水下滑翔机基本工作原理与应用过程

水下滑翔机原理与应用

水下滑翔机 (Underwater Glider,UG) 是一种水下机器人，通过调节自身浮力来实现垂荡，通过调节两翼的净浮力和姿态角来获得推进力，实现水下滑行，并采集水下信息。它具有高能效、低噪声、大规模、长期连续的海洋环境观测和探测等优点。它适用于“中尺度”以上甚至某些“亚中尺度”的海洋物理现象观测、生态环境调查和海洋安全。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流体力学、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、目标自主检测与跟踪等，目标属性的自主识别和通用基础技术，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研究领域。以环境观测水下滑翔机技术为基础，综合考虑平台的电磁兼容性和声学特性，配备声学传感器和信号处理系统，具有海洋环境噪声采集、水声信号采集、，声纹记录、数据处理和浮动通信，可完成敏感海域或拒绝区域内运动目标的自主检测、跟踪、属性识别和信息返回任务。

国外发展现状

国外早在20世纪90年代初就开始了水下滑翔机的研究，美国一直是这项技术的先驱和领导者。1989年，美国的亨利·斯托梅尔首次提出了“水下滑翔机”的概念。1991年，Teledyne Webb Research（TWR）成功开发了第一台Slocum水下滑翔机。目前，它已成为应用最广泛的水下滑翔机产品之一。目前，国外水下滑翔机最大设计巡航里程已达1万公里。早在2009年，美国斯洛克姆水下滑翔机已经连续航行221天，航程7409.6公里，完成了穿越大西洋的任务。随着单体水下滑翔机技术的成熟以及多机合作观测和网络观测技术的快速发展，美国自20世纪90年代以来建立了自主海洋采样网（aosn），并进行了一系列技术升级和应用测试。水下滑翔机的网络观测已纳入综合海洋观测系统（ioos）网络计划。2010年5月7日，葡萄牙研究人员在西太平洋刘盆地北部部署了一架装有水听器的Slocum水下滑翔机，以监测西马塔的海底火山，记录声波振幅随距离的变化，并证明地质质量的变化将增加该区域的噪声水平。2013年5月，葡萄牙阿尔加维大学在葡萄牙海岸部署SRUCUM配备SR-1水听器，以检测水下噪声。结果表明，该方法能够在时间和空间尺度上有效地检测水下噪声。2018年4月，美国海军海洋学办公室同时协调和控制50架水下滑翔机，实施水下环境预测，并计划同时部署100架水下滑翔机（目前可能已经完成，但没有可靠的报告）；欧洲滑翔天文台（ego）先后部署了300多架水下滑翔机，执行各种海洋观测任务，并实时收集大西洋的海洋剖面数据。水下滑翔机协同编队观测技术已广泛应用于世界上几乎所有重要的海洋观测系统和海洋观测计划中。
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图1 搭载水听器的Slocum

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图2 Xray和Zray水下声学滑翔器

2 m+ O% p" o0 {. L0 @& ?  R华盛顿大学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联合设计的翼身融合水下滑翔机（XRE和ZRE）采用了翼身融合结构，可以最大限度地跨越水平距离，最大限度地降低功耗。并最大限度地提高其探测和定位能力。采用独特的翼身融合设计，滑翔机可以获得更快的水下航行速度，最大限度地扩大升力面积，增加内部体积。它可以携带战术声学传感器，使其适用于警报和其他遥测任务。一个27单元的水听器阵列安装在zray两翼的前缘。水听器的工作频带为10Hz~15kHz。阵列信号输出至实时检测/定位记录系统；水声滑翔机还配备了频率为20 Hz~2 kHz的矢量水听器。此外，zray还尝试拖曳由太平洋空间和海军作战系统中心设计和建造的32单元拖曳线阵，该阵列将配备3通道低（10 Hz~7.5 kHz）、中（100 Hz~50 kHz）和高（1 kHz~160 kHz）伍兹霍尔海洋研究所的频率数字监测自主探测和分类系统。水声滑翔机可以以1~3节的速度飞行6个月。它最初的设计是跟踪和自动识别海洋哺乳动物。目前，它已应用于圣地亚哥海洋哺乳动物被动声学自主监测项目。由于其卓越的声学探测性能，zray还可用于探测安静的柴油动力潜艇。它是美国军方永久性沿海海底监视网络（plusnet）的一部分。
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国内发展现状

我国水下滑翔机的发展始于21世纪初。天津大学的研究团队于2002年启动了第一代水下滑翔机原型的开发。这是中国第一支探索水下滑翔机研究工作的团队。随着“十一五”海洋领域“远洋探险”战略的实施，国家水下滑翔机重大科技研究计划已经部署部署。2006年，在国家高技术研究与发展计划（863计划）海洋技术领域“海洋环境监测技术”专题中，作为目标导向的支持，研制了我国第一台水下滑翔机海上试验样机“十一五”末，由中国科学院沈阳自动化研究所牵头，在南海进行了海试验证，“十二五”期间"深入深海,"重点加强深海和公海环境监测、深海勘探和运营能力，支持沿海蓝色经济和战略性新兴产业发展，突出我国深海和公海环境监测和资源开发面临的技术装备和手段不足。水下滑翔机以其大航程、长时间连续观测的突出优势，再次成为海洋领域发展的重点方向，同时，国家863计划大幅增加了水下滑翔机的研发投入，并启动了4型滑翔机的研制（包括电能、混合推进、喷水推进和声学探测）通过主题项目的水下滑翔机，设计巡航里程1000公里，工作水深范围1000~1500米，其中多型号样机在海试中表现良好，满足考核指标要求。

图3 “海燕-L”长航程水下滑翔机

中国在水下滑翔机单机技术的研发方面取得了显著成就。基于飞行滑翔机，西北理工大学研制了一种多分量声压阵列的飞行滑翔机声探测系统，并在湖面上进行了测试。哈尔滨工程大学使用“海燕”水下滑翔机装载四个声压水听器。在滑翔机的左翼、右翼、前引导罩和尾部安装一个水听器，以形成一个4元件声传感单元。在南海进行了海试，用73hz低频声源信号验证了系统的探测能力。测试期间，水声滑翔机完成了17个剖面的性能测试，其中滑翔机控制功能测试剖面3个，噪声特性测试剖面7个，低频声源信号检测能力测试剖面7个，平台最大潜水深度1000米。通过对记录的噪声数据进行分析，结果表明声传感单元能够有效地接收低频声源发出的噪声数据。
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未来发展展望

尽管近年来我国水下滑翔机技术发展迅速，但一些功能性能指标（如大深度）仍在继续赶超国外先进水平。然而，由于水下滑翔机技术在中国的发展较晚，研究基础薄弱，与单板技术、合作组网观测和应用研究等国外先进技术相比仍有较大差距，需要加快创新发展步伐。具体建议如下：一是在现有技术的基础上，进一步加强关键核心技术攻关，加快单体水下滑翔机的技术改进、优化升级。重点加强低功耗设计、最优路径规划与控制策略算法、多参数采集与承载能力、数据质量标准、信息安全传输等方面的研究与攻关，从而提高水下滑翔机对强背景流场、复杂海底地形环境等复杂海况的远程真实探测和控制能力；提高任务重构和协同控制的人机交互水平，为各类用户提供广泛、连续、长期、稳定、可靠、低成本的数据流和数据链路。其次，在前期技术经验积累的基础上，加强多水下滑翔机编队协同组网观测技术的研究，提高水下滑翔机的整体运行效率和观测探测效果。结合国家科研、资源环境调查和目标探测的战略需要，开展水下互联、自适应采样、多机协同编队、多水下滑翔机移动分布式节点快速移动组网等技术研究，增强水下滑翔机大规模集群观测和探测能力，特别是水下异构节点组网观测能力，逐步从水面水下向海、陆、空、天拓展，形成综合观测信息网络，从水下滑翔机等异构节点的种类、数量、规模、组网观测覆盖范围、多机任务规划、系统稳定性等方面不断提高水下滑翔机综合协同组网观测能力和水平，观测效率和商业化。最后，加强水下滑翔机观测功能拓展和海洋科学应用研究。重点解决水下滑翔机机构类型、运行方式、观测功能单一、承载能力弱、与实际应用结合不够的问题。如结合仿生原理，积极探索异构新概念水下滑翔机和混合能源（如温差能、盐温差能等）推进水下滑翔机，提高其在复杂海洋环境中的适应性；研究大型高速水下滑翔机（如大翼展水下滑翔机），提高多参数传感器的快速观测能力；积极引进互联网、人工智能、大数据分析等技术，提高水下滑翔机在智能信息感知、自主识别与决策、人机快速协作、应急处理等方面的响应能力；此外，积极开展物理海洋学和生物地球化学领域的科学研究，加强与相关产业部门和地方政府的结合，拓展应用业务领域。（哈尔滨工程大学水声技术国防重点实验室）
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