深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器總體設(shè)計(jì)

賈立雙，張選明，馮志濤，李家軍

（國家海洋技術(shù)中心,天津 300112）

深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器是水聲遙控系統(tǒng)中的一種常用設(shè)備，屬于水聲通信應(yīng)用范疇，是深海觀測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收的核心設(shè)備。研制深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器可促進(jìn)海洋服務(wù)保障技術(shù)發(fā)展，提升我國深遠(yuǎn)海觀測(cè)監(jiān)測(cè)能力，為深遠(yuǎn)?？茖W(xué)研究、海洋監(jiān)測(cè)、海洋經(jīng)濟(jì)、海洋國防建設(shè)事業(yè)等領(lǐng)域提供支撐技術(shù)裝備。

1 深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器簡(jiǎn)介

深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器（以下簡(jiǎn)稱釋放器）是一種應(yīng)用在海洋監(jiān)測(cè)和海洋工程中，通過聲學(xué)信號(hào)傳遞遙控指令，完成預(yù)定動(dòng)作的遙控設(shè)備。以釋放器在深海觀測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用為例：由于安全性、隱蔽性的要求，深海觀測(cè)系統(tǒng)的主浮體通常位于海面以下幾十米到幾百米處，一般將釋放器串聯(lián)在深海觀測(cè)系統(tǒng)的系留索中，完成測(cè)量任務(wù)后，操作人員使用甲板單元發(fā)射聲學(xué)指令，釋放器在收到聲學(xué)釋放指令后，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)完成釋放，觀測(cè)系統(tǒng)在浮力的作用下浮到水面（見圖1）。

圖1 釋放器工作示意圖

目前國外深海聲學(xué)釋放器技術(shù)發(fā)展比較完善，研制了多型號(hào)的聲學(xué)釋放器產(chǎn)品，使用水深最深可達(dá)10 000 m；負(fù)載最大可達(dá)5 t；工作時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)5 a。成熟產(chǎn)品包括美國Benthos釋放器、美國ORE釋放器、法國OCEANO釋放器、英國Sonardyne釋放器等。國內(nèi)尚無可供工程應(yīng)用的成熟產(chǎn)品?！笆晃濉逼陂g，國家海洋技術(shù)中心在“863”計(jì)劃的支持下開展了深海高可靠性聲學(xué)應(yīng)答釋放器的研制工作。

2 聲傳輸損失計(jì)算

釋放器是一種應(yīng)用水聲通信技術(shù)的設(shè)備。進(jìn)行釋放器總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用被動(dòng)聲吶方程來計(jì)算聲波傳輸?shù)木嚯x與衰減。

式中：SL 為聲源級(jí)；TL 為傳播損失；NL 為背景噪聲級(jí)；DI 為接收指向性指數(shù)；DT 為檢測(cè)閾。

所設(shè)計(jì)的釋放器發(fā)射聲源級(jí)（SL）為192 dB，工作頻率為12 kHz，采用無指向性水聲換能器收發(fā)信號(hào)，因此DI 為零。對(duì)于傳播損失TL，根據(jù)簡(jiǎn)化的球面波衰減模型，按照公式（2）進(jìn)行估算：

式中：r 為聲波傳輸?shù)木嚯x（m）；a 為吸收系數(shù)（d B/km）；f為聲波頻率（kHz）。

NL 是海洋環(huán)境噪聲級(jí)。海洋環(huán)境噪聲級(jí)通常由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，在計(jì)算中采用經(jīng)驗(yàn)公式（4）進(jìn)行噪聲譜級(jí)估算。

式中：f 為頻率(kHz)；S 為海況等級(jí)(S=0,1,2,…,9)。

在低頻階段，TL 是聲波頻率和傳播距離的增函數(shù)，NL是頻率的減函數(shù)。以3級(jí)海況、12 kHz工作頻率計(jì)算，NL 為55 dB。參考wenz曲線，設(shè)計(jì)釋放器接收最小檢測(cè)閾值為80 dB。按式（3）計(jì)算a 為1.5 dB/km，則釋放器聲信號(hào)傳輸10 km時(shí)，損失為95 dB，此時(shí)有SL－DT ＞TL，滿足檢測(cè)要求。

3 深海聲學(xué)釋放器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)聲傳輸理論計(jì)算結(jié)果，考慮到低頻寬帶大功率水聲換能器的制作難度和成本，參考國外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)，確定所研制釋放器的主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）發(fā)射聲源級(jí)：>192 dB；

（2）釋放器工作頻率：7～14 kHz；

（3）工作水深：6 000 m；

（4）水平作用距離：淺海>10km；良好水文條件>28km；

（5）編碼形式：改進(jìn)的FSK編碼；

（6）脈沖寬度：16 mS±1 mS；

（7）待機(jī)時(shí)間：>2 a；

（8）釋放載荷：>5 t；

（9）整體重量：<30 kg。

4 深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器設(shè)計(jì)

4.1 水聲換能器設(shè)計(jì)

水聲換能器是釋放器的重要組成部分，它能將水下的聲信號(hào)與電信號(hào)完成互相轉(zhuǎn)換。水聲換能器性能的優(yōu)劣直接影響釋放器性能的好壞。

所研制的水聲換能器外封裝層材料采用氯丁橡膠，氯丁橡膠是一種多用途彈性體，擁有優(yōu)異的耐熱性、耐老化性、耐油、耐水、耐溶劑性能、耐化學(xué)腐蝕性及良好的透聲性；核心電聲換能材料采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷環(huán)（見圖2），鋯鈦酸鉛壓電陶瓷是由鐵電相的PbTiO3和反鐵電相的PbZrO3構(gòu)成的固溶體，它是一種最重要的壓電陶瓷，現(xiàn)已發(fā)展成為PZT基壓電陶瓷系列；水聲換能器內(nèi)部充入蓖麻油以保證內(nèi)外壓力平衡，以實(shí)現(xiàn)大深度工作耐壓要求。圖3為最終研制的水聲換能器產(chǎn)品，經(jīng)中科院聲學(xué)研究所測(cè)試表明，該換能器發(fā)射聲源級(jí)、接收靈敏度、工作帶寬等指標(biāo)均能滿足釋放器使用需求。

圖2 壓電陶瓷環(huán)

圖3 水聲換能器

4.2 釋放器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

釋放器結(jié)構(gòu)上除水聲換能器外主要由密封殼體、電池組、電機(jī)及釋放驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

密封殼體為其它部件提供耐壓保護(hù)，設(shè)計(jì)上不但要求能夠承受大深度水靜壓力，還要兼顧重量輕、體積小、耐海水腐蝕等特點(diǎn)。通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，選用高強(qiáng)度的不銹合金鋼作為釋放器殼體材料；同時(shí)采用柱面與端面密封相結(jié)合的雙道O形圈密封方法，解決殼體因加工精度引起的泄漏問題。

電機(jī)及釋放驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體執(zhí)行釋放動(dòng)作，采用高減速比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成扭矩傳遞。釋放驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖4）采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)銷軸旋轉(zhuǎn)式，選用小功率永磁直流電機(jī)作為動(dòng)力源，直聯(lián)大減速比減速器和一級(jí)齒輪減速構(gòu)成動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)；當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，掛鉤打開。該結(jié)構(gòu)具有釋放速度快、釋放機(jī)構(gòu)靈活、動(dòng)作可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖5）在設(shè)計(jì)上應(yīng)用了杠桿作用原理，通過杠桿減力，使釋放銷軸所承受的剪切力減小，從而減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率并提高釋放銷軸動(dòng)密封可靠性。

電池組負(fù)責(zé)為整個(gè)裝置提供能量，設(shè)計(jì)上選用容量高、體積重量小的鋰電池，考慮環(huán)境溫度對(duì)電池容量的影響，電池容量?jī)?chǔ)備有30%以上的余量。

4.3 釋放器電路設(shè)計(jì)

圖4 釋放器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5 釋放器釋放機(jī)構(gòu)

釋放器電路主要由控制單元、A/D轉(zhuǎn)換電路、頻率發(fā)生電路、信號(hào)接收濾波電路、信號(hào)發(fā)射功放電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成（圖6）。

控制單元采用c8051單片機(jī)作為控制核心，該單片機(jī)具有豐富的片上資源，自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，待機(jī)功耗極低。

頻率發(fā)生電路采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833，該芯片內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能10位DAC、串行通信接口以及控制電路等，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成和時(shí)鐘發(fā)生器。使用20 MHz時(shí)鐘時(shí)的輸出頻率分辨率可達(dá)0.047 Hz，最大輸出頻率可達(dá)5 MHz。

信號(hào)接收濾波電路的功耗直接影響釋放器水下工作時(shí)間。為降低功耗本設(shè)計(jì)中采用兩路固定頻率濾波方式工作，濾波器電路由低噪聲低功耗雙組通用型運(yùn)放器件和阻容元件與電感構(gòu)成，總待機(jī)電流為2 mA。

信號(hào)發(fā)射功放電路使用兩個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管組成互補(bǔ)型共源極推挽功率放大電路，將發(fā)射電壓提高至數(shù)千伏進(jìn)行信號(hào)發(fā)送。大功率場(chǎng)效應(yīng)管具有輸入阻抗高，負(fù)溫度系數(shù)，易于并聯(lián)輸出大功率的特點(diǎn)，在低頻段逐漸成為功率器件發(fā)展的主流。為保證變壓器的工作性能，提高電路發(fā)射電壓，選用具有高電感量的新型微晶電感鐵芯制作變壓器。通常發(fā)射電路在工作時(shí)，瞬時(shí)功率很大，造成發(fā)射電壓有降低的趨勢(shì)，為保證瞬間功率，在電路上增加大容量?jī)?chǔ)能電容。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用H型全橋式電路，可以很方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限驅(qū)動(dòng)。實(shí)際工作中一般選用大功率達(dá)林頓管或場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)管。

4.4 控制程序設(shè)計(jì)

圖6 釋放器電路框圖

控制程序完成編、解碼及釋放執(zhí)行等工作。在本釋放器設(shè)計(jì)中使用Keil C51系統(tǒng)設(shè)計(jì)編寫控制程序。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。使用Keil C51編譯后生成的匯編代碼高效、緊湊、易于理解。圖7是本設(shè)計(jì)控制程序流程圖。

圖7 流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2011年3月份，項(xiàng)目組在天津塘沽海域進(jìn)行了深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器海上測(cè)距試驗(yàn)：試驗(yàn)租用漁船（裝有船用GPS）兩只，試驗(yàn)區(qū)水深15 m左右，海況2級(jí)。試驗(yàn)進(jìn)行了多次通信距離試驗(yàn)以及釋放試驗(yàn)，通信最大距離達(dá)6 700 m。海上試驗(yàn)結(jié)果證明，釋放器指令編碼設(shè)計(jì)合理，換能器收發(fā)指令正常，釋放機(jī)構(gòu)及電機(jī)工作正常，整機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)定設(shè)計(jì)功能。分析試驗(yàn)情況發(fā)現(xiàn)以下問題：實(shí)驗(yàn)海域靠近航道，周圍大型貨輪多，環(huán)境背景噪聲級(jí)較高，通信成功率沒有達(dá)到100﹪；試驗(yàn)海區(qū)底質(zhì)為半泥沙底質(zhì)，對(duì)聲信號(hào)散射吸收較大，不利于聲信號(hào)遠(yuǎn)距離傳播。

為進(jìn)一步驗(yàn)證深海聲學(xué)釋放器整機(jī)工作的可靠性及實(shí)際使用環(huán)境的適應(yīng)性，2011年6—9月，將所研制的深海聲學(xué)釋放器應(yīng)用于海洋調(diào)查潛標(biāo)，實(shí)際布放水深3 900 m，水下在位90余天，釋放器測(cè)距釋放正常，潛標(biāo)系統(tǒng)順利回收。

6 結(jié)論

本文介紹的深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器工作可靠、穩(wěn)定，其主要性能指標(biāo)接近或達(dá)到國外同類先進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)水平，尤其在作用距離、水下待機(jī)功耗等方面取得了創(chuàng)新性成果，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和良好的產(chǎn)業(yè)化前景。該裝備的成功研制填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)工程產(chǎn)品空白，培養(yǎng)了一支專業(yè)化團(tuán)隊(duì)，為推動(dòng)我國聲學(xué)釋放器產(chǎn)品國產(chǎn)化提供了必要的技術(shù)儲(chǔ)備，有利于提高我國深遠(yuǎn)海觀測(cè)技術(shù)水平。

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