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水下滑翔机原理与应用
来源:尖兵之翼 | 作者:方尔正 周子凌 桂晨阳 | 发布时间: 2020-09-01 | 13200 次浏览 | 分享到:
水下滑翔机(Underwater Glider,UG)是一种水下机器人,它通过调整自身浮力来实现升沉...
       水下滑翔机(Underwater Glider,UG)是一种水下机器人,它通过调整自身浮力来实现升沉,通过调整两翼的净浮力和姿态角来获得推进力,实现水下滑翔并收集水下信息。它具有能源利用效率高、噪音低, 大范围、长时间连续进行海洋环境观测与探测的优势,适用于“中尺度”及以上甚至部分“亚中尺度”的物理海洋现象观测、生态环境调查和海洋安全保障等工作。水下滑翔机为海洋大数据分析、数值预报等重要应用领域提供了现场准实时测量数据。水下滑翔机在军事和国防领域也发挥着重要作用。
       水下滑翔机的研究内容涉及水下无人平台结构与水动力、水下定位与导航、自主控制、动力推进、任务载荷、任务自适应规划、数据传输与通信、目标自主探测与跟踪、目标属性自主判别及共性基础技术等领域,是国际上研究的热点。水下滑翔机属于水下无人平台自主探测的研究领域,其在环境观测型水下滑翔机技术基础上, 综合考虑了平台电磁兼容性及声学特性, 搭载声学传感器及信号处理系统, 具备海洋环境噪声采集、水声信号采集、声纹记录、数据处理及上浮通信等功能, 可用于完成敏感海域或拒止区域移动目标自主探测、跟踪、属性判别和信息回传等任务。
       国外发展现状
       国外早在20世纪90年代初就开展了水下滑翔机的研究工作,美国一直是该技术的先驱者和领导者。1989年,美国的Henry Stommel首次提出“水下滑翔机”的概念。1991年, 美国Teledyne Webb Research(TWR)公司研制成功首台Slocum水下滑翔机,目前,已成为应用最为广泛的水下滑翔机产品之一。目前国外水下滑翔机的最大设计巡航里程已达10000千米, 美国Slocum水下滑翔机早在2009年就连续航行221天, 航程达7409.6千米,完成了横渡大西洋的任务。随着水下滑翔机单体技术的成熟和多机协同观测、网络观测技术的快速发展,美国从20世纪90年代开始建立自主海洋采样网(Autonomous Ocean Sampling Network, AOSN),并进行了一系列技术升级和应用试验。水下滑翔机的网络观测已纳入综合海洋观测系统(Integrated Ocean Observing System, IOOS)网络计划。2010年5月7日,葡萄牙研究人员在西太平洋劳盆地(Lau Basin)北部部署了一架装有水听器的Slocum水下滑翔机,用于监测西马塔(West Mata)的海底火山,记录声波振幅随距离变化的情况,并证明了地质变化将使该地区噪声水平上升。2013年5月,葡萄牙阿尔加维大学在葡萄牙海岸部署了配备SR-1水听器的Slocum用于探测水下噪声。结果表明,该方法能在时间和空间尺度上有效地检测水下噪声。2018年4月,美国海军海洋局(Naval Oceanographic Office)实现同时协同控制50台水下滑翔机实施水下环境预测,正计划同时部署100台水下滑翔机集群作业(目前可能已经完成, 但未见可信报道);欧洲水下滑翔机观测网(European Gliding Observatories, EGO)已陆续布放了超过300台水下滑翔机执行各种海洋观测任务,实时采集大西洋海域内海洋剖面数据信息等。水下滑翔机协作与编队观测技术已广泛应用于国际上几乎所有重要的海洋观测系统和海洋观测计划中。
       美国斯克里普斯海洋研究所海洋物理实验室和华盛顿大学应用物理实验室合作设计的翼身融合水下声学滑翔机(XRay和ZRay), 采用翼身融合结构,可实现翼展水平距离最大化和功率消耗最小化,最大限度地提高其探测和定位能力。该滑翔机利用独特的翼身融合设计可获得较快的水下航行速度,使升力面积最大且增加了内部体积,可用携带战术有关的声学传感器,使其适合于警戒和其他遥测任务。ZRay的两机翼前缘中安装了1个27元水听器阵列,水听器工作频带10赫兹~15千赫,阵列信号输出到1个实时检测/定位和记录系统;该水下声学滑翔机同时搭载有矢量水听器,频率为20赫兹~2千赫。除此以外,ZRay还尝试拖曳1个32元拖曳线列阵,该阵列由太平洋空间和海军作战系统中心设计和建造,并将配备1个来自伍兹霍尔海洋研究所的3通道低(10 赫兹~7.5千赫)、中(100赫兹~50千赫)、高(1千赫~160千赫)频数字监控自主检测分类系统。该水下声学滑翔机可以1~3节的航速续航6个月,其设计初衷是用来跟踪和自动识别海洋哺乳动物,目前已应用于圣地亚哥海底被动声学自主监测海洋哺乳动物项目(Passive Acoustic Autonomous Monitoring of Marine Mammals Program)。由于其优异的声学探测性能,ZRay还可用来探测安静级柴电潜艇,是美军持久性沿海海底监视网(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network, PlusNet)的一部分。