[发明专利]一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置

说明书

本发明涉及一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置。该方法在水面以下10m以内，采用UUV与母船伴航方式为UUV充电；在水面以下10m到100m的范围内，采用母船直接向水下传感器节点发射声波的方式充电；在水面以下超过100m的范围内，利用潜入海底的UUV为海底的水下传感器节点提供原位近距离充电。发射换能器通过逆压电效应实现电能到声能的转换；水听器接收所述所述发射换能器发射的声波，通过压电效应将声能转化为电能，并通过匹配电路实现对负载的充电。本发明应用高频水声发射换能器及高灵敏度水听器构成水下无线充电装置，针对水下不同应用场景设计了三种无线充电方式，可以满足全海深工况下的无线充电。

技术领域

本发明属于水下无线充电技术、水声换能器技术领域，具体涉及一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置。

背景技术

当前，随着海洋开发的力度不断加大，各种水声探测装备层出不穷，先后出现了各种水下无人航行器(Unmanned Undersea Vehicle，简称UUV)以实现科学研究、工程应用、军事应用等不同功能，以及各类水下传感器网络节点(如水下潜标、浮标)等。这些设备的电能供给一直是限制其应用范围的一大瓶颈。目前主要采用以下几种方式：一.电缆供电的方式。其特点是电能供给量较大，缺点是离岸距离受到布缆的限制，水下探测设备无法远距离、多点式分布。二.内置蓄电池及外挂蓄电池的方式。其尺寸、重量都较大，由于水密限制只适合浅海使用，且外置结构会影响UUV水下动力学性能。三.打捞上来替换蓄电池或出水充电的方式。这种方式对人工要求较高，耗时费力。四.水下自供电方式。如通过振动能量收集、水下化学能量收集等方式获得能量，其特点是摆脱了长距离电缆的限制，可以适应各种距离，但是所获得的能量较小，通常为毫瓦量级。此外海浪能量收集系统，其能量级别可达千瓦级，但是能量收集器尺寸、耗资巨大，不适合为小型传感器提供电能供给。

近年来，水下电能无线传输技术受到全世界的广泛关注。这种充电方式摆脱了冗长电线的束缚，并能实现独立封装，提高了可靠性、可移动性以及隐蔽性。目前，水下无线电能传输技术主要有电磁式和超声式两种方式，分别通过电磁场和声波作为媒介传递能量。我们知道，海水导电性好，电导率大，因此高频交变磁场会在海水中产生电涡流损耗，影响传输效率。此外，这种通过电磁场传输能量的方式对于作用距离有较大的限制，通常充电要保持在毫米量级内，因此，水下充电过程中要首先保证充电器和受电器的精确对接，即耗时成本又高。对于小尺寸的水下传感器网络节点其可操作性较差，这种方式只适用于水下大型固定充电站对大型UUV等设备进行百瓦至千瓦级大功率充电。而声能供电方式在保证充电效率的情况下，既无水下接口又可实现远距离充电，无需精确定位等复杂操作，是潜在的为小型UUV、水下传感器网络节点无线供电的最优解决方案。

水下声波无线充电最大的优点是水下传输距离远。与电磁感应式相比，该方式不对外界产生电磁干扰，也不受电磁干扰的影响，而且其波长远小于电磁波，传输方向性好，能量更易集中。目前的研究现状显示在6cm距离上可实现水下声波无线充电，这揭示了声波无线充电具有可行性，但是传输功率小、作用距离近，尚有较多技术难点需要攻克。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法和装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于声波的覆盖全海深的水下无线充电方法，包括以下步骤：

在水面以下10m以内，采用水下无人航行器UUV与母船伴航方式为UUV充电，母船中设置发射换能器，UUV中设置水听器；

在水面以下10m到100m的范围内，采用母船直接向水下传感器节点发射声波的方式充电，母船中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器；

在水面以下超过100m的范围内，利用潜入海底的UUV为海底的水下传感器节点提供原位近距离充电，UUV中设置发射换能器，水下传感器节点中设置水听器。