對(duì)水下線(xiàn)列陣深度測(cè)量的幾種方法探討與研究

許杰

摘?要：目前測(cè)量線(xiàn)列陣水下深度方法很多，但測(cè)量方法、測(cè)量結(jié)果一直是研究者們多次探討的一個(gè)難題。如何把傳感器與線(xiàn)列陣精確的結(jié)合在一起，測(cè)出滿(mǎn)意結(jié)果就存在很多問(wèn)題需要研究。本文主要就是對(duì)柔性（充油）線(xiàn)列陣深度測(cè)量的方法以及每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：線(xiàn)列陣;水下深度測(cè)量;精確測(cè)量;優(yōu)缺點(diǎn)探討

隨著海洋科技的發(fā)展，對(duì)海洋探測(cè)的內(nèi)容越來(lái)越廣泛，而水聲傳感設(shè)備就是應(yīng)用最多的探測(cè)設(shè)備。其中將傳感器做成陣列的各類(lèi)線(xiàn)列陣就是眾多水聲探測(cè)設(shè)備中應(yīng)用最普遍的單元。線(xiàn)列陣應(yīng)用廣泛在海洋探測(cè)、海洋軍事、海洋保護(hù)、岸基防護(hù)、設(shè)施防護(hù)、防恐反恐等領(lǐng)域。尤其近年來(lái)開(kāi)展對(duì)深海的探測(cè)，更多的應(yīng)用線(xiàn)列陣傳感技術(shù)，尤其柔性線(xiàn)列陣即充油線(xiàn)列陣因其制作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單而得到大規(guī)模應(yīng)用。為了能得到更滿(mǎn)意、更精確的測(cè)量結(jié)果，線(xiàn)列陣的測(cè)量參數(shù)也由單一的水聲參數(shù)發(fā)展為現(xiàn)在的多種、多維參數(shù)。除了在線(xiàn)列陣中加入高靈敏度的水聲傳感器外，還要置入其他傳感器，如姿態(tài)傳感器、溫度傳感器、深度傳感器等。其中深度參數(shù)對(duì)研究線(xiàn)列陣一些主要性能參數(shù)起到重要作用，如陣體元器件耐壓程度、水流變化深度、水面距離、測(cè)試目標(biāo)位置等，都與深度參數(shù)相關(guān)。因此，研究線(xiàn)列陣的深度測(cè)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

雖說(shuō)測(cè)量水下深度早已不是難題，尤其壓力傳感器、差壓傳感器在深度測(cè)量中的使用十分普遍，通過(guò)壓力變化就可直接測(cè)出深度。但在線(xiàn)列陣深度測(cè)量方法、測(cè)量結(jié)果方面一直是研究者們多次探討的一個(gè)難題。如何把壓力傳感器與線(xiàn)列陣精確的結(jié)合在一起，測(cè)出滿(mǎn)意結(jié)果呢？本文主要就是對(duì)柔性（充油）線(xiàn)列陣深度測(cè)量的方法以及每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討。

根據(jù)多年生產(chǎn)與科研實(shí)際，我們?cè)诰€(xiàn)列陣深度測(cè)量方面先后做過(guò)很多研究，應(yīng)用壓力傳感器是我們深度測(cè)量主要辦法，下面就各種可以實(shí)現(xiàn)的方法一一論述，從而得出最科學(xué)、最實(shí)用的方法。

1 第一種測(cè)量方法，即機(jī)械直接測(cè)量法

這種方法測(cè)量比較簡(jiǎn)單易行，就是把線(xiàn)列陣以及與線(xiàn)列陣連接的電纜每隔固定距離（如2米、4米等）做好標(biāo)識(shí)，用顏色鮮艷的防水帶纏好，寫(xiě)下從入水端開(kāi)始的每個(gè)標(biāo)識(shí)長(zhǎng)度。當(dāng)線(xiàn)列陣布放于水下時(shí)，即通過(guò)目測(cè)標(biāo)識(shí)數(shù)字來(lái)確定線(xiàn)列陣入水深度。這種方法最早使用，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，無(wú)需借用其他傳感器，無(wú)成本，容易操作。但缺點(diǎn)是首先是測(cè)試前要把線(xiàn)列陣及入水電纜全部拉直、標(biāo)注，比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力;第二是海況不好時(shí)水面起伏大，尤其在夜晚測(cè)試因光線(xiàn)暗看不清標(biāo)識(shí);第三是當(dāng)水下有海流時(shí)，會(huì)造成線(xiàn)列陣傾斜，有時(shí)傾斜角度很大，進(jìn)入水中的深度已不是實(shí)際深度，都會(huì)造成測(cè)量誤差大。有時(shí)誤差可達(dá)幾米、甚至十幾米。假如按標(biāo)識(shí)為20米、傾斜45度計(jì)算，通過(guò)直角計(jì)算，深度誤差就達(dá)6米，已超過(guò)40%誤差。

2 第二種測(cè)量方法，傳感器綁縛測(cè)量法

把壓力傳感器焊接在一根電纜一端，進(jìn)行水密硫化，制成細(xì)纜，與線(xiàn)列陣綁縛在一起，把壓力傳感器定位在線(xiàn)列陣需要測(cè)量位置后一并放入水中。由壓力隨水深變化而測(cè)出線(xiàn)列陣所處深度。此方法優(yōu)點(diǎn)由于通過(guò)壓力傳感器測(cè)量，易于觀測(cè)，而且傳感器精度很高，測(cè)量又是開(kāi)放測(cè)量，即壓力孔直接入水，因此測(cè)量比較準(zhǔn)確，維護(hù)也方便，其測(cè)量精度可達(dá)0.5%。但缺點(diǎn)是成本高（需要另制線(xiàn)纜）、以及在線(xiàn)列陣布放、收回時(shí)十分不便，不能用絞車(chē)一并收回。最重要的是深度傳感器的線(xiàn)纜要穿過(guò)線(xiàn)列陣的水聲傳感器（若測(cè)量線(xiàn)列陣底部），因此會(huì)對(duì)線(xiàn)列陣的水聲參數(shù)測(cè)量產(chǎn)生影響。

3 第三種測(cè)量方法，置入傳感器封閉測(cè)量法

此方法是把壓力傳感器直接置入到線(xiàn)列陣的陣芯中進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)壓力傳感器數(shù)值變化來(lái)計(jì)算深度。置入位置、數(shù)量可以按要求隨意布放。此方法優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，成本低，利于布放。但缺點(diǎn)是由于線(xiàn)列陣內(nèi)為充油，具有一定的壓力，線(xiàn)列陣自身有一定的長(zhǎng)度，一般長(zhǎng)度為幾十米，甚至更長(zhǎng)。當(dāng)線(xiàn)列陣處在水下某一深度時(shí)，線(xiàn)列陣中不同深度造成不同壓力，就會(huì)造成壓力數(shù)值非水深變化帶來(lái)的額外變化，測(cè)量就存在一定誤差，該誤差為不確定誤差，大時(shí)達(dá)到10%，小的時(shí)候也在2%～5%之間。

4 第四種測(cè)量方法，封閉傳感器腔體實(shí)現(xiàn)開(kāi)放測(cè)量法

此方法是把壓力傳感器置入到線(xiàn)列陣的特定裝置中，在該裝置的兩端采取封閉壓環(huán)模式。該裝置設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮壓力傳感器的裝置油壓與護(hù)管中油壓保持一致，使壓力傳感器裝置獨(dú)立于線(xiàn)列陣護(hù)管。當(dāng)給線(xiàn)列陣注油時(shí)，打開(kāi)封閉壓環(huán)，在等線(xiàn)列陣注好油后，再封閉鎖緊壓環(huán)。這時(shí)壓力傳感器的壓力孔被封閉在裝置的腔體中，在對(duì)應(yīng)壓力傳感器的壓力孔處把線(xiàn)列陣的外護(hù)套開(kāi)孔，使壓力孔直接接觸水，保證壓力測(cè)量為開(kāi)放測(cè)量。這樣就避免線(xiàn)列陣內(nèi)部壓力對(duì)壓力傳感器的影響，從而得到相對(duì)精確的測(cè)量結(jié)果，此辦法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果精確，優(yōu)于直接置入封閉測(cè)量法，測(cè)量精度也可達(dá)到0.5%～1%。但缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、成本高，最大問(wèn)題是破壞了線(xiàn)列陣的整體結(jié)構(gòu)，降低了線(xiàn)列陣的強(qiáng)度，容易造成線(xiàn)列陣的損壞。

5 最后一種測(cè)量方法，即首端、尾端置入傳感器測(cè)量法

此辦法也是本文作者大力推薦的一種測(cè)量方法。設(shè)計(jì)就是把壓力傳感器置入首端或尾端的連接器內(nèi)，對(duì)外開(kāi)孔直接測(cè)量。把首端或尾端連接器做成可以拆卸、封閉的形式，預(yù)先在里面置入壓力傳感器（壓力傳感器體積盡量?。惭b后再封閉（硫化）與線(xiàn)列陣油腔通道，使壓力傳感器的測(cè)量孔直接對(duì)外。此方案的優(yōu)點(diǎn)一是使傳感器直接開(kāi)放測(cè)量，不受油腔內(nèi)壓影響，保證測(cè)量結(jié)果精確，測(cè)量精度可達(dá)0.5%;二是保持線(xiàn)列陣結(jié)構(gòu)完整，沒(méi)有降低線(xiàn)列陣的強(qiáng)度;三是在布放、收回時(shí)方便操作;四是拆卸簡(jiǎn)單方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。但任何方法都不可能完美，本方法缺點(diǎn)是要求對(duì)首、尾連接器需要特殊設(shè)計(jì)，其連接器成本略有提高。

本文結(jié)論，經(jīng)過(guò)對(duì)以上五種線(xiàn)列陣深度測(cè)量五種方法的分析，找出了每種方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)比對(duì)，作者認(rèn)為第五種方法為目前可靠、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的測(cè)量方法。經(jīng)過(guò)我們對(duì)多個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用，此種測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果十分滿(mǎn)意，是目前測(cè)量線(xiàn)列陣在水中深度的最好辦法之一。雖然如此，使用者也可采取多種方法混合使用來(lái)相互校準(zhǔn)、比對(duì)，如第一種方法可與任何一種方法混用，第二種方法與第五種方法混用等?？傊?，線(xiàn)列陣深度測(cè)量技術(shù)不斷成熟，隨著傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，相信線(xiàn)列陣深度測(cè)量技術(shù)也將愈來(lái)愈科學(xué)、完美，為我們更好認(rèn)識(shí)海洋、掌握海洋、應(yīng)用海洋而服務(wù)。