水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測試儀研制

任文靜，雷 宇，盧 濤，劉 俊

(東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

近年來，隨著海上地震勘探的迅速發(fā)展，勘探工作量也在逐年增加，因此對海上定位系統(tǒng)及其配套產(chǎn)品提出了更高的需求。海上石油勘探中最常用的一種方法就是海底電纜(OBC)勘探，它是利用投放在海底的地震信號接收器(檢波器)來接收地震信號。在實際施工中，由于受到海流、潮汐、船速以及沉降速度的影響，檢波器很難準確地與投放位置相同，這種位置誤差直接影響地震勘探采集質(zhì)量。為了有效地測量和監(jiān)測檢波器的實際位置，需要采用定位系統(tǒng)對其位置進行二次定位[1]。聲學(xué)定位設(shè)備以其不占用放炮時間、定位精度高而備受海上勘探的青睞。東方地球物理公司成功研制了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的能夠滿足OBC二次定位的“BPS聲學(xué)定位系統(tǒng)”，已廣泛應(yīng)用于海底電纜勘探中。隨著BPS聲學(xué)定位產(chǎn)品批量化走向市場，研制能夠測試其性能的儀器成為生產(chǎn)單位和使用單位迫切的需求。現(xiàn)有的聲學(xué)定位產(chǎn)品主要包括應(yīng)答器和主控機，主控機的發(fā)射聲源級及接收靈敏度，應(yīng)答器的發(fā)射聲源級及接收靈敏度是該系統(tǒng)兩項非常重要性能指標，對整個系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測試儀就是測試應(yīng)答器和主控機的發(fā)射聲源級及接收靈敏度。

1 系統(tǒng)組成及功能

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測試儀是一個小型、可移動的聲學(xué)定位設(shè)備測試儀器，能夠測試水下聲學(xué)定位系統(tǒng)主控機及應(yīng)答器的發(fā)射聲源級及接收靈敏度，準確判斷該產(chǎn)品的聲學(xué)性能。一方面為水下聲學(xué)定位產(chǎn)品生產(chǎn)提供測試儀器，建立檢測標準，保證產(chǎn)品質(zhì)量;同時向用戶提供便捷的定位產(chǎn)品檢測儀器，滿足用戶在現(xiàn)場使用過程中對聲學(xué)定位設(shè)備的驗收、月檢、故障判斷等需求，保障野外施工可靠順利的實施。

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測試儀由消聲水槽、主控機及測試軟件構(gòu)成。消聲水槽包括消聲水箱容器、標準水聽器、發(fā)射換能器。測試主機包括計算機、采集板、功放板及前放板。儀器總體設(shè)計如圖1所示。消聲水槽主要功能是提供一個水聲測試環(huán)境，主控機主要實現(xiàn)接收軟件指令，根據(jù)指令執(zhí)行發(fā)射特定的激發(fā)信號，接收標準水聽器采集到的信號，進行處理并上傳給測試軟件。測試軟件主要功能是下發(fā)指令，根據(jù)主控機上傳信息計算發(fā)射聲源級及接收靈敏度并判斷待測產(chǎn)品的聲學(xué)性能。

圖1 儀器總體設(shè)計圖

2 測試方法

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測試儀采用對比測試方法，主要測試水下聲學(xué)定位系統(tǒng)中應(yīng)答器及主控機的性能。應(yīng)答器測試指標包括應(yīng)答器發(fā)射聲源級、接收靈敏度及應(yīng)答率。主控機測試指標包括主控機發(fā)射聲源級及接收靈敏度。測量環(huán)境是測試儀中小型消聲水槽。測量時將測量換能器、標準水聽器、應(yīng)答器或主控機聲學(xué)探頭放在消聲水箱的中間位置，即同一水平面，相互距離0.5 m。

應(yīng)答器測試方法：測量換能器模擬主控機發(fā)射特定的編碼信號，使得應(yīng)答器能夠正?；貞?yīng)，降低發(fā)射功率，直到應(yīng)答器回應(yīng)的臨界狀態(tài)。標準水聽器測得此時對應(yīng)的測量換能器的發(fā)射聲源級由下式計算[2-3]:

SLm=20log(U0)+20log(d0)-M0

(1)

式中，SLm為測量換能器發(fā)射的對應(yīng)應(yīng)答器接收靈敏度的聲源級；U0為達到應(yīng)答器的臨界狀態(tài)時，標準水聽器接收到測量換能器的發(fā)射信號對應(yīng)的開路電壓；d0為標準水聽器與測量換能器的距離,0.5 m；M0為標準水聽器靈敏度。

標準水聽器接收到應(yīng)答器的發(fā)射信號，計算應(yīng)答器的發(fā)射聲源級:

SL=20log(Ux)+20log(dx)-M0

(2)

式中，SL為應(yīng)答器的發(fā)射聲源級；Ux為標準水聽器接收到應(yīng)答器的發(fā)射信號對應(yīng)的開路電壓;dx為標準水聽器與應(yīng)答器聲學(xué)換能器的距離；M0為標準水聽器靈敏度。

當(dāng)達到應(yīng)答器接收的臨界狀態(tài)時，應(yīng)答器與標準水聽器接收到的聲壓值相同，因此應(yīng)答器的接收靈敏度為：

M=20lg(U0)-M0

(3)

測量換能器模擬主控機發(fā)射編碼，使應(yīng)答器能正?；貞?yīng)，重復(fù)試驗N次(例如，N取為10)，測試應(yīng)答器應(yīng)答的次數(shù)為M，得到應(yīng)答器的應(yīng)答率為：

η=M/N×100%

(4)

3 硬件設(shè)計

3.1 消聲容器設(shè)計

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測試儀作為一個聲納測試儀器，最基本的就是要提供一個水聲環(huán)境，信號在水中反射主要包括鏡反射、散射、內(nèi)反射聲波及共振效應(yīng)[5]。反射聲具有多普勒頻移、脈沖聲信號的持續(xù)時間拉長、回聲包絡(luò)的不規(guī)則性等特征[6]。 為了準確測試系統(tǒng)器的聲性能，必須消除信號在水中反射造成的這些干擾。該儀器專門設(shè)計消聲容器，隔離外部干擾，消除內(nèi)部多徑效應(yīng)，為整個系統(tǒng)高精度測試提供保障。消聲水槽由箱體、接收換能器、發(fā)射換能器三部分組成。水箱的形狀確定為方形，為了方便移動，同時根據(jù)需要發(fā)射和接收信號的頻率，計算得到消聲容器的尺寸設(shè)計為1.5 m×1.5 m×1.3 m較為合適。水箱材料選用玻璃鋼，可耐海水、酸、堿、鹽的腐蝕及大氣老化環(huán)境。 為了減小信號干涉，在玻璃鋼水箱的內(nèi)壁及表面水層設(shè)計了一層厚16 mm的消聲材料層。吸聲效果明顯。測量換能器包括一個接收換能器和一個發(fā)射換能器，諧振頻率在40 kHz附近的高頻換能器，因為在消聲水箱內(nèi)，發(fā)射響應(yīng)不要求太高，但在測試靈敏度時必須有高的線性度，才能準確測試靈敏度性能。標準水聽器采用球形水聽器，工作頻率為20 Hz～150 kHz。該水聽器在低頻的接收靈敏度很平坦，滿足接收頻段信號要求。

2.2 測試主機設(shè)計

測試主機是整個測試儀的核心部件，負責(zé)發(fā)射不同的測試信號。接收水聽器探測到水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測試儀主控機及應(yīng)答器的回應(yīng)信號，通過對信號的處理計算，判斷主控機及應(yīng)答器的性能好壞[7]。測試主機主要由以下幾個重要模塊構(gòu)成：電源模塊、信號源、信號大小控制、DSP、FPGA、RAM、功率放大、窄帶濾波器接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、程控放大器、數(shù)據(jù)處理、以及USB接口通信。測試主機流程框圖如圖2所示。

圖2 測試主機流程框圖

4 軟件實現(xiàn)

軟件需要實現(xiàn)的功能包括模擬主控機及應(yīng)答器發(fā)射相應(yīng)的編碼信號，采集測量換能器的信號，信號的顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理，計算得到應(yīng)答器及主控機接收靈敏度及發(fā)射聲源級，對應(yīng)答器及主控機工作距離的估計，同時將采集數(shù)據(jù)輸出到文本文件中，方便數(shù)據(jù)的存儲并可打印輸出。測試系統(tǒng)軟件使用LABVIEW圖形化編程語言進行編寫[8]，在臺式電腦或者便攜式PC機上運行。測試人員只需進行簡單的操作即可迅速了解該軟件，外部設(shè)備連接完成以后，用戶在測試界面通過輸入相應(yīng)的參數(shù)要求，點擊按鈕運行程序，便可以進行相應(yīng)的測試工作。

軟件主要包括脈沖信號生成模塊、數(shù)據(jù)采集、處理及顯示模塊。脈沖信號生成模塊用來產(chǎn)生測試所需的模擬應(yīng)答器及主控機發(fā)射信號。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要是對采樣率及存儲等模塊的設(shè)置，采集水聽器的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行計算、判斷處理，其流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理模塊流程圖

用戶通過測試界面對該軟件進行控制，通過下拉列表對A/D、D/A通道進行選擇，手動或通過增減按鈕輸入信號頻率，單擊按鈕，開始進行測試，程序運行后，界面將出現(xiàn)在屏幕居中位置，如果出錯，程序會彈出錯誤提示窗口，用戶應(yīng)根據(jù)提示內(nèi)容進行相應(yīng)操作，并重新運行程序。在測試項目中，可以單獨選擇測試發(fā)射聲源級及接收靈敏度，也可同時測試兩項指標。測試完成后會保存數(shù)據(jù)并形成測試報告。

5 結(jié)束語

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測試儀為聲學(xué)定位設(shè)備提供了一種檢測手段和方法，保證了聲學(xué)定位設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量。同時可移動的消聲水箱、便攜的主機系統(tǒng)、全面的測試報告為用戶在野外驗收、月檢、故障維修提供了更為便捷的手段，保障野外施工能可靠順利地實施。