载探测前置探测声呐,探测AUV前方是否有障碍物，并将处理后的障碍物信息返回给操控者，给操控者提供决策信息。(4)尾翼上设置有一个压力计，用来估计AUV的实时深度，并通过浸水冰厚探测算法，获取上方冰层厚度，为后续测量提供量程信息。
